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生物層序学は、岩石層に含まれる化石群集を用いて岩石層の相関関係を定め、相対年代を割り当てる層序学の一分野です。 [ 1 ]生物層序学の主な目的は相関関係の確立であり、ある地質断面の特定の層準が、別の断面の別の層準と同じ時代を表していることを示すことです。堆積環境の局所的な変化により、同じ時代の堆積物でも見た目が全く異なることがあるため、これらの層に含まれる化石は有用です。例えば、ある断面は粘土と泥灰岩で構成されているのに対し、別の断面はより白亜質の石灰岩で構成されているかもしれません。しかし、記録された化石種が類似している場合、2つの堆積物はほぼ同時期に堆積したと考えられます。理想的には、これらの化石は生物帯の特定に役立てられます。生物帯は基本的な生物層序単位を構成し、各断面で発見された化石種に基づいて地質時代を定義します。
生物層序学の基本概念は1800年代初頭に導入されました。デンマークの科学者で司教のニコラス・ステノは、岩石層が地層累重の法則と相関していることを認識した最初の地質学者の一人でした。科学技術の進歩により、18世紀には化石は絶滅した種が残した遺骸であり、岩石記録の中に保存されたものであるということが受け入れられるようになりました。[ 2 ]この方法は、チャールズ・ダーウィンがその背後にあるメカニズム、つまり進化を説明する前から確立されていました。[ 3 ]科学者のウィリアム・スミス、ジョルジュ・キュヴィエ、アレクサンドル・ブロンニャールは、化石が一連の年代的出来事を示しているという結論に達し、岩石層の層をある種の単位として確立し、後に生物帯と呼ばれるようになりました。[ 4 ]ここから科学者たちは、地層と生物帯の変化を異なる地質時代と関連付け、主要な動物相の変化の中に境界と時間区分を確立し始めました。 18 世紀後半までに、これらの発見によりカンブリア紀と石炭紀は国際的に認められるようになりました。20 世紀初頭には、技術の進歩により科学者は放射性崩壊を研究できるようになりました。この方法論を用いることで、科学者は放射性崩壊によって化石中に見られる同位体から、地質年代、異なる時代 (古生代、中生代、新生代) の境界、および紀 (カンブリア紀、オルドビス紀、シルル紀) を確立することができました。[ 2 ] 21 世紀の現在の生物層序学の用途には、岩石層の年代の解釈が含まれており、これは主に石油およびガス産業で掘削ワークフローと資源配分に使用されています。[ 5 ]
化石群集は、従来、地質時代の期間を示すために用いられてきた。初期の地層学者が新たな時代区分を設けるには、動物相の大幅な変化が必要であったため、今日私たちが認識しているほとんどの時代区分は、大規模な絶滅事象または動物相の交代によって終結している。
階とは地層の主要な区分であり、それぞれが体系的に連続し、固有の化石群を産出する。したがって、階は同じ主要な化石群を含む地層のグループと定義できる。この概念の考案者はフランスの古生物学者アルシド・ドルビニとされている。彼は、各階の基となる特徴的な化石を産出する、特に良好な地層断面を持つ地理的な場所にちなんで階を命名した。
1856年、ドイツの古生物学者アルベルト・オッペルは、ゾーン（生物帯、またはオッペル帯とも呼ばれる）の概念を提唱した。ゾーンとは、化石の出現範囲が重なり合う地層からなる区分である。ゾーンは、そのゾーンの基底で選択された種の出現から、次のゾーンの基底で選択された別の種の出現までの期間を表す。オッペルのゾーンは、示準化石と呼ばれる特定の特徴的な化石種にちなんで名付けられている。示準化石とは、そのゾーンを特徴づける種の集合体の中から選ばれた種のことである。
生物層序学では、最も基本的な測定単位としてゾーンを使用します。これらのゾーンの厚さと範囲は、数メートルから数百メートルまで様々です。また、水平面で到達できる範囲は、地殻プレートと地殻変動に依存するため、地域的なものから世界的なものまで様々です。これらのゾーンの範囲を変えるリスクのある地殻変動プロセスには、変成褶曲と沈み込みの 2 つがあります。さらに、生物層序単位は、分類群範囲生物帯、[ 6 ]同時範囲生物帯、[ 6 ]間隔生物帯、系統生物帯、集合生物帯、および豊富生物帯の 6 つの主要な生物帯に分けられます。
分類群範囲バイオゾーンは、単一の分類群の既知の地層学的および地理的な出現範囲を表します。同時範囲バイオゾーンは、指定された 2 つの分類群の同時、一致、または重複する範囲を含みます。間隔バイオゾーンは、2 つの特定の生物層序面間の地層を含み、出現の最低値または最高値に基づいて設定できます。系統バイオゾーンは、進化系統の特定のセグメントを表す種を含む地層です。群集バイオゾーンは、その中に 3 つ以上の分類群の固有の組み合わせを含む地層です。豊富バイオゾーンは、特定の分類群または分類群のグループの豊富さが、セクションの隣接部分よりも有意に大きい地層です。
示準化石（ガイド化石、指標化石、年代決定化石とも呼ばれる）とは、特定の地質時代や環境に特徴的な、特定の植物や動物の化石化した遺骸や痕跡であり、それらを含む岩石の識別や年代決定に利用できる。実用的な示準化石は、垂直方向の時間範囲が限定され、地理的に広く分布し、進化の傾向が速いものでなければならない。そのため、遠く離れた場所にある岩石層であっても、同じ示準化石種を含む場合は、その種が生息していた限られた期間に形成されたことが分かる。
示準化石は、もともとは地質単位を定義・識別するために用いられ、その後、地質時代を定義する基礎となり、さらに動物相の段階や帯を定義する基礎となった。
アンモナイト、グラプトライト、アーケオキアトゥス、イノセラミド、三葉虫は、生物層序学で広く使用されている示準化石として多くの種が同定されている動物群です。アクリターク、キチノゾア、コノドント、渦鞭毛藻シスト、介形虫、花粉、胞子、有孔虫などの微化石種も頻繁に使用されます。異なる化石は異なる時代の堆積物に適しています。たとえば、三葉虫はカンブリア紀の堆積物に特に役立ちます。アンモナイトとイノセラミドの長い一連の種は、白亜紀後期の超温室期に世界中で発生した環境イベントを相関させるのに特に役立ちます。[ 7 ] [ 8 ]
化石がうまく機能するためには、地理的に広く分布している必要があり、様々な場所で発見される必要がある。また、種としての寿命が短いことも重要であり、堆積物中に取り込まれる期間が比較的短い必要がある。種の寿命が長ければ長いほど、地層の精度は低下するため、アンモナイトのように急速に進化する化石は、オウムガイのように進化がはるかに遅い形態の化石よりも好まれる。
生物層序学的相関は、個々の種ではなく動物群集に基づいて行われることが多い。これは、群集内のすべての種が共存していた期間が、個々の種の期間よりも短いため、より高い精度が得られるからである。さらに、サンプルに1種しか存在しない場合、(1) 地層がその生物の既知の化石範囲内で形成されたか、(2) その生物の化石範囲が不完全に知られており、地層が既知の化石範囲を拡張していることを意味する可能性がある。たとえば、生痕化石Treptichnus pedumの存在はカンブリア紀の基底を定義するために使用されたが、その後、より古い地層で発見されている。[ 9 ]化石が保存しやすく識別しやすい場合は、地層のより正確な時間推定が可能になる。
陸上の後期中新世、鮮新世、更新世の堆積物では、ハタネズミの歯が示準化石としてよく用いられます（「ハタネズミ時計」と呼ばれることもあります）。ハタネズミの歯のサイズ変化に基づいて、特定の堆積物の年代を高精度で特定できると主張する著者もいますが、ハタネズミの歯のサイズ変化は時間とともに一方向ではなく、しばしば傾向が逆転するため、この仮定は批判されています。[ 10 ]
動物相の遷移の概念は、19 世紀初頭にウィリアム・スミスによって理論化されました。スミスは岩石層を研究していたとき、岩の露頭には独特の化石群が含まれていることに気づき始めました。[ 11 ]これらの遠く離れた岩の露頭に似た化石が含まれているという考えは、スミスがイングランド全土の岩層を分類することを可能にしました。スミスはこれらの岩の露頭の研究とイングランド各地の地図作成を通して、岩層にはほとんど同じ種が含まれているかもしれないが、これらの化石群内または群間に微妙な違いがあることに気づき始めました。最初は同じに見えたこの群集の違いが、動物相の遷移の原理につながり、化石生物は明確かつ決定可能な順序で互いに交代し、したがってどの時代もその化石の範囲によって分類できるという原理になりました。[ 12 ]