石炭纪

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石炭纪植物群示意图
黄河菊石(Huanghocerassp.)化石(中石炭世,6厘米 产地:山西太原)

  石炭纪汉语拼音:Shitanji;英语:Carboniferous Period),古生代的第5个纪,约开始于3.54亿年前,结束于2.95亿年前。这段时期形成的地层称石炭系(Carboniferous System)。石炭系这一名称是1822年W.D.科尼比尔和J.菲利普斯所创建,因含众多煤炭,故而命之“石炭系”。石炭纪是重要的成煤时期。

  石炭纪与二叠纪和泥盆纪之间的边界的年代主要是通过放射性同位素断代获得的。

  对石炭纪的内部分类各个地区使用非常不同的系统,这些不同的系统在其使用地区和传统中却相当稳定。在西欧石炭纪一般被分为上下两个亚纪,在美国分密西西比纪和宾西法尼亚纪,在俄罗斯分上中下三个亚纪。古生物学上的细节划分一般使用海生动物头足纲动物、腕足纲动物、珊瑚等。陆地植物也被用来对上石炭纪作细节划分。

地层

  石炭纪沉积的岩层,在世界上许多地区表现为明显的二分性,下部以海相灰岩为主,上部以海陆交互相或陆相含煤沉积为主,因此西欧和北美均将石炭纪二分。西欧早石炭世沉积的地层称狄南系,晚石炭世沉积的地层称西里西亚系(1964);北美的石炭系由H.S.威廉斯(1891)划分为两个独立的系:下部的密西西比亚系和上部宾夕法尼亚亚系。俄罗斯地台和中国华南,海相灰岩沉积连续,海相化石丰富,因此,俄罗斯、中国和日本都曾采用三分,将石炭系划分为下、中、上3个统。1975年在莫斯科召开的第八届国际石炭纪地层和地质大会期间,许多国家的代表提出在国际上统一划分石炭系为两个亚系的建议,亚系之下再划分为统和阶。中国现也将石炭系二分,下统称丰宁亚系,上统称壶天亚系,与国际上密西西比亚系和宾夕法尼亚亚系相对应。石炭系底界的全球界线层型在法国南部拉塞雷,以凹沟管牙形石(Siphonodella sulcata)的首现为标志,其顶界即二叠系阿瑟尔阶的底界。密西西比亚系从下而上分为杜内阶、维宪阶和谢尔普霍夫阶,中国分为汤耙沟阶、旧司阶、上司阶和德坞阶;而宾夕法尼亚亚系进一步分为巴什基尔阶、莫斯科阶、卡西莫夫阶和格舍尔阶,中国则分为罗苏阶、滑石板阶、拉达阶和小独山阶。

  石炭系海相和陆相地层均甚为发育,中国准噶尔和大小兴安岭石炭世沉积主要由岛弧碰撞和增生时期的浊积岩和火山岩构成。塔里木南天山以火山岩和复理石沉积为主;而柯坪、叶城则为稳定陆棚及碳酸盐台地沉积。在华北地区为海陆交互相沉积。在华南广大地区石炭系层序完整,发育大量碳酸盐台地沉积。西藏冈底斯区下石炭统为碳酸盐台地沉积,上石炭统主要为碎屑岩,并含火山岩。藏南区的石炭系以内陆棚碎屑沉积为主。滇西区的石炭系基本上由浅水碳酸盐岩组成。

生物界

  石炭纪的生物进入一个新的发展阶段,海洋热带底栖生物繁殖,钙藻、层孔虫、床板珊瑚、四射珊瑚和苔藓虫可以形成礁体。原生动物?类演化迅速,层位稳定,成为石炭、二叠纪的重要分带化石。四射珊瑚在早石炭世仍以双带型属种为主,早石炭世晚期出现复中柱的三带型,其中柱构造为蛛网形;晚石炭世珊瑚中柱构造比较松散。石炭纪的腕足动物以新兴的长身贝类和石燕贝类为主,早石炭世早期长身贝类个体较小,纹饰简单;早石炭世晚期长身贝类个体巨大,出现纹饰构造复杂的大戟贝、小戴维斯贝、大长身贝、线纹长身贝等。头足动物鹦鹉螺类中的珠角石类,在早石炭世基本灭绝,代之以新发展的菊石类。菊石中具无棱菊石式缝合线的类型只限于早中泥盆世,具棱菊石式缝合线的类型多为晚古生代。

  石炭纪开始由于陆地面积不断增加,陆地上的生物也得以迅速发展。陆生植物、昆虫和脊椎动物的发展,改变了泥盆纪时陆地上的景观。泥盆纪常见为结构简单的陆生植物裸蕨类,石炭纪繁盛较高级的石松类、节蕨类和种子蕨,在沿海和沼泽地区形成茂密的森林同低矮的灌木,它们与科达类和木贼类构成丰富的成煤物质。随着陆生植物的大发展,昆虫开始发生古翅类(Paleoptera),晚石炭世的大型蜻蜓,展翅宽50~60厘米,创古今昆虫中身体最大的记录。石炭纪为两栖动物大发展时期,它们的卵和幼年期仍生活在水中,成年期水陆两栖,以肺呼吸,四肢爬行,最常见的是迷齿类(Labyrinthodonts),它们广泛适应成煤的沼泽环境。最原始的爬行动物开始出现在晚石炭世,但它们的发展却是在二叠纪以后。

生物地理区系

  地球上的维管植物虽然在志留纪已经出现,到晚泥盆世有一定的发展,但尚未发现明显的植物地理区系。由于陆地的扩大,石炭纪开始第一次出现明显的植物地理区,根据古植物的资料,石炭–二叠纪可划分为以下4个植物地理区:

  1. 欧美植物区。时限为石炭纪至早二叠世,包括北美、北非、欧洲、小亚细亚和中亚。中国和东南亚地区,仅早、中石炭世植物属于欧美植物区,更晚时期则属于华夏植物区。欧美植物区当时以热带、亚热带潮湿气候的植物为特征,但晚石炭世晚期开始气候变为干燥。
  2. 华夏植物区。早石炭世至晚石炭世早期中国和东南亚仍属欧美植物区,晚石炭世晚期当逐渐变干燥的气候席卷欧美植物区时,中国及东南亚仍然保持着潮湿的气候,一直继续到二叠纪末,形成独特的大羽羊齿(Gigantopteris)植物群。晚石炭世的华夏植物群虽然仍保留一部分欧美植物区的属种,但有一系列地方性的属种发生,到二叠纪时,华夏植物区缺乏欧美常见的美羊齿、松柏类以及封印木。
  3. 安加拉植物区。时限为早石炭世至二叠纪,典型地区为西伯利亚通古斯、哈萨克斯坦及其南缘包括蒙古和中国天山-兴安地槽以北的广大地区,安加拉的植物从早石炭世已有发生。安加拉植物区周围同其他植物地理区之间为中间过渡地区。
  4. 冈瓦纳植物区。早石炭世的冈瓦纳植物发现于南美阿根廷、澳大利亚东部和南亚克什米尔。晚石炭世开始的舌羊齿(Glossopteris)植物群同后来的恒河羊齿(Gangamopteris)植物群为该区特征分子,在地理上包括南美、南非、印度、巴基斯坦、澳大利亚和南极大陆,中国主要发现于西藏雅鲁藏布江以南。

海洋无脊椎动物地理分区

  海洋气温变化并不像陆地显著,但仍可以划分出以下动物区系:

  1. 特提斯动物区或称欧亚区。介于欧亚大陆和冈瓦纳古陆之间的古地中海,从中国南部经欧洲西部、非洲北部和中亚也可能包括日本南部及澳大利亚。特点是中维宪期至纳缪尔早期腕足类以大长身贝科(Gigantopro-ductidae)、小戴维斯贝科(Daviesiellidae)和大戟贝科(Megachonetidae)广泛分布为特征,珊瑚以石柱珊瑚(Lithostrotion)、郎士德珊瑚(Lonsdaleia)和棚珊瑚(Dibunophyllum)为主。
  2. 北美–西伯利亚区。包括北美中部和西部。特别是密西西比河流域和科迪勒拉区,西伯利亚库兹巴斯盆地以及中国北方准噶尔–兴安地槽区也包括在内。该区早石炭世大长身贝、小戴维斯贝和大戟贝稀少或缺失;晚石炭世分喙石燕(Choristites)不发育,珊瑚有显著的区别,以小石柱珊瑚(Lithostrotionella)为主。美国科迪勒拉区大长身贝被巨型贝(Titanaria)代替。北美密西西比区出现螺旋形的阿基米德苔藓虫(Archimedes)。中国天山以北的北方地槽区早石炭世早期(杜内至维宪初期)动物群显示同北美-西伯利亚区相似,许多属种同库兹巴斯、哈萨克斯坦相同,但从中维宪期以后通过祁连海槽同华南接近,中国南北连成一体。
  3. 冈瓦纳区或称古地中海南区。包括南美和澳大利亚、印度、巴基斯坦和中国西藏南部,Levipustula动物群发育在澳大利亚和南美,冈瓦纳古陆上格舍尔期发育冷水型双壳类宽铰蛤(Eurydesma)动物群。

古地理、古构造及海水进退

  早石炭世继承了泥盆纪的海陆分布格局。自古生代以来陆块不断地聚集。石炭纪早期地球上有了大陆块互相靠近,石炭纪末3个陆块终于形成一个泛大陆。这3个陆块是:

  1. 斯堪的纳维亚大陆,包括北美经格陵兰到西欧;
  2. 欧亚大陆,包括东欧和亚洲北部及东部;
  3. 冈瓦纳古陆,包括南美、非洲、印度、澳大利亚和南极。

  前两个大陆合称劳亚古陆,但石炭纪时尚未连成一个整体。劳亚古陆和冈瓦纳古陆之间是向东扩展的特提斯海(古地中海)。根据古地磁的资料,石炭纪时的南极中心位于冈瓦纳古陆,北极的中心位近西伯利亚,美国大部分、欧洲和亚洲的一部分位于热带。石炭纪的构造运动使几个陆块的边缘和相邻地槽区(如莱茵海西地槽、阿巴拉契亚地槽、乌拉尔地槽、中亚-蒙古地槽等)沉积的巨厚岩层受到挤压而褶皱上升,形成岛屿和山系,山系又不断遭受侵蚀。在地台区,石炭纪早期广布的是浅海,后期逐渐转变为海陆交互相或陆相成煤环境。

  全球性的海平面升降引起频繁的海进、海退,形成多个沉积旋回。旋回完整的剖面多发育在盆地内部,而海进、海退之间的间断,常见于盆地边缘。石炭纪的巨大海进并非持续不断,往往是一次大的海进,表现为几个小的脉动。石炭纪每个旋回具有特征性的岩性和化石群,海进一般表现为各种生物碎屑灰岩,海退表现为鲕状灰岩、叠层石、蒸发盐和白云岩化。大旋回的界线同化石群的变化相一致,生物灭绝于每个旋回的顶部,新生类型发生在次一个旋回的底部附近。各类特征性的生物群最繁荣时期,即发育最好的部位是在大旋回的中上部。

古气候与矿产

  根据石炭纪的珊瑚礁分布,可以推断早石炭世的赤道带通过北美洲中部、西北欧经黑海穿过中国西北、华南到达印尼和大洋洲东部。石炭纪同大陆上的古气候相适应的是植物地理区系的分布,欧美植物区和华夏植物区为热带、亚热带气候,冈瓦纳植物区和安加拉植物区分别代表热带以外的南北温凉气候区。世界上各地石炭纪的成煤时期早期也有差别,分别代表各地区的热带潮湿气候,石炭纪的干旱气候区仅限于一定的地理分布,同泥盆纪和二叠纪相比,干旱面积较小,干旱气候同蒸发岩类沉积的分布相适应,例如亚洲早石炭世从哈萨克斯坦南部经天山伸延至南天山和塔里木,哈萨克斯坦向东到西伯利亚干旱气候一直延续到中石炭世。南半球的冈瓦纳古陆,石炭纪时高出海面,从石炭纪中晚期开始气候变冷,冰川活动一直持续到早二叠世,冰期和间冰期沉积在南美、南非、印度和澳大利亚都有广泛的分布,在南非南部冰川呈放射状方向流动。在北半球,仅在西伯利亚东部可能为寒冷干燥气候。石炭纪时陆地海岸和沼泽地区气候温暖潮湿,形成重要的煤矿,中国华南早石炭世晚期的测水组(湖南)、梓山组(江西)、叶家塘组(浙江),均含可采煤层。东北、华北和西北的上石炭统,含有重要的煤系。大陆上经过长期剥蚀的地区,往往形成铝土矿和耐火黏土,中国华北石炭系含有G层铝土矿和山西式铁矿,贵州清镇一带下石炭统顶部亦含大型铝土矿。北美晚石炭世蕴藏有油页岩和石油。中国石炭系也是油气勘探的重要层位。中国新疆、甘肃、宁夏中部石炭系含有石膏及蒸发岩矿床。石炭纪碳酸盐岩沉积分布广泛,世界各地开采石灰岩和白云岩作为石灰和水泥的原料。