突尼斯西北部埃尔克夫白垩系-第三系界线附近的事件序列
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发布时间：2022-04-26 09:31
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时间：2022-06-26 20:05
P.Donze H.Méon
（Université Claude-Bernard Lyon 1,Centre de Paléontologie stratigraphique et Paléoécologie,UMR 5565 CNRS,29 bd 11 novembre 1918,F 69622,Villeurbanne France）
E.Robin R.Rocchia
（Centre des faibles radioactivités,Laboratoire mixte CEA-CNRS,avenue de la Terrasse.F 91198 GIF-sur-Yvette Cedex,France）
O.Ben Abdelkader H.Ben Salem A.-L.Maamouri
（Office national des Mines,24 rue 8601,2035 La Charguia,Tunisie）
摘要 突尼斯西北部埃尔克夫剖面已被选作白垩系－第三系界线层型。它为很准确地研究生物危机提供了极优越的条件。从地球化学与古生物学研究可以确定出3次事件。其中的两次延续了很长的时间，一次海退和一次气候变冷。第3次是以宇宙物质（铱、富镍尖晶石等）在薄至毫米级的褐红色层（针铁矿）中的存在为特征的宇宙灾变。这一薄层现被认为是白垩系－第三系界线。海退引起浮游生物组合的逐渐变化，并有利于适应浅水环境种属的发展。气候变化改变了陆源物质（孢粉）的成分；热带属种在数量上逐渐减少，以至完全绝灭，并为与欧洲更亲近的属种所取代。宇宙事件产生最有戏剧性的影响：直接在那针铁矿层之上，90%～95%带有碳酸盐质外壳的海生生物消失了。剩下的5%～10%则在上面10cm厚的泥灰质沉积物中逐渐地消失。恢复到危机前的状况是位于界线之上的大约2m处。相反，具几丁质外壳的沟鞭藻、藻类植物似乎很少受到白垩纪－第三纪事件的影响。陆生孢粉植物群也在白垩系－第三系界线处受到严重干扰：界线上的第1个厘米内，它们的绝灭率大约比在上马斯特里赫特阶中所观察到的要高大约100倍。但是，很多种属还是侥幸存活下来了。被广泛接受的假说是宇宙碰撞产生的大量粉尘使得太阳光辐射被吸收，以及光合作用减弱。但是，这个很有吸引力的假说并不符合埃尔克夫地区的观察：太阳光的吸收也应当对沟鞭藻产生戏剧性的重大影响。我们没有观察到这种影响。据资料推断，宇宙事件除了减弱光合作用外，还在大洋里产生一种干扰钙质壳形成的化学条件。
关键词 白垩系－第三系界线 埃尔克夫层型剖面 突尼斯 宇宙事件海退 气候变化
1 引言
突尼斯西北部的埃尔克夫地区是研究白垩系－第三系界线地层的著名地点。早在本世纪初，杰出的地质学家Pervinguière[23]就提出在该地区存在白垩系与第三系之间的连续过渡。这一看法为后来的研究所证实。因此，这一地点成为研究马斯特里赫特期及古新世生物地层学的经典场所（第6、第7届非洲微体古生物讨论会，突尼斯，1974,Ile-Ife1976，第26届国际地质学大会，巴黎，1980）[8,2]。
这个地点的重要性在于它特殊的古地理位置。它位于特提斯海之南缘，向南伸入大撒哈拉地台。在晚白垩世，中突尼斯受到这个地台正向漂移的影响，这个漂移，随着海退，就导致在特提斯海南部形成大的被侵蚀的*腹地（“Ile de Kassérine”）。在那时，埃尔克夫地区占据着外*高原和内盆地缘脊之间的位置。在这个明显开阔但深度中等（约200～300m）的海中，浮游和底栖生物都找到了发展的好条件。然而，在腹地很平坦的地区里，没有粗粒的碎屑物去干扰沉积作用。
2 埃尔克夫剖面
在埃尔克夫西南边（1:50000埃尔克夫地质图[6]），在连接塔热卢伊纳（Tajerouine）公路上的西阿布达拉斯里（Si Abd Allah Srhir）镇与哈芒梅莱格（Hamman Mellègue）村的尘土路旁，可以见到若干马斯特里赫特期至古新世地层的延续露头（图1）。
图1 突尼斯西北部埃尔克夫剖面位置图
在含钙质的下马斯特里赫特阶之上，是500米厚的泥灰质岩系，即El Haria组，它显示出上马斯特里赫特阶及古新统是连续的沉积。白垩系－第三系界线出露在Fedj Hajar小村庄附近（Lambert坐标：x=387.6;y=317.65）。
在马斯特里赫特阶最上部，即Mayaroensis带之顶部（图2，单元A）由含40%～50%CaCO3的灰色致密泥灰岩组成。在这个层序的顶部，有一个锈褐色的针铁矿薄层（单元B:1—2毫米）夹在两个含石膏薄层之间。这个针铁矿层虽然很薄，但却是连续的，且可以追索几百米远。这一层是采样的参考层。它被一个暗色粘土质泥灰岩（单元C）和一个不含CaCO3的黑色塑性粘土层（单元D，厚约3厘米）所覆盖。在这层之上，碳酸盐含量（单元E）缓慢增加，到上马斯特里赫特阶，这参考层之上约两米处，其含量达到50%。
图2 埃尔克夫剖面上的白垩系－第三系界线
从左至右：a—界线附近的地层柱状图，从针铁矿层（o）以下－10cm到其以上＋20cm;b—CaCO3含量曲线图（从针铁矿层以下－50cm到其上＋200cm;c—铱和富镍尖晶石富集度（从－50cm到＋200cm），下虚线相应于依含量（ng/g），上虚线相应于每毫克中尖晶石数
3 马斯特里赫特阶内部的事件
上马斯特里赫特阶含有丰富的浮游和底栖微体生物化石，包括有孔虫[2,29,3,13,15,14]、介形虫[4]、颗石藻[21,22,24]和沟鞭藻[5]。在浸入的腹地里也有孢粉。低的生物扰动使得很精确的地层学研究成为可能。宁静的沉积条件使得化石保存状况很好。
3.1 海退
一直到马斯特里赫特阶顶部，有孔虫组合都很丰富，但它们的分布在Mayaroensis带的上部，也就是马斯特里赫特阶的最后10cm，显示出一个演化。从其发育要求最低限度水深不小于100m的Globotruncanidae科的种群数量明显减少，到较适应较浅水的Heteroheli-cidae科逐渐丰富，这是毫无疑问的海退迹象。
沟鞭藻的研究支持这个论点：Brinkhuis和Zachariasse[5]报道了上马斯特里赫特阶的海退趋势之证据。
3.2 气候变冷
（1）陆生植物
埃尔克夫剖面，从Falsostuarti带（白垩系－第三系界线之下165m）[18]到Pseudobul-loides带（界线以上45m）都从孢粉学观点进行过研究。大量已描述的属种使得对陆生植物演化能作精确的研究。
陆生孢粉群显示出整个马斯特里赫特期晚期的逐渐变化。绝灭率相当低（马斯特里赫特阶最上部45m中有45个种绝灭），主要结果是非洲－南美洲古热带省的属种向前绝灭[17～19]。丹尼阶底部地层发育的地区大部分包含与欧洲亲近的属种。这些渐进式变化是气候变冷的清楚象征，这种气候变冷可能与海退和导致那时德干高原产生玄武质暗色岩的逐渐增强的火山活动有关[7]。
（2）海生生物界
据有孔虫和同位素研究[15]也可推断出晚白垩世期间渐进式的气候变冷。
气候变冷也由介形虫中喜暖种类（例如，Cytherelloidea[8]）逐渐消失的记录显示出来。
4 白垩纪－第三纪事件
4.1 宇宙标志物
埃尔克夫的白垩系－第三系界线，如同大多数在其白垩系－第三系剖面上一样，是由铱的超度丰富和富镍尖晶石晶体的存在来作为标志的，这种富镍尖晶石是陨石物质被氧化而产生的矿物[27]。铱－富镍尖晶石的组合显示出当时曾发生过灾变性的宇宙事件[26～28]。由于沉积以后的扩散作用，或者由于铱这种金属在大洋里的停留时间，铱分布范围达好几米。相反，富镍尖晶石只发现于马斯特里赫特阶最上部1mm厚的浅褐色针铁矿薄层里。这样狭窄的分布范围表明宇宙物质的降落仅是简单的爆炸事件的结果[26]。
4.2 海生生物
丰富的、高分异度的钙质海洋微体生物种群的演化，刚好在针铁矿层处突然中止。有孔虫表明直接就在这一层之上有一个大的衰减，将近90%的种群消失了。在以上的5cm沉积物中，浮游属种越来越不丰富，以至于消失，然而底栖种类则通过选择更具忍耐力的属种（Lenticulina,Cibicides,Ammodiscus）而存活下来。有孔虫的含量在黑色粘土层（单元D）中达到最小值，那一层里只包含有很稀少的、小的、较能忍受无氧条件的种（Bulimina，呈粘结型的）。我们不仅看到个体丰度的急剧减小，而且也见到标本特征上的有意义的变化。在马斯特里赫特阶最上部，大小正常的壳钙化得很好；在针铁矿层之上，标本小，而且钙化得不好，这就提供了很不适宜的环境条件的证据。
钙质超微化石组合[21,22,24]表明丰度和分异度都很大，直到马斯特里赫特阶之顶部亦无大的变化。但是，在针铁矿层之上，它们的频度就急剧减少，并且在黑色粘土层里完全消失[（Perch-Nielsen）文章[21]中的LMC6至LMC8号样品就等于我们现在所称的针铁矿层和黑色粘土层]。此外，Perch-Nielsen指出，一种钙质沟鞭藻囊——Thoracosphaera在同一层中缺失。
介形虫这种对环境很敏感的底栖后生动物，也受到这次危机很大的影响。一些种（Krithe sp.,Martinieythere cf.vesiculosa Apostolescu）在针铁矿层之上第1个厘米里还存在，在以后几个厘米中就消失了[9,11]。
在克夫剖面中的沟鞭藻已为Brinkhuis和Zachariasse[5]所研究过。我们为了评价它们在白垩系－第三系界线直接邻近处的演化而再次研究这些生物（图3）。它们并没显示出在通过此界线处有绝灭率加快的情况。我们只观察到，刚好从针铁矿层之下开始，它们相对丰度（相对于所有孢粉个体的丰度）减小了。我们不知道这个事实是白垩系－第三系界线事件的结果，还是由在马斯特里赫特末期有节奏的海退所引起的。
4.3 陆生植物
*对孢粉体的影响在白垩系－第三系界线层处增加（根据我们的资料来说是系数3，根据Brinkhuis和Zachariasse[5]的研究结果甚至系数为4～5）。
在针铁矿层及直接上覆的层中孢粉组合很丰富且有最大的分异度（图4）。各属种的绝灭率在针铁矿层大大增高。11个属种消失刚好与富镍尖晶石沉降相吻合。附加的12个属种消失是在以后的20cm，直至黑色塑性粘土之顶部。这是一个高于马斯特里赫特阶上部100倍的绝灭率。但是，我们不能说存在着植物的崩溃，（在主要属种中）大约50个属种，也就是孢粉体的三分之二，经受了界线事件而存活下来。很显然，在克夫地区，陆生植物受到的影响远较北美为小。在北美，陆生植物生态系统的毁坏是看得到的[25]。由蕨类植物也得出同样结论：我们在埃尔克夫观察到了一个小型蕨类植物的最繁盛值（图3），但是不能与在北美*剖面上观察的蕨类植物巨大高峰值相比拟。
4.4 讨论
很明显，在针铁层存在过白垩系－第三系界线处海生生物（有孔虫、介形虫、颗石鞭毛藻等）生产力的快速下降，这与地外星体碰撞所引起的宇宙物质突然沉降相吻合[1,26～29]。假定粘土组分堆积率在穿过界线处是一个常数（大约5cm/ka），我们可以估算出生物危机的延续在100年之内（相对应于针铁矿层的厚度）。古生物学分析和地球化学分析表明，海洋环境突然地高度缩小[6,15]。这一缺氧事件几乎肯定是由于浮游植物（颗石鞭毛藻）生产率低下造成的，而浮游植物必须依靠太阳辐射。人们已提出，由宇宙碰撞结果造成的尘埃罩使得太阳辐射被强烈地吸收，因而，引起光合作用严重缩减。这一情景是有高度吸引力的。但是，它不能说明埃尔克夫的观察结果。
主要的反对理由是，它不能说明钙质超微化石和钙质沟鞭藻（Thoracosphaea）、与几丁质沟鞭藻之间的行为差异。它们为了自己的发育都需要阳光。然而，令人惊奇的是，前者完全消失，而后者大多数却存活了。显然，日光数量并非促成绝灭模式之唯一参数。
第二个反对意见是：如果在埃尔克夫记录到的陆生植物受到了K-T事件的严重干扰（三分之一的种绝灭），它没有被完全破坏并且被蕨类植物所取代（就像北美*地点所观察到的那样[20,25,31]）。我们在埃尔克夫所见到的是陆生植被与海生沟鞭藻受到中等程度的干扰，这与钙质浮游生物种之极严重破坏形成明显对照。这样一种鲜明的选择性可以用一种附加因素的影响来解释。
我们推出的假说认为，这钙质海生生物种严重危机的增大是由于微体生物产生碳酸盐困难。众所周知，pH值和痕量元素的丰度在微体生物的发育中，特别是建造它们的碳酸盐贝壳和外壳中，起着根本的作用。两个过程可以归结为：①由于大气圈中氮氧化物的大量形成和由靶物质离解产生的硫氧化物而产生的碳酸[6]；②撞击天体及海水离子化作用放出的重金属对大洋表层水的污染。大洋表面条件所发生的变化可以阻止颗石鞭毛藻生产碳酸盐。它们的消失就这样夺去了动物界所赖以生存的海洋氧环境。这可以说明微体动物群和超微体浮游生物的消失，因而也能说明正如在低纬度和中纬度地区到处可见到的那样，从碳酸盐到粘土沉积的突然过渡。
图3 埃尔克夫剖面孢粉图谱
直方图的每一条块之厚度相应于每一个分析样品的厚度。左边第一个柱子表示海相孢粉相对于陆相孢粉的分布数量；它显示出在马斯特里赫特阶上部的海退趋势，这一趋势在白垩系－第三系界线处达于顶点，在它上面又是海进，始终是在开放的海洋环境中。其他几个柱子表示陆生孢粉体主要类别的分布；对蕨类植物孢子而言，在白垩系－第三系界线处有一最大值（＝IR），蕨类植物含量在15%至20%之间，故与美国的蕨类高峰值——100%有很大的差别。右边最后一个柱子给出了KD剖面上每一个样品中鉴定出的属种数量。可以看出，这个数字在界线处及以后的两个厘米内是增加的。这个增加，更多地是相应于陆源供给物的增加（因为海平面降低），而较少与其他因素有关；它表明陆生植物群也没有受到强烈破坏，见图4
图4 陆生孢粉体演化图谱
在这图中，122b至126号样品是我们以前第一篇文章[17]所采的样，KD4至19样品为新采的（左边柱子）；为了便于作图，不可能列出整个Mayaroensis带上的演化，45个种在马斯特里赫特阶上部最后45m内消失。由于同样原因，黑色塑性粘土之上残留的所有属种也未表示，这大约有50个。下面的数字表示每个种出现的层位（例如63，最低的样品，属于Falsostuarti带，在界线之下100多米）。大多数通过了黑色塑性层的属种一直延续到了Pseudobulloides带，在界线以上约30m
5 结论
在埃尔克夫剖面上记录了3件不同的、重要的事件。一次海退、一次全球变冷和一次宇宙灾变。海退是由其发育只需要最小水深的那些生物丰度减低来体现的，那些生物只要求最小水深是有利于更适应表层水环境的种群。气候变冷由陆生孢粉群的逐渐变化可以清楚地看到。海退和气候变冷是历时很长而且演进缓慢的事件，表明它们的影响在马斯特里赫特期（Mayaroensis带）的末期很明显。它们可能与同样的原因相关，可能是岩石圈的不稳定性，引起构造运动、火山活动，并因此而引起大气圈变冷。第3个事件是宇宙灾变。它被记录在针铁矿薄层中，此层含有铱和富镍尖晶石晶体，并标示出钙质微体化石的急剧减少。暂时侥幸存活下来的动物群，遇到强烈缺氧的条件，在针铁矿层之上约10cm处的黑色塑性粘土层中完全消失。富镍尖晶石晶体在埃尔克夫的地层分布很狭窄（几个毫米），并且与钙质微体化石的全面缩减准确地吻合，这表明了生物危机与宇宙灾变之间的因果联系。这次灾变的后果在海洋生物界里可明显地见到，而在陆生生物界中，则体现的程度稍差一些。仅仅用太阳辐射的吸收来解释绝灭的选择性是很困难的。我们提出，在海洋生物界中这一危机的重要性之增大是由于海水中化学条件阻碍了带钙质壳生物种的发育。
（潘云唐 译，项礼文 校）
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