18 世纪末，一位名叫威廉·史密斯的年轻测量员在英格兰西南部勘察一个煤矿时，注意到一个惊人的规律：从一个地点到另一个地点，岩层（或“地层”）的排列方式是可预测的，相对于彼此的位置总是相同的。
更重要的是，每一层中的化石也保持一致——仅凭其中保存的动植物遗骸，你就可以识别出任何一个特定的地层。
这并非那个特定矿井的巧合。史密斯和其他人很快发现，远近的沉积岩都显示出可靠的化石排序，史密斯称这种现象为“动物群演替”（又过了半个世纪，查尔斯·达尔文才从进化的角度解释了这种生物的更替）。
地质学才刚刚开始形成一门科学学科，这是它最早的关键发现之一。它为该领域提供了一个不可或缺的工具：索引化石。
特定地层的化石
地质学家们意识到，某些化石仅存在于特定的地层中，在岩石记录的其他地方都找不到，这让他们豁然开朗。这意味着，每当他们在新的地方发现相同的化石时，它就充当了一个索引，精确地告诉他们该层在地质层级中的位置——即使岩石是陌生的，他们也可以将其与其他已知的地层联系起来，将世界各地（以及它们早已灭绝的居民）联系起来，创建一个统一的时间表。
两个多世纪过去了，科学家们仍然使用索引化石来完善我们对过去的了解。其中一位是斯宾塞·卢卡斯（Spencer Lucas），一位古生物学家和地层学家——这意味着他研究岩石地层——在新墨西哥州自然历史科学博物馆任职。
“我们正试图尽可能精确地重建地球的历史，”他说。
索引化石的使用方法
尽管我们星球的历程长达令人难以置信的 45 亿年，地层学家们通过将其划分为代、纪、世、期、以及无数的“期”，成功地将深邃的时间进行了排序。这个庞大的系统被称为地质时间尺度。每一个划分都捕捉了那个时刻的特征：在世界各地形成的岩石类型和繁衍的生物。
地质时间尺度的很大一部分是基于索引化石构建的。因为每一种索引化石都代表着一段特定的地质时期，它们提供了一种方便的方式来划分所有这些时期。
例如，根据《地质学百科全书》的一项研究，寒武纪（大多数主要动物群体首次出现的时期）的地层充满了各种奇特而美妙的三叶虫，这是一种早已灭绝的海洋节肢动物；这套独特的物种使 19 世纪的地质学家能够将英格兰的寒武纪岩石与欧洲大陆、北美及其他地区的岩石联系起来。类似的突破也发生在其他时期——奥陶纪、志留纪、白垩纪——地球历史的全球叙事由此展开。
确定岩石的年龄
然而，在那时，地质学家和古生物学家所能做的最好的就是将岩层和化石相互关联；他们不知道这些物质*真正*的年龄。然后，在 20 世纪之交，新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）发现了一种确定岩石年龄的方法：放射性测年。
许多岩石含有不稳定的原子，称为放射性同位素，它们会以固定的速率衰变成稳定的同位素。如果你知道这个衰变速率——许多同位素我们都知道——你就可以通过测量样品中衰变同位素的比例来测定岩石的年龄。由于这种数值的精确性，现代地层学家普遍认为放射性测年是黄金标准。尽管有些人仍然倾向于使用化石，卢卡斯开玩笑说“我们正在走向灭绝。”
尽管如此，他认为在可预见的未来，老式的研究方法仍然有其存在的空间。首先，岩石并非总是可以用放射性同位素测定年龄，即使可以，这个过程也不是万无一失的。卢卡斯认为，最好的策略是同时使用这两种方法——索引化石和放射性测年——这样它们可以相互核对。“人们付出了巨大的努力来尝试整合它们，”他说。
变化的化石记录
索引化石的地位并非人人皆可拥有；最好的索引化石地理分布广泛且易于识别，它们属于存在时间相对较短的物种。但是，只要候选化石符合这些标准，地层学家就不会挑剔：盘旋的菊石、鳗鱼状的牙形石、乌龟、恐龙和哺乳动物都曾享有作为我们地质时间指南的荣誉。“像我这样的人每天都在使用它们，”卢卡斯说，“通常非常可靠。”
但是索引化石的问题在于，有时即使是最有希望的化石也会失效。最后一个标准——存在时间相对较短的物种——随着古生物学家发现新的化石，总是可能被修改。事实上，所谓的索引化石有时会出现在人们意想不到的地方——在比预期更老或更年轻的岩层中。当这种情况发生时，它们的地位必须被撤销。
一个持续的争议围绕着所有化石中的王者：霸王龙 (Tyrannosaurus rex)。卢卡斯说，“霸王龙是无可争议的，分布在从蒙大拿到德克萨斯州，看起来像一个相当好的索引化石。”但是，根据《科学报告》的一项研究，尽管专家们曾认为它只生活在白垩纪晚期的最后 200 万年，直到小行星撞击，但最近发现的一种更古老的暴龙——它可能代表着不同的物种，也可能不是——使得情况变得复杂。
如果霸王龙失去索引化石的地位，它将是这类“牺牲品”中的最新一个；事实上，卢卡斯认为，绝大多数被提出的索引化石最终都被证明是“冒名顶替者”。实际上，根本不存在确定的索引化石——只有等待下一次挖掘被证伪的假说。
像任何科学一样，地层学通过一个接一个的发现来进步，新的证据推翻旧的理论。尽管我们迄今为止学到了很多，但地球地层的叙事远未完成。正如卢卡斯所说，“还有几个世纪的工作要做，轻松得很。”
文章来源
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- 本文引用了《地质学百科全书》最新研究的信息：生物地层学
- 本文引用了《科学报告》的最新研究信息：北美南部坎帕尼亚期-马斯特里赫特期巨型暴龙及暴龙科的巨型化进化
