显生宙全球气候变化与生物绝灭事件的联系

显生宙全球气候变化与生物绝灭事件的联系 显生宙全球气候变化与生物绝灭事件的联 系 缏羡化 第4卷第3,4期地学前缘(中国地质大学,北京) 显生宙全球气候变化与生物绝灭事件的联 4 D/(}引,————一,' 布祷t..Boucot)移9.,4J 阮亦萍 (中国科学院南京地质古生物研究所,南京.210008) 斯科梯司(C.R.Scotese) (IJepamnem0fGeoto~,University0fTexas,Ad劬,TX76019,USA) 樊隽轩 (中国科学院南京地质古生物研究所,南京,210008) 摘要根据显生宙各地质时期全球气候敏感沉积物和生物地理单元数据库,显生宙(寒武纪 至中新世)可识别出24次全球范围内不同级别的气候变化事件.有些事件与全球生物事件有 着密切的联系,而不少则并无重要联系,即使这两种事件发生的时间和规模上存在着明显的一 致性,也并不一定就存在着西果关系.这24次事件根据二者的一致性和不一致性,可归纳为两 类:(1)早寒武世柬(一致);(2)晚寒武世柬(不一致);(3)早奥陶世柬(1be,San束,不一致); (4)奥陶纪束(一致);(5)志留纪兰多维列世(不一致);(6)志留纪文洛克世早期(不一致); (7)志留纪文洛克世柬(不一致);(8)志留纪罗德洛世束(不一致);(9)志留纪普利道里世束 (不一致);(10)早'坭盆世埃姆斯期初(不一致);(11)中l坭盆世艾菲尔期柬(一致);(12)中泥 盆世吉雏特期柬(一致);(13)晚泥盆世弗拉斯期束(一致);(14)泥盆纪柬(不一致);(15)早 石炭世柬(一致);(16)晓石炭世维斯发期束(一致);(17)早二叠世萨克马尔晚期(一致); (18)二叠纪束(一致);(19)早三叠世(一致);(20)中一晚三叠世(不一致);(21)早侏罗世赫 塘期(不一致);(22)晚白垩世赛诺曼一土伦期(不一致);(23)白垩纪束(不一致);(24)第三 纪及第四纪一系列的生物篼灭事件(不一致).由上可见,显生宙五次最大的生物集群绝灭事件 中,古生代的三次(奥陶纪束,晚泥盆世弗拉斯期柬和二叠纪柬)与全球气候变化有着密切联系, 而中生代的两次则不一致,这可能有利于地外因素对它们的解释. 关键词全球气候梯度生物绝灭事件气候敏感沉积物生物地理单元 CLCP53.P52 收稿日期:19974)2—19 作者简介:胨旭,男,1936年生,研究员,博士生导师,地层学与古生物学专业.国际奥陶系分会副主席. 本研究受国家自然科学基金项目{编号:49372082)资助. ,, 哆筝一 地学前壕 为了更好地解释生物绝灭事件与相关因素的联系,我们认为将显生宙的重大生物绝灭 事件与同时期的一些重要的气候变化比较,可能会得出一些有益的结论.几年来,我们力图 更好地解释从寒武纪到中新世气候带界线的位置变化.因此我们可以在完成中,美台作的 古气候研究课题过程中,进行显生宙古气候变化与生物绝灭事件的对比工作.尽管在古气 候变化和生物绝灭事件间还不能建立一对一的对应关系,但目前已知的地质已为我们 提供了二者之间的不少对应关系(Boucot,1994)1J.近年来Boucot又进一步注意到发生在 维斯发期和斯蒂芬期之间(宾夕法尼亚晚期)较低级别的生物绝灭事件.这样我们就可以归 纳出显生宙24起气候事件或气候梯度变化?,0. 由于大多数的古气候资料都是基于陆地和浅海地区的证据(冰碛岩,钙结岩,铝土矿,高 煤,蒸发岩等),而生活在浅海海底或水层中的海洋生物由于海水的缓冲作用,岭石, 陆地上 发生的事件对它们的影响并非十分明显.也就是说,对于生活在潮下带的无脊椎动物而言, 临近的陆地是否正处于干旱或潮湿多雨的气候条件,对它们来说未必有太多的意义,而非海 相的生物受陆气候条件的影响则要大得多.相反,任何影响全球水体条件的气候因素,比 如水温,对海洋生物的影响就相当大.温度的变化会产生新的冷水区,并最终通过适应辐射 产生冷水生物,而当较冷的水体最终消失时,这些生物也将绝灭.全球气候梯度的一些重大 变化,无论是上升还是下降,对陆架区的底栖生物的影响都将是深远的.显然,全球气候梯 度的下降将倾向于全球更均一的环境,并将导致至少是高纬度冷水动物群的消失,而上升的 全球气候梯度将导致纬度带的分异和地区性的加强. (1)第一次重大的生物绝灭事件发生在早寒武世末.这次绝灭事件与一次全球气候梯 度的明显上升非常吻合.中,晚寒武世在古大西洋区广泛分布含硅质碎屑和云母的沉积,但 在早寒武世却无证据表明该地域是一个寒冷气候的区域.相反,在早寒武世,通常与蒸发 岩,古杯动物伴生的海相碳酸盐岩却广泛发育,热带一亚热带的潮湿气候在哈萨克斯坦的东 南部也找到了证据(广泛发育的喀斯特铝土矿),所以这次重要的气候变化和易辨识的生物 绝灭事件之间呈正相关. (2)第二次绝灭事件发生在晚寒武世末,但我们并未发现气候上有相应的重要变化. 中,晚寒武世经历温暖,干旱气候的地区在奥陶纪仍是如此,寒冷气候的地区到奥陶纪亦未 改变.显然气候条件和绝灭事件之间为负相关关系.我们并无证据表明在晚寒武世有任何 较大的气候变化,这当然也可能是在这段时间里全球气候敏感沉积物的分布的资料点还不 够,但即使北美洲这一时期的生物事件是全球性的,那也只能说明它与气候变化并不一致. (3)第三次生物绝灭事件发生在早奥陶世末的Ibexlan(阿伦尼格中期),我们尚未找到 证据表明有任何重要的气候变化,在绝灭事件和气候带的变迁之间呈负相关.另外在中,晚 寒武世还有几次低等级的生物绝灭事件,Boucot(1994)C1J未曾提及,但它们亦不 与任何气候 变化相关. (4)第四次生物绝灭事件发生在奥陶纪末阿石极期,共有两幕:第一幕发生在罗塞 ?Boucot.AJ—ChinXu.S~ote*eCRPreliminm'yaxaplicatianofCa-al0rlantht~ghMioceaeciirrmticaUys ensitivedeports BullalnofGeologicalSocietyofAmerica.Spec~;/~#er(inpress) @陈旭,阮亦萍,布科主编.中国古生代气候演变(穑). —— 124—— 地学前缘 (Rawtheyan)期末,第二幕发生在赫南特期末.其中罗塞期末的绝灭事件同一次明显的全 球气候变化相关,这次变化导致了赫南特期的冰期作用开始;而第二幕则与赫南特期冰期作 用的结束一致.随后的兰多维列世早期又一次全球气候梯度下降,它又与全球黑色笔石页 岩广布一致.因此这次生物绝灭事件和气候变化呈正相关. (5)第五次生物绝灭事件与其说是一次生物绝灭事件,倒不如看作一次兰多维列世生 物的散布.当时许多海相无脊椎动物从中澳生物区迁移到北大西洋地区【.目前为止尚 无证据表明志留纪发生过较为明显的气候变化. (6)第六次生物绝灭事件发生在志留纪文洛克早期,规模较小但分布较广,未发现与任 何明显的全球气候变化相关. (7)第七次生物绝灭事件发生在志留纪文洛克世晚期,规模较小但分布较广.未发现与 任何明显的全球气候变化相关. (8)第八次生物绝灭事件发生在志留纪罗德洛世末,规模较小但分布较广.未发现与任 何明显的全球气候变化相关. (9)第九次生物绝灭事件发生在志留纪普利道里世末,规模较小但分布较广,未发现与 任何明显的全球气候变化相关. (1O)第十次生物绝灭事件发生在早泥盆世埃姆斯期初,规模较小但分布较广.未发现 与任何明显的全球气候变化相关. (11)第十一次生物绝灭事件发生在中泥盆世艾菲尔期末,规模较小但全球分布.它与 寒冷气候下的南方生物大区(MalvinokaffricRealm)的生物群和沉积类型关系密切.也就是 说,它与南方生物大区富含云母的硅质碎屑和共生的生物群关系密切.这一时期南方生物 大区的海相无脊椎动物的绝灭,也许是由于全球气候梯度的下降消除了南方生物大区的生 物特化和赖以生存的冷水环境.这次事件可能还反映了陆海地理分布上的变化,比如陆地 面积的缩小,沟通了海洋表面的环流,从而进一步降低了全球气温梯度. (12)第十二次生物绝灭事件发生在中泥盆世吉维特期末,规模较小但分布较广.此次 事件导致了北美东部地区性的动物群和西欧的许多生物分子的绝灭.这次事件也表明了全 球气候梯度的进一步下降,同时北极一北美地区向低纬度潮湿气候带移动.这次事件同样 也反映了陆海地理分布上的变化,海洋表面的环流加剧了全球气温梯度的下降. (13)第十三次生物绝灭事件发生在晚泥盆世弗拉斯期末,即FF事件.它的起因目前 仍未完全判明,虽然整个晚泥盆世全球气候模式未发生过显着的变化,但是全球广布的黑色 页岩的出现,表明有一次短暂的气候突变. (14)第十四次生物绝灭事件发生在泥盆纪末,是一次中等程度的绝灭事件,它显然与 北美和欧亚大陆进一步向热带,亚热带漂移有关,但是并无证据表明当时全球气候梯度有任 何重要的变化. (15)第十五次生物绝灭事件发生在早石炭世密西西比末期,是一次中等程度的绝灭事 件,它与北美和欧亚大陆更大程度地向热带,亚热带漂移有关,虽未发现当时的全球气候梯 度有十分明显的上升,但仍然存在着气候梯度的变化. (16)第十六次生物绝灭事件发生在晚石炭世维斯发期末(前格热尔期,前密苏里期). 这是一次发生在俄罗斯地台(Rc~ovskaya,1975)【3J和北美地台上(RossandRoss.1987)~4中 等水平的生物绝灭事件.中国部分生物地层学家曾认为这一界线比标准的Orenburg~an一 一 】25— 地学前壕 As~1811分界更适于作为石炭纪和二叠纪界线j.尽管这一事件一直没有系统地加以论 述,但它的存在和意义对于研究石炭纪的生物地层学家而言都是不言而喻的.它与北美大 陆和欧亚大陆向北的进一步漂移在时间上极为吻台.在北美中部和北欧,伴随干,湿交替 (煤层,钙结壳和红层)的斯蒂芬期地层,盖在维斯发期稳定的湿热沉积物之上.但是此次事 件并未对亚洲华夏生物区的气候梯度产生显着影响,广布在中国的煤层从早石炭世开始一 直延续到晚二叠世早期.南半球斯蒂芬期的大陆冰川也导致了又一次重要的全球气候梯度 的上升,但在宾夕法尼亚期和密西西比期,此次冰川作用的影响范围要比斯蒂芬期小得多. (17)第十七次生物绝灭事件发生在早二叠世萨克马尔晚期,规模较小,冈瓦纳生物大 区的海相生物群(Eur~er,m动物群)已基本消失,只有在澳大利亚东部可一直残存到中二 叠世.此次事件与萨克马尔晚期的一次全球气候梯度的显着下降极为吻台,因为当时全球 广泛分布的大陆冰川正在消失.尽管澳大利亚东部在晚二叠世还出现严寒气候(滴 石dr印. stone和钙芒硝状方解石gendonite的广泛分布)与温暖气候(高岭石和部分铝土矿物的发 现)的交替出现,但并不能就此说明确有大陆冰川出现. (18)第十八次生物绝灭事件发生在二叠纪末,是全球范围最大规模的生物集群绝灭事 件.事件的发生同时伴随着成煤的热带一亚热带潮湿气候带的缩小,但澳大利亚东部还存 在温暖潮湿的气候(粘土矿物和铝土矿证据),而到了早三叠世这些证据则全部消失. (19)第十九次生物绝灭事件发生在早三叠世,是二叠纪末生物绝灭事件在海洋底栖无 脊椎动物中的延续.生物的分异度极度降低,全球气候梯度也极度降低,陆地上出现大面积 的干旱地区. (20)第二十次生物绝灭事件发生在中一晚三叠世,由三部分组成.即安尼西期一卡利 期事件,诺和事件和三叠纪束绝灭事件.在中一晚三叠世确实有低纬度潮湿气候带的再次 出现,但在三叠纪和侏罗纪界线附近并未发现任何重要的气候变化. (21)第二十一次生物绝灭事件发生在早侏罗世赫塘期和普林斯巴期—托阿尔期,反映 在低分异度生物群中.但它们都不与任何重要的气候变化相关.在晚侏罗世北半球干旱气 候带与潮湿气候带的界线向北漂移,但在海洋底栖生物中却未发生任何重要的相关变化. 在西伯利亚北部有证据表明晚侏罗世冬季曾极为寒冷,以至海洋和河流中都可能形成滴石, 但同样也未发现任何相关的重要生物事件. 加拿大的极区,西伯利亚的北部和澳大利亚的南部都有广泛分布的滴石早白垩世. 和钙 芒硝状方解石,说明当时冬季在海水中有冰的存在.当时两极地区,即较高纬度地区,确有 动物群存在,但它们并未遭受上述全球气候梯度变化的影响. (22)第二十二次生物绝灭事件发生在晚白垩世赛诺曼一土伦期,不与任何重要的全球 气候变化相关. (23)第二十三次生物绝灭事件发生在白垩纪末,全球气候带未发生大的变化. (24)在第三纪发生了一系列较低级别的生物绝灭事件,在第四纪晚期亦有一次生物绝 灭事件,但没有一个与新生代全球气候梯度总体上升相关的.然而,始新世高纬度暖温带 weddellian生物区动物群的绝灭确与渐新世早期大陆冰川和寒冷海水的突然出现 有关,与 之相似,曾占据北冰洋地区的温带海洋无脊椎动物在更新世早期的绝灭亦与北半球冰川的 出现有关.至于陆上生物的绝灭与气候变化的关系尚未进行足够的研究,如许多哺乳动物 的绝灭与地方性气候变化的关系等如何,限于我们研究课题的范围,尚未作出明确的论证. 一 126— 地学首蟓 综上所述,地史中明显的气候带界线(潮湿与干旱,冷与暖)位置的变化与生物绝灭事件 或适应辐射在时间上并非一一对应的关系.然而大陆冰川的出现在时间上与较高纬度一度 存在的较暖水底栖生物的绝灭却相当吻合(如罗塞期,莫斯科一格塞尔期,南极地区始新世 末,北大西洋地区上新世等).大陆冰川的消失又与一些较高纬度冷水生物群的绝灭相关 (如赫南特期末,艾菲尔期末,早二叠世Eu~ma动物群的绝灭等).十分值得注意的是, 古生代的三次全球生物集群绝灭事件,即奥陶纪末期,晚泥盆世FF事件和二叠纪末这三次 生物集群绝灭,都与全球气候变化一致,可见全球气候梯度的变化确与古生代的三次最大的 生物绝灭事件有关.而中生代的两次最大的生物集群绝灭事件,即三叠纪末和白垩纪末的 两次,都不与全球气候梯度的变化相关.我们并不因此就简单地倾向于寻求地外因素对中 生代生物集群绝灭的解释,但是地质历史中全球气候变化对古生代和中生代全球生物集群 绝灭的影响肯定是不同的. 参考文献 1Ba吲AJThe印,ratherthanp既砒c呲u弛d~xtmetloa曲协In:恼掘de&1?矗 RLmb咖[s1]:[r1],199415~25 2RongJia—yu,Eouc~AJ.Ymag-z.heng,etalBioge~-aphiealanalysisofteSilurianhrachlotx~dfarm.s /a.1995.28:39,60 3R0?VESostav&stemat*kiSistemaiFitogeniya出F~Minlda.Trydy:AkademiaNaukSSSR,Pa— Iemtologiihastittrm,1975149~267 4RossCA,RossJRP.B斌r:zonat/onofLate只蝻 depositionMsequences.C~shmanFoundati~afor ForaminiralRes~rch.Specialpublieatic~,1987.24:151,168 5王鸿桢,何心一,陈建强,等.中国古生代辅瑚分类演化及生物古地理.北京:科学出版杜,1989 00RRELAT10NBETWEENGE0L0GlCALLYMARKED CLIMATICCHAISESANDEXTINCTIONS ChenXu ingInstituteofGBDf0{andPalaeonwlogy,AcademiaSinica, 39EostBeijingRoad,Naing,21OOO8) A.J.Bou0ot (DepartmentofZoology,OregonStateUniversity,Corvallis,OR97331—2914,USA.) RuanYiping ingInstituteofGeologyandPalaeontology,AcademiaSinica, 39EastBeijingRoad,Naing,210008) C.R.Scotese (DepartmentofGeology,UniversityofTexas,Arlington,TX76019,USAj FanJunxuan ingInstituteofG砌}0gyandPalaeontology,AcademiaSinica, 39EastBeijingRoad,Naing,210O08) AbstractInlightoftWOdatabasesofglobalPhanemzoieclimaticallysensitivedepc~itsand biogeographicalindicators(keytaxa).theauthorshavecometoaconclusionthattherewere24 — 127— 地学前球 climaticaleventsfromCambriantoMioeene.Theseglobalclimaticaleventsindifferentranks eithercorrespondtoordonotagreewiththeextinctioneventsthroughthegeologi~lhistory. Eveniftheyagreein8ometimeintervals,theyneednotnec~sarilyindicatecauseandeffeet. The24eventsareasfollows.1.EaflyCambrJan(positivecorrelation),2.LateCambrian (negative),3.LateEarlyOrdovician(Ibexian,negative),4.EndofOrdovician(positive), 5Llandovery(negative),6.EarlyWenloek(negative),7.EndofWenlock(negative),8. EndofLudlow(negative),9.EndofPridoli(negative),10EarlyEmsian(negative),11. EndofEifelian(positive),12EndofGivetian(positive),13.EndofFr'esian(positive),14. EndofDevonian(negative),15.EndofEarlyCarboniferous(positive),16.Endofw皓t— phalian(positive),17.LateSakmarian(positive),18.EndofPermian(positive),19.Early Triassic(positive),2(】.Middle-LateTriassic(negative),21.Hettangian,EarlyJurassic (negative),22Cer~nanian-Turonian(negative),23EndofCretaceous(negative),24. Num~rofbwerlevelTertiaryandQuaternary(negative). ThteeofthefivemajormaFx%extinctionswithinPaleomic(EndofOrdovician,Frasnian— Famenniar~andEnd0{Per~an)indieatepositivecorrelationswiththoseofglobaldirnstic gradientchangez.However,negativecorrelationsarepresentintwoMesozoicma5sextine— tions. Keywordsglohalditrmticgradient,bio-extinctionevents,climaticallysensitivedeposits,bi o— geograp~ctaxa 行星摄动与l0万年周期的冰期与间冰期交替 杨学祥白岩郑文瑞刘淑琴 (长春科技大学,长春,13~26) 地球绕太阳公转的轨道偏心率的变化范围,张 家祥(1982)的计算值为O.0024-0.0571.地球 轨道偏心率的壹化是由行星对地球的长期撮动;l 起的.天体力学认为,轨道长半径r没有长期摄 动(张家祥,1982)任振球(1990)指出,如果地球 轨道偏0率由0.0571变小到0.0024,则地球公 转轨道的短半径大约可以由1.4935×108krn增 加至1.4960×108km(按假定长半径不变估算. 目前长半径为1.4960×108km,短半径为 1.4958X108km).周年内日地平均距离的加大 必然导致整个地球在周年内接受太阳总辐射的减 球冰期在偏心率小时发生. 小,由此l起地 扬学祥等(1996,1997)提出,太阳辐射量的变 化引起内棱振动和校幔角动量交挟的变化,导致地 128 核能量的周期释放.这也是加×104a冰期转回 的重要原因. 最近在计算地球轨道变动所产生的能量变化 时发现,地球在外地行星长期摄动下产生的轨道偏 心率变小即日地平均距离增大的同时,还伴有地球 本身热能的辟低.因为外地行星位能降低动能增 加的代数和,小于地球位能增加动能降低的代数 和.即使不考虑外地行星位能辟低伴随的增温效 应和地球位能增加伴随的降温效应,根据能量守恒 原理,至少这部分能量差要由地球本身热能辟低来 补偿.这是轨道偏心率变小导致冰期的第三个原 因,也是垒球变化轨道效应的本质原因.详细计算 请注意笔者近期即将发表的文章.