距今约一亿年前后的白垩纪时期，地球是一个与今天截然不同的世界。漫山遍野的植被多为松柏类、苏铁类、银杏类等裸子植物和蕨类植物。被子植物正悄然兴起，各种各样的恐龙是陆地上的统治者（图1）。这些动植物生活的全球气候比现今更为温暖，而且两极几乎没有冰，是地球历史上典型的温室气候时期。

那么，科学家们是如何获知这段已经尘封了长达亿万年的恐龙时代的气候环境变迁史呢？我们知道，了解人类历史可查阅史书记载，再往前则依靠考古发现（新旧石器等）。恢复亿万年前的地球历史同样需要查阅“地球档案”，包括当时的沉积物、各类化石等（图2）。例如，白垩纪时期的地球面貌，就是依据在白垩纪沉积物中发现的爬行动物化石和裸子植物化石等证据来恢复的。本文重点介绍的主角——介形虫化石，也为科学家们探知恐龙生活时期的地球环境提供了重要材料。

 

典型的“地质历史档案”包括古湖泊沉积物和古海洋沉积物等。海洋、湖泊中长年累月沉淀下来的碎屑物质、动植物遗体等，经过沉积和成岩作用，形成了类似“千层饼”的沉积岩层（图3）。通常情况下，从底部到顶部的每一层沉积层由老到新记录了当时的地质历史。

然而，很多大型古湖泊/古海洋沉积物通常会掩埋在数百到数千米的地下，科学家们想查阅这类“沉积档案”，则需要借助钻井取芯的方法。钻井取芯解决了获取“连续沉积记录”的问题，但是身长动辄十几米甚至几十米的恐龙、或者几厘米至几十厘米的鱼类等大化石，在野外剖面中数量稀少，更难以在十几厘米中的岩芯样品中发现。

这时候，介形虫等微体化石的优势就体现出来了。介形虫外形长得像小豆子，分类上属于节肢动物门甲壳纲，具有可以完全包围整个身体的钙质双瓣壳（图4, 5）。介形虫是最多样化的甲壳类之一（估计有超过20000个现生种，其中只有大约8000个被描述过），并且有约5亿年的化石记录，有超过65000个化石物种被描述。由于介形虫的个体通常只有0.4~2 mm，100 g的岩芯样品中可以找到成千上万个介形虫化石，有的岩芯层位甚至就是“芝麻饼状”的介形虫层，可以为科学家提供充足的研究材料。

除了数量丰富外，介形虫还广泛分布于各种水体环境中，它们的生活、繁衍、迁徙等活动与水体环境和气候的变化息息相关。科学家们可以通过地质历史时期沉积物中保存下来的介形虫来恢复当时的古气候、古环境特征。例如：介形虫有自己固定的栖息地，从不到处漂泊，在深湖生活的种类很少到滨浅湖处栖居；在滨浅湖处生活的种类也很少到深湖去邀游。古生物学家根据介形虫的这一习性，就能估算出古湖泊的深浅。

又如，介形虫在分泌生长新的钙质壳体时，壳体的组成元素（Ca、Mg、O等）来源于其生活时水体中的元素离子，就是说，介形虫壳体的元素组成与其生活时的水体中的元素组成相关；又由于介形虫的生长周期很短，相对于万年、十万年等地质时间尺度来说，这种记录几乎是瞬时的。因此，科学家们可以通过测试地质时期介形虫化石壳体中的元素特征来捕获古湖泊水体化学特征的变化过程。而古湖泊水体化学的变化又受到古气候、古环境等因素影响。于是，科学家们通过介形虫化石获取的古湖泊/古海洋水体化学数据就可以用来反演当时的古气候（例如古温度等）变化过程。

通过介形虫壳体地化反演古温度一般用的是氧同位素的比值法。所谓氧的同位素，即同属氧元素（O）但具有不同质量数的氧原子，如16O，17O和18O，即氧的三种同位素，氧元素符号左上角的数就是它的质量数。显然，18O的质量大于16O。18O不易蒸发，16O易蒸发。因而，在夏天高温时，水中所含16O减少，故18O/16O的值增加；冬天低温时，18O/16O的值减小。据此，测定岩芯中介形虫壳体中的18O/16O值的变化，即可推断古温度的变化（图8）。

利用介形虫等微体化石壳体地化数据反演古气候变化比较成功的案例是大洋钻探计划项目（IODP）。科学家们通过大洋钻探计划项目（IODP）在全球各个海洋中获取了数量众多的保存连续的古海洋沉积地层岩芯。通过分析岩芯中获取的保存连续的微体化石（介形虫、有孔虫等）地化特征，成功还原了地质历史时期（主要是晚白垩世至第四纪）的古气候温度变化过程。近年来，被誉为“金柱子”的松科钻井在松辽盆地获取了累计达万米的岩芯样品，岩芯中保存的丰富的介形虫化石为探索白垩纪东北亚地区陆相古环境、古气候等科学问题立下了汗马功劳（图6~8）。通过上述海、陆两方面的介形虫壳体地化数据及其他方面的证据，科学家们恢复了地质时期的古气候、古环境变化过程，因此，我们才能了解到白垩系恐龙生活时期处于温室气候条件。

总的来说，尽管个体微小的介形虫化石没有恐龙、鸟类等大个体的明星化石引人注目，但介形虫的“小个体”优势，使得它在地层中能够大量的保存下来，为研究同时期地球的古气候、古环境等问题提供了宝贵的材料，不愧“地球环境忠实记录者”的称号。

部分参考文献：

[1] Wang, C., Y. Gao, D. E. Ibarra, H. Wu, and P. Wang (2021), An unbroken record of climate during the age of dinosaurs, Eos, 102, https://doi.org/10.1029/2021EO158455. Published on 17 May 2021.

[2] S. Pan, S. Liang, L. Ma, C. Liu & H. Liu (2017) Genesis, distribution, and hydrocarbon implications of ostracod-bearing beds in the Songliao Basin (NE China), Australian Journal of Earth Sciences, 64:6, 793-806.

[3] Horne, D.J., 2005. Ostracoda. In: Selley, R.C., Cocks, R.M., Plimer, I.R., Encyclopedia of Geology. Elsevier, Oxford.

[4] Horne, D.J., Cohen, A., Martens, K., 2002. Taxonomy, Morphology and Biology of Quaternary and Living Ostracoda. In: Holmes, J.A., Chivas, A.R. (Eds), 2002. The Ostracoda: Applications in Quaternary Research. AGU Geophysical Monograph 131, 5–36.

[5] Chamberlain, C.P., Qiao, W.X., Graham, S.A., Carroll, A.R., Doebbert, A.C., Sageman, B.B., Blisniuk, P., Kent-Corson, M.L., Wang, Z., Wang, C.S., 2013. Stable isotopic evidence for climate and basin evolution of the Late Cretaceous Songliao basin, China. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 385, 106-124.