華南晚奧陶世-早志留世海洋環(huán)境中碳酸鹽巖的成因

華南晚奧陶世-早志留世海洋環(huán)境中碳酸鹽巖的成因

現(xiàn)在，對奧陶紀末生物滅絕原因的認識是一致的。甘美爾河流域的羌河流域開始減少，海水溫度降低，海盆地底部被淹沒。此后，志留紀初，由于冰川一體化和快速的海上入侵，亞區(qū)生物群坍塌，導致顯生宇五個滅絕事件的第一位。冰期的持續(xù)時間也不同。在不同的古緯度和古地理背景下，即使在同一高度（現(xiàn)在的北美）上獲得的結論也是不完全一致的。根據(jù)不同的古感受理論，即使在同一個房間的同樣類型的病例（現(xiàn)在的北美）也沒有完全適應。根據(jù)長冰期的理論，在晚奧陶世“卡拉多克”（現(xiàn)為開普）的末端（10ma）和短冰期（僅限于海南特期）（0.5-1ma）；此外，在赫蒙特爾之前，氣候變得復雜。大多數(shù)科學家認為只有一個冰期，但copp在加拿大東部發(fā)現(xiàn)了三個。此外，盡管志留紀初的氣候快速變化和寒冷，但它們是不同的。這些討論的各自證據(jù)來自不同的區(qū)域地質背景。地球歷史時期，世界氣候的強烈變化對不同海拔地區(qū)的影響和方式有很大的不同。因此，通過對不同寬度和不同古地理上不同板塊的生物積累數(shù)據(jù)進行詳細分析，我們可以知道世界的綜合結論。中國南部板塊是一個有著獨特“土地”厚度的事件記錄。經(jīng)過多年的研究和不同角度的生物地層學、荒漠化和恢復模式、地球化學和古地理的詳細研究，已經(jīng)取得了許多重要成果。在分析海水溫度變化所必需的生物沉積層的時空變化時，并通過分析地形模型來探索區(qū)域模型與全球事件的融合。15晚奧陶世沉積期巖相古地理格局奧陶紀是全球海泛期,大規(guī)模的碳酸鹽巖建造在中國華北板塊、塔里木板塊和華南板塊的揚子區(qū),表現(xiàn)尤為明顯.奧陶-志留紀之交全球冷暖交互的“多事之秋”,所發(fā)生的事件在當時的生物圈、水圈和大氣圈皆有反映.華南當時位于南半球環(huán)岡瓦納大陸中低緯度區(qū),由于周邊古陸的擴增形成了一個半封閉陸表海的特殊環(huán)境,目前還未發(fā)現(xiàn)直接的冰川沉積物,但卻具有獨特的巖相分異.具有特殊環(huán)境指相意義的碳酸鹽巖必然對這次氣候變化過程留下清晰的記錄,成為探討古氣候演化理想的載體,其沉積特征、時空分布上不但與全球氣候—生物事件發(fā)展的總體趨勢相關,也強烈地受控于古地理變遷.由于受陸地擴增和奧陶紀末短暫海退的雙重影響,晚奧陶世的華南板塊突現(xiàn)出比早、中奧陶世更顯著的巖相和生物相分異,總體上表現(xiàn)為碳酸鹽巖的生產(chǎn)量和分布范圍明顯縮減,缺乏穿越奧陶-志留系連續(xù)沉積碳酸鹽巖的單一剖面,所發(fā)育的碳酸鹽巖多為近岸型或陸表淺海型,且空間分布局限,缺乏深海型沉積.按最新的奧陶系劃分方案,晚奧陶世劃分為3個期,即從早到晚的桑比期、凱迪期和赫南特期.據(jù)詳細的生物地層學資料[13,15,17,18,19,20],可將華南不同地區(qū)和層位所發(fā)育的碳酸鹽巖劃分為5個歷時短暫、相互銜接的單元.本文所涉及的晚奧陶世地層單元占3個時間段,即:凱迪晚期(原對比中阿什極期,現(xiàn)據(jù)Zhang等擬訂為凱迪晚期)浙贛邊區(qū)下鎮(zhèn)組—三衢山組的點礁生物層—灰泥丘組合;凱迪末期(原對比為羅塞末期,即按現(xiàn)標準擬訂的凱迪末期)川西漢源大渡河組灰泥丘;赫南特期上揚子區(qū)的觀音橋層灰?guī)r;志留紀早期占2個時間段,即:蘭多維列世魯?shù)ぴ缙诤汪數(shù)ね砥谇瓥|北地區(qū)的香樹園組下段灰?guī)r.代表剖面點和5個時間片段實例之時空分布見圖1.這些碳酸鹽巖的地層古生物學和巖石特征綜合顯示于圖2,鑒于其生物相和巖相已有詳細的文獻記錄,本文僅作提綱挈領地概述.1.1結構內海水礁組合晚奧陶世的揚子區(qū)是五峰組滯流臺地相黑色筆石頁巖,僅在華夏古陸北緣浙贛邊區(qū)的玉山、常山存在一個淺水碳酸鹽巖臺地,發(fā)育下鎮(zhèn)組的層狀礁和點礁群.造礁分子為叢狀珊瑚、塊狀層孔海綿以及細枝狀苔蘚蟲.棲礁生物有腕足類、腹足類、頭足類和大量的棘皮類,局部點礁的正向地貌隆起能達到相當規(guī)模而產(chǎn)生礁前塌積巖,低分異度的層孔海綿或腕足類形成生物層;與之同期異相向北延伸的臺地轉折區(qū),發(fā)育厚度超過千米的三衢山組泥?；?guī)r、白云質灰?guī)r、生屑灰?guī)r和鮞?；?guī)r,夾含有4期、累計厚度超過500m的藍菌類和鈣藻灰泥丘建造.這些礁相單元從臺地到斜坡形成西南—東北向由淺而深的海底地貌排列,共同建造礁組合;同期介于華夏古陸和揚子地臺之間的盆地區(qū)沉積長塢組頁巖.這期灰?guī)r建造的特點是范圍局限,卻厚度大,生物分異度高.從下鎮(zhèn)組頂部的高嶺石風化殼和雞頭山灰泥丘由北向南退積、灰泥丘建造經(jīng)歷了臺地斜坡—臺地邊緣—臺地內部的更替等證據(jù),可推斷這套礁組合因華夏古陸北擴、沉積區(qū)抬升的截切效應而終止于冰川事件到來之前.1.2上分層開采影響下的底棲藻揚子地臺西緣臨近康滇古陸的川西漢源,是華南在這一時間片段中唯一的碳酸鹽巖分布區(qū),以轎頂山剖面大渡河組為代表.大渡河組下部為含菱錳礦硅質頁巖,其筆石組合可對比到Dicellograptuscomplexus帶,轎頂山剖面大渡河組上部藻席富集層厚0.54m,與轎頂山臨近的大瓦山剖面由底棲藻建造的點礁可達15m厚.底棲藻的類型按形態(tài)劃分有兩種:葉狀藻和叢狀藻,葉狀藻起障積作用,叢狀藻起粘結作用,并能聚積成核形石;之上為赫南特期的主冰期沉積,即南鄭組0.6m厚的深灰色中厚層細砂巖,含微晶灰?guī)r角礫和生物骨屑灰?guī)r透鏡體,具有主冰期時段的“Hirnantia”動物群分子,上部漸變?yōu)槟鄮r和鈣藻硅質灰?guī)r的海退序列.這一地層序列,特別是大渡河組形成期間古鹽度的增高,表明了大渡河組的藻席和灰泥丘建造時間基本吻合于岡瓦納大陸冰川逐漸凝聚淡水的海退階段,隨之而來的是主冰期最大幅度降溫和典型涼水型Hirnantia動物群的出現(xiàn).1.3礁相及沉積相華南奧陶-志留系界線附近的連續(xù)沉積多見于揚子區(qū)遠岸帶,近岸區(qū)由于更易受到岡瓦納大陸冰川凝聚大量淡水導致全球海退的控制,表現(xiàn)為不同程度的地層缺失,這一時限內巖相和生物相的重要轉換標志是:揚子區(qū)普遍結束了五峰組黑色筆石頁巖沉積,出現(xiàn)了觀音橋層的灰?guī)r及其殼相動物群,之后被海進序列的龍馬溪組頁巖所超覆,因此,上揚子區(qū)奧陶-志留系之間的巖相可簡稱為“兩黑夾一灰”,即分別為滯流分層水體沉積的五峰組和迅速海侵沉積的龍馬溪組兩套黑色筆石頁巖夾含觀音橋層的殼相灰?guī)r沉積,觀音橋層沉積的時限為1—1.5個筆石帶(Normalograptusextraordinarius帶至N.persculptus帶下部),正好吻合于主冰期,且無任何賦存生物礁的跡象,據(jù)這期灰?guī)r的生物、沉積特征以及其展布區(qū)與古海岸線距離,可分為兩種類型:(i)近岸型:以黔北石阡、鳳岡、仁懷以及畢節(jié)一線靠近滇黔桂古陸海岸線的剖面為代表,涼水型腕足類Hirnantia動物群中的最典型分子不占優(yōu)勢,而賦存其他更宜居于非涼水生長的珊瑚、苔蘚蟲、腹足類、雙殼類和鈣藻等,這類殼相化石在古生代多與礁相沉積單元相關;特別是石阡和鳳岡一線出現(xiàn)特別典型的暖水標志物:鮞粒灰?guī)r,總體巖性特征指示中—高能淺灘環(huán)境.局部地點灰?guī)r厚度顯著增高,如鳳岡的硐卡拉剖面,觀音橋層灰?guī)r厚度可達11.5m.(ii)遠岸型:這一時期遠岸區(qū)黔北、川東和鄂西發(fā)育多個獨立的灰?guī)r臺地,單個臺地可延伸數(shù)百千米,沉積特征以鄂西宜昌為代表,發(fā)育從五峰組到龍馬溪組連續(xù)沉積.觀音橋層產(chǎn)典型涼水相腕足類Hirnantia動物群特征分子和少量三葉蟲Dalmantina,缺乏其他門類如珊瑚、苔蘚蟲、鈣藻等,多具非淺水、低能靜水帶的沉積特征.灰?guī)r生產(chǎn)力低,百萬年時限內沉積的厚度經(jīng)常少于1m.1.4生物骨屑巖的組成和組成揚子區(qū)的志留紀沉積是伴隨著岡瓦納大陸冰蓋消融、龍馬溪組海侵頁巖開始的,龍馬溪組是穿時的地層單位,最早結束筆石頁巖、始現(xiàn)這一時期的灰?guī)r沉積分布于黔中古陸北緣濱岸的石阡一帶.龍馬溪組巖性為灰綠、黃綠色頁巖和鈣質粉砂巖,產(chǎn)筆石Normalograptusmadernii,N.lubricus,N.persculptus,Neodiplograptusbicaudatus,相當于魯?shù)こ跗诘腁kidograptusascensus帶,夾薄層砂巖或泥灰?guī)r結核和灰?guī)r透鏡體,灰?guī)r中生物骨屑成分為腕足類、三葉蟲,數(shù)量少,向上生物分異度和豐度漸增,主要是三葉蟲Latiproetus,腕足類Levenea?sp.,Eospirifersinensis,Beitaiamodica,珊瑚Brachyelasmacf.sibrricum,Brachyelasmaminor,海百合莖和腹足類,尚無珊瑚、苔蘚蟲和層孔海綿.這些化石個體破碎程度較高,指示的環(huán)境為近岸淺水高能帶的貝殼灘相,缺乏具格架巖性質的礫屑;向上的香樹園組薄層生物灰?guī)r中首現(xiàn)四射珊瑚.1.5生物層的創(chuàng)造四射珊瑚開始復蘇后,其分異度逐漸增高,豐度從零星而逐漸出現(xiàn)密集層,陸源泥質沉積只占很低的比例,為碳酸鹽巖臺地的穩(wěn)定沉積、適應于在這種環(huán)境下生存的珊瑚以及其他造架生物建造生物層創(chuàng)造了機會;相當于魯?shù)つ┢?首現(xiàn)腕足類生物層,并含有復體床板珊瑚(Heliolites、Syringopora)、小型層孔海綿格架巖,標志著底棲群落開始出現(xiàn)格架動物,具有向造礁發(fā)展的嘗試.值得注意的是這類非礁相生物層建造(在滇黔桂古陸近岸區(qū)稱之為“白沙型”,遠岸區(qū)稱之為“印江型”)很特別,它穩(wěn)定維持了相當長的時間,時跨魯?shù)ね砥诘綈勐≡缙?以大量格架生物珊瑚—層孔海綿繁盛為標志的溫暖海洋群落建造,卻始終沒有生物礁復蘇的跡象,點礁的正式復蘇要延遲到香樹園組上部,相當于愛隆中期才發(fā)生的.2生物礁組合消失的性質珊瑚—層孔海綿的造礁歷史可溯源到中奧陶世晚期(達瑞威爾期),但在華南卻姍姍來遲,是因為華南從臺地到盆地區(qū)早奧陶世之后曾經(jīng)有過漫長的較深水、海底時而缺氧的環(huán)境,凱迪中期的揚子區(qū)還維持著五峰組黑色筆石頁巖沉積,只有華夏古陸北緣局部地區(qū)結束了以網(wǎng)紋狀或瘤狀灰?guī)r為特征的黃泥崗組沉積,在狹窄的碳酸鹽巖臺地上生長了凱迪晚期的藻席、珊瑚—層孔海綿礁和生物層,并與灰泥丘共同構建了體積上具有相當規(guī)模、群落分異強烈的礁組合.這套礁組合建造是非常典型的暖水標志物,它雖然遲滯于中奧陶世晚期的先驅者,卻趕上了珊瑚—層孔海綿礁在晚奧陶世全球繁盛期的末班車,也印證了冰期到來前的一次Boda暖事件的假說,盡管這一假說遭到了來自一些地區(qū)反證的質疑,在南半球低緯度凱迪晚期的華南卻得以證實,也說明了Boda暖事件發(fā)生時海水存在分層現(xiàn)象,暖水沉積物在華南海域更佳地顯示于華夏古陸的近岸帶而非遠岸區(qū).這套典型暖水相的礁組合更深層次的含義在于:它提供給我們一種標準:以生物—沉積標準來識別奧陶紀末冰川事件之后,志留紀的古氣候何時能恢復到Boda暖事件時期的水平——以珊瑚—層孔海綿礁的真正復蘇為標志.寒涼氣候的降臨對礁組合,特別是動物格架礁的打擊是致命的.但目前沒有直接證據(jù)表明這套生物礁組合生長終止是冰川事件造成的,在下鎮(zhèn)組或三衢山組頂部未發(fā)現(xiàn)任何生物集群滅絕的征兆,即使在下鎮(zhèn)組頂部的紅層或高嶺石風化殼,顯示的也是濕熱氣候條件下而非冰期寒涼氣候時的產(chǎn)物.下鎮(zhèn)組的海退序列更直觀地表明了礁組合消亡是因為基底沉降終止、抬升作用開始所造成海區(qū)喪失.生物礁分布的淺海區(qū)和灰泥丘分布的前沿斜坡區(qū)都被抬升為陸地時,還未進入生物集群滅絕期.界于浙贛臺地和揚子臺地之間的盆地區(qū)快速堆積著長塢組砂泥沉積物,生物礁群落則無法向此地遷移.比較白堊紀末的瞬間事件,晚奧陶世的這一次由冰蓋凝聚導致的生物滅絕事件相對要延續(xù)一定的時間,因此生態(tài)群落有時間發(fā)生演替.川西漢源,即當時的康滇古陸邊緣僅存有大渡河組由微生物和少量鈣藻建造的礁,它出現(xiàn)于冰期海退開始、首幕生物滅絕事件持續(xù)之際,是目前全世界范圍內所發(fā)現(xiàn)奧陶紀末微生物巖的“孤證”,它可與地史上最大的二疊紀末的滅絕事件后三疊系底部出現(xiàn)的微生物巖、晚泥盆世弗拉斯/法門事件后的微生物巖相類比;Sheehan等.又在北美發(fā)現(xiàn)奧陶紀末冰期高峰之后,在志留紀之初也出現(xiàn)了大量的微生物礁.事件后的微生物礁曾被視為一種“災變單元”,它的再現(xiàn)規(guī)模與后生動物滅絕量值、捕食壓力驟減程度相關.自養(yǎng)型微生物是海洋生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)物質和碳酸鹽巖的初級生產(chǎn)者,具有更強的抗災變能力,并且繁殖快、適應性廣,能通過光合作用提高海水含氧量,特別是在后生動物屬種大量滅絕、居群規(guī)模急劇減小后,藻類受到的啃食壓力大為減小,因而得以大量繁衍.它們在漢源這樣的近岸淺海區(qū)幾乎是伴隨著后生動物滅絕過程同步發(fā)生并一度繁盛,取代了滅絕事件之前晚奧陶世后生動物為主的海洋生態(tài)系統(tǒng)主體構建者地位,成為生態(tài)系統(tǒng)重建的先驅群落,并通過光合作用改善、緩沖了這一淺海地區(qū)低溫、缺氧的災變環(huán)境,成為生態(tài)系統(tǒng)修復的主要動力.這說明生物圈自身能通過群落替代的方式在局部地區(qū)有效地緩沖地史災變期的外界壓力,可為探討第一幕生物滅絕事件后局部淺海區(qū)正常海洋環(huán)境的再造和后生動物復蘇的動力機制提供線索,局部淺海環(huán)境的正?；矠楹笊鷦游锿笞泐悺⑷~蟲和海百合在赫南特階南鄭組的短暫復蘇創(chuàng)造了生存條件.極冰現(xiàn)象可能在任何地質歷史時期都有.冰期固然對喜暖的生物礁有一定影響,但其影響力度還與各地質歷史時期生物特征、冰蓋規(guī)模大小及古地理背景密切相關.由南極冰蓋凝聚引發(fā)海平面下降到最低點的赫南特期,在上揚子地臺從近岸到遠岸淺海區(qū)開始出現(xiàn)殼相觀音橋層碳酸鹽巖沉積,代表著華南第一幕集群滅絕事件后的局限小型碳酸鹽巖臺地的復蘇.這段地層所賦含的生物和沉積學信息具有明顯的多樣性.從生物特征上說,赫南特期前后是以筆石動物群為主體,赫南特期,在地臺中央如宜昌一帶,則以典型且具有較高分異度的涼水型腕足類Hirnantia動物群為主;而靠近古陸的黔北石阡、鳳岡、仁懷和畢節(jié)等局部地區(qū),腕足動物群所指示的涼水色彩要弱,如畢節(jié)燕子口的觀音橋層發(fā)育的是非典型的Hirnantia動物群,還兼有苔蘚蟲和珊瑚等其他殼相動物群共生,且厚度偏大,代表了碳酸鹽巖生產(chǎn)力在冰川期間的一個異常峰值.大量非典型涼水型底棲殼相動物群以及典型暖水型鮞灰?guī)r在滇黔桂古陸局部近岸帶的出現(xiàn),證明了一個重要推斷:主冰期來自南半球高緯度的冷水團運移到低緯度時,由于成都古陸的存在,多波及揚子地臺的遠岸區(qū)和部分近岸區(qū),而石阡、鳳岡、仁懷和畢節(jié)等局部近岸區(qū)卻仍然維持著暖水的“綠洲”.全球冰期發(fā)生期間,在揚子區(qū)多數(shù)冷水、局部近岸暖水共存的特例,補充了我們認知這一特定時期全球沉積事件和生物事件的另一個側面:即使局部近岸帶出現(xiàn)暖水灰?guī)r,也沒有任何生物礁存在的跡象,這次冰川事件針對華南造礁生物類群的重創(chuàng)之烈可見一斑,那就是主冰期的華南板塊是一個明顯的造礁空白期.志留紀冰川剛開始融化、海進發(fā)生初期的水體或許是偏涼的,并漫上了滇黔桂古陸赫南特期的局部暖水區(qū).龍馬溪組頁巖在黔中古陸北緣石阡一帶最早結束,魯?shù)ぷ钤缙邶堮R溪組灰?guī)r特點是厚度小,生物含量低,這是主冰期后碳酸鹽巖重建的雛形.隨著氣候的逐漸回暖,各生物門類復蘇,為走向了志留紀“古生代演化動物群”的再次輻射作了重要的鋪墊.香樹園組的生物灰?guī)r建造也在魯?shù)ね砥谘莼搅松飳拥乃?志留紀早期即使在其他板塊還存在冷水型沉積,華南揚子區(qū)則已擺脫了岡瓦納大陸冰蓋所引發(fā)的各種災變因素的陰影,更多地表現(xiàn)為循序漸進式地遵循著從泥狀灰?guī)r透鏡體—低生物分異度生屑灰?guī)r—高分異度生屑灰?guī)r—腕足類殼相生物層—格架巖生物層—格架巖生物礁復蘇的演化階段,當然,最后一個階段,即最具暖水型特征的生物礁完全復蘇是在愛隆中期才完成的,經(jīng)歷了約5—6Ma.這一緩慢的過程或許能給我們一個啟示,即冰川融化后的海進是相對快速的,為揚子地臺的遠岸區(qū)沉積數(shù)百米厚的龍馬溪組筆石頁巖提供了充足的空間;在近岸區(qū),珊瑚—層孔海綿和其他殼相生物群落在滅絕事件后的復蘇歷時較短,在魯?shù)ね砥诰屯瓿闪?為后生動物礁奠定了群落基礎,但這并不意味著生物礁、特別是后生動物格架類型礁的同步復蘇,因為后者需要更加苛刻的古氣候條件.