王大寧, 王旭日, 季 強

中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所, 北京 100037

冀北—遼西地區(qū)侏羅—白堊紀(jì)之交期的孢粉植物群演替與古氣候變化

王大寧, 王旭日, 季 強*

中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所, 北京 100037

本文根據(jù)冀北—遼西地區(qū)侏羅—白堊紀(jì)之交期孢粉植物群的地層分布, 劃分了9個孢粉植物群組合帶(自下而上): “桫欏孢-蘇鐵粉-克拉梭粉”組合帶、“克拉梭粉”組合帶、“無突肋紋孢-灤平孢-縱肋單溝粉”組合帶、“云杉粉-層環(huán)孢-無突肋紋孢-膜環(huán)弱縫孢”組合帶、“云杉粉-無突肋紋孢-凹邊瘤面孢”組合帶、“遼西孢-刺毛孢-克拉梭粉”組合帶、“刺毛孢-有突肋紋孢-無突肋紋孢-三孔孢”組合帶、“三角孢-無突肋紋孢-有突肋紋孢”組合帶和“無突肋紋孢-克拉梭粉-希指蕨孢-麻黃粉”組合帶; 重建了該區(qū)當(dāng)時的古氣候和古環(huán)境, 認(rèn)為中侏羅世時期該區(qū)處于溫暖濕潤氣候下的低山丘陵環(huán)境, 晚侏羅世時期處于干旱氣候下的荒原環(huán)境, 早白堊世早期處于溫涼濕潤氣候下的低山環(huán)境, 早白堊世中期處于溫涼濕潤氣候下的高山環(huán)境, 早白堊世晚期處于溫暖濕潤氣候下的低地沼澤環(huán)境, 早白堊世最晚期處于干熱氣候下的低地環(huán)境。此外, 本文還根據(jù)該區(qū)侏羅—白堊紀(jì)之交期生物群演化和更替的特征, 提出了“避難所”理論模式。

侏羅—白堊紀(jì); 孢粉植物群演替; 古氣候變化; 冀北—遼西地區(qū); 中國

1 孢粉植物群演化與古氣候變化

1.1 早白堊世古氣候帶與古植物地理區(qū)系

眾所周知, 生物的生存和發(fā)展與環(huán)境條件的變化是密不可分的, 是相互影響和制約的。就植物而言, 氣候帶和氣候條件則是控制它們生長和分布的主要因素之一, 不同的氣候帶和氣候條件會發(fā)育出各具特色的植物類群。因此, 人們常常根據(jù)不同的古植物群特征來恢復(fù)或再造各地質(zhì)時期的古氣候和古環(huán)境。由于孢子花粉是植物的生殖細胞組織, 在遺傳基因上具有很強的穩(wěn)定性, 可直接反映母體植物的許多重要屬性和特征, 因此在恢復(fù)古植物群的原來面貌, 從而在再造當(dāng)時的古氣候和古環(huán)境中具有較高的可靠性。

Brenner(1976)將全球早白堊世孢粉植物群分為4個區(qū), 即北勞亞區(qū)、南勞亞區(qū)、北岡瓦納區(qū)和南岡瓦納區(qū)。北勞亞區(qū)位于現(xiàn)代北緯60ο附近地區(qū), 以具氣囊松科花粉占優(yōu)勢為特征, 有時羅漢松科花粉亦較常見; 南勞亞區(qū)包括了現(xiàn)代北半球的中緯度地區(qū), 以喜濕熱的海金沙科、里白科的孢粉最豐富,也見有一些喜干熱的克拉梭粉(Classopollis); 北岡瓦納區(qū)指現(xiàn)代南美洲和非洲北海岸到赤道以南的一些地區(qū), 以麻黃類(Ephedripites)孢粉最豐富, 有些地區(qū)含有一些盔形粉(Galeacornea)等地區(qū)性特有分子; 南岡瓦納區(qū)包括南美洲、非洲的南部地區(qū)、澳大利亞、新西蘭、印度等, 以產(chǎn)有豐富的羅漢松科兩氣囊花粉, 以及較多三氣囊粉為特色。

Srivastava(1978)將全世界早白堊世孢粉植物群花粉為3個區(qū)。植物地理區(qū)I包括了西北利亞北部、阿拉斯加和加拿大北部地區(qū), 以不含喜干熱的克拉梭粉為特征; 植物地理區(qū)II指南美洲北部和非洲北部地區(qū), 以含有豐富的伊特拉斯雙手粉(Dicheiropollis etruscus)為特征; 植物地理區(qū)III包括歐洲、北美洲大部分地區(qū)、亞洲大部分地區(qū)、南極洲、澳大利亞、南美洲南部、東非和南非等地區(qū),以含有豐富的克拉梭粉為特征。

Herngreen和Chlonova(1981)將全球早白堊世孢粉植物群分為3個大區(qū): 北方大區(qū)、西非—南美大區(qū)和岡瓦納大區(qū)。北方大區(qū)包括了除意大利、印度和中南半島南部以外的整個北半球地區(qū), 以含有豐富的蕨類植物孢子和雙氣囊花粉為特征; 西非—南美大區(qū)包括了非洲赤道以北與南緯20°以北的地區(qū)、南美洲以及意大利等地區(qū), 以含有大量的克拉梭粉(Classopollis), 以及相當(dāng)數(shù)量的南洋杉粉(Araucariacites)、無口器粉(Inaperturopollenites)、麻黃粉(Ephedripites)及假杜仲粉(Eucommiidites)為特征, 蕨類植物孢子很少見, 雙氣囊粉很少或沒有。岡瓦納大區(qū)包括澳大利亞、新西蘭、非洲南部及北半球的印度等地區(qū)以產(chǎn)有豐富的具囊松柏類花粉、無口器粉、冠翼粉(Callialasporites)、單溝粉(Monosulcites)等為特征, 羅漢松粉有較穩(wěn)定的含量,克拉梭粉、麻黃粉及假杜仲粉等很少見。

黎文本(1983)將中國早白堊世孢粉植物群劃分為兩個性質(zhì)完全不同的植物區(qū): 北方的雙囊粉(Disacciatriletes)-無突肋紋孢(Cicatricosisporites)孢粉植物區(qū)和南方的克拉梭粉(Classopollis)-希指蕨孢(Schizaeoisporites)孢粉植物區(qū)?？傮w來看, 北方孢粉植物區(qū)的特征是含有大量的雙氣囊松柏類花粉和豐富多彩的海金沙科孢子, 反映了溫暖濕潤的氣候, 而南方孢粉植物區(qū)的特征是含有大量以克拉梭粉為代表的旱生植物, 反映了干熱的氣候。這兩個植物區(qū)的分界線大致位于北緯40°～45°之間呈NWW—SEE走向的地帶。

1.2 指示性孢粉植物類型

為了更有效地反映地質(zhì)時期孢粉植物群與古氣候的關(guān)系, 有必要對一些在古氣候和古環(huán)境再造中具有明顯指示意義的孢粉類型進行分析, 將今論古, 合理推斷, 才能準(zhǔn)確認(rèn)識和恢復(fù)當(dāng)時的古氣候和古環(huán)境特征。

1.2.1 蕨類植物

現(xiàn)代蕨類植物廣布于世界各地, 但多分布于熱帶和亞熱帶地區(qū), 生長在溫暖、陰濕的森林環(huán)境、低洼地帶或沼澤, 其含量的多寡可作為溫暖、濕潤氣候和環(huán)境的重要標(biāo)志之一。

海金沙科是我國早白堊世蕨類植物的主要代表之一, 是一類典型反映熱帶、亞熱帶濕熱氣候的植物, 常見分子有無突肋紋孢(Cicatricosisporites)、有突肋紋孢(Appendicisporites)、海金沙孢(Lygodiumsporites)、凹邊瘤紋孢(Concavissimisporites)、非均飾孢(Impardicispora)、克魯克孢(klukisporites)、刺毛孢(Pilosisporites)、斑紋孢(Maculatisporites)、具唇孢(Toroisporis)、瘤面海金沙孢(Lygodioisporites)等。

桫欏科(Cyatheaceae)和蚌殼蕨(Dicksoniaceae)主要生長于熱帶、亞熱帶潮濕環(huán)境, 是反映熱帶、亞熱帶濕熱氣候的分子, 早白堊世的常見分子有沙羅孢(Cyathidites)、金毛狗孢(Cibotiumspora)、梳皺孢(Tripartina)等。

卷柏科(Selaginellaceae)在各氣候帶均可有分布,多生長在林下、溪邊、濕地及陰濕巖石上, 是反映沼澤或陰濕環(huán)境的植物, 我國早白堊世常見分子有膜環(huán)弱縫孢(Aeguitriradites)、層環(huán)孢(Densoisporites)、徐氏孢(Hsuisporites)、新叉瘤孢(Neoraistrickia)、三角刺面孢(Acanthotriletes)等。

水龍骨科(Polypodiaceae)和里白科(Gleicheniaceae)主要生長在熱帶、亞熱帶潮濕地區(qū),現(xiàn)在分布在長江以南各省, 常見者有里白孢(Gleicheniidites)、水龍骨單縫孢(Laevigatosporites)等, 后者是沼澤環(huán)境的代表性分子。

莎草蕨科(Schizaeaceae)現(xiàn)在主要分布于澳大利亞、太平洋東部、我國海南島、臺灣和雷州半島、南半球熱帶較干燥地區(qū), 是炎熱干旱氣候環(huán)境的產(chǎn)物, 化石分子主要是希指蕨孢(Schizaeoisporites)。

1.2.2 裸子植物

具囊松柏類花粉以松科(Pinaceae)和羅漢松科(Podocarpaceae)植物為主, 主要分布于暖溫帶, 是溫帶濕潤環(huán)境的常綠喬木。松科花粉的含量較高常反映了溫暖濕潤的氣候環(huán)境, 常見分子有雙束松粉(Pinuspollenites)、單束松粉(Abietineaepollenites)、云杉粉(Piceaepollenites)、雪松粉(Cedripites)、冷杉粉(Abiespollenites)、油杉粉(Keteleeriaepollenites)、冠翼粉(Callialasporites)等。

克拉梭粉類(Classopollis)植物是晚中生代的重要分子, 與已滅絕的掌鱗杉科(Cheirolepidaceae)有親緣關(guān)系, 其葉片革質(zhì)鱗片狀, 可以減少水分蒸發(fā),是典型的干熱氣候環(huán)境的指示性植物。南美、中東、北非等地的早白堊世地層中曾發(fā)現(xiàn)高含量的克拉梭粉, 而具雙囊的松柏類花粉極少見, 因此人們一般認(rèn)為克拉梭粉含量較高與炎熱、干旱、鹽堿等氣候環(huán)境有關(guān)。

麻黃類植物現(xiàn)在有40余種, 主要分布中亞、南美、北美等沙漠、干旱荒原和湖濱鹽堿地帶, 在我國分布于西北荒漠地區(qū), 因此是典型的干旱氣候環(huán)境的指示性植物。

1.2.3 被子植物

被子植物, 俗稱“開花植物”, 是現(xiàn)今植物界最高級、最繁榮、最多樣化和分布最廣的類群, 現(xiàn)生者約有400科, 30萬余種, 我國大約有337科, 3200屬, 3萬余種。被子植物具有極強的適應(yīng)性, 廣泛分布于世界各地不同的氣候地區(qū)。早白堊世是被子植物發(fā)展的早期階段, 化石材料很少, 多樣化不明顯, 目前可用來進行氣候和環(huán)境分析的條件還不成熟。

2 冀北—遼西地區(qū)晚中生代孢粉組合特征

2.1 孫家灣組的孢粉組合特征

孫家灣組的孢粉可稱為“無突肋紋孢(Cicatricosisporites)-克拉梭粉(Classopollis)-希指蕨孢(Schizaeoisporites)-麻黃粉(Ephedripites)”組合,主要特征是: (1)蕨類植物孢子占優(yōu)勢, 平均含量達70.5％, 最高可達90％以上; (2)海金沙科和桫欏科孢子有一定的繼承性, 含量略有降低(21.9％); (3)海金沙科中的無突肋紋孢含量持續(xù)增高(28.6％), 而有突肋紋孢、刺毛孢和非均飾孢等則少量或個別出現(xiàn), 但光面海金沙孢卻較常見; (4)水龍骨單縫孢(Laevigatosporites)、三孔孢(Triporoletes)、膜環(huán)弱縫孢(Aeguitriradites), 以及隱藏孢(Crybelosporites)等喜潮濕、陰暗、沼澤、半水生的分子罕見或完全消失; (5)莎草蕨科的希指蕨孢和裸子植物的克拉梭粉在本組合中類型最多, 含量最高, 一般為2.5％～14％, 平均含量為8.2％; 以松科和羅漢松科為主的裸子植物花粉含量不高。

孫家灣組的孢粉組合中喜中溫、中濕的雙囊松柏類花粉稀少, 海金沙科和桫欏科孢子為代表的蕨類植物占優(yōu)勢, 喜陰濕、沼澤或半水生的蕨類孢子罕見或缺失, 喜干旱植物(如克拉梭粉和麻黃粉)和喜干熱植物(如希指蕨孢)的出現(xiàn)等特征, 反映了當(dāng)時是熱帶-亞熱帶半干熱氣候。

2.2 阜新組的孢粉組合特征

2.2.1 阜新組上部的孢粉組合特征

阜新組上部的孢粉可稱為“三角孢(Deltoidospora)-無突肋紋孢(Cicatricosisporites)-有突肋紋孢(Appendicisporites)”組合, 主要特征是: (1)蕨類植物孢子占絕對優(yōu)勢, 含量一般為53.8％～97.9％, 平均含量為75.6％; 裸子植物花粉的含量有所降低, 一般為2.5％～46％, 平均含量為24.3％; (2)海金沙科和桫欏科孢子仍占統(tǒng)治地位,前者含量為11.5％～67％, 平均含量為32.2％; 后者含量為2.5％～50.2％, 平均含量為36.6％; (3)海金沙科中的無突肋紋孢和有突肋紋孢含量繼續(xù)增加, 含量分別是24.1％與3.6％, 先前極度繁盛的刺毛孢和非均飾孢含量急劇下降; (4)水龍骨科的水龍骨單縫孢較為發(fā)育, 平均含量為4.5％, 高者可達15.3％; (5)裸子植物花粉以杉科的無口器粉和克拉梭粉為主,其含量分別為21.4％與1.7％, 松科和羅漢松科花粉退居次位, 含量較低。

本組合以蕨類植物孢子占優(yōu)勢, 尤以海金沙科和桫欏科孢子更為突出, 而喜中溫、中濕的松類花粉顯著減少等為特色。因此, 阜新組上部的孢粉組合特征反映了典型的亞熱帶溫暖、濕潤的氣候環(huán)境。

2.2.2 阜新組下部的孢粉組合特征

阜新組下部的孢粉可稱為“刺毛孢(Pilosisporites)-有突肋紋孢(Appendicisporites)-無突肋紋孢(Cicatricosisporites)-三孔孢(Triporoletes)”組合, 主要特征是: (1)蕨類植物孢子含量有明顯增加,幾乎與裸子植物花粉平分秋色; (2)蕨類植物孢子類型較沙海組更加多樣化, 是早白堊世蕨類孢子最豐富多彩的時期; (3)海金沙科孢子占孢粉總數(shù)的33.2％, 其中無突肋紋孢居首位, 平均含量為14.1％;刺毛孢和有突肋紋孢含量急劇增長, 含量分別為8.7％和5.8％; 該科的常見分子有非均飾孢、凹邊瘤面孢、海金沙孢、唇形孢(Toroisporis)和克魯克孢等; (4)喜低洼、濕熱環(huán)境的分子較常見, 如水龍骨單縫孢、膜環(huán)弱縫孢及三孔孢等; (5)裸子植物以松科的云杉粉最繁盛, 雙束松粉亦較豐富; (6)喜干旱的克拉梭粉很少見, 含量僅為2.2％。

阜新組下部是早白堊世孢粉植物群發(fā)展的鼎盛時期, 共出現(xiàn)63屬, 165種之多。蕨類植物孢子無論在數(shù)量或類型上均得到極大發(fā)展, 特別是喜濕熱的海金沙科孢子極為繁盛, 喜濕熱分子含量達49.8％, 喜中溫、中濕分子的含量為21.6％, 喜干熱的分子含量僅為2.2％。

現(xiàn)代蕨類植物主要分布于熱帶、亞熱帶地區(qū),生長在溫暖、陰濕的環(huán)境中, 是濕熱氣候的重要指示性植物; 而海金沙科和桫欏科植物又是熱帶、亞熱帶潮濕氣候的代表性類群。因此, 阜新組下部在沉積時期是典型的亞熱帶溫暖、潮濕氣候時期。

值得注意的是, 真蕨類的蚌殼蕨科(Dicksoniaceae), 如金毛狗屬(Cibotium), 十分繁盛,反映了當(dāng)時的氣候溫暖潮濕。阜新組所含的植物群屬于Ruffordia-Onychiopsis植物群的中期組合, 或稱Acanthopteris植物群, 代表了溫暖、潮濕氣候帶的植物群。從整體而言, 阜新組的孢粉植物群反映了一個典型的亞熱帶溫暖、潮濕的氣候環(huán)境。

2.3 沙海組的孢粉組合特征

沙海組的孢粉可稱為“遼西孢(Liaoxisporites)-刺毛孢(Pilosisporites)-克拉梭粉(Classopollis)”組合,主要特征是: (1)蕨類植物孢子含量明顯增加, 約占孢粉總量的36％, 個別含量可高達45％, 裸子植物的花粉含量約為65％; (2)蕨類植物孢子仍以海金沙科分子占優(yōu)勢, 其中無突肋紋孢和刺毛孢尤為突出,含量分別為5.8％與4.6％, 其它常見分子有凹邊瘤面孢、非均飾孢及有突肋紋孢; (3)蕨類孢子類型更加多樣化, 常見者有具環(huán)肋紋孢(Contignisporites)、東北孢(Dongbeispora)、遼西孢(Liaoxisporis)、水龍骨單縫孢(Laevigatosporites), 以及隱藏孢(Crybelosporites)等; (4)層環(huán)孢、徐氏孢、膜環(huán)弱縫孢、三孔孢, 以及希指蕨孢等含量很低; (5)裸子植物中的松柏類雙囊粉含量較先前有所降低, 但仍占優(yōu)勢地位, 含量為58.2％, 主要是松科和羅漢松科分子, 其中雪松粉含量明顯增加, 原始松柏類花粉大大減少, 一般不超過5％; 最值得注意的是, 克拉梭粉的含量顯著增加, 十分常見, 平均含量為7.1％,最高可達19.9％。

本組合中蕨類植物, 特別是喜濕熱的海金沙科孢子含量明顯增加, 且類型多樣化, 如具有重要意義的無突肋紋孢可達20多種, 表明該時期比較適合蕨類植物生長。喜中溫、中濕條件的雙囊松柏類植物含量明顯降低, 指示了該時期的氣候要比九佛堂組沉積時期略微濕熱一些。喜干熱的克拉梭粉含量有明顯增加, 反映了該時期曾出現(xiàn)季節(jié)性干熱氣候?？傊? 沙海組的孢粉組合特征反映了當(dāng)時以亞熱帶溫暖、濕熱的氣候為主, 但時有干熱氣候的擾動。

2.4 九佛堂組的孢粉組合特征

本組的孢粉可稱為“云杉粉(Piceaepollenites)-無突肋紋孢(Cicatricosisporites)-凹邊瘤面孢(Concavissimisporites)”組合, 主要特征是: (1)裸子植物花粉占絕對優(yōu)勢, 平均含量為84.9％, 而蕨類植物孢子平均為15％; (2)裸子植物中松柏類雙囊粉十分豐富, 含量高達73.1％, 主要是松科和羅漢松科花粉, 尤以云杉粉占絕對優(yōu)勢(45.5％), 古老型松柏類假云杉粉(Pseudopicea)和擬云杉粉(Piceites)等占有一定位置(6.3％); (3)掌鱗杉科的克拉梭粉含量有所增加, 平均含量為4.5％, 個別樣品中的含量可達10％以上; (4)蕨類植物孢子含量為7.2％, 以海金沙科分子為主, 如凹邊瘤面孢(2.6％～9.8％)和無突肋紋孢(2％～6％), 像刺毛孢、海金沙孢、克魯克孢、坑穴孢(Ischyosporites)等其它孢子含量均很低?？傮w上, 本組合中的海金沙科孢子無論在類型上還是在數(shù)量上均比義縣組有明顯增加, 表明九佛堂期的氣溫較義縣期略有升高; 而喜潮濕環(huán)境的層環(huán)孢(Densoisporites)和膜環(huán)弱縫孢(Aeguitriradites)含量明顯減少, 則指示了當(dāng)時空氣濕度有所降低; 克拉梭粉等干旱分子的含量有所增加, 表明當(dāng)時氣候有所波動, 可能是季節(jié)性干旱或半干旱, 或火山噴發(fā)所致; 具雙囊松柏類花粉的豐富多樣, 說明當(dāng)時總體上仍以溫涼、濕潤的氣候為主。

值得注意的是, 本組合中松科花粉, 尤其是云杉粉占絕對優(yōu)勢, 在氣候生態(tài)環(huán)境上具有重要意義。現(xiàn)生的以云杉(Picea)或冷杉(Abies)為主體的森林主要分布在我國大陸和臺灣海拔2 500 m以上的山區(qū), 它們對氣候條件有著嚴(yán)格的要求, 是一類反映高海拔山地的標(biāo)志性植物。因此, 本組合中云杉粉和松粉的大量出現(xiàn), 表明當(dāng)時沉積地區(qū)或盆地是在中、高山地形背景下形成的, 也反映了相對溫涼、濕潤的氣候環(huán)境。

2.5 義縣組的孢粉組合特征

本組的孢粉可稱為“云杉粉(Piceaepollenites)-層環(huán)孢(Densoisporites)-無突肋紋孢(Cicatricosisporites)-膜環(huán)弱縫孢(Aeguitriradites)”組合, 主要特征是: (1)裸子植物花粉占優(yōu)勢, 平均含量為69.8％, 其中松柏類雙囊粉含量達30％, 主要有云杉粉、雙束松粉和羅漢松粉等, 氣囊與本體分化不完全的原始松柏類花粉含量為13.4％～15.3％,其它裸子植物花粉含量低, 如蘇鐵粉(Cycadopites)、無口器粉(Inaperturopollenites)、克拉梭粉(Classopollis)等; (2)蕨類植物孢子有一定含量(10.8％～35.4％), 卷柏科(Selaginellaceae)孢子占優(yōu)勢, 常見者有層環(huán)孢、徐氏孢、新叉瘤孢, 及膜環(huán)弱縫孢等, 其中層環(huán)孢最為豐富; (3)海金沙科孢子有一定含量, 含量均在4.4％左右, 以無突肋紋孢最常見, 其它還有非均飾孢、凹邊瘤面孢、克魯克孢,以及海金沙孢等。

義縣組的孢粉植物群以喜中溫、中濕的松柏類雙囊粉(主要是松科和羅漢松科的分子)的大量出現(xiàn),適應(yīng)能力較強的蕨類植物卷柏科孢子(如Densoisporites)含量較高, 生長在熱帶、亞熱帶的海金沙科(如Cicatricosisporites)較為常見, 喜干旱、干熱環(huán)境的克拉梭粉罕見為特征?，F(xiàn)生的松科和羅漢松科裸子植物主要生長在溫涼、濕潤的丘陵、中高山地環(huán)境。值得注意的是, 義縣組的孢粉組合中出現(xiàn)了較豐富的層環(huán)孢, 它與卷柏類蕨類植物關(guān)系密切, 是潮濕氣候環(huán)境的指示性植物, 主要生長在林下、溪邊、濕地、山巖陰暗潮濕的環(huán)境中。此外, 組合中還出現(xiàn)了膜環(huán)弱縫孢, 這是一類生長在低洼、沼澤環(huán)境的植物。因此, 義縣組的孢粉組合反映了溫暖-溫涼、潮濕的亞熱帶氣候, 以及溪流、湖泊和濕地較為發(fā)育的丘陵-中高山地環(huán)境。

2.6 大北溝組的孢粉組合特征

2.6.1 大北溝組上部的孢粉組合特征

大北溝組上部的孢粉可稱為“無突肋紋孢(Cicatricosisporites)-灤平孢(Luanpingspora)-縱肋單溝粉(Jugella)”組合, 其主要特征是: (1)裸子植物的花粉占絕對優(yōu)勢(75％～95％), 其中雙囊松柏類花粉最多(49％～78.5％), 主要是單束松粉(Abietineaepollenites)、阿里粉(Alisporites)、雙束松粉(Pinuspollenites)、雪松粉(Cedripites)、云杉粉(Piceaepollenites)等, 還見有少量蛟河粉(Jiaohepollis)和縱肋單溝粉(Jugella); (2)蕨類植物孢子含量逐漸增加, 約占5％～25％, 其中出現(xiàn)了較豐富的海金沙科的無突肋紋孢; (3)喜干旱氣候環(huán)境的莎草蕨科希指蕨孢(Schizaeoisporites)含量極低; (4)從整體情況來看, 該組合中喜濕熱的分子明顯增加, 約占25.3％, 溫涼分子的含量約為21.3％, 干旱、干熱分子的含量僅為1.5％。

2.6.2 大北溝組上部的孢粉組合特征

大北溝組下段的孢粉可稱為“擬云杉粉(Piceites)-羅漢松粉(Podocarpidites)-希指蕨孢(Schizaeoisporites)”組合, 主要特征是: (1)裸子植物的花粉占優(yōu)勢, 含量達94％, 主要是具囊松柏類花粉和單溝粉, 如云杉粉、擬云杉粉、羅漢松粉、蘇鐵粉、雪松粉、無口器粉、小囊粉, 以及一些氣囊分化不好的原始松柏類花粉; (2)蕨類植物孢子含量較低, 僅為4.5％, 喜濕熱的分子少量出現(xiàn); (3)喜溫涼、中濕的分子含量較高, 約為32％, 如雙束松粉、云杉粉、雪松粉等; (4)喜濕熱分子的含量約為11.5％,主要是蕨類植物; (5)喜干旱、干熱的分子含量很低,主要是克拉梭粉和希指蕨孢。大北溝組下段孢粉組合中蕨類植物少量出現(xiàn)和喜溫濕植物的豐富, 表明當(dāng)時屬于溫帶半干旱-半濕潤氣候。

大北溝組上段與下段的孢粉組合特征發(fā)生了明顯變化: (1)出現(xiàn)了多種典型的早白堊世分子(如Cicatricosisporites inflexus, C. mirabilus, Jiaohepollis annulatus和Jugella sp.等), 這些屬種迄今在我國晚侏羅世地層中還沒有產(chǎn)出的記錄; (2)蕨類植物孢子逐漸興起, 含量由下段的5％增至25％; (3)喜中溫、中濕的雙囊花粉仍占重要位置, 濕熱分子的含量明顯增加, 由下段的11％增至25％。從整體來看,大北溝組沉積時處在一個由半干旱氣候逐漸向溫暖、濕潤的氣候轉(zhuǎn)變的階段。

2.7 土城子組的孢粉組合特征

土城子組中-下部的孢粉可稱為“克拉梭粉(Classopollis)”組合, 以裸子植物花粉占絕對優(yōu)勢為特征, 其中克拉梭粉的含量達90％以上, 其它分子含量很低, 如皺球粉(Psophosphaera), 球形粉(Spheripollenites), 南洋杉粉(Araucariacites)等, 蕨類植物孢子十分貧乏, 含量低于1％。本組合中克拉梭粉的豐富產(chǎn)出, 反映當(dāng)時處于炎熱、干旱的氣候,是植被稀少的荒原環(huán)境。

2.8 髫髻山組的孢粉組合特征

髫髻山組的孢粉可稱為“桫欏孢(Cyathidites)-蘇鐵粉(Cycadopites)-克拉梭粉(Classopollis)”組合,以蕨類植物孢子和裸子植物花粉的共同繁榮為特征,但孢子的含量略高于花粉的含量。蕨類植物孢子中以光面三縫孢含量最高, 達43％, 其它常見分子有: 旋脊孢(Duplexisporites), 石松孢(Lycopodiumsporites), 新叉瘤孢(Neoraestrickia),紫萁孢(Osmundacidites)等。裸子植物中單溝類花粉含量占22％, 克拉梭粉含量約為9.5％, 具囊松柏類花粉較少。這個孢粉組合反映當(dāng)時是丘陵-低山的環(huán)境, 反映當(dāng)時處于亞熱帶溫暖、濕潤的氣候, 但組合中克拉梭粉含量較高, 表明當(dāng)時時有干旱氣候的擾動, 或有向炎熱、干旱氣候轉(zhuǎn)變的趨勢(顧知微, 1962, 1982, 1995; 斯行健和周志炎, 1962; 米家榕等, 1980; 郝詒純等, 1982; 王思恩, 1986, 1990, 1998, 1999; 遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1989; 王五力等, 1989; 金帆, 1996; 陳丕基, 1998, 1999, 2000; Ji et al., 1998; 常征路等, 1999; 季強等, 1999, 2005, 2006; 季強, 2002; Ji, 2005)。

圖1 冀北—遼西地區(qū)晚中生代孢粉植物群更替與氣候環(huán)境變化Fig. 1 The polynoflora alternation and the climate and environment change of Late Mesozoic in northern Hebei and western Liaoning

3 生物群演化和更替對古氣候和古環(huán)境變化的響應(yīng)

通過以上孢粉化石資料的分析, 冀北—遼西地區(qū)晚中生代的氣候和環(huán)境變化大致分為三個階段。

3.1 中侏羅世—早白堊世早期階段

髫髻山組(中侏羅世—晚侏羅世早期)的孢粉以喜中溫、中濕的具雙囊的松柏類花粉和喜濕熱的蕨類植物孢子共同繁盛為特征, 反映了典型的溫暖、濕潤的亞熱帶氣候, 推測當(dāng)時可能是植被茂盛的丘陵-低山環(huán)境。

土城子組(晚侏羅世—早白堊世早期)的孢粉以喜炎熱、干旱、鹽堿環(huán)境的克拉梭粉含量極高(90％以上), 喜溫暖、濕潤環(huán)境的具囊松柏類花粉和蕨類植物孢子含量極低(一般在2％～3％以下)為特征, 反映了典型的炎熱、干旱的熱帶、亞熱帶氣候, 推測當(dāng)時可能是植被稀少的荒原環(huán)境。

由此可見, 冀北—遼西地區(qū)中侏羅世至早白堊世早期的氣候和環(huán)境發(fā)生了較大變化, 由溫暖、濕潤的氣候突然變成了炎熱、干旱的氣候, 由植被茂盛的丘陵-低山環(huán)境突然變?yōu)橹脖幌∩俚幕脑h(huán)境。

3.2 早白堊世中期階段

該階段(大北溝組—九佛堂組)的孢粉屬種隨時間逐漸增多, 大北溝組上部有38屬58種, 義縣組有40屬65種, 九佛堂組急劇增加到60屬110種;喜濕熱氣候的海金沙科和桫欏科孢子含量明顯隨時間逐漸增加, 其中最重要的分子無突肋紋孢和桫欏孢在大北溝組上部和義縣組下部僅少量出現(xiàn), 在九佛堂組中含量略有增加; 喜中溫、中濕氣候條件的具囊松柏類花粉始終占有重要位置; 松科花粉, 尤其是云杉粉占絕對優(yōu)勢。云杉(Picea)或冷杉(Abies)對氣候條件有著嚴(yán)格的要求, 是一類反映高海拔山地的標(biāo)志性植物, 主要分布生長在海拔2 500 m以上的高山上。因此, 大北溝組—九佛堂組中云杉粉和松粉的大量出現(xiàn), 表明當(dāng)時沉積地區(qū)或盆地是在中、高山地形背景下形成的, 也反映了相對溫涼、濕潤的氣候。

3.3 早白堊世晚期階段

該階段(沙海組—孫家灣組)的孢粉屬種隨時間逐漸減少, 沙海組有61屬142種, 阜新組下部發(fā)展到64屬165種, 但從阜新組上部開始減少到54屬101種, 孫家灣組僅有45屬90種; 喜濕熱氣候的海金沙科和桫欏科孢子含量在沙海組中開始增加, 至阜新組其數(shù)量和類型均發(fā)展到鼎盛階段; 喜沼澤環(huán)境的水龍骨單縫孢從沙海組開始發(fā)展, 在阜新組中最繁盛; 喜中溫、中濕氣候條件的具囊松柏類花粉從沙海組開始逐漸衰敗, 在阜新組上部已較為少見;喜干熱的克拉梭粉僅在沙海組和孫家灣組中含量明顯增加, 喜干旱、干熱的麻黃粉和希指蕨孢含量一直極低, 但在孫家灣組中含量明顯增高。

根據(jù)以上分析, 冀北—遼西地區(qū)在早白堊世晚期開始轉(zhuǎn)變?yōu)闇嘏?、潮濕的亞熱帶氣? 僅在沙海組和孫家灣組沉積時期出現(xiàn)過兩次干熱氣候的擾動。

綜上所述, 冀北—遼西地區(qū)中侏羅世至早白堊世氣候和環(huán)境變化的三個階段不僅與燕遼生物群、熱河生物群和阜新生物群的消亡與復(fù)蘇相協(xié)和, 而且也與構(gòu)造演化階段相耦合。晚侏羅世與早白堊世早期之間發(fā)生的生物群更替(燕遼生物群的消亡與熱河生物群的復(fù)蘇)在性質(zhì)和形式上與早白堊世中期與晚期之際發(fā)生的生物群更替(熱河生物群消亡與阜新生物群復(fù)蘇)并無多大區(qū)別。前者的情況是,燕山運動使冀北—遼西地區(qū)的地勢抬高, 加之晚侏羅世—早白堊世最早期氣候突然變得炎熱干旱, 雙重影響使當(dāng)時的生態(tài)環(huán)境遭到了極大毀壞, 結(jié)果導(dǎo)致燕遼生物群在該區(qū)消亡; 后者的情況是, 早白堊世中期的溫涼、濕潤氣候至晚期逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇嘏⒊睗竦臍夂? 由中期的中-高山環(huán)境逐漸變?yōu)榈偷鼗蛘訚森h(huán)境。早白堊世中期和晚期氣候與環(huán)境的變化是緩慢的、逐步的, 因而熱河生物群的消亡與阜新生物群的復(fù)蘇的過程也是漸變的, 二者的組成在豐富性和多樣性上也是漸變的, 動物與植物的含量在更替過程中呈互為消長的關(guān)系。在這種意義上,熱河生物群是一個以動物為主體的生物群, 而阜新生物群則是一個以植物為主體的生物群。

4 生物群更替的“避難所”模式

根據(jù)構(gòu)造演化、盆地演化、生物群演化、古氣候、古生態(tài)和古地理環(huán)境的綜合研究, 我們認(rèn)為區(qū)域構(gòu)造運動(燕山運動)并不能真正導(dǎo)致生物群的滅絕, 晚侏羅世與早白堊世早期之間發(fā)生的生物群更替在性質(zhì)上并不是“絕滅”與“復(fù)蘇”的關(guān)系, 而是“消亡”與“復(fù)蘇”的關(guān)系。冀北—遼西地區(qū)“燕遼生物群”的消亡與“熱河生物群”的復(fù)蘇顯示了一定的繼承性特點, 也呈現(xiàn)了明顯的階步性特征,為此本文提出了生物群更替的“避難所”模式。

在晚侏羅世早期, 冀北—遼西地區(qū)發(fā)生了著名的燕山運動(I幕), 在髫髻山組與土城子組之間形成了規(guī)模巨大的區(qū)域不整合面。這次構(gòu)造運動導(dǎo)致當(dāng)時環(huán)境發(fā)生了巨大變化, 使得原先植被茂盛的丘陵-低山環(huán)境突然變?yōu)橹脖幌∩俚幕脑h(huán)境, 加之氣候變得十分炎熱干燥, 導(dǎo)致水系衰敗萎縮, 湖泊干凅消失, 生物失去了生存空間和環(huán)境, 致使燕遼生物群中95％以上的物種在冀北—遼西地區(qū)消亡, 紛紛遷徙到氣候合適、環(huán)境適宜的地區(qū)繼續(xù)生存發(fā)展,僅有不到5％的物種殘存到晚侏羅世中—晚期。在早白堊世早期, 冀北—遼西地區(qū)再次發(fā)生了強烈的構(gòu)造活動(燕山運動II幕), 使得該區(qū)的生態(tài)環(huán)境進一步惡化, 氣候變得越來越炎熱干燥, 水系瀕臨枯竭, 結(jié)果導(dǎo)致燕遼生物群殘存下來的物種全部在該地區(qū)消失。這些生物并沒有真正滅絕, 而是沿著先行者的足跡逃往它鄉(xiāng)繼續(xù)生存發(fā)展, 等待著有朝一日重新返回故里。

燕山運動之后, 冀北—遼西地區(qū)早白堊世中期的氣候條件和地理環(huán)境與先前明顯有別, 長期處于中、高山環(huán)境, 由早期的亞熱帶干熱氣候逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇貨?、濕潤的氣? 生態(tài)環(huán)境逐漸得以恢復(fù), 各種生物又重新回到該區(qū)。在冀北階早期, 隨著水系和生態(tài)環(huán)境的初步恢復(fù), 熱河生物群中僅有葉肢介、昆蟲、蕨類植物、藻類等4～5個門類的生物出現(xiàn)在冀北—遼西地區(qū); 在冀北階晚期, 生態(tài)環(huán)境進一步變好, 熱河生物群中大約有7個門類的生物生活在冀北—遼西地區(qū), 常見者有裸子植物、蕨類植物、藻類、雙殼類、腹足類、昆蟲和魚類(北票鱘)等。在熱河階早期, 冀北—遼西地區(qū)的生態(tài)環(huán)境得以完全恢復(fù), 熱河生物群中大約有12個門類的生物生活在該區(qū), 如戴氏狼鰭魚、東方葉肢介和女星介等是首次出現(xiàn)在該區(qū); 在熱河階中期, 熱河生物群得以蓬勃發(fā)展, 山上是高大的喬木(各種裸子植物), 林間是各種蕨類植物和昆蟲, 翼龍和鳥類在天空翱翔, 恐龍、哺乳動物、爬行動物等在地上爭斗,兩棲動物和魚類在水中游蕩, 原始被子植物在水邊綻放, 20多個門類的生物形成了多姿多彩的熱河生物群(趙宗溥和何鑄文, 1959; 劉憲亭和周家鍵, 1965; 張文堂等, 1976; 潘廣, 1978, 1981; 陳丕基等, 1980; 洪友崇, 1981; 曹從周, 1982; 葉美娜和歷寶賢, 1982; 王五力, 1987; 王五力等, 1989, 2004; 孫革等, 1992, 2001; 王思恩等, 1994; 侯連海等, 1995;蒲榮干和吳洪章, 1995; 侯連海, 1996; 季強和姬書安, 1996, 1997; 任東等, 1995, 1996, 1997, 2002; 季強等, 1998, 2002, 2003, 2005, 2006; 羅清華等, 1999;孫革和鄭少林, 2000; 李佩賢等, 2001; 季強, 2002, 2009; 牛寶貴等, 2003; 季強和袁崇喜, 2008; 王思恩和李罡, 2008; 王思恩和季強, 2009)。

致謝:在工作中得到了中國地質(zhì)大學(xué)(北京)王成善院士和黃永建教授, 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所柳永清研究員和姬書安研究員, 首都師范大學(xué)任東教授的大力支持, 在此一并致謝。

Acknowledgements:

This study was supported by National Program on Key Basic Research Project (973 Program) (Nos. 2006CB701405 and 2012CB822004), and China Geological Survey (No. 12120114026801).

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The Palynoflora Alternation and the Paleoclimate Change at the Turning Time between Late Jurassic and Early Cretaceous in Northern Hebei and Western Liaoning

WANG Da-ning, WANG Xu-ri, JI Qiang*
Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037

According to the stratigraphic distribution of the palynoflora at the turning time of the Jurassic–Cretaceous in northern Hebei and western Liaoning, nine sporopollen assemblage zones can be recognized, which are in ascending order of “Cyathidites–Cycadopites–Classopollis” Assemblage Zone,“Classopollis” Assemblage Zone, “Piceites–Podocarpidites–Schizaeoisporites” Assemblage Zone,“Cicatricosisporites–Luanpingspora–Jugella” Assemblage Zone, “Piceaepollenites–Densoisporites–Cicatricosisporites –Aeguitriradites” Assemblage Zone, “Piceaepollenites–Cicatricosisporites–Concavissimisporites” Assemblage Zone, “Liaoxisporites–Pilosisporites –Clasopollis” Assemblage Zone,“Pilosisporites–Appendicisporites–Cicatricosisporites–Triporoletes” Assemblage Zone, “Deltoidospora–Cicatricosisporites–Appendicisporites” Assemblage Zone and “Cicatricosisporites–Classopollis–Schizaeoisporites–Ephedripites” Assemblage Zone. Based on the sporopollen assemblages, the authors reconstructed the paleoclimate and paleoenvironment of the study area: warm and humid low mountains and hills in Middle Jurassic, arid wastelands in Late Jurassic, cool and damp low mountains in the early stage of Early Cretaceous, cool and damp high mountains in the middle stage of Early Cretaceous, warm and humid low landsand fenlands in the late stage of Early Cretaceous and xerothermic low lands in the latest stage of Early Cretaceous. In addition, this paper proposes a “sanctuary” model for the biota alternation at the turning time between Late Jurassic and Early Cretaceous.

Jurassic–Cretaceous; palynoflora; paleoclimate change; northern Hebei-western Liaoning region; China

P534.52; Q914.81

A

10.3975/cagsb.2016.04.07

本文由國家科學(xué)技術(shù)部973項目(編號: 2006CB701405; 2012CB822004)和中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目(編號: 12120114026801)聯(lián)合資助。

2015-12-15; 改回日期: 2016-05-17。責(zé)任編輯: 閆立娟。

王大寧, 男, 1936年生。研究員。主要從事中生代和新生代孢粉地層學(xué)研究。

*通訊作者: 季強, 男, 1951年生。博士生導(dǎo)師, 研究員。主要從事古生物學(xué)和地層學(xué)研究工作。E-mail: jirod@cags.ac.cn。