华南晚奥陶世-早志留世海洋环境中碳酸盐岩的成因

华南晚奥陶世-早志留世海洋环境中碳酸盐岩的成因

现在，对奥陶纪末生物灭绝原因的认识是一致的。甘美尔河流域的羌河流域开始减少，海水温度降低，海盆地底部被淹没。此后，志留纪初，由于冰川一体化和快速的海上入侵，亚区生物群坍塌，导致显生宇五个灭绝事件的第一位。冰期的持续时间也不同。在不同的古纬度和古地理背景下，即使在同一高度（现在的北美）上获得的结论也是不完全一致的。根据不同的古感受理论，即使在同一个房间的同样类型的病例（现在的北美）也没有完全适应。根据长冰期的理论，在晚奥陶世“卡拉多克”（现为开普）的末端（10ma）和短冰期（仅限于海南特期）（0.5-1ma）；此外，在赫蒙特尔之前，气候变得复杂。大多数科学家认为只有一个冰期，但copp在加拿大东部发现了三个。此外，尽管志留纪初的气候快速变化和寒冷，但它们是不同的。这些讨论的各自证据来自不同的区域地质背景。地球历史时期，世界气候的强烈变化对不同海拔地区的影响和方式有很大的不同。因此，通过对不同宽度和不同古地理上不同板块的生物积累数据进行详细分析，我们可以知道世界的综合结论。中国南部板块是一个有着独特“土地”厚度的事件记录。经过多年的研究和不同角度的生物地层学、荒漠化和恢复模式、地球化学和古地理的详细研究，已经取得了许多重要成果。在分析海水温度变化所必需的生物沉积层的时空变化时，并通过分析地形模型来探索区域模型与全球事件的融合。15晚奥陶世沉积期岩相古地理格局奥陶纪是全球海泛期,大规模的碳酸盐岩建造在中国华北板块、塔里木板块和华南板块的扬子区,表现尤为明显.奥陶-志留纪之交全球冷暖交互的“多事之秋”,所发生的事件在当时的生物圈、水圈和大气圈皆有反映.华南当时位于南半球环冈瓦纳大陆中低纬度区,由于周边古陆的扩增形成了一个半封闭陆表海的特殊环境,目前还未发现直接的冰川沉积物,但却具有独特的岩相分异.具有特殊环境指相意义的碳酸盐岩必然对这次气候变化过程留下清晰的记录,成为探讨古气候演化理想的载体,其沉积特征、时空分布上不但与全球气候—生物事件发展的总体趋势相关,也强烈地受控于古地理变迁.由于受陆地扩增和奥陶纪末短暂海退的双重影响,晚奥陶世的华南板块突现出比早、中奥陶世更显著的岩相和生物相分异,总体上表现为碳酸盐岩的生产量和分布范围明显缩减,缺乏穿越奥陶-志留系连续沉积碳酸盐岩的单一剖面,所发育的碳酸盐岩多为近岸型或陆表浅海型,且空间分布局限,缺乏深海型沉积.按最新的奥陶系划分方案,晚奥陶世划分为3个期,即从早到晚的桑比期、凯迪期和赫南特期.据详细的生物地层学资料[13,15,17,18,19,20],可将华南不同地区和层位所发育的碳酸盐岩划分为5个历时短暂、相互衔接的单元.本文所涉及的晚奥陶世地层单元占3个时间段,即:凯迪晚期(原对比中阿什极期,现据Zhang等拟订为凯迪晚期)浙赣边区下镇组—三衢山组的点礁生物层—灰泥丘组合;凯迪末期(原对比为罗塞末期,即按现标准拟订的凯迪末期)川西汉源大渡河组灰泥丘;赫南特期上扬子区的观音桥层灰岩;志留纪早期占2个时间段,即:兰多维列世鲁丹早期和鲁丹晚期黔东北地区的香树园组下段灰岩.代表剖面点和5个时间片段实例之时空分布见图1.这些碳酸盐岩的地层古生物学和岩石特征综合显示于图2,鉴于其生物相和岩相已有详细的文献记录,本文仅作提纲挈领地概述.1.1结构内海水礁组合晚奥陶世的扬子区是五峰组滞流台地相黑色笔石页岩,仅在华夏古陆北缘浙赣边区的玉山、常山存在一个浅水碳酸盐岩台地,发育下镇组的层状礁和点礁群.造礁分子为丛状珊瑚、块状层孔海绵以及细枝状苔藓虫.栖礁生物有腕足类、腹足类、头足类和大量的棘皮类,局部点礁的正向地貌隆起能达到相当规模而产生礁前塌积岩,低分异度的层孔海绵或腕足类形成生物层;与之同期异相向北延伸的台地转折区,发育厚度超过千米的三衢山组泥粒灰岩、白云质灰岩、生屑灰岩和鲕粒灰岩,夹含有4期、累计厚度超过500m的蓝菌类和钙藻灰泥丘建造.这些礁相单元从台地到斜坡形成西南—东北向由浅而深的海底地貌排列,共同建造礁组合;同期介于华夏古陆和扬子地台之间的盆地区沉积长坞组页岩.这期灰岩建造的特点是范围局限,却厚度大,生物分异度高.从下镇组顶部的高岭石风化壳和鸡头山灰泥丘由北向南退积、灰泥丘建造经历了台地斜坡—台地边缘—台地内部的更替等证据,可推断这套礁组合因华夏古陆北扩、沉积区抬升的截切效应而终止于冰川事件到来之前.1.2上分层开采影响下的底栖藻扬子地台西缘临近康滇古陆的川西汉源,是华南在这一时间片段中唯一的碳酸盐岩分布区,以轿顶山剖面大渡河组为代表.大渡河组下部为含菱锰矿硅质页岩,其笔石组合可对比到Dicellograptuscomplexus带,轿顶山剖面大渡河组上部藻席富集层厚0.54m,与轿顶山临近的大瓦山剖面由底栖藻建造的点礁可达15m厚.底栖藻的类型按形态划分有两种:叶状藻和丛状藻,叶状藻起障积作用,丛状藻起粘结作用,并能聚积成核形石;之上为赫南特期的主冰期沉积,即南郑组0.6m厚的深灰色中厚层细砂岩,含微晶灰岩角砾和生物骨屑灰岩透镜体,具有主冰期时段的“Hirnantia”动物群分子,上部渐变为泥岩和钙藻硅质灰岩的海退序列.这一地层序列,特别是大渡河组形成期间古盐度的增高,表明了大渡河组的藻席和灰泥丘建造时间基本吻合于冈瓦纳大陆冰川逐渐凝聚淡水的海退阶段,随之而来的是主冰期最大幅度降温和典型凉水型Hirnantia动物群的出现.1.3礁相及沉积相华南奥陶-志留系界线附近的连续沉积多见于扬子区远岸带,近岸区由于更易受到冈瓦纳大陆冰川凝聚大量淡水导致全球海退的控制,表现为不同程度的地层缺失,这一时限内岩相和生物相的重要转换标志是:扬子区普遍结束了五峰组黑色笔石页岩沉积,出现了观音桥层的灰岩及其壳相动物群,之后被海进序列的龙马溪组页岩所超覆,因此,上扬子区奥陶-志留系之间的岩相可简称为“两黑夹一灰”,即分别为滞流分层水体沉积的五峰组和迅速海侵沉积的龙马溪组两套黑色笔石页岩夹含观音桥层的壳相灰岩沉积,观音桥层沉积的时限为1—1.5个笔石带(Normalograptusextraordinarius带至N.persculptus带下部),正好吻合于主冰期,且无任何赋存生物礁的迹象,据这期灰岩的生物、沉积特征以及其展布区与古海岸线距离,可分为两种类型:(i)近岸型:以黔北石阡、凤冈、仁怀以及毕节一线靠近滇黔桂古陆海岸线的剖面为代表,凉水型腕足类Hirnantia动物群中的最典型分子不占优势,而赋存其他更宜居于非凉水生长的珊瑚、苔藓虫、腹足类、双壳类和钙藻等,这类壳相化石在古生代多与礁相沉积单元相关;特别是石阡和凤冈一线出现特别典型的暖水标志物:鲕粒灰岩,总体岩性特征指示中—高能浅滩环境.局部地点灰岩厚度显著增高,如凤冈的硐卡拉剖面,观音桥层灰岩厚度可达11.5m.(ii)远岸型:这一时期远岸区黔北、川东和鄂西发育多个独立的灰岩台地,单个台地可延伸数百千米,沉积特征以鄂西宜昌为代表,发育从五峰组到龙马溪组连续沉积.观音桥层产典型凉水相腕足类Hirnantia动物群特征分子和少量三叶虫Dalmantina,缺乏其他门类如珊瑚、苔藓虫、钙藻等,多具非浅水、低能静水带的沉积特征.灰岩生产力低,百万年时限内沉积的厚度经常少于1m.1.4生物骨屑岩的组成和组成扬子区的志留纪沉积是伴随着冈瓦纳大陆冰盖消融、龙马溪组海侵页岩开始的,龙马溪组是穿时的地层单位,最早结束笔石页岩、始现这一时期的灰岩沉积分布于黔中古陆北缘滨岸的石阡一带.龙马溪组岩性为灰绿、黄绿色页岩和钙质粉砂岩,产笔石Normalograptusmadernii,N.lubricus,N.persculptus,Neodiplograptusbicaudatus,相当于鲁丹初期的Akidograptusascensus带,夹薄层砂岩或泥灰岩结核和灰岩透镜体,灰岩中生物骨屑成分为腕足类、三叶虫,数量少,向上生物分异度和丰度渐增,主要是三叶虫Latiproetus,腕足类Levenea?sp.,Eospirifersinensis,Beitaiamodica,珊瑚Brachyelasmacf.sibrricum,Brachyelasmaminor,海百合茎和腹足类,尚无珊瑚、苔藓虫和层孔海绵.这些化石个体破碎程度较高,指示的环境为近岸浅水高能带的贝壳滩相,缺乏具格架岩性质的砾屑;向上的香树园组薄层生物灰岩中首现四射珊瑚.1.5生物层的创造四射珊瑚开始复苏后,其分异度逐渐增高,丰度从零星而逐渐出现密集层,陆源泥质沉积只占很低的比例,为碳酸盐岩台地的稳定沉积、适应于在这种环境下生存的珊瑚以及其他造架生物建造生物层创造了机会;相当于鲁丹末期,首现腕足类生物层,并含有复体床板珊瑚(Heliolites、Syringopora)、小型层孔海绵格架岩,标志着底栖群落开始出现格架动物,具有向造礁发展的尝试.值得注意的是这类非礁相生物层建造(在滇黔桂古陆近岸区称之为“白沙型”,远岸区称之为“印江型”)很特别,它稳定维持了相当长的时间,时跨鲁丹晚期到爱隆早期,以大量格架生物珊瑚—层孔海绵繁盛为标志的温暖海洋群落建造,却始终没有生物礁复苏的迹象,点礁的正式复苏要延迟到香树园组上部,相当于爱隆中期才发生的.2生物礁组合消失的性质珊瑚—层孔海绵的造礁历史可溯源到中奥陶世晚期(达瑞威尔期),但在华南却姗姗来迟,是因为华南从台地到盆地区早奥陶世之后曾经有过漫长的较深水、海底时而缺氧的环境,凯迪中期的扬子区还维持着五峰组黑色笔石页岩沉积,只有华夏古陆北缘局部地区结束了以网纹状或瘤状灰岩为特征的黄泥岗组沉积,在狭窄的碳酸盐岩台地上生长了凯迪晚期的藻席、珊瑚—层孔海绵礁和生物层,并与灰泥丘共同构建了体积上具有相当规模、群落分异强烈的礁组合.这套礁组合建造是非常典型的暖水标志物,它虽然迟滞于中奥陶世晚期的先驱者,却赶上了珊瑚—层孔海绵礁在晚奥陶世全球繁盛期的末班车,也印证了冰期到来前的一次Boda暖事件的假说,尽管这一假说遭到了来自一些地区反证的质疑,在南半球低纬度凯迪晚期的华南却得以证实,也说明了Boda暖事件发生时海水存在分层现象,暖水沉积物在华南海域更佳地显示于华夏古陆的近岸带而非远岸区.这套典型暖水相的礁组合更深层次的含义在于:它提供给我们一种标准:以生物—沉积标准来识别奥陶纪末冰川事件之后,志留纪的古气候何时能恢复到Boda暖事件时期的水平——以珊瑚—层孔海绵礁的真正复苏为标志.寒凉气候的降临对礁组合,特别是动物格架礁的打击是致命的.但目前没有直接证据表明这套生物礁组合生长终止是冰川事件造成的,在下镇组或三衢山组顶部未发现任何生物集群灭绝的征兆,即使在下镇组顶部的红层或高岭石风化壳,显示的也是湿热气候条件下而非冰期寒凉气候时的产物.下镇组的海退序列更直观地表明了礁组合消亡是因为基底沉降终止、抬升作用开始所造成海区丧失.生物礁分布的浅海区和灰泥丘分布的前沿斜坡区都被抬升为陆地时,还未进入生物集群灭绝期.界于浙赣台地和扬子台地之间的盆地区快速堆积着长坞组砂泥沉积物,生物礁群落则无法向此地迁移.比较白垩纪末的瞬间事件,晚奥陶世的这一次由冰盖凝聚导致的生物灭绝事件相对要延续一定的时间,因此生态群落有时间发生演替.川西汉源,即当时的康滇古陆边缘仅存有大渡河组由微生物和少量钙藻建造的礁,它出现于冰期海退开始、首幕生物灭绝事件持续之际,是目前全世界范围内所发现奥陶纪末微生物岩的“孤证”,它可与地史上最大的二叠纪末的灭绝事件后三叠系底部出现的微生物岩、晚泥盆世弗拉斯/法门事件后的微生物岩相类比;Sheehan等.又在北美发现奥陶纪末冰期高峰之后,在志留纪之初也出现了大量的微生物礁.事件后的微生物礁曾被视为一种“灾变单元”,它的再现规模与后生动物灭绝量值、捕食压力骤减程度相关.自养型微生物是海洋生态系统中营养物质和碳酸盐岩的初级生产者,具有更强的抗灾变能力,并且繁殖快、适应性广,能通过光合作用提高海水含氧量,特别是在后生动物属种大量灭绝、居群规模急剧减小后,藻类受到的啃食压力大为减小,因而得以大量繁衍.它们在汉源这样的近岸浅海区几乎是伴随着后生动物灭绝过程同步发生并一度繁盛,取代了灭绝事件之前晚奥陶世后生动物为主的海洋生态系统主体构建者地位,成为生态系统重建的先驱群落,并通过光合作用改善、缓冲了这一浅海地区低温、缺氧的灾变环境,成为生态系统修复的主要动力.这说明生物圈自身能通过群落替代的方式在局部地区有效地缓冲地史灾变期的外界压力,可为探讨第一幕生物灭绝事件后局部浅海区正常海洋环境的再造和后生动物复苏的动力机制提供线索,局部浅海环境的正常化也为后生动物腕足类、三叶虫和海百合在赫南特阶南郑组的短暂复苏创造了生存条件.极冰现象可能在任何地质历史时期都有.冰期固然对喜暖的生物礁有一定影响,但其影响力度还与各地质历史时期生物特征、冰盖规模大小及古地理背景密切相关.由南极冰盖凝聚引发海平面下降到最低点的赫南特期,在上扬子地台从近岸到远岸浅海区开始出现壳相观音桥层碳酸盐岩沉积,代表着华南第一幕集群灭绝事件后的局限小型碳酸盐岩台地的复苏.这段地层所赋含的生物和沉积学信息具有明显的多样性.从生物特征上说,赫南特期前后是以笔石动物群为主体,赫南特期,在地台中央如宜昌一带,则以典型且具有较高分异度的凉水型腕足类Hirnantia动物群为主;而靠近古陆的黔北石阡、凤冈、仁怀和毕节等局部地区,腕足动物群所指示的凉水色彩要弱,如毕节燕子口的观音桥层发育的是非典型的Hirnantia动物群,还兼有苔藓虫和珊瑚等其他壳相动物群共生,且厚度偏大,代表了碳酸盐岩生产力在冰川期间的一个异常峰值.大量非典型凉水型底栖壳相动物群以及典型暖水型鲕灰岩在滇黔桂古陆局部近岸带的出现,证明了一个重要推断:主冰期来自南半球高纬度的冷水团运移到低纬度时,由于成都古陆的存在,多波及扬子地台的远岸区和部分近岸区,而石阡、凤冈、仁怀和毕节等局部近岸区却仍然维持着暖水的“绿洲”.全球冰期发生期间,在扬子区多数冷水、局部近岸暖水共存的特例,补充了我们认知这一特定时期全球沉积事件和生物事件的另一个侧面:即使局部近岸带出现暖水灰岩,也没有任何生物礁存在的迹象,这次冰川事件针对华南造礁生物类群的重创之烈可见一斑,那就是主冰期的华南板块是一个明显的造礁空白期.志留纪冰川刚开始融化、海进发生初期的水体或许是偏凉的,并漫上了滇黔桂古陆赫南特期的局部暖水区.龙马溪组页岩在黔中古陆北缘石阡一带最早结束,鲁丹最早期龙马溪组灰岩特点是厚度小,生物含量低,这是主冰期后碳酸盐岩重建的雏形.随着气候的逐渐回暖,各生物门类复苏,为走向了志留纪“古生代演化动物群”的再次辐射作了重要的铺垫.香树园组的生物灰岩建造也在鲁丹晚期演化到了生物层的水平.志留纪早期即使在其他板块还存在冷水型沉积,华南扬子区则已摆脱了冈瓦纳大陆冰盖所引发的各种灾变因素的阴影,更多地表现为循序渐进式地遵循着从泥状灰岩透镜体—低生物分异度生屑灰岩—高分异度生屑灰岩—腕足类壳相生物层—格架岩生物层—格架岩生物礁复苏的演化阶段,当然,最后一个阶段,即最具暖水型特征的生物礁完全复苏是在爱隆中期才完成的,经历了约5—6Ma.这一缓慢的过程或许能给我们一个启示,即冰川融化后的海进是相对快速的,为扬子地台的远岸区沉积数百米厚的龙马溪组笔石页岩提供了充足的空间;在近岸区,珊瑚—层孔海绵和其他壳相生物群落在灭绝事件后的复苏历时较短,在鲁丹晚期就完成了,为后生动物礁奠定了群落基础,但这并不意味着生物礁、特别是后生动物格架类型礁的同步复苏,因为后者需要更加苛刻的古气候条件.