海平面变化的古生代年代学.docx

层序地层学文献A Chronology of Paleozoic Sea-Level Changes的翻译海平面变化的古生代年代学古生代时期（距今542251个百万年）的海平面大部分都已识别，但是前后连贯随历史演绎的海平面的变化一直没有建立起来。我们通过分析克拉通边缘及克拉通内部的盆地层序重建了整个古生代的海平面变化的历史。对每个海平面事件发生的时刻和达到范围的界定估计揭示了海平面变化的大小才是影响准确度的估计。长期的海平面变化史显示寒武纪以来海平面逐渐上升，在晚奥陶纪达到最高点但持续不久，就因Hirnantian的冰河作用引起海平面的下降。随后除了海平面在逐渐下降的过程中出现了小幅度的回升，其高点在中/晚泥盆世边界附近的中志留系、以及最晚的石炭纪地层中有记录。海平面变化的低点在早泥盆世-靠近密西西比河和比西法尼亚的边界，以及晚二叠世中有记录。已确定古生代的172次海平面的变化事件，其变化值在数十米到125米之间。尽管近年来在中生代和新生代海平面变化方面的数据整合已经取得重大进展，但是相对很少有人关注重新整理或拼合古生代海平面变化数据，这些数据（古生代海平面的）的覆盖范围基本上也是琐碎的。古生代历史占据整个显生宙历史的一半以上，有一些地球演化史上最有趣的未解之难题。尚未勘探的古生代的地层被认为是含有碳氢化合物的非常重要的地层。因此重建这个时代变化的海平面可以作为一个地质勘探的工具，并籍此唤醒对古生代地球科学研究的兴趣。海平面变化曲线可以提供很好的沉积模型预测，因此在地质勘探中非常宝贵。这些曲线提供了沿大陆边缘基底的长期变化趋势和单独的排水渠道，这些是油气迁移的通道从而找到油气藏。在局部构造影响最小的并且没有发生变形（或者在构造可以进行修正）的地层记录中，这些曲线在一阶的相关性方面起到辅助作用。相对海平面高点和低点变化的幅度、频率，以及海侵时的大陆架上的沉积间断及浓缩段（这时有机沉积物开始富集）和海退时大陆架上沉积物暴露的时间及侵蚀对我们判断其延伸范围也是重要的。在这里我们提出了一个关于古生代海平面变化历史的一个半定量的模型。它是基于古生代广泛分布的地层层序的数据（有各种质量可靠生物地层定年界定的）建立起来的。尽管先前重建的区域海平面的变化史的时间是离散的（没有连贯在一起），但它们在海平面长期和短期变化趋势方面提供了丰富的资料-这是我们整合这些建立连贯的海平面演化史的宝贵资料。特别是，在北美和澳洲相对稳定的克拉通边缘及克拉桶内盆地获得的研究资料更是不可或缺的。在随后的讨论中，我们会指定不同时间段的参考区（这些资料主要来自于北美和澳洲，但也有非洲北部和南部，西北欧以及中国的资料）。我们解读在这些参考区内构造活动平静时期的趁机记录来确定海平面的变化。建立的数据库（RDs）通过与世界其它地方的对比来确定大范围的海进海退以及局部的海平面变化事件提供参考。受制于篇幅限制，本文对我们的主要发现做一个简要的论述。古生代海平面变化事件的时限和规模 在解决综合分析世界范围内的质量和应用不同的数据来界定单独一个海平面变化事件的时限和规模所遇到的难题并非仅现于古生代；在更新的时代内仍然有出现。然而，古生代因有其特定的一套限定参数而别于其他时代。例如，大多数的古生代的海洋地壳已经俯冲完毕（只有极少量的仰冲蛇绿混杂岩），这就使得不能直接通过洋壳的平均年龄来破译海平面长期变化的趋势。古生代地层还强烈的向克拉通边缘盆地外延，以拥有大量的不整合及特定的动物种群为特点。因此，这些特性使得这些盆地是研究以不整合为边界的地层单元（沉积层序）的理想场所。这些以不整合为边界的对地层的划分，经过一个世纪相关有用的研究，业已形成现在的古生代地质学。时间的精确程度对于任何一个（时刻）全球海平面的合成至关重要。地质的时间精确度近年来总的来看有很大的提高。近来古生代地质时代时限的变化使得古生代的地质时代的精确度一直处于不断变化的状态。最新的地质年代的时间尺度是由Gradstein编制的。地质年代中的一些部分近来已得到修正，在这里被我们采纳。通过40Ar/39Ar同位素定年以及天文学定年方面的校正，地质时代的精确度会进一步提高。然而除了少数几个地质时代的边界是用放射性同位素定年确定的，多数的古生代的地质界限使用化石来确定的。因此，某一生物延限带就是我们在层序界面不那么确定的所产生的最小误差。两个盆地地层对比确定之间（时代）关系的精确水平取决于参与对比所采用的生物化石的对比。对于古生代的地层，生物年代地层的对比一般是才用特定的生物化石组合-它们一般具有特定属性（区别于其它的）。在条件允许的情况下这尤为需要多种特定的化石组合，以加强地层对比的可信度，提高信噪比。重建工作的第二个重要问题就是海平面升降幅度的不确定性。在古生代，我们缺乏反映冰量的间接数据，如用同位素（因为几次剧烈的成岩作用的改造），使得我们只能利用物理手段从地层数据中推断海平面的变化。最根本的限制重建的因素是我们没有一个已知的参考点，从而通过与参考点比较计算海平面的变化。方便起见，我们经常通过比较古今海岸线的变化，但是在较长的地质时期内这个比较没有意义，因为地球已经发生了海路变迁，面目全非。确定海平面何时降到大陆架的位置是可能的，但是确定它下降的幅度就充满挑战，因为我们对于评估陆架之上地层被侵蚀的具体体积无能为力。海平面上升的量更是难以衡量，这是因为海平面上升所增大的潜在的可容纳空间并不能完全为沉积物所覆盖，随之而来的海平面的下降又会侵蚀部分高位体系域的沉积。因此，用物理手段，考虑到实际情况，我们评估的升降幅度是相对的而非绝对的。回剥技术通过修正沉积物在盆地沉降过程中因压实而减小的体积能够使我们对升降量的估计更趋准确。然而，由于古水深指标的变化和盆地的差异性沉降，这种方法仍有很大的不确定性。在修正大陆边缘弯曲部位加载或卸载的水（冰）或者沉积物时也不能直接精确的测量，这就是我们的评估结果要么高了，要么低了。在评估过程中，唯一有用的做法就是我们可以接受数据关系系统（RDs）和辅助手段（通过体系域厚度、生物和岩相分析的深度，以及陆架上下切谷的深度及回剥推测的深度）来估计海平面升降的幅度。我们把每个事件半定量的分为（衡量海平面从高位下降的幅度）小幅（75m）。从全球的数据来看，在长周期的海平面变化的幅度可达250m，单独的海平面三个级别的变化多在0.5到6个百万年之间且很少超过150m。许多小周期（0.5个百万年）的变化其幅度多在小幅到中幅之间。对海平面变化幅度的估计在未来肯定会更完善，到时各个盆地（在RDs系统内或之外）就会得到有效的回剥（重建），那时对古水深的推断将是可信的。重建古生代海平面变化史 尽管一个世纪以来地球科学家就已经利用地层数据来推断海平面的变化，但首次尝试建立整个古生代的海平面变化却是由Vail等人利用地震地层方法开始的。Hallam审查了上世纪80年代以前关于古生代海平面积累的大量数据。最近，Haq 和Al-Qahtani通过和基于以前综合分析而最新出版的海平面变化曲线提出了阿拉伯地台显生宙以来的海平面变化史。但是这些曲线关于古生代部分的海平面变化事件多是周期大于5个百万年的二级事件。 地层记录是几个大小不同的沉积旋回复合在一起的结果，这取决于它们自身的成因机制。它们的变化范围从高频率的米兰科维奇旋回（通常沉积1m到数m厚度）到三级旋回（约1到2个百万年）和四级旋回（0.5百万年）和更大的（持续几个百万年）构造旋回。在实际的操作过程中，我们很难全部识别出三级和四级的沉积旋回。我们识别地层记录的能力取决于给定的区域长期地层沉积的保留厚度、野外露头的质量、及其沿盆地陆架-陆坡-盆地流域的位置和生物地层年代方面的数据。这里我们尝试解决识别三级层序的方案；但是一些四级层序也不可避免的被包含进来。虽然一些频率更高的层序在古生代的分布更为广泛，但是一些四级层序（约40万年）的保存更为完整，如在中寒武纪、中泥盆世、和中晚石炭世、二叠纪（见图1到3）。图1. 寒武纪-奥陶纪的海平面变化。划分的时间尺度和标准参照Gradstein等人。在图的左半部分的1-3显示的是地层划分的绝对时间刻度。大陆冰川的起止时间已经注明。图的右半部分首先是一个超覆曲线，是用来形容海水向陆或者向盆地方向运动的曲线。与凝缩段有关联的层序在本竖状图内亦有标识（星号标识）。层序边界的古生物年龄在右边一列有标注。对于每一个短期事件我们都用半定量的术语标识在小括号内（小幅，中幅和大幅，分别用1、2、3表示）。高频率海平面变化周期和已知的凝缩段在本栏中亦有用竖线标注。再向右是海平面变化曲线，包括长周期的和短周期的（三级）海平面变化都在曲线上有反应，有些可能是四级水平的用虚线标识。在本栏中的竖直虚线代表了接近现代海平面。长期或短期的海平面变化校正到现代海平面。 古生代层序地层的数据全采自野外地质露头（除晚古生代外，地震资料缺乏或不清楚）。用层序地层数据以及地政数据来解释海平面升降的准则在别的文章里面已经进行了总结，在这里就不再复述。此外，不同的岩石特征（凝缩段沉积，海侵形成的煤，蒸发盐，碳酸盐的巨型角砾岩，海退暴露的以及海退引起的沉积）和古生物的一些属性也可以辅助我们建立层序地层格架。对于重建长期和短期的海平面变化历史，我们需要采用不同的方法。一般认为，长期的海平面变化主要受改变洋盆容积大小的慢构造过程的影响。个别时候，对于能反映长期变化的每组数据，我们也应当清楚，它只是相对正确而不是能绝对地能恢复海平面的变化趋势。然而，依据全球大陆洪水估算，比较区域海平面变化数据及计算洋壳平均年龄的模型结果所得的海平面长期变化曲线几乎完全趋于一致。Algeo和Seslavingsky提出了一种对过去洪水以及对古生代大陆洪水位的分析方法，并估算出过去长期的海平面变化高度比当今海平面高出100m至225m。同时，他们得出，由于地壳运动，晚古生代大陆还经历了一次升降幅度为100m左右的垂直运动。我们对长期海平面高度上限值的估算也受到了他们这一分析结果的影响。尽管采用了不同的假想模式，对中生代-新生代海底的最新模拟结果仍然表明，洋壳的平均年龄可能是指示海平面长期变化的指标，而不是海底的扩张速率或洋脊的多少。Cogn 和 Humler将这些模型推及到了古生代，因为由于板块的俯冲，不可以直接测量到古生代海底的等时地层。依据对古地磁的重建，他们大致推断出了当时的陆地分布区域，并基本恢复了当时的海陆分布格局。他们的结果表明，当时大陆分离，零星分布，与全球高海平面时期具有很高的一致性，且这种一致性贯穿了古生代的大部分时期。最近的模拟结果得显示，在一个相对较短的地质时期内，地幔物质垂直运动会对大陆边缘产生一定的影响。这一过程会造成局部动力地形特征的变化，从而可能使对过去海平面变化的物理数据的估算偏低。短期的海平面变化很可能是受到了冰川作用时，全球大洋水量变化的驱动。这里所给出的古生代短期的海平面变化曲线，是依据指定参考地区的若干剖面的综合数据绘制而成。根据这条曲线，我们认为构造作用的影响非常小，或者其对海平面变化产生的影响很可能受到了抑制。从参考地区识别出的海平面变化事件，当时在全球其它地区（存在该时期的地层记录）和后来补充的一些附加的剖面中，也得到了同样的发现。早期对古生代海平面变化幅度的估测范围为数十米至250米。最近关于石炭纪二叠纪的综合研究表明，在间冰期，海平面变化仅为几十米，而冰期的变化则达到了120m。为了对这一问题进行更深入的探讨，目前正在考虑选定更多的研究剖面，这些剖面一旦确定，将来许多关于区域海平面的变化将成为研究的热点之一。尽管我们能确定海平面长期变化的趋，但是对上面所提及到的全球海平面变化幅度的估测仍有较大的难度，这说明我们对长期和短期海平面的绝对变化依然无法准确把握。目前，一般认为，对海平面绝对变化的研究都是一种近似估测。这告诉我们，推断某次海平面变化事件的幅度是没有意义的，尽管它可能代表了从大陆边缘到全球海平面的变化。参考地区这一概念意味着，我们公认目前那些研究剖面是最能代表我们所期望的地质时期的典型剖面。对于一个参考地区，我们的要求是：1. 其所处的地质时期应为当地的构造稳定期（或者能矫正构造的影响），且成岩后只经历了相对微弱的变形。这样我们就能用层序地层的方法对其加以解释；2. 选定剖面能较好地进行定年，同时能参考较多的生物地层资料；3 . 露头所在地道路畅通；4. 能较容易地对该地区进行区域地质分析，从而使相关剖面能为地史时期海平面幅度变化的精确估测提供更多有价值的信息。我们会把选定的参考地区以及附加剖面和它们的文化背景及地层界面的年龄一起列在网上的相关材料中。结果和结论：本文我们提供了一个可靠的，用以估测古生代海平面变化历史的模型，但是，这一模型的使用受限于具有较精确的年代地层学资料以及已进行过回剥分析的剖面。我们的研究得到了一条海平面的长期变化曲线，包括寒武纪至早奥陶世时期的海平面上升、中奥陶世显著下降至晚奥陶世早期的大幅度上升、再到古生代Katian达到最大海平面（估测比现在海平面高出225m）。在达到最高海平面之前的晚奥陶世，有过一次急剧的海退，并一直持续到早志留世。此后，海平面经历了一次较长时期的上升，至中志留世达最大海泛面，而后再次海退，直至早泥盆世。中泥盆世又出现一次长期的海平面上升，到晚泥盆世达到最高位置，在F-F之交稍有回落，Famennian早期又再度上升。长期的海平面变化曲线显示，晚泥盆世海水逐渐回落，泥盆纪石炭纪之交，海水断断续续地退降。此后经历了短期的回升，接着开始了长期连续的海退，在中Mississippian海平面降至最低点。新一轮的长期上升开始于中Pennsylvanian，但仅仅持续到Pennsylvanian末期，在随后的早二叠世早期出现了短期轻微的海平面上升。此后海平面处于稳定直至早二叠世结束。中二叠世，海平面迅速下降，到晚二叠世早期下降到最低点。晚二叠世晚期长兴阶开始，海平面再度回升，而后海水回落，直至早三叠世。短期的海平面变化周期一般为0.5-3.0Ma（除了早至中Mississippian）。我们总共识别出了172个不连续的三级旋回地层，每个旋