第一作者简介 邓胜徽,男,1963年生,中国石油勘探开发研究院教授级高级工程师,博士生导师,主要研究方向为地层学及古植物学。E-mail: dsh63@petroChina.com.cn。
首次报道了产于内蒙古锡林浩特盆地侏罗系红旗组的植物群,共计21属37种。该植物群由木贼目、真蕨纲、苏铁纲、银杏纲、松柏纲和少量分散保存的种子等组成,以真蕨类丰富、蚌壳蕨科Coniopteris和Eboracia出现以及南方型分子较多等为特征。该植物群的时代为早侏罗世晚期,反映研究区红旗组主体的沉积时代为早侏罗世晚期,上部沉积可能形成于中侏罗世早期。气候敏感植物,特别是南方型分子的出现,指示锡林浩特盆地早侏罗世晚期属于暖温带—亚热带气候区,气候较热或短期有一定程度的偏干旱;其气温较早侏罗世早期和中侏罗世早期更高,说明早侏罗世晚期发生过1次升温气候事件。对早、中侏罗世植物群和沉积特征的综合分析表明,中国在早侏罗世晚期可划分出黑龙江东部温凉气候区、北方暖温带温暖潮湿气候区、中部热带—亚热带半干旱—半潮湿气候区、中南热带—亚热带干旱气候区和西藏—滇西热带干旱气候区共5个气候区,其中北方暖温带温暖潮湿气候区与中部热带—亚热带半干旱—半潮湿气候区的界线较早侏罗世早期和中侏罗世早期偏北4°~8°(纬度),亦说明早侏罗世晚期发生了升温事件。此升温事件与中亚和西伯利亚的图阿尔期升温事件相当,其很可能是早侏罗世晚期图阿尔期大洋缺氧事件(T-OAE)在陆地生态系统中的响应。
About the first author Deng Shenghui,born in 1963,is a professor of the Research Institute of Petroleum Exploration and Development,PetroChina. He is mainly engaged in stratigraphy and paleobotany. E-mail: dsh63@petroChina.com.cn.
The flora from the Jurassic Hongqi Formation of the Xilinhot Basin,Inner Mongolia,North China,is composed of 37 species in 21 genera: Equisetites sp. and Neocalamites sp. of Equisetales; Hausmannia ussuriensis Kryshtofovich, H. leeiana Sze, Coniopteris bella Harris, C. sp., Eboracia lobifolia(Phillips)Thomas, Todites williamsonia(Bronign.)Seward, Cladophlebis angutula (Heer)Fontaine, Cl. asiatica Chow et Yeh, Cl. cf. asiatica Chow et Yeh, Cl. haiburnensis(L. et H.)Bronigniart, Cl. hsiehiana Sze, Cl. lobifolia(Phillips)Bronigniart, Cl.ingens Harris, Cl.pseudoraciborskii Srebrodolskaja, Cl. shansiensis, Cl. scariosa Harris Sze and Cl. sp. nov. of Filicopsida; Anomozamites turkmenicus Burakova, Nilssoniopteris angustifolia Wang, Ptilophyllum contiguum Sze, Pterophyllum sp., Nilssonia sp. nov. and Ctenis sp. of Cycadopsida; Ginkgoites ferganensis Brick, Ginkgoites hottonii (Sternb.)Heer, Phoenicopsis angustifolia Heer, Czekanowskia setacea Heer, Cz. latifolia Turutanova-Ketova and Sphenobaiera sp. of Ginkgopsida; Elatocladus sp.1, Elatocladus sp.2, Podozamites eichwaldi Schimper, Pityophyllum longifolium(Nath.)Moeller and Pityophyllum sp. of Coniferopsida and seed Carpolithus sp. The flora is characterized by abundant ferns and appearance of Coniopteris and Eboracia of the Dicksoniacea and some thermophilous elements. The thermophilous plants include dipteridaceous fern Hausmannia and Ptilophyllum of Bennettitales. The age of the flora is late Early Jurassic and most possibly the Toarcian. The age of the Hongqi Formation is chiefly late Early Jurassic and its upper part is possibly the early Middle Jurassic. The appearance of the climate sensitive plants,particularly the south-type(thermophilous)elements,indicates that the Xilinhot Basin was located in the warm temperate zone-subtropic zone during the late Early Jurassic. It was warmer than that of the early Early Jurassic and early Middle Jurassic,indicating a temperature raising event in the late Early Jurassic. Based on the palaeontological and sedimentary data, there existed 5 palaeoclimatic regions during the late Early Jurassic in China,namely the eastern Heilongjiang warm-cool climatic region,North China warm-temperate and warm-humid climatic region,central China tropic-subtropical semi-arid and semi-humid climatic region,central-southern China tropic-subtropical arid climatic region and the Tibet-western Yunnan tropical arid climatic region. The boundary between the warm-temperate warm-humid climatic region and the tropic-subtropical semi-arid and semi-humid climatic region was about 4-8 degrees of latitude northwards than both in the early Early Jurassic and early Middle Jurassic,also indicating a temperature arising event occurred in the late Early Jurassic. This climatic event most possibly happened in the Toarcian of Early Jurassic and is likely the response of the terrestrial ecological system to the Toarcian Oceanic Anoxic Event(T-OAE).
内蒙古自治区中部的锡林浩特— 二连浩特一带, 在二叠纪海相地层之上、晚中生代火山岩之下发育了一套含煤地层。20世纪70年代, 该套含煤地层被内蒙古自治区区测队命名为马尼特庙群或阿拉坦合力群, 时代归为早— 中侏罗世(马秀等, 1974; 内蒙古自治区地质局和东北地质科学研究所, 1976)。阿拉坦合力群一名应用较广(内蒙古自治区区域地层表编写组, 1978; 地质矿产部天津地质矿产研究所, 1984; 内蒙古自治区地质矿产局, 1991), 知者较多; 但在内蒙古自治区岩石地层清理工作中, 此套地层被认为与红旗组特征等同, 因而上述两名则被视为红旗组的异名而废除(内蒙古自治区地质矿产局, 1996), 笔者采纳该意见。红旗组创名于20世纪60年代, 指在吉林省洮安县红旗煤矿二叠系与中侏罗统万宝组之间的一套含煤地层, 产较丰富的植物化石, 时代被认为是早侏罗世晚期(杨学林和孙礼文, 1985), 与文中研究的内蒙古中部这套侏罗系含煤地层相当。
内蒙古中部侏罗纪植物化石的研究历史较长, 但成果比较少。李星学(1954)曾研究过包头石拐子煤矿的侏罗纪植物化石; 张志诚(1976)在《华北地区古生物图册:内蒙古分册(二)》一书中, 收入了产于侏罗系五当沟组的12种植物化石和召沟组的14种植物化石; 王自强(1984)记录了产于该地区南部察右中旗下侏罗统南苏勒图组的14种植物化石。对于锡林浩特地区侏罗纪植物化石以往仅有少量记载, 化石名单零星见于区域地质调查和煤田勘探等生产报告中; 《内蒙古自治区区域地质志》(内蒙古自治区地质矿产局, 1991)一书中列出了化石名单, 但无化石图像。文中为首次系统研究锡林浩特地区侏罗纪植物群, 其中对植物化石的系统描述部分因篇幅所限将另文发表, 文中仅限于讨论植物群的特征、时代及与其相关的古气候。
中国昆仑— 秦岭— 大别山一线以北地区中、下侏罗统以含煤地层发育为特点, 植物化石十分丰富, 属于北方植物地理区(斯行健和周志炎, 1962; 吴舜卿, 1983; 周志炎, 1995; 邓胜徽等, 2003), 反映了温暖潮湿型的气候类型(钟筱春等, 2003)。文中发现的植物群除北方地区普遍存在的属种外, 还出现了较多的南方型分子, 指示气候较通常认为的更为炎热。结合中国特别是北方其他地区的资料, 笔者认为这代表了1次气温升高的古气候事件。
近30年来的研究表明, 在全球范围内, 存在1次早侏罗世晚期, 即相当于Toarcian(图阿尔期)(文中所涉及的国际年代地层单位名称中文译名均遵从全国地层委员会《中国地层表》编委会(2013)发布的《中国地层表》)的古气候— 环境事件。该事件在海洋生态系统中表现为发生在Toarcian早期的1次全球性大洋缺氧事件(简称T-OAE), 伴随海水温度升高、生物集群灭绝、黑色页岩沉积、地球化学指标突变等一系列生物— 地质— 环境事件等。T-OAE的研究已成为近年中生代地球科学研究的一个热点, 研究程度较高(如:Jenkyns, 1988; Little and Benton, 1995; Macchioni and Cecca, 2002; Cohen et al., 2004, 2007; McElwain et al., 2005; Wignall et al., 2005; Hesselbo et al., 2007; Svensen et al., 2007; McArthur et al., 2008; Pearce et al., 2008; Al-Suwaidi et al., 2010; Dera et al., 2010; Kafousia et al., 2010; Caruthers et al., 2011; Grö cke et al., 2011; Izumi et al., 2012), 但其在陆地生态系统中的响应还不清楚。前苏联古植物学家Vakhrameev(1991)曾通过对中亚和西伯利亚地区植物与孢粉资料的分析, 发现北半球早侏罗世图阿尔期发生了气温升高、干旱化的气候事件; 中国古植物学者在研究早侏罗世晚期植物群时也注意到古气候的明显变化(李佩娟等, 1988; 周志炎, 1995; Wang et al., 2005; Deng et al., 2010)。这一气候的变化可能是T-OAE在陆地生态系统中的响应(邓胜徽等, 2012), 文中资料为此论点提供了新的证据。
文中所研究的植物化石产于内蒙古锡林浩特市东南部锡林浩特煤矿矿井矸石(图 1)中, 由商平和卢远征等于20世纪90年代后期采集。邓胜徽于1995年曾前往距阿拉坦合力苏木西约10, km的汗贝苏木对侏罗系剖面进行野外考察, 并草测了该剖面:岩性较粗, 以砂岩、砾岩为主, 夹煤线和煤层, 见少量植物化石。邓胜徽和董淑欣于2012年再次前往锡林浩特煤矿进行了植物化石补充采集。
该煤矿侏罗系剖面资料见杨兵等(2013)的报到, 现转引如下:
从上述剖面描述可知, 煤层位于该剖面的下部, 文中所研究的植物化石主要来自该剖面的中下部, 但其确切层位难以对应归入上述剖面。化石总计约150块, 保存较好, 绝大部分为压型化石; 其中, 部分裸子植物标本保存了角质层材料。
锡林浩特盆地红旗组植物群共有21属37种。该植物群由木贼目、真蕨纲、苏铁纲、银杏纲、松柏纲和少量分散保存的种子等(图 2, 图3, 图4)组成:以真蕨纲占优势, 共有17种之多, 占近半数; 苏铁纲、银杏纲和松柏纲居次, 各有6种或5种; 木贼目较少, 仅有2种, 未见到种子蕨。真蕨纲具有3个明显的特点:(1)以紫萁科的Todites和具较大型小羽片的Cladophlebis占绝对优势, 多达12种; (2)双扇蕨科繁盛, 种数虽然不多, 仅有Hausmannia ussuriensis和H.leeiana, 但化石数量十分丰富; (3)出现了蚌壳蕨科, 包括Coniopteris和Eboracia共2个属, 其中Coniopteris有2个种, 但化石较少, 蕨叶中没有见到明显的变态小羽片。苏铁纲中见本内苏铁目的Pterophyllum、Nilssoniopteris、Ptilophyllum、Anomozamites和苏铁目的Ctenis、 Nilssonia等, 其中, Nilssoniopteris和Nilssonia属化石较丰富, 其他属各有代表。银杏纲见Ginkgoites、Sphenobaiera、Phoenicopsis和Czekanowskia等属, 化石较多见。松柏纲以长宽叶型为特点, 未见鳞叶类型, 主要有Podozamites、Pityophyllum和Elatocladus, 化石不很丰富, 但较常见。木贼目只有Equisetites和Neocalamites 属的个别代表。
锡林浩特植物群的属种组成:
木贼目(Equisetale)
似木贼(未定种) Equisetites sp.
新芦木(未定种) Neocalamites sp.
真蕨纲Filicopsida
乌苏里荷叶蕨Hausmannia ussuriensis Kryshtofovich
李氏荷叶蕨Hausmannia leeiana Sze
漂亮锥叶蕨Coniopteris bella Harris
锥叶蕨(未定种)Coniopteris sp.
裂叶爱博拉契蕨Eboracia lobifolia(Phillips)Thomas
威廉姆逊似托第蕨Todites williamsonia(Bronign.)Seward
微尖枝脉蕨Cladophlebis angutula (Heer)Fontaine
亚洲枝脉蕨Cladophlebis asiatica Chow et Ye
亚洲枝脉蕨(相似种)Cladophlebis cf. asiatica Chow et Yeh
海庞枝脉蕨Cladophlebis haiburnensis(L. et H.)Bronigniart
谢氏枝脉蕨Cladophlebis hsiehiana Sze
极大枝脉蕨Cladophlebis ingens Harris
裂叶枝脉蕨Cladophlebis lobifolia(Phillips)Bronigniart
假拉契波斯基枝脉蕨Cladophlebis pseudoraciborskii Srebrodolskaja
干膜质枝脉蕨Cladophlebis scariosa Harris
山西枝脉蕨Cladophlebis shansiensis Sze
枝脉蕨(新种)Cladophlebis sp. nov.
苏铁纲Cycadopsida
尼尔桑(新种)Nilssonia sp. nov.
篦羽叶(未定种)Ctenis sp.
狭叶蕉带羽叶Nilssoniopteris angustifolia Wang
土库曼异羽叶Anomozamites turkmenicus Burakova
侧羽叶(未定种)Pterophyllum sp.
紧挤毛羽叶Ptilophyllum contiguum Sze
银杏纲Ginkgopsida
费尔干似银杏Ginkgoites ferganensis Brick
胡顿似银杏Ginkgoites hottonii (Sternb.)Heer
狭叶拟刺葵Phoenicopsis angustifolia Heer
宽叶茨康叶Czekanowskia latifolia Turutanova-Ketova
刚毛茨康叶Czekanowskia setacea Heer
楔拜拉(未定种)Sphenobaiera sp.
松柏纲Coniferopsida
枞型枝(未定种1)Elatocladus sp.1
枞型枝(未定种2)Elatocladus sp.2
爱氏苏铁杉Podozamites eichwaldi Schimper
长叶松形叶Pityophyllum longifolium(Nath.)Moeller
松形叶(未定种)Pityophyllum sp.
种子 Seed
化石果(未定种)Carpolithus sp.
当前植物群所见各种化石均为侏罗纪常见或特有的分子, 未见到晚三叠世或早白垩世的特征分子。其中, 真蕨纲的Coniopteris bella、Eboracia lobifolia、Hausmannia leeiana、Cladophlebis angutula、Cl. asiatica、Cl. haiburnensis、Cl. hsiehiana、Cl. scariosa、Cl. ingens、Cl. shansiensis等, 苏铁纲的Nilssoniopteris angustifolia和 Anomozamites turkmenicus, 银杏纲的Ginkgoites ferganensis、G. hottonii、Phoenicopsis angustifolia、Czekanowskia setacea、Cz. latifolia等, 均是主要见于或仅见于侏罗纪植物群的分子; 真蕨纲的Hausmannia ussuriensis、松柏纲的Podozamites eichwaldi等以往在上三叠统和侏罗系中均可见到。因此, 该植物群的时代为侏罗纪无疑。然而, 尽管有些分子在中侏罗世常见或主要见于中侏罗世, 但植物群主体时代为早侏罗世晚期, 主要依据如下:
蚌壳蕨科的Coniopteris在当前植物群中见到2个种, 但化石标本较少, 这不同于中国北方及世界各地中侏罗世早期植物群, 后者以蚌壳蕨科、特别是Coniopteris属的空前繁盛为特点(陈芬等, 1984; 李佩娟等, 1988; 周志炎, 1995; 邓胜徽等, 2003; Deng and Lu, 2006)。另外, 在已发现的Coniopteris标本中, 未见到末次羽片下行基部第1小羽片分裂成的线状变态小羽片, 而具线型变态小羽片是中侏罗世Coniopteris多个种的重要特征之一, 其在早侏罗世和早白垩世的Coniopteris属中不存在或不明显(邓胜徽和陈芬, 2001; Deng and Lu, 2006)。从国外情况看, Coniopteris在欧洲早侏罗世早期的Thaumatopteris带中未见到, 最早出现于普林斯巴赫期(Vakhrameev, 1991), 但在中国可能要略早一些, 在埃唐日期— 西涅缪尔期已经存在(冯少南等, 1977; 周志炎, 1984; 邓胜徽等, 2010)。在欧洲, 有海相化石标定时代为早侏罗世图阿尔期的植物群的一个重要标志就是普遍存在Coniopteris属, 通常只有1~2个种(Vakhrameev, 1991)。当前植物群中所见到的2个种的形态较早侏罗世早期的Coniopteris更为强壮, 但又不如中侏罗世Coniopteris的大多种那么大, 显示了早侏罗世晚期的特点。Coniopteris bella虽然在中侏罗世普遍存在(Harris, 1961; Deng and Lu, 2006), 但在早侏罗世地层中也已经出现(邓胜徽等, 2010)。因此, 当前植物群与欧洲图阿尔期植物群有较大的相似性, 指示二者时代可能大致相当。
需要指出的是, Eboracia lobifolia也是世界各地中侏罗世植物群十分丰富而重要的种, 往往与Coniopteris hymenophylloides和C. tatungensis共同出现, 是中侏罗世早期蚌壳蕨科的代表分子之一(邓胜徽等, 2003)。但是, 相关资料也表明, Eboracia lobifolia在早侏罗世晚期已经开始出现(张泓等, 1998)。
本组合中出现了非常丰富的双扇蕨科植物Hausmannia。Hausmannia出现并繁盛于晚三叠世晚期, 但在早— 中侏罗世依然丰富, 到早白垩世晚期后趋于灭绝。在中国的侏罗系中, Hausmannia化石丰富的层位有2个:一个是下侏罗统上部, 以柴达木盆地甜水沟组为代表, 所含植物化石层被称为Hausmannia层(李佩娟等, 1988), 与当前植物群中的情况相似; 相当的层位还有鄂尔多斯盆地的富县组等(黄枝高和周惠琴, 1980)。柴达木盆地甜水沟组的时代被归于早侏罗世晚期, 或归于图阿尔期(李佩娟等, 1988; 周志炎, 1995), 富县组的时代也归于早侏罗世晚期(黄枝高和周惠琴, 1980)。另一个产大量Hausmannia化石的层位是中侏罗统上部, 以辽西蓝旗组(或称髫髻山组)为代表。但是, 在蓝旗组中与Hausmannia共生的是大量的苏铁类以及丰富的Coniopteris、Dicksonia等蚌壳蕨科真蕨类, 与当前植物群面貌不同。在侏罗系的其他层位中, Hausmannia也可能存在(Wang and Zhang, 2010), 但不丰富, 在植物群中并不突出。
当前植物群中Hausmannia属的2个已知种(Hausmannia ussuriensis和H.leeiana)均是侏罗纪的常见分子。Hausmannia ussuriensis最早由前苏联古植物学家Kryshtofovich(1923)发现于俄远东地区上三叠统, 后在日本(Oishi, 1932; Kimura and Kim, 1984)、四川盆地(叶美娜等, 1986; 吴舜卿, 1999)、东北吉林天桥岭地区(孙革, 1993)等地上三叠统中发现, 是晚三叠世植物群中的重要分子(孙革, 1993); 但该种延续到了早侏罗世, 并有广泛的记录(斯行健, 1933; Brick, 1953; 斯行健等, 1963; 沈光隆等, 1976; 吴舜卿和周汉忠, 1986; 李佩娟等, 1988; 米家榕等, 1996; 张泓等, 1998; Wang, 2002)。Hausmannia leeiana一种建立于中国山西大同下侏罗统(斯行健, 1933), 所有记载均来自中亚和东亚地区的中、下侏罗统(Brick, 1953; Vakhrameev and Doludenko, 1961; Teclehko, 1970; 陈芬等, 1984)。综上, Hausmannia属2个种的存在及繁盛说明当前植物群时代为早侏罗世晚期。
本内苏铁目的Ptilophyllum是热带气候区特有分子之一, 在侏罗纪和白垩纪均存在于欧洲— 中国植物地理区; 但在早侏罗世图阿尔期, 该属有过一次短暂的北迁过程(Vakhrameev, 1991)。Ptilophyllum在西伯利亚维吕河流域和科累马河流域有海相化石限制时代的图阿尔期植物群中曾短暂出现过(Samylina and Yefimova, 1968; Kirichkova, 1985)。该属在当前植物群中的存在也明确指示其时代为早侏罗世晚期, 最可能相当于图阿尔期。
张泓等(1998)总结认为, 中国西北地区早侏罗世图阿尔期植物群的2个重要特点为:一是植物群属种相对贫乏, 并具较多代表气候干热的松柏类掌鳞杉科植物; 二是出现了少量的Coniopteris。当前植物群具备这2个基本特征。
此外, 当前植物群中含有大量的枝脉蕨, 占植物群总种数的近30%。以枝脉蕨占优势的植物群在中国北方地区早侏罗世中晚期也相当典型。比如, 柴达木盆地火烧沟组(李佩娟等, 1988)以及青海西宁湟源日月山组等。李佩娟等(1988)、张泓等(1998)以及邓胜徽等(2003)均有过总结, 这一以具大型小羽片枝脉蕨为特点的植物组合的时代为早侏罗世晚期。
最近, 杨兵等(2013)于红旗组下部第2层中发现了较丰富的孢粉化石, 经鉴定计有26属39种, 并称Dictyophyllidites-Cyathidites-Classopollis组合, 时代定为早侏罗世晚期, 与植物大化石反映的时代相同。
综上所述, 锡林浩特盆地红旗组植物群的时代为早侏罗世晚期, 很可能为图阿尔期。由于植物化石主要来自红旗组的中下部, 故红旗组的主体时代为早侏罗世晚期, 上部有可能已进入中侏罗世早期。
锡林浩特盆地红旗组植物群共有37种。就气候指示意义而言, 大部分为反映温暖潮湿气候的类型。其中木贼目的Neocalamites一般被认为是挺水植物, 生长于水体边缘。当前植物群中与紫萁科相关的小羽片较大型的Cladophlebis占相当大的优势; 而大量的研究表明, 中生代紫萁科主要生存于潮湿而温暖的气候条件下(邓胜徽, 2007)。中生代苏铁纲植物的气候指示可大致分为2类:一类指示气候炎热甚至干旱; 另一类指示气候较为温暖湿润, 如Pterophyllum、Nilssonia、Nilssoniopteris和Anomozamites等属(Vakhrameev, 1991; 邓胜徽, 2007)。当前植物群中共有6种苏铁类, 其中有5种属于后一类。银杏纲(特别是茨康叶目)和长宽叶型松柏类(特别是松科), 是适应温暖而潮湿气候环境的植物(邓胜徽, 2007)。
上述植物的存在说明该地区早侏罗世晚期气候温暖而潮湿, 应相当于暖温带南部的范畴, 似与中国北方地区早、中侏罗世气候特征相一致。
然而, 除了上述代表温暖潮湿气候类型的属种之外, 当前植物群中还出现了另外一些对气候特别敏感的分子, 而这些分子的存在指示了不同的气候类型。
其一, 出现了大量双扇蕨科的Hausmannia。现代双扇蕨科仅限于热带分布, 是热带蕨类的代表分子之一。大量资料也证实, 在地史时期, 双扇蕨科的分布也限于各地质历史时期的热带或亚热带地区, 主要在热带地区(周志炎, 1995; 邓胜徽, 2007)。在当前植物群中, Hausmannia属至少有2个种, 论种数在植物群中并不占大的比重, 但其标本十分丰富, 说明该属相当繁盛, 在植物群中, 特别是真蕨类中占据一定的优势地位。
其二, 出现了热带型的苏铁植物Ptilophyllum。虽然此属只见到1个种, 标本也不多, 但其指示了热而偏干型的气候类型。Ptilophyllum以线形裂片为特点, 角质层往往很厚, 在中国侏罗纪— 白垩纪基本限于南方植物地理区(周志炎, 1995; 邓胜徽, 2007), 在全球范围也仅限于热带植物地理区(Vakhrameev, 1991; 周志炎, 1995), 适应炎热且相对偏干的气候环境。该属在当前植物群中存在, 而在北方广大地区更早或更晚的植物群中均缺失, 说明早侏罗世晚期研究区的气候比早侏罗世早期和中侏罗世早期均要热, 甚至偏干, 指示了1次升温事件。
总之, 内蒙古锡林浩特地区在早侏罗世晚期属暖温带, 位于该带的南部, 气候较热, 或有短期的一定程度的偏干。与早侏罗世早期和中侏罗世早期相比, 早侏罗世晚期的气温明显更高。
中国北方地区早、中侏罗世植物群十分繁盛, 研究成果非常丰富(斯行健等, 1963; 张志诚, 1976; 黄枝高和周惠琴, 1980; 张武等, 1980; 刘子进, 1982a, 1982b; 陈芬等, 1984; 厉宝贤和胡斌, 1984; 王自强, 1984; 杨学林和孙礼文, 1985; 何元良和吴向午, 1986; 孙柏年, 1986, 1992; 吴舜卿和周汉忠, 1986; 吴向午等, 1986, 2002; 徐福祥, 1986a, 1986b; 何德长, 1987; 张武和郑少林, 1987; 李佩娟等, 1988; 杨恕和沈光隆, 1988; 周志炎和章伯乐, 1988; 吴绍祖, 1990; 郑少林和张武, 1990; 曾勇等, 1995; 米家榕等, 1996; 张泓等, 1998; 商平等, 1999; 邓胜徽等, 2000, 2003, 2010)。其中, 对早侏罗世晚期植物化石有较多的论述, 研究比较深入的层位包括:内蒙古察右旗南苏勒图组(王自强, 1984)、河北承德甲山组(王自强, 1984)、冀北和辽西的北票组(张武和郑少林, 1987; 米家榕等, 1996)、山西大同永定庄组(厉宝贤和胡斌, 1984)、陕北富县组(黄枝高和周惠琴, 1980)、甘肃炭洞沟组(徐福祥, 1986a; 刘子进, 1982b; 孙伯年和沈光隆, 1986)、青海柴达木盆地大煤沟组下部(相当于甜水沟组和饮马沟组)(李佩娟等, 1988; 邓胜徽等, 2003)以及新疆三工河组(邓胜徽等, 2000; Deng et al., 2010)等。张泓等(1998)对包括陕、甘、宁、青以及新疆等地在内的西北地区侏罗纪植物群进行了总结, 将早侏罗世晚期植物群命名为“ 锥叶蕨始现带” , 计45种。这些植物群的时代均被确定为早侏罗世晚期或被归入图阿尔期(李佩娟等, 1988; 张泓等, 1998)。
与早侏罗世早期和中侏罗世早期的植物群相比, 中国北方地区早侏罗世晚期植物群属种数分异度大为减小, 总体上以真蕨纲占优势, 裸子植物类的苏铁纲、银杏纲和松柏纲较为丰富, 而石松纲、楔叶纲和种子蕨等只有少量代表。引人关注的是, 中国北方各地早侏罗世晚期植物群(组合)中均不同程度地出现了一些喜热或耐干型(或称南方型)植物, 通常可占各地植物群的10%以上, 最高者达50%(表 1)。综合而言, 这些南方型分子主要有以下几类:(1)热带、亚热带型真蕨类, 主要包括双扇蕨科的Dictyophyllum、Clathropteris、Hausmannia和Thaumatopteris, 合囊蕨科的Marattiopsis, 马通蕨科的Phlebopteris以及海金沙科的Klukia等; (2)喜热耐旱型苏铁类, 主要有本内苏铁类的Otozamites、Dictyozamites、Zamites、Tyrmia以及Ptilophyllum等; (3)鳞叶、锥叶型松柏类, 包括Hirmeriella、Brachyphyllum 和 Pagiophyllum等, 这类松柏植物叶角质层往往特别厚(Yang et al., 2006); (4)还出现了与现代旱生型买麻藤类植物可以对比的类型, 如Ephedrites等(吴向午等, 1986)。
中国北方地区中、下侏罗统植物化石虽然十分丰富, 但是, 由于地层发育的不连续或研究不够系统等原因, 在同一地区(或盆地)早、中侏罗世各时期植物群组成面貌研究得比较深入的并不很多。据现有资料可以建立比较完整植物组合序列的有以下几个地点:(1)青海省柴达木盆地。李佩娟等(1988)建立了以大煤沟剖面为代表的早侏罗世早期到中侏罗世晚期连续的6个植物组合(涵盖了10个化石层), 但因地层发育不全缺失了侏罗纪最早期的组合(邓胜徽等, 2003; 赵应成等, 2003)。(2)新疆北部地区。资料主要来自准噶尔盆地南缘乌鲁木齐的郝家沟剖面, 建立了中、下侏罗统的4个植物组合(邓胜徽等, 2000, 2010)。该剖面中侏罗统下部西山窑组植物化石的研究不够深入、系统, 但相邻的吐哈盆地同一层位植物群的研究比较深入(商平等, 1999; 邓胜徽等, 2010), 而两者环境背景相同, 后者可以代替前者进行分析。(3)甘肃东部地区, 主要是靖远地区。徐福祥于20世纪中后期在此地区开展了详细的工作, 并进行了较系统的总结, 分出4个组合(徐福祥, 1986a, 1986b)。(4)张泓等(1998)对中国西北地区侏罗纪植物群进行了系统的总结, 建立了6个植物组合, 并提供了各组合的属种名单。以上资料为文中古气候的分析提供了基础。
需要指出的是, 以上资料在应用于古气候分析时还存在一些问题。第一, 对于某些种的正确鉴定, 不同学者掌握的标准可能有所不同, 但同一个地区选择同一作者的资料来分析, 此问题的影响可以大为降低。第二, 不同学者对各地区植物组合时代的认定并不完全一致。比如, 有的组合被确定到了“ 期” 一级的精度, 有的仅粗略地归到“ 世” 一级。第三, 因为缺少具足够分辨率的可靠化石, 地层时代以及相互间对比或多或少地存在误差。不过, 这些误差对于文中这种长周期的、宏观尺度的气候变化规律分析而言, 影响有限。
对比分析表明, 在中国北方地区, 相比早侏罗世早期和中侏罗世早期的植物群, 早侏罗世晚期(或大致相当于图阿尔期)的植物群有2大特点:(1)南方型分子有较大幅度的增加(表 2, 图5); (2)植物群组成更为单调, 种一级的多样性较低, 除了冀北地区北票组有90余种之外(米家榕等, 1996), 一般均只有20~30种甚至更少, 其中还包括一些分散种子等器官属种。而早侏罗世早期植物群更为丰富, 中侏罗世早期则是侏罗纪植物群的鼎盛时期, 分异度达到巅峰。
柴达木盆地小煤沟组、准噶尔盆地八道湾组等早侏罗世早期地层中, 南方型植物属种基本不存在或仅个别见及(表 2, 图5)。同样, 在中侏罗世早期地层中, 如柴达木盆地大煤沟组(李佩娟等, 1988; 张泓等, 1998)、准噶尔盆地西山窑组(商平等, 1999)、甘肃中东部的窑待组(孙柏年, 1986)和龙凤山组(徐福祥, 1986b; 孙柏年, 1992)、鄂尔多斯盆地的延安组(黄枝高和周惠琴, 1980)、北京西山上窑坡组(陈芬等, 1984)、辽西海房沟组(张武和郑少林, 1987; 米家榕等, 1996)、河南义马组(曾勇等, 1995)等, 南方型分子少或罕见(表 2, 图5)。喜热分子唯在早侏罗世晚期在中国北方地区普遍存在, 说明这一时期气候发生了明显的变化, 即气温有明显的升高, 出现了1次气候变暖事件。正是由于气温的升高, 导致了南方型的、喜热的分子向北迁移, 由秦岭— 大别山一线以南向北迁移至华北— 西北地区(图 6), 甚至到了西伯利亚的高纬度地区(Vakhrameev, 1991)。
从中国北方不同地区早侏罗世晚期的植物群组成以及沉积特征来看, 西部地区比东部更为干旱, 突出的证据有2个:(1)在西北地区除了上述喜热分子外, 还出现了比较多的耐旱型植物。比如, 荒漠型植物麻黄类在柴达木盆地(吴向午等, 1986; 李佩娟等, 1988)以及准噶尔盆地(Deng et al., 2010)的出现; 又如, 鳞叶型的松柏类植物化石Brachyphyllum, Pagiophyllum等在柴达木、准噶尔盆地等的普遍存在(张泓等, 1998; Yang et al., 2006; Deng et al., 2010)。(2)在植物化石产出层位或相邻地层往往含有较厚的紫红色泥岩, 在东部地区虽然也存在红色泥岩沉积, 但分布的纬度要低一些(图 6), 局部还发育有煤层, 甚至达到工业煤层, 如北票组和红旗组等。以上说明, 在早侏罗世晚期, 中国北方地区出现了明显的升温, 而且有趋向干旱的现象; 其中, 西部地区气候变化要比东部更为强烈, 究其原因可能是东部临近西太平洋, 其受到来自太平洋的潮湿气流的影响, 因而比西部内陆相对更加潮湿一些。
以古生物资料为基础, 结合气候敏感沉积物分析, 认为早侏罗世晚期中国可大致分出5个气候区, 分别为:黑龙江东部温凉气候区、北方暖温带温暖潮湿气候区、中部热带— 亚热带半干旱— 半潮湿气候区、中南热带— 亚热带干旱气候区和西藏— 滇西热带干旱气候区(图 6)。台湾和海南岛缺失相关地层或资料未获及, 暂未计入分析。
其中, 黑龙江东部的乌苏里江地区, 存在1个侏罗纪之后拼贴而来的那丹哈达地体(张庆龙和水谷仲治, 1989; 邵济安和唐克东, 1991)。该地区侏罗系基本为海相沉积, 发育高纬度的冷水型生物群, 如冷水型的放射虫、双壳类动物群以及沟鞭藻等, 归乌苏里生物地理区(钟筱春等, 2003), 属于高纬度温凉气候区。
滇藏地区的侏罗系自北而南大致分为羌塘— 昌都、冈底斯— 察隅以及喜马拉雅等3个主要地层分区(李永铁等, 2001)。其中, 羌塘— 昌都地层分区资料较多, 在羌塘盆地(双湖一带)有菊石确认的图阿尔期地层中膏岩发育, 说明气候炎热干旱; 所产生物群属于暖水的特提斯型, 在藏南地区产多个属种的珊瑚化石, 均说明气温高。在昌都— 滇西一带图阿尔阶以陆源红色碎屑岩为主, 局部夹膏盐, 也证明气候炎热而干旱。古地磁研究表明, 滇藏地区的若干块体在早侏罗世位于赤道附近或南半球的低纬度地区(叶祥华和李家福, 1987; 李建忠等, 2006)。因此, 虽然冈底斯— 察隅和喜马拉雅地层区古气候指示资料很少, 还不能明确其气候特征, 但文中暂将它们与羌塘地区一起归于热带炎热干旱气候区(图 6)。
中国北方暖温带温暖潮湿气候区大致以准噶尔盆地中部— 北天山— 河西走廊— 鄂尔多斯盆地中北部— 北京一线为南界, 主要包括新疆北部、甘肃大部、山西、陕西北部、内蒙古以及东北地区等。本气候区沉积物以暗色岩系为主, 通常含煤或煤线、碳质泥岩等。植被中季节性落叶的银杏纲和松柏纲的松科繁盛; 真蕨纲丰富, 以适应温带气候的紫萁科为主, 而喜热的双扇蕨科、合囊蕨科、马通蕨科等则缺失或仅少量见到; 苏铁类较为丰富, 但缺少喜热耐旱的本内苏铁类Zamites、Otozamites、Ptilophyllum等。孢粉组合中指示干热气候的Classopollis的含量很低, 一般不足5%。双壳类属于适应温湿气候条件的Ferganoconcha-Unio动物群(陈金华和章伯乐, 1997; 邓胜徽等, 2003)。
中部热带— 亚热带半干旱— 半潮湿气候区的大致范围是, 准噶尔盆地中部— 北天山— 河西走廊— 鄂尔多斯盆地中北部— 北京一线以南, 昆仑— 西秦岭— 广元— 华蓥— 怀化— 桂林— 梧州一线以北以东。本区沉积物以灰绿色、黄绿色或暗色调为主, 在距离海洋相对较近的地区, 出现过短期潮湿化, 发育沼泽, 有煤层、煤线存在; 在距离海洋较远的内陆地区则出现过短期的干旱, 发育一定厚度的红色沉积。植被不如暖温带温暖潮湿气候区繁茂, 发现的植物群一般只有十余种或数十种, 银杏类贫乏, 真蕨纲的双扇蕨科、合囊蕨科和马通蕨科等相对较丰富; 苏铁类较多, 并有较多本内苏铁类的Zamites、Otozamites、Ptilophyllum等; 角质层厚的松柏纲掌鳞杉科植物常见。孢粉植物群中, Classopollis高含量的分布范围也明显向北扩展。双壳类以Qiyangia和Pseudocardinia占明显优势为特点, 属于适宜半咸水的Psilunio suni-Pseudocardinia动物群(邓胜徽等, 2003)。
中南热带— 亚热带干旱气候区介于上述中部热带— 亚热带半干旱— 半潮湿气候区与滇藏热带干旱气候区之间, 主要包括四川南部、云南中东部、贵州中西部和广西大部等。本气候区全为陆相沉积, 以紫红色、红色等为主色调。陆生动物以爬行类为主, 植物和湖生动物均不发育。双壳类以喜热的类型为特点, 属种不丰富(蔡绍英, 1986)。植物化石十分稀少, 见零星生存于小水体边缘的节蕨类Equisetites、Neocalamites, 喜热型真蕨类海金沙科Klukia以及合囊蕨科的Marattiopsis等(广西壮族自治区地质矿产局, 1985), 显示气候总体炎热而干旱, 但可能出现短期的或局部相对较潮湿现象。
需要指出的是, 北方暖温带温暖潮湿气候区与中部热带— 亚热带半干旱— 半潮湿气候区的界线为准噶尔盆地中部— 北天山— 河西走廊— 鄂尔多斯盆地中北部— 北京一线(图 6), 比早侏罗世早期、中侏罗世早期的分界线(邓胜徽等, 2012), 或以往认为的早中侏罗世南北气候带的分界(吴舜卿, 1983), 即昆仑— 秦岭— 大别山一线, 向北推移了约4° ~8° (纬度)。气候区界线向高纬度的推移是早侏罗世晚期升温事件所造成的结果, 也是认识这一升温事件的依据。
近20年来, 全球侏罗系研究的重要进展之一是发现并研究了早侏罗世图阿尔期大洋缺氧事件, 即T-OAE(Toarcian Oceanic Anoxic event)。学者们主要在西欧及古地中海地区从沉积学、古生物学、地球化学等方面展开了多学科的研究, 近年来相关研究延伸到世界其他地区, 包括太平洋地区, 甚至南半球, 获得了重要的发现, 证明其为1次全球性大洋生物— 地质— 环境事件(如:Jenkyns, 1988; Little and Benton, 1995; Macchioni and Cecca, 2002; Cohen et al., 2004, 2007; McElwain et al., 2005; Wignall et al., 2005; Hesselbo et al., 2007; Svensen et al., 2007; McArthur et al., 2008; Pearce et al., 2008; Al-Suwaidi et al., 2010; Dera et al., 2010; Kafousia et al., 2010; Caruthers et al., 2011; Grö cke et al., 2011; Izumi et al., 2012)。然而, 该事件对陆地生态系统的影响如何、陆地生态系统如何响应等问题虽已经有所涉及(Hesselbo et al., 2007; Grö cke et al., 2011; Hesselbo and Pień kowski, 2011), 但详细的研究还不多。
在20世纪中后期, 前苏联古生物学家就发现并提出在中亚和西伯利亚存在1次图阿尔期升温事件(Vakhrameev, 1982, 1991; Ilyna, 1985), 这一事件后来被越来越多的学者证实。在中国, 由于侏罗纪大范围属陆地生态系统, 所发育的地层基本为陆相, 地层时代没有年代精准的海相化石为依据, 所以确定到“ 期” 一级往往很难。然而, 大致归于“ 世” 一级的早、中、晚期应是比较可靠的, 如把一些地层归于早侏罗世晚期, 有时也因有更精准的依据可归入“ 期” 一级。以往中国学者通过对侏罗纪植物群和地层的研究也发现早侏罗世晚期的气候变化, 认为发生了1次古气候事件(李佩娟等, 1988; 周志炎, 1995; 张泓等, 1998; 邓胜徽等, 2003, 2010; Wang et al., 2005; Deng et al., 2010), 与Vakhrameev(1991)的发现相吻合。
文中资料再次证明, 中国大陆在早侏罗世晚期发生过1次升温事件, 并且是陆地生态系统在该时期目前识别出来的唯一明显的气候事件, 且有证据指示其发生于早侏罗世图阿尔期(李佩娟等, 1988; 张泓等, 1998), 与中亚和西伯利亚图阿尔期升温事件(Vakhrameev, 1982, 1991; Ilyna, 1985)可以对比。因此, 笔者认为, 这一陆地气候事件与图阿尔期大洋缺氧事件(T-OAE)是相耦合的, 很可能是T-OAE在陆地生态系统中的响应。
1)锡林浩特盆地红旗组植物群共计有21属37种, 由木贼目、真蕨纲、苏铁纲、银杏纲、松柏纲和少量分散保存的种子组成, 以真蕨纲占优势, 出现较多的南方型分子。
2)红旗组植物群时代为早侏罗世晚期, 指示红旗组主体沉积时代为早侏罗世晚期, 上部沉积可能形成于中侏罗世早期。
3)锡林浩特盆地早侏罗世晚期的气候为暖温带至亚热带, 气候较热, 或短期有一定程度的偏干旱。该时期气候较早侏罗世早期和中侏罗世早期更热, 说明发生过1次升温气候事件。
4)早侏罗世晚期中国可大致分出5个气候区, 分别为:黑龙江东部温凉气候区、北方暖温带温暖潮湿气候区、中部热带— 亚热带半干旱— 半潮湿气候区、中南热带— 亚热带干旱气候区和西藏— 滇西热带干旱气候区。
5)中国大陆早侏罗世晚期的升温事件, 与中亚和西伯利亚图阿尔期升温事件相当, 很可能是早侏罗世晚期图阿尔期大洋缺氧事件(T-OAE)在陆地生态系统中的响应。
致谢 中国地质大学(北京)研究生郭万超参加了野外工作, 两位匿名审稿专家认真仔细地审查了稿件并提出了建设性的修改意见, 在此一并表示感谢!
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