上扬子区晚奥陶世的海退现象

上扬子区晚奥陶世的海退现象

随着海域面积的不断扩大，上扬子区晚奥陶世的海洋撤退现象也从古代地理的变化来看（刘洪云，557；陆岩浩，1959；张文堂，196；穆恩志等，1981）。除了古地理方面外,是否还存在着其它的,例如生态地层(Ecostratigraphy)方面的证据呢?此外,引起上扬子区晚奥陶世海退的主要原因是什么?广布于上扬子区的赫南特贝动物群(HirnantiaFauna)为什么于志留纪前夕整体绝灭?本文拟从生态地层的证据和晚奥陶世冰川活动,可能对上扬子区造成的影响,对上扬子区晚奥陶世的海退问题作一尝试性的探讨。需要说明的是晚奥陶世的含义。按照传统意见,上扬子区晚奥陶世地层自下而上,包括临湘组(或涧草沟组)、五峰组和观音桥层,这些地层过去通常与英国的Caradocan晚期至Ashgillian地层对比。笔者在研究临湘组及其相当层位(以盛产南京三瘤虫Nankinolithus为特征)所含腕足类后,发现其属于Foliomena动物群,时代上不是Caradocian晚期,而是Ashgillian早期。本文将扬子区的晚奥陶世地层全部与英国的Ashgillian期地层对比。这些Ashgillian期的地层各自含有独特的化石群。临湘期与观音桥期的地层以富产介壳相动物群为特征,尤以腕足、三叶虫最常见,偶含笔石。五峰组则为黑色页岩地层,富产笔石,伴有少量的无铰纲腕足类和三叶虫Triarthrus等。本文的重点在于研究和分析介壳相地层中的腕足动物。一、土壤腕足类的身份属性1972年,笔者在川黔二省临湘期与观音桥期地层中采获丰富的介壳相化石。现将四川长宁双河、贵州沿河甘溪、贵州遵义董公寺三处的晚奥陶世地层剖面简述于后:(一)四川长宁双河(据穆恩之、朱兆玲、陈均远、戎嘉余,1978)(二)贵州沿河甘溪(据穆恩之、朱兆玲、陈均远、戎嘉余、王德有)(三)贵州遵义董公寺涧草河上述临湘组或涧草沟组以富产Nankinolithus为特征,此属在扬子区普遍发现,除西南地区的临湘组、涧草沟组外,赣北、皖南及浙西的黄泥岗组,宁镇山脉的汤头组均有记载,南京三瘤虫,“可作为我国晚奥陶世早期的一个标准化石”(卢衍豪、周志毅,1981),与上述三叶虫动物群伴生的腕足类却长期未引起重视。临湘期地层含有较丰富的腕足类,只是未作详细研究。许汉奎、戎嘉余(1974,153页,图版66,图5—6)描述的“Anoptambonites”incertusXuetRong(经笔者重新审视,应改归Trimurellina属),产自黔北遵义董公寺的涧草沟组。这是唯一的来自临湘期腕足类已描记的种。1975年,笔者研究了四川长宁双河临湘组的腕足类(穆恩之等,1978)。1976年,笔者鉴定了贵州沿河甘溪等地临湘期地层的腕足类,并名为Trimurellina-“Bimuria”组合(穆恩之等,1979)。经笔者重新审核,原定作“Bimuria”的标本宜改为Chrisiiania属。这样,除遵义董公寺外,前述上扬子区临湘期地层的腕足类含有以下诸种:Trimurellinaincerta,Foliomenafolium,Anoptambonitessp.,Christianianilssoni,Aegiromenasp.,Sericoideasp.,Leptestiinaprantli,Dedzetinasp.,Cyclospira?cf.scanica等(图1)。在这些属中,以Foliomena和Trimurellina两属最为特征,不仅数量较多,分布较广,而且构造形态特殊,极易识别。其次是Christiania属。由于Foliomena在国内外的地理分布最广,这个腕足动物群可称为Foliomena动物群。据笔者所知,它在上扬子区的地理分布广,地质历程短暂,具有重要的生物地层意义。下扬子区亦发现了Foliomena动物群。1973年,笔者随穆恩之等赴安徽宁国九宫庙等地研究奥陶纪地层1),在与上扬子区临湘组相当的黄泥岗组中采得腕足类,韩乃仁等在浙江江山的黄泥岗组中发现的腕足类,均属前述的Foliomena动物群,包括Foliomenafolium,Trimurellinasp.nov.,Leptestiinacf.prantli,Kassinellasp.,Christianianilssoni,“Eoconchidium”sp.,Cyclospira?cf.scanica,与临湘组所产者面貌类同。在国外,Foliomena动物群首先记载于捷克斯洛伐克波希米亚的Ashgillian早期页岩中(Havli?ek&Vaněk,1966),包括以下各属种:Foliomenafolium,Anoptambonitesmoneta,Leptestiinaprantli,Kozlowskitesnuntius,Sericoideasp.,Dedzetinasp.,Cyclospira?barrandei等。Sheehan(1973)描述了瑞典南部斯堪尼亚(Scania)Ashgillian早期地层(属于笔石Dicellograptuscomplanatus带和三叶虫Tretaspisgranulata带)的腕足类,计有Glyptorthissp.,Heterorthina?sp.,Dedzetinasp.,Foliomenafolium,Anoptambonitessp.,Leptestiinaprantli,Kozlowskitesragnari,Sericoideasp.,Christianianilssoni,Cyclospira?scanica。Sheehan建议称为Foliomena群落。Sheehan(1975)报道比利时的Ashgillian早期地层也发现Foliomena群落的分子。近年来,加拿大东部魁北克Percé地区(Sheehan&Lespérance,1978)、瑞典(Jaanusson,见Sheehan,1979)、爱尔兰SlieveBernagh,CountyClare(Harper,1980)的Ashgillian早期地层中均相继报道了Foliomena群落。在威尔士中部Ashgillian早期地层中,Williams&Wright(1981)记载的Trimurellina,Leptestiina,Foliomena,Dedzetina,Christiania和Cyclospira,无疑也属于Foliomena群落。可见,这个腕足类群落的地理分布是比较广泛的(图2)。国外的Foliomena群落在组成、特征、埋葬方式、栖居场所的底质及共生化石等方面,均与扬子区的大致相同,以直脊贝类占优势,贝体很小,零散保存,底质为颗粒很细的泥、粘土等。它们均生活在浅海陆棚区的较深水域中(Sheehan,1973,1979;Harper,1980;Williams&Wright,1981)。按Boucot(1975)对海洋底栖生态群落的分类观点,本文认为:Foliomena群落应归于“底栖组合4—5”(BenthicAssemblage4—5)的生态位置。近年来的研究表明,早古生代早、中期海域的底栖生物只占据浅水水域,以后部分生物才开始向较深水水域迁徙栖息(Pickerill&Brenchley,1979X这个变迁过程发生在Caradocian之前(Cocks,1978)。笔者认为,这样的推断是有根据的。如Caradocian初期,新兴的原始无洞贝族和石燕族以及某些五房贝类,由于发育了较为优越的纤毛环构造,逐渐适应较深水的底栖环境(Fürsich&Hurst,1974)。以上分析与Ashgillian早期Foliomena群落栖居于浅海陆棚区较深水域的结论亦无不一致的地方。上扬子区上奥陶统顶部观音桥层的情况则与临湘期的地层不同,观音桥层以富产腕足类赫南特贝动物群为主要特征(戎嘉余,1979),主要类别有:正形贝族Hirnantia,Dalmanlla,Kinnella,Draborthis,Cliponia;扭月贝族Aegiromena,Leptaena,Leptaenopoma,Aphanomena,Paromalomena,Coolinia;小咀贝族Plectothyrella和无窗贝族Hindella(=Cryptothyrella)(图3)。常伴有三叶虫Dalmanitina,Platycoryphe及Leonaspis,腹足类、瓣鳃类、翼足类、介形虫、海百合茎、四射珊瑚等。Hirnantia动物群不仅在我国上扬子区有广泛的地理分布,在国外亦分布很广(图4)。Cocks(1975)建议将Hirnantia动物群称作Hirnantia群落,指出它们是在浅水区生活的底栖群落,可与早志留世的Eocoelia群落相比,属于“底栖组合2”。笔者认为Hirnantia动物群的生态群落并非那么单一。无论是我国的还是外国的Hirnantia动物群,均含有不止一个生态群落(戎嘉余,1983)。笔者以组合特征和分异度的大小,将Hirnantia动物群分成Paromalomena-Aegiromena组合、Kinnella-Plectothyrella组合、Toxorthis-Draborthis组合(戎嘉余,1979),本文改称群落。这些群落与Ashgillian早期(即临湘期)的Foliomena群落不同,表现为:1)Foliomena群落中占居优势的小型直脊贝类,在Hirnantia动物群的诸群落中,只有Aegiromena—属;2)Foliomena群落中的腕足类贝体均很小,一般在3—8毫米之间,而Hirnantia动物群的各类贝体大小都有,通常均较Foliomena群落的为大,壳宽常超过10毫米,最大个体壳宽超过35毫米(HHirnantiamagna),最小的仅2—3毫米(“Paracraniops”partibilis);3)Foliomena群落的贝体常呈分散式保存,个体不密聚,Hirnantia动物群的诸群落则相当发育,贝体常作迭堆式分布,因而不具备较深水域底栖群落的特点。遵义董公寺的观音桥层还富含介壳碎屑,表明当时海域的水动力条件很强,可能经受海浪冲击,是近岸浅水环境的一个标志。深入分析Hirnantia动物群组成分子的生态群落位置,发现有浅水底栖组合3的常见代表如Dalmanella,Clifionia和Hirnaniia,又有近岸底栖组合2的常见分子如Hindella,缺失较深水域的底栖代表(如大量的小型直脊贝类与德姆贝类)和典型的较深水域的底栖属(如Skenidioides,Dicoelosia,Epytomyonia,Tyronella)。笔者相信,Hirnantia动物群的诸群落栖息于正常浅海较浅水的水域中,属于“底栖组合2—3”,主要是“3”的生态群落位置上。综合上述,在上扬子区,如果不考虑古地理位置上近岸的地点,位于上奥陶统下部的临湘期地层(Ashgillian早期)含较深水的Foliomena群落,观音桥期地层(Ashgillian晚期)则含Hirnantia动物群的各浅水群落;迄未发现浅水底栖的腕足类群落与Nonkinolithus等三叶虫相伴生,或者观音桥期地层产较深水底栖群落的相反实例。从而,扬子海域在晚奥陶世所发生的海退事件由生态地层方面的重要资料得到了证实。五峰组系笔石页岩相地层。五峰期上扬子海域的环境和造成这种环境的原因,目前还难作出令人满意的解释。缺失底栖固着的、移动的生物,可能由于五峰期上扬子海域的强烈还原条件所致。五峰期位于临湘期和观音桥期之间,推测其海水在深度上可能介于这两期之间,而并非处于“远洋深海”的环境。据文献记载,晚奥陶世Ashgillian期的海退现象,不仅在扬子区有记录,在北亚、北非、南欧、北欧、西欧、北美及南美等地区也有报道。这些地区的上奥陶统与下志留统之间有不同程度的沉积间断,便是一大证据(Berry&Boucot,1973)。不仅上奥陶统顶部被剥蚀的例子屡见不鲜,上奥陶统上部与下志留统下部常有缺失的记载。(1971)对南欧卡尼克-阿尔卑斯的奥陶—志留系分界地层中沉积变化的研究,Dennison(1976)对北美东部上奥陶统红层成因的解释,Brenchley&Newall(1980)对北欧挪威奥斯陆一带上奥陶统海退序列的观察,Petryk(1981)对加拿大东部Anticosti岛晚奥陶世至早志留世地层序列的研讨,都证实全世界范围内确实存在一个大规模的晚奥陶世海退事件。这个事实引出了一系列的问题如:1)导致晚奥陶世全球性海退事件的主要原因?2)Hirnantia动物群在晚奥陶世末期的整体绝灭,是否与当时的海退事件有关?二、晚奥陶世冰川作用:非洲内、非洲中部继晚前寒武纪、石炭一二叠纪和第四纪的冰川被识别之后,地史时期中另一次规模惊人的大陆冰川(ContinentalGlaciation)——晚奥陶世的冰川活动,在本世纪六十年代中期被发现。首先是法国与阿尔及利亚的地质学者报道了撒哈拉中部Ashgillian期的冰碛岩和冰擦痕(Beuf,Bi.ju-Duval,Stevaux&Kulbicki,1966),引起了地质界的普遍注意。嗣后,在摩洛哥(Destombes,1968;,1971),突尼斯、毛里塔尼亚、尼日尔、乍得(Fairbridge,1969,1970),阿尔及利亚(Beufetal.,1966;Whiteman,1973),埃塞俄比亚(Dow,Beyth&Hailu,1971),马里(Hagen,inDowetal,1971)及塞拉利昂(Tucker&Reid,1973)等地陆续找到了大体上同时期冰川沉积物的证据。这些材料表明,晚奥陶世冰川活动的中心区在非洲北部,但冰川的分布范围远远超出北非地区。非洲南部(Cocks,Brunton,Rowell&Rust,1970),阿根廷北部、秘鲁与玻利维亚(Berry&Boucot,1972,1973)冰碛岩和冰溜湖的发现,西班牙南部(Arbey&Tamain,1971),法国诺曼第(Dangeard&Dore,1971;Dore&LeGall,1972),甚至更北的Thuringia(Havlí?ek,1974)亦有冰川海相沉积的记录。这就将晚奥陶世冰川活动的分布由北非扩展到非洲南部、南美洲、欧洲南部与中部(图5)。根据动物群与沉积物的特点,Spjeldnaes(1961)讨论了奥陶纪的古气候分带,提出“北非一带可能存在冰川沉积”的预测。McElhinny&Briden(1971)根据古地磁资料,认为晚奥陶世南方各大陆是联在一块的,在这个称做冈瓦纳古大陆上有一个磁极,位于非洲北部。上述冰川活动的全过程延续时间是从中奥陶世晚期到早志留世早期(Beufetal.,1971;Legrand,1974;Harland&Herod,1975;Lenz,1976)。由于摩洛哥前阿特拉斯山区含Ashgillian晚期的Hirnantia动物群的地层,夹于和冰川作用相关的沉积序列中,上覆层位产Akidograptusacuminatus带的化石,为此,Destombes(1968、1971)和(1971)认为摩洛哥的冰川作用的时代属于Ashgillian晚期,亦可能延至早志留世早期。晚奥陶世的扬子区,虽说远离非洲北部的冰川活动中心区,仍可能受到冰川作用的影响。由于一次大规模的冰川活动,会引起一次全球性的海平面下降。例如,在第四纪更新世的冰川作用期间,海平面剧烈下降的结果导致英吉利海峡的消失,白令海峡亦不存在。推测当时海平面的下降幅度可能为1)超过100米(Newell&Bloom,1970),2)130米(Emery,1958),3)154米(Donnetal.,1962)。纵然,下降数据众说纷纭,但下降事实则无疑问。Sheehan(1973)将晚奥陶世冰川的规模与第四纪更新世的媲美,推测晚奥陶世的海平面曾下降约100米。然而,晚奥陶世冰川活动的范围虽大,因一个极在太平洋中,不可能有陆地冰盖,故极区冰盖只有一个(位于北非),冰容量相对较小;更新世有南、北两个极区的陆地冰盖,冰容量较大。比较起来,晚奥陶世冰川活动的规模可能更小些,推测海平面下降的幅度可能只在50米左右。如前所述,我国扬子区Ashgillian早期的Foliomena群落,栖息于浅海陆棚区的较深水域,在“底栖组合4—5”内,即潮下带的中、下部。“底栖组合4—5”的最大深度线(或称外深线)不超过200米(Commins,1969;Boucot,1975),最小深度线(或称内深线),亦即“底栖组合3”的外深线不超过60米(Boucot,1975)。到Ashgillian晚期(相当于Hirnantian或观音桥期),扬子区海域繁衍丰盛的Hirnantia动物群,均属于“底栖组合2—3”,栖息于浅海陆棚区的浅水水域,即潮下带的上部到低潮间带,生物(包括造礁生物)相当繁盛,处于光合作用带内,最大深度线不超过60米。这样,从临湘期Foliomena群落(栖息于浅海较深水域)到观音桥期Hirnantia动物群的诸群落(栖居于浅水水域),底栖生物的环境因海水深度的明显变小而发生了明显的变化。在适应不同的生活环境过程中,不同时期动物群的各个生态群落亦发生了更替现象。那么,是什么因素导致Hirnantia动物群的绝灭呢?笔者认为,当晚奥陶世晚期(Ashgillian晚期)冰川活动达于顶峰时,冷水水域的分布范围亦扩大至顶点,导致一些喜温生物濒于灭亡。更重要的是,由于冰川的水容量,招致海平面的大幅度降低,外陆海的大大缩小,结果是:1)迫使原先在浅水水域生长的某些生态忍耐度很强的底栖生物迁移到更深的水域中去,重新寻找栖居的场所;2)生物生活区间的极大限制、甚至完全消失,迫使大量生活在较浅水底栖生物的绝灭。晚奥陶世末期广泛的海退和海平面的大幅度下降,引起全球陆棚区的浅水水域大大缩小或局部消失。广泛分布于亚、欧、北非与北美东部的Hirnantia动物群诸群落(属于“底栖组合2—3”),因生态环境的剧烈变更,生态适应受到极大的冲击,大部分栖息区(Sheehan,1973)丧失,在温度、压力、水动力、海域底质以及营养物质的供应(这最后一点尤其重要)等方面,对Hirnantia动物群带来致命的打击,在Ashgillian结束时,Hirnantia动物群作为一个整体在世界范围内绝灭了。诚然,Hirnantia动物群的绝灭可能是多种因素综合的结果,但晚奥陶世末期的冰川活动招引海平面的大幅度下降,可以解释为Hirnantia动物群在Llandoverian之前整体上消失的一个不可忽视的原因。冰川在大量融化之后,海平面的回升速度也很快。以第四纪为例,更新世冰川鼎盛期后的全新世,因冰川消融,海平面以每100年上升50—100厘米的速度回升(Guilcher,1969;West,1977)。据此,若冰川融化1万年,海平面便上升50—100米。晚奥陶世大陆冰盖的规模虽小于更新世的,却与今日南极洲的状况颇为类似,冰川均属干燥型,就冰川区相对的极地位置而言,它们亦较相似(Spjeldnaes,1975)。据文献记载,南极洲的冰川属大陆冰源,冰层盖覆面积约1,200万平方公里,占全洲总面积的93%。冰层的最大厚度达4,800米,平均厚约2,000米,冰的体积达2,400万立方公里,约占全球海水与淡水总容量的2%(张青松,1981)。如南极洲的冰源部分消融,每解冻34米厚的冰层,海平面便升高1米;如南极洲的冰川全部融化,全球海平面将上升约60米(Rubin,1962)。继晚奥陶世末期冰川发展的最高峰之后,Llandoverian初期海平面的迅速回升,这也与东亚(包括扬子区)、北亚、北美、南美、南欧、北欧、西欧、北非等广大地区所识别的早志留世海侵事件(刘鸿允,1955;穆恩之,1962;Berry&Boucot,1972,1973;,1974;Lenz,1976;Sheehan,1975;Brenchley&Newall,1980)是一致的。综合上述,晚奥陶世的海退与早志留世的海侵是大规模、大范围的,属于全球性的一次重大地质事件。冰川发育的顶峰在晚奥陶世之末,由此引起的海平面大幅度下降导致一度繁盛的Hirnantia动物群整体绝灭;伴随极区冰盖的消融与海平面的迅速回升,开始了早志留世初期大规模的海侵。不少地质学者常用地壳升降运动在大范围内几乎同时发生的观点,解释晚奥陶世的海退与早志留世的海侵现象。我们知道,晚奥陶世最大海退在Ashgillian晚期,延续时间不超过200万年,而冰增(Glacialadvance)的主体时间更短,可能少于100万年(Brenchley&Newall,1980)。在这样短暂的间隔内,不仅“遍布全球的地壳运动同时发生”的观点难以使人信服,纵使存在地壳升降运动,亦不易觉察到。当然,这并不排斥部分地区在相当漫长的地质历史内(如整个中、晚奥陶世)发生过地壳的升降运动,如上扬子海盆以南某些地区,早志留世中晚