志留纪

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志留纪生物群示意图
志留纪链珊瑚化石(11厘米,陕西宁强)

  志留纪汉语拼音:Zhiliuji;英语:Silurian Period),古生代的第三个纪,在奥陶纪泥盆纪之间,始于4.38亿年前,结束于4.10亿年前。志留纪时沉积的地层称志留系(Silurian System)。

  志留纪可分为早、晚两部分,早期包括兰多弗里世(Llandovery Epoch)和文洛克世(Wenlock Epoch),晚期包括罗德洛世(Ludlow Epoch)和普里多利世(Pridoli Epoch)。志留系一名源于英国威尔士地区的一个古老部族Silures,“志留”一词系Silures的日文汉语音译。1835年,英国R.I.莫企逊在威尔士地区建立了广义的志留系,并对该地区的岩系进行了划分,用笔石与壳相化石进行地层对比。1879年,地质古生物学家C.拉普沃思把莫企逊广义的志留系下部地层命名为奥陶系。志留纪继承了奥陶纪时的许多古地理特征和某些古海洋特点,但在经历了奥陶纪末期全球生物大灭绝事件后,生物群与奥陶纪的有了重要的差别。志留纪时的气候更加温暖,志留纪地层在世界范围内出露较广,浅海沉积在亚洲欧洲北美洲的大部分地区以及大洋洲部分地区均有分布。非洲南极洲除个别小区外均为陆地。中国西藏外,各主要板块大都位于低纬度地带。

地层

  志留纪的分层系统,是依据演替迅速的化石门类分带确定。笔石是首选门类,其次是牙形石。志留系从下而上的三个统,即兰多弗里统、文洛克统和罗德洛统的全球层型剖面与点位均在英国(威尔士或英格兰)确立。此外,捷克布拉格地区是普里多利统的标准所在地。挪威南部、加拿大东部安蒂科斯提岛、瑞典哥得兰沙岛、乌克兰波多利亚地区等,都发育良好的志留纪不同时期的地层和生物群。中国志留系以兰多弗里统发育最好,比英国的更齐整和连续;罗德洛统和最上部的一个统普里多利统则在部分地区(如内蒙古、新疆、西藏、秦岭、川西、广西、云南)有较好的出露;文洛克统只在西秦岭等少数地区出露。

  在显生宙全部地层系统中,第一个确立较完整的年代地层系统(包括系、统、阶)的系就是志留系。这个系的顶、底界线及统的划分和阶的建立,均由国际志留纪地层分会在20世纪70年代后期和80年代初期提出方案,并在80年代先后被国际地层委员会批准,但已确立的大部分阶的底界都存在着一些问题。

  志留系的顶界,已选定以均一单笔石带的底为界,并选择捷克巴兰德地区的克伦剖面为其界线层型剖面,这个提案被国际志留-泥盆系界线工作组于1977年几乎全票通过。志留系底界的选定,放弃了传统的把雕刻雕笔石(Glyptograptus persculptus)带之底作为志留系底界的观点,改用尖削拟尖笔石(Parakidograptus acuminatus)带的底界为界,界线层型选在苏格兰莫发地区的道勃斯林剖面。然而,由于该剖面所处的地质构造复杂(断层交错、褶皱发育),岩相单一,化石单调,沉积环境基本不适宜于底栖生物,所以在国际奥陶-志留系界线工作组提出这个方案的时候,就遭到了不少学者的强烈反对。最近,国际志留系地层分会已作出决定,对全球(包括道勃斯林剖面)的奥陶系和志留系分界将进行重新研究。

  志留系分成4个统,除最上部一个统外,其余各统包括数量不等的若干个阶。

  1. 兰多弗里统。标准地区位于英国威尔士南部达费德的兰达弗里镇附近。兰多弗里统分成3个阶:最下部的阶称为鲁丹阶(Rhuddanian);第二个阶称为埃隆阶(Aeronian);最上部的阶称为特利奇阶(Telychian)。
  2. 文洛克统。标准地区位于英格兰什罗普郡的文洛克地区。文洛克统分成两个阶:下部申伍德阶(Sheinwoodian)和上部候默阶(Homerian)。
  3. 罗德洛统。标准地区在英格兰什罗普郡的罗德洛地区。罗德洛统分成两个阶:下部戈斯特阶(Gostian)和上部卢德福德阶(Ludfordian)。
  4. 普里多利统。标准地区在捷克的巴蓝德地区。本统的阶尚未识别和确立。

  中国的志留系地层可分为以下几个大区:

  1. 阿尔泰–兴安大区(有别于西伯利亚地台区):阿尔泰区、兴安区。
  2. 华北大区(属于中朝古板块):内蒙古南部–吉林区。
  3. 塔里木大区(可能与中亚属于同一古板块):南天山区、塔里木区。
  4. 哈萨克斯坦大区(可能为系列古岛弧):东、西准噶尔区等。
  5. 华南大区(属于华南古板块):扬子区。
  6. 西藏–滇西大区:西藏区(指西藏南部)、滇西区(属于滇缅马苏古板块)。
  7. 其他:阿拉善区、柴达木区、祁连山区、秦岭区、云开区等(可能为单独的地体)基本缺失志留纪地层。

  华南扬子区的志留纪地层曾被认为是中国志留系发育最好的地区,且研究基础最好,划分得最细,因而被视为中国对比的标准。然而,近30年的研究表明,该区志留系发育并不理想,长期作为中国志留系标准、过去分别被归入志留系下、中、上三统的龙马溪组、罗惹坪组和纱帽组,已全部归于兰多弗里统。兰多弗里世之后,大部分上升成陆,导致文洛克世及其后地层的缺失,只在边缘地区(如滇东、川西、川北)及部分海域延伸到内陆的地区(如湘西北、鄂东南)发育或可能发育,且基本上都是近岸浅水、碎屑岩相。滇西和西藏地区的志留纪地层发育得较完整,滇西多碎屑岩相,西藏多灰岩相,笔石和牙形石类是确定时代的主要化石门类。在塔里木区,兰多弗里世地层以浅水碎屑岩为主,夹含兰多弗里世早中期的笔石,其他时期的志留纪地层均发育大量的浅水海相红层,十分注目。新疆北部(包括准噶尔地区)的志留系厚度很大,可能与哈萨克斯坦关系密切,以腕足动物和珊瑚为主的介壳相十分发育,地层时代的确定还不够精确。阿尔泰–兴安大区则是以含介壳化石为主的碎屑岩相为特征的活动带,志留系诸统可能齐全,图瓦贝动物群的发育与其他各区之间的差别很显著。以上后三个区域志留系各统之间的界线大都不能划定,主要是由于缺乏笔石和牙形石化石。地处广西南部的钦州、防城地区发育较为完整的志留系,但属于单相(笔石相)的碎屑岩地层,系云开地块的一部分,可能是印支期才拼贴到华南古板块上来的。

生物界

  志留纪以前的生物群,特别是无脊椎动物,经过奥陶纪末全球生物大灭绝事件后,遭受了重创,许多奥陶纪特有类型,如奥陶纪的双头笔石科–直笔石科(Dicranograptidae-Orthograptidae)笔石动物群、晚奥陶世的赫南特贝腕足动物群(Hirnantia Fauna)均告灭绝。但志留纪与奥陶纪生物群的谱系关系仍较密切,许多类群自奥陶纪祖先衍生而来,在经历灭绝事件后,进入了一个新的复苏和辐射阶段,种类更加繁多。特别是脊椎动物中出现原始无颌类和陆生维管束植物更是志留纪生物革新的重要标志。在志留纪生物类群中,化石数量和类别最多的仍是无脊椎动物。

  笔石是海洋漂浮生态域中最引人注目的生物,以单笔石类为特征,如单笔石、锯笔石、耙笔石、弓笔石等。志留纪早期发育冲破了奥陶纪末大灭绝事件的正常笔石类分子,如正常笔石(Normalograptus)和新双笔石(Neodiplograptus),正是这类笔石后来演化成志留纪盛极一时的单笔石类。由于其特殊的生活方式,使其地理分布广,变异演化快,故单笔石的物种大都是全球广布在地层对比中有着不可替代的价值。志留系分统、分阶的界线主要是依赖笔石带确定。若再辅以牙形石,则可达到全球高分辨率的对比。

  在浅海底固着的底栖生物中,腕足动物的数量最多,在壳相动物群中常占绝对优势,故志留纪时代也被誉为“腕足类青壮年时期”。腕足动物的个体形态多样,最大壳长或壳宽可超过80毫米。其中,发育匙形台和腕骨构造的五房贝族是最具特征的一类,它们始于晚奥陶世阿什及尔中期并首次辐射,经过奥陶纪末大灭绝后,到志留纪达到鼎盛。具腕螺的无洞贝族、无窗贝族和石燕族,自奥陶纪晚期后,一直稳定发展,后成为腕足动物群中的主要族群。在奥陶纪大量繁盛的正形贝和扭月贝两大族,到志留纪明显衰落。

  刺丝胞动物中,珊瑚和层孔虫(有人将其归于海绵动物)是两个较繁盛的门类,常形成生物礁、生物丘和生物层。四射珊瑚、床板珊瑚和日射珊瑚经常发现于兰多弗里世晚期以来的暖、浅海域中,数量与属种类型均很多,至泥盆纪达于鼎盛。层孔虫的最盛期也在泥盆纪,从这个意义上说,志留纪是其准备期。四射珊瑚、床板珊瑚、日射珊瑚和层孔虫在今日海洋中均已绝迹。营固着底栖生活方式的这些类群在地理分布上有明显的区域性,但凭借其幼虫阶段的浮游特性可使某些属种在合适的环境中有广泛的分布。

  节肢动物门中的三叶虫到志留纪时已处于明显的衰落阶段,只在局部地区和层段中见及,如扬子区特列奇阶的王冠虫(Coronocephalus),有一定的地层意义,板足鲎类(Eurypterids)是志留纪无脊椎动物中的食肉类代表,能游泳,栖息于海洋或半咸水甚至淡水中。

  软体动物鹦鹉螺与奥陶纪相比显著减少,许多类型到志留纪已告灭绝,没有新类群出现。中国扬子区特列奇阶盛产四川角石(Sichuanoceras)为主的鹦鹉螺组合。腹足类和双壳类在志留纪时略有发展,但在丰度还是分异度上都远不如腕足动物,对它们的研究有助于认识这两个大类之所以在现今海洋中占很大优势的整个演化过程。

  在棘皮动物门中,海百合类最为繁盛。在中国兰多弗里统中最常见的花瓣海百合(Petalocrinus)为其代表。它们的个体形态与现代海洋中的相比差别很大。

  几丁虫(Chitinozoa)在碎屑岩相沉积中相当丰富,常与笔石相伴出现,具有相当重要的地层意义。

  在脊索动物门中,牙形石在志留纪演化快、分布广,是居笔石之后最具重要地层意义的一类化石。志留系保存了可靠的最早的鱼类化石,但数量有限。中国志留纪的鱼化石相对较多,最早的代表见于兰多弗里世晚期地层,如滇东曲靖一带有保存极佳的鱼化石标本。

  已知最早的陆生植物化石就记录在志留纪地层中。中国华南兰多维列统上部近岸海相地层中发现的黔羽枝化石,被认为是最早的维管束植物。它的出现,是因为华南文洛克世开始发生大面积的海退,使半陆生的裸蕨类植物获得了进一步繁育的机会。

地史特征

  志留纪时期全球主要地块包括冈瓦纳古陆、劳伦、波罗的海、西伯利亚、中朝、塔里木、华南、印支、滇缅(甸)马(来西亚)苏(门答腊)、西藏(南、北可能是两块,分属于不同的构造域)等多个大小不等的古板块与一系列岛弧褶皱带(如哈萨克斯坦)。冈瓦纳古陆面积最大,集中在南半球高纬区,包括非洲、大洋洲和南美洲的广大地区。其他块体主要分布在当时的中、低纬区。介于劳伦和波罗的海及阿凡隆尼亚(包括英国、爱尔兰、比利时等国)两大古板块之间为古大西洋,在志留纪晚期碰撞、闭合、消失,在造山带前缘形成广泛分布的老红砂岩。劳伦东部从奥陶纪塔康运动开始形成阿巴拉契亚褶皱带。西伯利亚板块可能与现今地理方位差约180°。哈萨克斯坦块体大致介于西伯利亚与塔里木古板块之间,可能由3个岛弧褶皱带拼合而成。从动物群特征或海相红层等沉积特征证明,塔里木块体更靠近华南板块。华南板块发育多门类土著化石群(如兰多弗里世的三叶虫纲王冠虫动物群,文洛克–普利多里世的腕足类Retziella动物群,说明它与相关块体(如中朝、中亚、澳大利亚)的联系与独立性。秦岭洋将中朝与华南两个块体分开,其间还分布着一定数量的小地体。

  志留纪时气候转暖,是各大板块陆表海和陆棚浅海广布时期。台地浅海碳酸盐的发育最为广泛,以北美最为典型。北美中部广布台地型的浅水碳酸盐相,如美国中部、西部和加拿大西部的白云岩套及加拿大东部白云岩套周缘的石灰岩套;在北美西缘出现明显的岩相分异,由白云岩套向西变成灰岩、泥岩的过渡相带,再向西变成碎屑岩相带。北美东缘也有类似的相分异,即向东由台地碳酸盐岩变为碎屑岩相带。

  全球志留纪的深水洋盆沉积很少保存下来,栖息在很深水的底栖动物群一直未被发现。波罗的海至西欧出现明显的岩相、生物相分带(由台地碳酸盐岩至台缘斜坡笔石页岩)。西伯利亚台地志留纪地层由较薄的碳酸盐岩和笔石泥岩组成,而其周缘活动带则赋存巨厚的碳酸盐岩及火山复理石建造。华南古板块的志留系岩相和生物相的分异也很典型,西部为碳酸盐岩和碎屑岩的台地型沉积,含壳相及笔石动物群;东部为碎屑岩及复理石的盆地沉积,化石很少。西藏和滇缅马(来西亚)苏(门答腊)志留系岩相分异也很清楚。西藏北部发育碳酸盐岩台地,南部发育碎屑岩相;滇缅马苏的碎屑岩相很发育,但是不少地方被后期破坏而面目全非。非洲北部至南美洲东、北部沉积了类似的台地型泥岩和细碎屑岩,含有相同的马尔文诺–卡夫利克(Malvino-kaffric)冷水动物群。澳大利亚东部及塔斯马尼亚、新西兰发育大套复理石建造,均属于大陆斜坡深水沉积。

  志留纪初,随着南极四周冰盖的快速消融,导致志留纪海洋和大气环流的减弱,使得纬向气候分带不甚明显。一般来说,海洋深海部分相对较暖,含氧量较低,易成滞流,因此,除高纬区的冈瓦纳大陆外,其他各板块大都处于干热或温暖的气候条件下。这种全球性的温暖气候主要反映在以下诸项特征:

  1. 志留纪特别在兰多弗里世初期由于全球海平面的快速上升,带来普遍的缺氧环境,使黑色笔石页岩广布;
  2. 兰多弗里世晚期至拉德洛世全球碳酸盐岩和生物礁广泛分布,在北美和北欧尤为发育,显示了较温暖的古气候特点;
  3. 志留纪的红层(海相浅水或深水)发育较为普遍,已在中国华南和塔里木及西伯利亚、哈萨克斯坦、波罗的海等板块上发现,它们大都分布在赤道和亚热带区域;
  4. 志留纪发育蒸发岩,如西伯利亚和澳大利亚等,反映了干旱、炎热的古气候面貌。

矿产

  在地质历史时期里,志留纪是一个沉积矿产相对贫乏的时期。但是,美国沉积铁矿的10%、盐矿的20%和较少量油气资源却来自志留纪地层;阿尔及利亚、利比亚和撒哈拉沙漠中部的石油大部分也是贮存在志留纪地层中。此外,还有西伯利亚和澳大利亚西部蒸发岩系中的膏岩矿,澳大利亚东部的金矿和锡矿。在中国志留系矿产资源中,首推西秦岭地区黑色页岩中富集的放射性元素;在东秦岭志留系中具有开采价值的小型藻煤(石煤),还与铀、钒、铝、镍、钴等多种稀有元素相伴。此外,志留纪碳酸岩地层中含大量灰岩、白云岩,是建筑材料和水泥的重要原料。