奥陶纪以来生物贝壳生长纹层与地月轨道参数的演化

1、周瑶琪等：奥陶纪以来生物贝壳生长纹层与地月轨道参数的演化 629奥陶纪以来生物贝壳生长纹层与地月轨道参数的演化周瑶琪1，2，赵振宇1，2，冀国盛21. 石油大学地球化学与岩石圈动力学开放实验室，山东 东营257061；2. 石油大学资源与信息学院，山东 东营257062摘要：通过显微镜、扫描电镜以及微量化学成分分析，对现代瓣鳃类粗饰蚶、花蛤和腹足类纺锤螺，第三纪美壳螺，三叠纪克氏蛤，石炭二叠纪燕海扇，泥盆纪云南贝、颠石燕，奥陶纪震旦角石、赫南特贝等贝壳生长纹层进行了综合研究。结果表明，奥陶纪以来贝壳生长纹层具有年、半年、双周、日、半日生长周期的变化，年中所含双周生长纹层数、双周所含日生长纹数均

2、呈递减的趋势。通过观测计算得出：奥陶纪每年的日数为415.69 d，泥盆纪为407.1 d，石炭二叠纪为400.51 d，三叠纪为393.98 d，第三纪为374.13 d，第四纪为367.4 d，表明自奥陶纪以来有地球自转速度变慢、地月距离增大、月球后退速率减小等变化趋势。关键词：奥陶纪第四纪；生物贝壳；生长纹层韵律；地月轨道参数中图分类号：Q13；P183.3；P184.4 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2005）05-0625-06越来越多的资料表明月球的旋转速度在不断增加，而地球的旋转速度在不断减慢。Runcorn（1964，1969，1970）建议利用古生物钟资料计算

3、地球转动惯量的变化，进而检验宇宙引力常数的变化和月球退离地球的速率1。Pannella（1975）通过识别生物生长纹层的周期，探讨当时起过作用的地质环境和天文周期2。Barker（1964）在美国东海岸现代瓣鳃类贝壳的显微构造中发现了多级生长规律，并反映了当地的潮汐周期3。Berry等（1975）认为瓣鳃类贝壳有由15个生长纹层组成的簇带，解释为在潮汐作用影响下形成的产物4。Rosenberg等人（1975）用电子探针研究了瓣鳃类壳体不同生长纹层微量元素成分的变化，发现生长纹层中钙和硫的含量有相当于双周期潮汐旋回规律性的变化等5。国内尹赞勋等（1976）论证了古生物钟的可靠性6，徐道一（198

4、3）等对地球自转与古生物钟进行了讨论7。目前关于这一方面的研究多集中在珊瑚、叠层石、瓣鳃类3种生物之上。本文通过显微镜、扫描电镜以及微量化学成分分析对现代瓣鳃类粗饰蚶、花蛤和腹足类纺锤螺，第三纪美壳螺，三叠纪克氏蛤，石炭二叠纪燕海扇，泥盆纪云南贝、颠石燕，奥陶纪震旦角石、赫南特贝等生物贝壳生长纹层进行了分析，其中首次展开了腹足类、腕足类、头足类壳体的研究。并对奥陶纪以来地球自转速度的演变、地月距离以及月球后退速率变化等进行了初步讨论。1 奥陶纪以来生物贝壳生长纹层1.1 半年、年生长周期与冷、热生长间断W：冷生长间断；S：热生长间断；A：年生长周期照片1 现代粗饰蚶（Anadara）冷、热生长

5、间断与年生长周期×2Photo. 1 The freeze-shock and heat-shock break and annual growth period of the Anadara in present×2海水温度变化是影响贝壳生长速率的主要因素之一。温度偏低或偏高，都会对壳体生长产生不利的影响，比如生长纹层变窄或出现冷、热生长间断。冷生长间断形成于初冬海水温度明显降低之时，它通常标志着第一次冰点的到来；热生长间断通常发生在初夏高温水流到来的时候，两者特点非常相似4。如照片1现代粗饰蚶（Anadara），冷、热生长间断的典型特征是在壳体的外表面有一个“V”字型刻

6、痕，有机质会从壳体外层一直延伸到内层，形成一个褐色带，多数情况下以上两种间断每年都会发生。这提供了一种精确估计贝壳生长年龄的方法，在贝壳表面可以很容易界定出半年、年生长周期：冷-热生长间断为半年生长周期；冷-冷生长间断为年生长周期。同样，照片2也展示了石炭二叠纪燕海扇（Aviculopenten）的冷、热生长间断及半年、年生长周期。系列1：横坐标2、25处为冬季生长间断，14处为夏季生长间断系列2：横坐标6、30处为冬季生长间断，14处为夏季生长间断图1 花蛤、克氏蛤部分双周生长纹层厚度变化Fig. 1 The width changes of the successive fortnight

7、ly laminates in the part of Astartell and ClaraiaF-双周生长周期照片5 奥陶纪震旦角石(Sinoceras)日、双周生长周期×15Photo. 5 The fortnightly and daily growth periods of the Sinoceras in Ordovician×15F-双周生长周期照片4 现代纺锤螺（Fusus）双周生长周期×15Photo. 4 The fortnightly growth periods of the Fusus in present×15A：年生长周期照

8、片3 三叠纪克氏蛤（Claraia）双周、年生长周期×4Photo. 3 The fortnightly and annual growth periodsof the Claraia in Triassic×4一个完整的年生长周期由约24条次级生长纹层组成。Berry等（1975）在研究了现代瓣鳃类贝壳生长纹层后认为这些次级生长纹层的个数与现代每年潮汐双周数24相对应，并称其为双周生长纹层4。本文样品现代瓣鳃类花蛤（Astartell），年生长周期宽约8.9 cm，由2425条双周生长纹层组成，厚度从0.20.5 mm不等，平均约0.37 mm，整体呈现出窄宽窄的变化趋势

9、（图1-系列1）。对于保存较好的三叠纪克氏蛤（Claraia）化石（照片3）也可观察到这种生长变化趋势，年生长周期宽约10.3 mm，由25条双周生长纹层组成，厚度从0.20.53 mm不等，平均约0.41 mm（图1-系列2）。这种生长模式变化与海水温度的季节变化相对应：124月份温度偏低，贝壳生长速率较低，生长纹层宽度较窄；511月份温度适宜，贝壳生长速率较高，生长纹层相对较宽。1.2 半日、日、双周生长周期与潮汐韵律W：冷生长间断；S：热生长间断；A：年生长周期照片2 石炭二叠纪燕海扇（Aviculopenten）冷、热生长间断与年生长周期×2Photo. 2 The free

10、ze-shock and heat-shock break and annual growth period of the Aviculopenten in Carboniferous-Permian×2日生长纹层由一个碳酸钙层（明纹）和一个有机质层（暗纹）组成。Rhoads和Pannella (1970)，Kennish (1977, 1978) 等曾研究了贝壳的微生长模式指出，贝壳的日生长纹层表明了一个韵律周期。照片4、5分别展示的现代纺锤螺（Fusus）和奥陶纪震旦角石 (Sinoceras) 日生长纹层表明，不同种类贝壳日生长纹层的厚度存在差别，如石炭二叠纪燕海扇（Avicu

11、lopenten），泥盆纪云南贝（Yunnanella），奥陶纪震旦角石（Sinoceras）日生长纹层的厚度分别变化于840 µm、57.5114.9 µm、20.841.6 µm之间（表1）。钙（Ca）碳（C）氧（O）半日纹层个数质量分数/%图3 纺锤螺贝壳双周日纹层化学元素半定量分析Fig. 3 The chemical composition analyze of daily growth increments in a fortnightly laminate of Fusus表1 日生长纹层宽度Table 1 The width of daily in

12、crements /m序号云南贝震旦角石燕海扇11725.025.057.568.9121221833.433.468.980.5122031933.431.2114.978.5202442031.225.091.991.9402652133.432.5114.980.534862241.641.680.591.9363272341.641.668.9103.4344082433.433.468.9103.4283292541.637.591.968.93230102633.441.680.5103.43232112729.133.457.591.93632122825.029.168.980

13、.53630132920.825.068.991.91226143025.029.168.980.51226153129.127.191.991.91612163233.468.91216现代兰蚬（Corbicula）显微结构中还可以看到半日生长纹层（照片6），其典型特征是两条较宽的有机质层中间夹杂着一条较窄的有机质细带，非常明显，此带时有时无，反映了贝壳产地渤海湾附近海域受半日潮汐的影响。泥盆纪云南贝也有这种生长模式出现。纹层宽度/104m图2 纺锤螺显微镜下多个双周日生长纹层宽度变化曲线Fig. 2 Curved line graph of width changes of the dai

14、ly increments of Fusus in microscopeD：日生长纹层；O：半日生长纹层照片6 现代兰蚬（Corbicula）半日、日生长周期×60Photo. 6 The bidaily and daily growth periods ofthe Corbicula in present×60双周生长纹层由约1416条日生长纹层组成。在显微镜下对现代纺锤螺连续生长的日生长纹层个数进行观测发现：壳体双周周期中日生长纹层个数平均约14.5条，宽约73.7 mm，纹层厚度明显表现出宽窄宽的变化，分别对应着潮汐中大潮小潮大潮的韵律周期（图2）；对其化学成分分析显

15、示，壳体主要由碳（C）、钙（Ca）、氧（O）3种元素组成（图3），其中Ca和C的含量呈现出负相变化关系及双周期性变化规律。这充分说明，潮汐作用对于生活在潮间带的海洋软体生物贝壳生长模式的影响是非常显著的呈现双周变化规律。目前，关于海洋软体动物贝壳日生长纹层的形成及其宽窄的影响因素说法不一：Donald C. Rhoads and Richard A. Lutz（1980）认为与壳体自身的生活习性有关。Pittendrigh（1960）认为在生命系统中，近似昼夜节律是内生的，是自我规定的振荡，断然否定了除光和热外其他环境条件的作用。Licht（1972）也有类似的意见。Barker（1964），

16、Pannella和Macclintock（1968），Rhoads和Pannella（1970）等指出水温和年龄是两个主要的影响因素4。笔者通过对第三系湖泊相美壳螺（Cochliopa）的研究发现，日生长纹层厚度的双周变化规律并不明显，而且生长纹层的完整性也比较好，很少有分叉、折断现象发生，充分说明了贝壳生活在较为平静的水体环境中，这与海相生物贝壳日生长纹层厚度具有明显的双周变化规律不同，证明了潮汐作用也是海相贝壳日生长纹层厚度变化以及半日生长纹层有无的主要控制因素之一，同时也说明了用海洋软体动物来标定潮汐韵律周期的准确性，其简单机理见表2。表2 潮汐对贝壳生长的影响Table 2 The c

17、hanges of growth increments in tides潮汐类型物理条件化学条件结果涨潮水体动荡加剧，氧气含量较高，食物充分循环，此时壳体双壳张开，体内进行有氧呼吸壳体内部pH值升高，促使化学平衡：Ca2+HCO3-ÛCaCO3H+ 右移沉淀CaCO3，形成钙质层明纹落潮情况相反，此时壳体的双壳闭合，酸脂含量开始升高，即H+开始增加促使以上化学平衡向左移动，Ca2+随体液、新陈代谢流出形成有机质层暗纹大潮水体大范围波动，氧气含量更高，食物来源更加丰富含有钾、钠、氯等微量元素形成较宽的日生长纹层小潮情况同大潮相反含有少量微量元素形成较窄的日生长纹层泥颗粒照片9 现代兰蚬

18、（Corbicula）风暴间断×6Photo. 9 The storm break of the Corbicula in present×61.3 贝壳生长纹层间断与随机事件照片7 现代粗饰蚶（Anadara）产卵间断×2Photo. 7 The spawning break of the Anadara in present×2贝壳生长纹层的间断主要包括产卵间断、侵蚀间断、风暴间断以及冷、热生长间断等，记录了生物生长过程中遇到的各种随机事件。产卵间断为贝壳产卵期间正常的日生长模式突然终止，同时被一些薄的、模糊不清的生长纹所替代，一般薄生长纹周期的长短

19、与产卵周期相对应，壳体外部结构常为“十”字纹层（照片7）。侵蚀间断为海浪作用使贝壳破坏或在贝壳迁移过程中磨蚀砂体或岩石留下的痕迹，在壳体外表面产生一条起伏不平的裂纹，在间断前后生长纹层的厚度无明显变化，由于加速修补整个修补区的生长纹层与周围的正常生长模式不同，表现为颜色加深，有机质含量偏高（照片8）。风暴间断是由风暴作用导致贝壳生长纹层的间断，其特征是贝壳的正常日生长模式突然发生中断，之后又突然恢复，在间断前后生长纹的厚度无明显变化，但在间断附近的生长纹层中可含有泥沙颗粒（照片9）。通过研究生物贝壳生长纹层间断可推知贝壳生长期间所发生的某些随机事件。照片8 现代平顶螺（Truncatus）磨蚀

20、间断×2Photo. 8 The abrasion break of the Truncatus in present×22 奥陶纪以来地球自转速度的演化以现代贝壳生长纹层的韵律性研究为基础，对奥陶纪以来生物贝壳生长纹层的韵律性进行了系统的观测与统计，通过计算获得奥陶纪有关地球自转速度的各种参数，其结果见表3。将每年太阳日天数与Wells（1970）对珊瑚化石的统计结果相比较一般相差14 d，三叠纪每年太阳日天数相差约12 d8，其原因与生物生长过程中受到随机事件的影响有关。计算参数的有关公式如下：地史时期每年太阴日数：Ay=Fa×Da其中Ay为每年太阴日天数；F

21、a为每年潮汐双周数；Da为双周周期中日生长纹数。每年太阴日数和太阳日数之间的相互转化公式9：Ad=1.03×Ay表3 奥陶纪以来地月轨道参数Table 3 Orbital parameter of the Earth-Moon from Ordovician to Quaternary地质时代化石名称标本数每月太阴日数每年双周每年太阳日数/d每日小时/h地月距离/地球半径月球后退速率/(cm×a-1)恒星月每年天数1)/d第四纪纺锤螺红螺贻贝529.0024.60367.402460.273.713.37360第三纪美壳螺129.4024.71374.1323.4560.1

22、83.7413.41371三叠纪克氏蛤330.6025.00393.9822.2559.883.8313.5381石炭-二叠纪燕海扇米克贝330.8025.25400.5121.8959.523.9613.63398泥盆纪云南贝颠石燕爱曼妞弓石燕631.0025.50407.1021.5359.154.1013.75406奥陶纪赫南特贝震旦角石隐月贝等731.3125.78415.6920.8358.764.2513.894121) 为Wells（1970）对珊瑚化石的统计结果其中Ad为每年太阳日天数；Ay为每年太阴日天数；1.03为现今每年太阳日天数和太阴日天数之比值。地史时期太阳日的小时数

23、：th=Ao×24/Ad其中Ao为现代每年太阳日天数；th为地史时期太阳日的小时数。地史时期恒星月数： Ts=Fa/2+1其中Ts为地史时期恒星月数；Fa为每年潮汐双周数。地史时期地月之间的距离_开普勒运动第三定律：(l0/l)2=(d0/d)3其中l0、l分别为现代和古代恒星月长度；d0、d分别为现代和古代地月之间的距离。地史时期月球后退的平均速率10：v=v0(d0/d)-11/2其中v0为d = d0时月球的平均后退速率；v为地史时期月球后退的平均速率。根据以上数据，并参考Wells（1970）、Pannella（1972）有关白垩纪、侏罗纪、志留纪（珊瑚化石、瓣鳃类化石）的统

24、计结果9，绘制出奥陶纪以来每年太阳日天数变化趋势图（图4）。从图可以看出自奥陶纪以来地球自转速度呈变慢的趋势，但并非完全的线性关系。从表3可以看出奥陶纪以来地月距离不断增加、月球后退速率不断减少。上述结果与E.Williams（1990）、周瑶琪（2002）等人从潮汐韵律研究所得的结果相一致10, 11。3 结论通过对奥陶纪以来海洋软体生物贝壳生长纹层模式的分析和研究，主要得出以下四点结论。（1）潮间带海洋软体生物贝壳生长纹层具有五级生长规律，分别为年、半年、双周、日和半日生长周期。研究表明自奥陶纪以来，年中所含双周生长纹层数、双周所含日生长纹层数均呈递减的趋势。地史时期每年天数/d地史时期/

25、Ma图4 奥陶纪以来每年太阳日天数趋势Fig. 4 The solar days of a year form Ordovician to Quaternary（2）通过海、湖相贝壳生长纹层对比，进一步肯定了潮汐作用对于生活在潮间带海洋软体生物贝壳生长模式影响的显著性，同时也说明了用海洋软体动物贝壳生长纹层来标定潮汐韵律周期的准确性。（3）对于贝壳生长纹层中各种随机生长间断的研究，可推知在贝壳生长期间所发生的某些随机事件，其中化石中微量元素的变化，可作为环境突变的指示剂。（4）通过观测计算得出：奥陶纪每年的日数为415.69 d，泥盆纪为407.1 d，石炭二叠纪为400.51 d，三叠纪为3

26、93.98 d，第三纪为374.13 d，第四纪为367.4 d，表明自奥陶纪以来有地球自转速度变慢、地月距离增大、月球后退速率减小等变化趋势。参考文献：1 ALLEN J R L. Lower Cretaceous tides revealed by crossbedding with mud drapesJ. Nature, 1981, 284: 579581.2 PANNELLA G. Paleontological evidence on the earths rotational history since early PrecambrianJ. Astrophys Space Sc

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