泥盆纪

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泥盆纪鱼类示意图

  泥盆纪汉语拼音:Nipenji;英语:Devonian Period),古生代的第四个纪,约开始于4.1亿年前,结束于3.54亿年前。这个时期形成的地层称泥盆系(Devonian System)。该名来源于英国南部的德文郡(Devon),由A.塞奇威克和R.I.莫企逊于1839年命名。“泥盆”一词是Devon的日文汉字音译。最初泥盆系代表德文地区与威尔士地区寒武系相当的地层单位。其后,根据德文灰岩中珊瑚化石的研究,认为其特征介于志留纪石炭纪之间,层位相当于威尔士区志留系之上、石炭系灰岩之下含鱼和植物化石的老红砂岩,因此确定为一新的系。通过对德国比利时法国俄罗斯的地层研究,证实泥盆纪地层也广布于欧洲大陆,并在这些地层中发现了老红砂岩的鱼化石。在经过7年的争论之后,泥盆纪被确认为国际地质年代单位。泥盆纪分为早、中、晚3个世,地层相应地分为下、中、上3个统。

地层

  泥盆纪的沉积物分布于世界各地,其沉积总量比古生代其他各系都大。沉积地层一般划分为老红砂岩相、莱茵相和海西相,分别代表大陆环境、近岸和远岸的海相环境。不同盆地沉积模式各异。以德国–比利时盆地为代表的岩相,早泥盆世多为近滨、前滨碎屑岩相,中、晚泥盆世发育陆棚碎屑岩相、台地碳酸盐岩相、盆地泥质岩相和水下隆起碳酸盐岩相。中国华南与西欧类似,差异在于泥盆纪中、晚期台地内部广布以浮游相硅质–泥质、碳酸盐岩沉积,形成台、盆交错的古地理格局。北美东部则相反,早、中泥盆世为较浅水碳酸盐岩分布,而晚泥盆世全为碎屑岩,较深水的黑色页岩与三角洲相卡斯基尔砂岩穿插沉积。准噶尔–兴安褶皱带和澳大利亚–新西兰地槽区以岛弧型火山碎屑沉积为主。属于泥盆纪的特殊岩石类型有:

  1. 沿老红古陆分布的老红砂岩。
  2. 发育在加拿大、乌拉尔、比利时和中国华南的礁灰岩。
  3. 广布于北美台地的黑色页岩。
  4. 中国华南地区含锰硅质岩以及早泥盆世初期的笔石页岩等。

  由于命名地区德文郡的地层构造复杂、层序不清、局部变质。故传统上一般以莱茵地区和阿登地区的地层剖面为国际泥盆系分类标准,划分为3个统7个阶。由于加里东运动的影响,许多地区泥盆系不整合于志留系之上。捷克波希米亚地区具有整合的志留–泥盆系界线剖面,泥盆系底界以均一单笔石(Monograptus uniformis)的出现为标志。布拉格附近克伦剖面第20层被确定为志留–泥盆系界线层型剖面和点位。泥盆–石炭系界线定义为凹沟管牙形石的首次出现点位。

  中国的泥盆系在北方主要分布于天山、兴安岭、准噶尔、内蒙古等区,以地槽型火山碎屑沉积为主。中朝地块和塔里木地块大部为剥蚀区,仅局部发育陆相红色碎屑沉积,华南泥盆系最为发育,具有多种沉积类型,以地台型浅海和滨海沉积为主。碳酸盐台地占据大部分,其间为纵横交错的海盆切割。沿江南古陆南缘则发育宽广的近岸型碎屑–碳酸盐岩沉积。西南区沉积比较复杂,发育有火山岩且部分变质。秦岭–龙门山区沉积状况近似华南区。泥盆系内部除宁夏运动见于祁连山外,尚未发现造山运动。中泥盆世中期的造陆运动十分显著,席卷整个华南区。

生物界

  最明显的特征是水生脊椎动物的发展,出现了盾皮鱼类、总鳍鱼类、胴甲鱼类、肺鱼等,并由此演化出陆生四足动物,因此,泥盆纪被称为“鱼类时代”。中国已报道的泥盆纪鱼化石超过52属,绝大多数发现在长江以南,以早泥盆世无颌类和以云南鱼类(Yunnanolepids)为代表的原始胴甲类最为典型。陆生植物开始繁盛是另一特点。原始石松甚为发达,楔叶和真蕨普遍出现,晚期乔木状植物已占相当优势。浅海无脊椎动物的数量和分异度明显增加。造礁生物大量发育,腕足动物、双壳类和腹足类的科属数量达到极盛。节肢动物中的板足鲎类在泥盆纪早期的海水和淡水中很常见,叶肢介首次发生于中泥盆世,三叶虫逐渐减少。在奥陶纪、志留纪繁盛的笔石类延续至早泥盆世后期灭绝,而取而代之的是头足类的菊石纲与漂浮的竹节石类占据着洋面。分类不明的牙形石动物,分布广泛,演化迅速,成为划分时间单位和国际对比的最好工具。动物地理分区在早泥盆世比较明显,一般海洋无脊椎动物划分为3个区系:

  1. 旧世界区系,包括欧洲与亚洲大部、美国西部、加拿大极区、澳大利亚、新西兰和北非等地。
  2. 阿巴拉契亚区系,沿北美东缘,从加拿大的加斯佩到墨西哥的奇瓦瓦,也包括南美的委内瑞拉、哥伦比亚和巴西北部。
  3. 马文诺卡夫里克区系,指的的喀喀湖以南的南美、南非、南极等广大地区。

  脊椎动物划分为欧美区、西伯利亚区、图瓦区、中国华南区和东冈瓦纳区,这与主要陆块的分布一致。

古地理

  泥盆纪古地理的基本格架主要由冈瓦纳古陆、劳亚古陆及其间的古地中海和古太平洋组成。冈瓦纳古陆是最完整、最大的古陆,包括已知大陆壳的一半以上,围绕南极地区分布,由现在的非洲、阿拉伯半岛、马达加斯加、南美、印度、澳大利亚、新西兰、南极和可能的南欧、土耳其、阿富汗、伊朗、中国西藏等组成。劳亚古陆的西部,由劳伦古陆和波罗的古陆构成超大陆,又称欧美联合大陆。劳伦古陆以北美地台为主体,加上苏格兰、部分的爱尔兰。波罗的古陆主要包括乌拉尔以西的俄罗斯地台、芬兰、斯堪的纳维亚半岛。欧美联合大陆的陆相沉积含有近似的非海相和淡水的鱼化石、植物化石。欧美联合大陆以东为一些分散的大型陆块或小型至微型陆地群组成,其中,以西伯利亚、哈萨克斯坦、中国华北和华南古陆较大。华南古陆的位置接近赤道附近和北半球中纬带。西伯利亚则处于高纬带。泥盆纪时的海水覆盖面积约占地球的85%,其分布特点包括广阔的构成北半球的古太平洋,位于冈瓦纳古陆以北的古地中海和各陆块之间狭窄的陆间海,以及大陆之上的陆表海。根据古地磁资料推断,泥盆纪时的极点大约位于现在非洲南部津巴布韦和博茨瓦纳一带。根据沉积物性质推断的古气候,表明北美可能位于亚热带,俄罗斯地台位于干燥气候带,导致剧烈的蒸发。西伯利亚地台存在礁相蒸发岩、碳酸盐岩和红层,哈萨克斯坦具有厚的碎屑岩、红层、煤层、铝土岩,并含蒸发岩,推测它们的气候从温湿到干热。冈瓦纳古陆的南部主要发育厚而单一的碎屑岩,仅局部含碳酸盐岩,可能代表寒冷或温湿气候。南美东部主要为碎屑岩,缺失碳酸盐岩和陆相沉积;化石以双壳类为主,分异度很低,珊瑚、层孔虫、苔藓虫等骨骼化石极少或缺失,均表明属于寒带气候。巴西东北部巴纳伊巴盆地沉积有冰碛岩、季候纹泥,表明有过冰川活动。泥盆纪时年和日的长度与今天不同,据各类化石(珊瑚、层孔虫、双壳类)生长纹数的测定,每年平均400天,每昼夜约为21~22小时。泥盆纪时,月球和地球之间的距离大约是现今的一半,这与地球物理学家和天文学家的推断吻合,归结为地球自转速度的减弱。

造山运动、海进海退和生物事件

  泥盆纪早期开始的阿卡迪亚运动,使北美中东部形成高地,并影响到从纽芬兰到纽约州的北阿巴拉契亚地区,造成下、中泥盆统褶皱。南诺维斯科提亚微板块与欧美联合大陆发生碰撞。劳伦古陆的北缘和西缘在福兰克林和科迪勒拉带内发生了埃尔斯米尔和安特勒造山运动,中、晚泥盆世时该运动几乎遍及北极全区。西北非已知的毛里塔尼亚造山带,从塞拉利昂一直延伸到小阿特拉斯山脉。东澳大利亚遭受强烈台伯拉波造山运动,使得泥盆系内部和其下伏不同时代地层不整合接触,形成尼卡姆巴山系。中朝古陆祁连山区的宁夏运动发生在中、晚泥盆世,表现为两套陆相地层间的不整合接触。某些学者曾推断西伯利亚板块与哈萨克斯坦板块的碰撞发生在晚泥盆世。

  泥盆纪沉积具有两个主要的海进–海退旋回,以中泥盆世早期和晚泥盆世晚期的海退分开,几乎见于所有泥盆系发育区。

  由海平面变化、缺氧事件以及可能的天体撞击造成的全球性生物事件在泥盆纪内部反复发生。主要表现为生物的突然灭绝和大量辐射。它们多与特殊的黑色岩系出现密切关联。泥盆纪内部至少有8次全球性生物事件被识别。其中特别重要的有3次:

  1. 法西塞拉斯(Pharciceras)事件或称塔凡尼克事件,发生于中、晚泥盆世之交,接近腕足动物鸮头贝的灭亡至弓石燕出现之间的时期。腕足类的6个科,四射珊瑚15个科消失。菊石类中的无棱菊石科(Agoniatitidae)、扁菊石科(Pinacitidae)和似古菊石科(Anarcestidae)的大部分消失,代之出现脐状叶激增的皱菊石科(Pharciceratidae)新演化系列。这个事件以后,等环节石类(Homoctenids)发生分异,掌鳞牙形石类(Palmatolepids)辐射,浮游介形类生物量突增。这一事件与海面上升吻合。
  2. 凯勒瓦瑟尔(Kellewasser)事件,代表晚泥盆世内部的生物危机,亦称弗拉斯–法门事件,最明显的变化是生物量急剧下降,造礁生物消失,竹节石类、腕足动物的3个目、四射珊瑚的十多个科灭亡。这一事件之后,世界各地普遍海退,蒸发岩广布,南美出现了冰川沉积。
  3. 亨根贝格(Hengenberg)事件,发生在接近泥盆–石炭系界线附近。晚泥盆世盛行的海神石、镜眼虫、盾皮鱼类及无颌类全部灭亡。牙形石在掌鳞牙形石类和管牙形石类(Siphonodellids)演化系列之间出现浅水原颚牙形石(Protognathodus)生物相。事件之后,菊石、牙形石、介形石、珊瑚、腕足、脊椎动物等门类均发生新的辐射。与这一事件相联系的黑色页岩广泛分布于西欧、北美和中国华南。

  中国的海洋生物属归世界区系,可进一步划分为准噶尔–兴安区、南天山区、华南区和西藏–滇西区,中国早泥盆世脊椎动物,大部分为地方性类型,属于华南独立生物区。

矿产

  世界古生代石油和天然气约50%以上赋存于泥盆系。其中,俄罗斯乌拉尔–伏尔加地区和加拿大阿尔伯达地区的储量约占75%,它们一般与礁灰岩和黑色页岩等含油母岩的发育有关。与蒸发岩有关的钾盐矿分布于加拿大萨斯喀彻温等地。乌拉尔中泥盆统含有丰富的铝土矿。很多晚泥盆世的黑色页岩与磷矿、铀矿有关。中国南部泥盆系矿产极为丰富:沉积型赤铁矿沿泥盆纪古海岸线分布,特别是晚泥盆世宁乡式赤铁矿具有经济意义;锰矿和磷矿则多与盆地相硅质沉积密切相关;铅、锌、锡、黄铁矿等有色金属与礁相或礁后相石灰岩有关;广布的石灰岩与石英砂岩是常见的建筑和玻璃原料;新疆北部泥盆纪火山岩系是赋存金、铜的层位。