冀北—辽西地区侏罗—白垩纪之交期的孢粉植物群演替与古气候变化

王大宁, 王旭日, 季 强

中国地质科学院地质研究所, 北京 100037

冀北—辽西地区侏罗—白垩纪之交期的孢粉植物群演替与古气候变化

王大宁, 王旭日, 季 强*

中国地质科学院地质研究所, 北京 100037

本文根据冀北—辽西地区侏罗—白垩纪之交期孢粉植物群的地层分布, 划分了9个孢粉植物群组合带(自下而上): “桫椤孢-苏铁粉-克拉梭粉”组合带、“克拉梭粉”组合带、“无突肋纹孢-滦平孢-纵肋单沟粉”组合带、“云杉粉-层环孢-无突肋纹孢-膜环弱缝孢”组合带、“云杉粉-无突肋纹孢-凹边瘤面孢”组合带、“辽西孢-刺毛孢-克拉梭粉”组合带、“刺毛孢-有突肋纹孢-无突肋纹孢-三孔孢”组合带、“三角孢-无突肋纹孢-有突肋纹孢”组合带和“无突肋纹孢-克拉梭粉-希指蕨孢-麻黄粉”组合带; 重建了该区当时的古气候和古环境, 认为中侏罗世时期该区处于温暖湿润气候下的低山丘陵环境, 晚侏罗世时期处于干旱气候下的荒原环境, 早白垩世早期处于温凉湿润气候下的低山环境, 早白垩世中期处于温凉湿润气候下的高山环境, 早白垩世晚期处于温暖湿润气候下的低地沼泽环境, 早白垩世最晚期处于干热气候下的低地环境。此外, 本文还根据该区侏罗—白垩纪之交期生物群演化和更替的特征, 提出了“避难所”理论模式。

侏罗—白垩纪; 孢粉植物群演替; 古气候变化; 冀北—辽西地区; 中国

1 孢粉植物群演化与古气候变化

1.1 早白垩世古气候带与古植物地理区系

众所周知, 生物的生存和发展与环境条件的变化是密不可分的, 是相互影响和制约的。就植物而言, 气候带和气候条件则是控制它们生长和分布的主要因素之一, 不同的气候带和气候条件会发育出各具特色的植物类群。因此, 人们常常根据不同的古植物群特征来恢复或再造各地质时期的古气候和古环境。由于孢子花粉是植物的生殖细胞组织, 在遗传基因上具有很强的稳定性, 可直接反映母体植物的许多重要属性和特征, 因此在恢复古植物群的原来面貌, 从而在再造当时的古气候和古环境中具有较高的可靠性。

Brenner(1976)将全球早白垩世孢粉植物群分为4个区, 即北劳亚区、南劳亚区、北冈瓦纳区和南冈瓦纳区。北劳亚区位于现代北纬60ο附近地区, 以具气囊松科花粉占优势为特征, 有时罗汉松科花粉亦较常见; 南劳亚区包括了现代北半球的中纬度地区, 以喜湿热的海金沙科、里白科的孢粉最丰富,也见有一些喜干热的克拉梭粉(Classopollis); 北冈瓦纳区指现代南美洲和非洲北海岸到赤道以南的一些地区, 以麻黄类(Ephedripites)孢粉最丰富, 有些地区含有一些盔形粉(Galeacornea)等地区性特有分子; 南冈瓦纳区包括南美洲、非洲的南部地区、澳大利亚、新西兰、印度等, 以产有丰富的罗汉松科两气囊花粉, 以及较多三气囊粉为特色。

Srivastava(1978)将全世界早白垩世孢粉植物群花粉为3个区。植物地理区I包括了西北利亚北部、阿拉斯加和加拿大北部地区, 以不含喜干热的克拉梭粉为特征; 植物地理区II指南美洲北部和非洲北部地区, 以含有丰富的伊特拉斯双手粉(Dicheiropollis etruscus)为特征; 植物地理区III包括欧洲、北美洲大部分地区、亚洲大部分地区、南极洲、澳大利亚、南美洲南部、东非和南非等地区,以含有丰富的克拉梭粉为特征。

Herngreen和Chlonova(1981)将全球早白垩世孢粉植物群分为3个大区: 北方大区、西非—南美大区和冈瓦纳大区。北方大区包括了除意大利、印度和中南半岛南部以外的整个北半球地区, 以含有丰富的蕨类植物孢子和双气囊花粉为特征; 西非—南美大区包括了非洲赤道以北与南纬20°以北的地区、南美洲以及意大利等地区, 以含有大量的克拉梭粉(Classopollis), 以及相当数量的南洋杉粉(Araucariacites)、无口器粉(Inaperturopollenites)、麻黄粉(Ephedripites)及假杜仲粉(Eucommiidites)为特征, 蕨类植物孢子很少见, 双气囊粉很少或没有。冈瓦纳大区包括澳大利亚、新西兰、非洲南部及北半球的印度等地区以产有丰富的具囊松柏类花粉、无口器粉、冠翼粉(Callialasporites)、单沟粉(Monosulcites)等为特征, 罗汉松粉有较稳定的含量,克拉梭粉、麻黄粉及假杜仲粉等很少见。

黎文本(1983)将中国早白垩世孢粉植物群划分为两个性质完全不同的植物区: 北方的双囊粉(Disacciatriletes)-无突肋纹孢(Cicatricosisporites)孢粉植物区和南方的克拉梭粉(Classopollis)-希指蕨孢(Schizaeoisporites)孢粉植物区。总体来看, 北方孢粉植物区的特征是含有大量的双气囊松柏类花粉和丰富多彩的海金沙科孢子, 反映了温暖湿润的气候, 而南方孢粉植物区的特征是含有大量以克拉梭粉为代表的旱生植物, 反映了干热的气候。这两个植物区的分界线大致位于北纬40°～45°之间呈NWW—SEE走向的地带。

1.2 指示性孢粉植物类型

为了更有效地反映地质时期孢粉植物群与古气候的关系, 有必要对一些在古气候和古环境再造中具有明显指示意义的孢粉类型进行分析, 将今论古, 合理推断, 才能准确认识和恢复当时的古气候和古环境特征。

1.2.1 蕨类植物

现代蕨类植物广布于世界各地, 但多分布于热带和亚热带地区, 生长在温暖、阴湿的森林环境、低洼地带或沼泽, 其含量的多寡可作为温暖、湿润气候和环境的重要标志之一。

海金沙科是我国早白垩世蕨类植物的主要代表之一, 是一类典型反映热带、亚热带湿热气候的植物, 常见分子有无突肋纹孢(Cicatricosisporites)、有突肋纹孢(Appendicisporites)、海金沙孢(Lygodiumsporites)、凹边瘤纹孢(Concavissimisporites)、非均饰孢(Impardicispora)、克鲁克孢(klukisporites)、刺毛孢(Pilosisporites)、斑纹孢(Maculatisporites)、具唇孢(Toroisporis)、瘤面海金沙孢(Lygodioisporites)等。

桫椤科(Cyatheaceae)和蚌壳蕨(Dicksoniaceae)主要生长于热带、亚热带潮湿环境, 是反映热带、亚热带湿热气候的分子, 早白垩世的常见分子有沙罗孢(Cyathidites)、金毛狗孢(Cibotiumspora)、梳皱孢(Tripartina)等。

卷柏科(Selaginellaceae)在各气候带均可有分布,多生长在林下、溪边、湿地及阴湿岩石上, 是反映沼泽或阴湿环境的植物, 我国早白垩世常见分子有膜环弱缝孢(Aeguitriradites)、层环孢(Densoisporites)、徐氏孢(Hsuisporites)、新叉瘤孢(Neoraistrickia)、三角刺面孢(Acanthotriletes)等。

水龙骨科(Polypodiaceae)和里白科(Gleicheniaceae)主要生长在热带、亚热带潮湿地区,现在分布在长江以南各省, 常见者有里白孢(Gleicheniidites)、水龙骨单缝孢(Laevigatosporites)等, 后者是沼泽环境的代表性分子。

莎草蕨科(Schizaeaceae)现在主要分布于澳大利亚、太平洋东部、我国海南岛、台湾和雷州半岛、南半球热带较干燥地区, 是炎热干旱气候环境的产物, 化石分子主要是希指蕨孢(Schizaeoisporites)。

1.2.2 裸子植物

具囊松柏类花粉以松科(Pinaceae)和罗汉松科(Podocarpaceae)植物为主, 主要分布于暖温带, 是温带湿润环境的常绿乔木。松科花粉的含量较高常反映了温暖湿润的气候环境, 常见分子有双束松粉(Pinuspollenites)、单束松粉(Abietineaepollenites)、云杉粉(Piceaepollenites)、雪松粉(Cedripites)、冷杉粉(Abiespollenites)、油杉粉(Keteleeriaepollenites)、冠翼粉(Callialasporites)等。

克拉梭粉类(Classopollis)植物是晚中生代的重要分子, 与已灭绝的掌鳞杉科(Cheirolepidaceae)有亲缘关系, 其叶片革质鳞片状, 可以减少水分蒸发,是典型的干热气候环境的指示性植物。南美、中东、北非等地的早白垩世地层中曾发现高含量的克拉梭粉, 而具双囊的松柏类花粉极少见, 因此人们一般认为克拉梭粉含量较高与炎热、干旱、盐碱等气候环境有关。

麻黄类植物现在有40余种, 主要分布中亚、南美、北美等沙漠、干旱荒原和湖滨盐碱地带, 在我国分布于西北荒漠地区, 因此是典型的干旱气候环境的指示性植物。

1.2.3 被子植物

被子植物, 俗称“开花植物”, 是现今植物界最高级、最繁荣、最多样化和分布最广的类群, 现生者约有400科, 30万余种, 我国大约有337科, 3200属, 3万余种。被子植物具有极强的适应性, 广泛分布于世界各地不同的气候地区。早白垩世是被子植物发展的早期阶段, 化石材料很少, 多样化不明显, 目前可用来进行气候和环境分析的条件还不成熟。

2 冀北—辽西地区晚中生代孢粉组合特征

2.1 孙家湾组的孢粉组合特征

孙家湾组的孢粉可称为“无突肋纹孢(Cicatricosisporites)-克拉梭粉(Classopollis)-希指蕨孢(Schizaeoisporites)-麻黄粉(Ephedripites)”组合,主要特征是: (1)蕨类植物孢子占优势, 平均含量达70.5％, 最高可达90％以上; (2)海金沙科和桫椤科孢子有一定的继承性, 含量略有降低(21.9％); (3)海金沙科中的无突肋纹孢含量持续增高(28.6％), 而有突肋纹孢、刺毛孢和非均饰孢等则少量或个别出现, 但光面海金沙孢却较常见; (4)水龙骨单缝孢(Laevigatosporites)、三孔孢(Triporoletes)、膜环弱缝孢(Aeguitriradites), 以及隐藏孢(Crybelosporites)等喜潮湿、阴暗、沼泽、半水生的分子罕见或完全消失; (5)莎草蕨科的希指蕨孢和裸子植物的克拉梭粉在本组合中类型最多, 含量最高, 一般为2.5％～14％, 平均含量为8.2％; 以松科和罗汉松科为主的裸子植物花粉含量不高。

孙家湾组的孢粉组合中喜中温、中湿的双囊松柏类花粉稀少, 海金沙科和桫椤科孢子为代表的蕨类植物占优势, 喜阴湿、沼泽或半水生的蕨类孢子罕见或缺失, 喜干旱植物(如克拉梭粉和麻黄粉)和喜干热植物(如希指蕨孢)的出现等特征, 反映了当时是热带-亚热带半干热气候。

2.2 阜新组的孢粉组合特征

2.2.1 阜新组上部的孢粉组合特征

阜新组上部的孢粉可称为“三角孢(Deltoidospora)-无突肋纹孢(Cicatricosisporites)-有突肋纹孢(Appendicisporites)”组合, 主要特征是: (1)蕨类植物孢子占绝对优势, 含量一般为53.8％～97.9％, 平均含量为75.6％; 裸子植物花粉的含量有所降低, 一般为2.5％～46％, 平均含量为24.3％; (2)海金沙科和桫椤科孢子仍占统治地位,前者含量为11.5％～67％, 平均含量为32.2％; 后者含量为2.5％～50.2％, 平均含量为36.6％; (3)海金沙科中的无突肋纹孢和有突肋纹孢含量继续增加, 含量分别是24.1％与3.6％, 先前极度繁盛的刺毛孢和非均饰孢含量急剧下降; (4)水龙骨科的水龙骨单缝孢较为发育, 平均含量为4.5％, 高者可达15.3％; (5)裸子植物花粉以杉科的无口器粉和克拉梭粉为主,其含量分别为21.4％与1.7％, 松科和罗汉松科花粉退居次位, 含量较低。

本组合以蕨类植物孢子占优势, 尤以海金沙科和桫椤科孢子更为突出, 而喜中温、中湿的松类花粉显著减少等为特色。因此, 阜新组上部的孢粉组合特征反映了典型的亚热带温暖、湿润的气候环境。

2.2.2 阜新组下部的孢粉组合特征

阜新组下部的孢粉可称为“刺毛孢(Pilosisporites)-有突肋纹孢(Appendicisporites)-无突肋纹孢(Cicatricosisporites)-三孔孢(Triporoletes)”组合, 主要特征是: (1)蕨类植物孢子含量有明显增加,几乎与裸子植物花粉平分秋色; (2)蕨类植物孢子类型较沙海组更加多样化, 是早白垩世蕨类孢子最丰富多彩的时期; (3)海金沙科孢子占孢粉总数的33.2％, 其中无突肋纹孢居首位, 平均含量为14.1％;刺毛孢和有突肋纹孢含量急剧增长, 含量分别为8.7％和5.8％; 该科的常见分子有非均饰孢、凹边瘤面孢、海金沙孢、唇形孢(Toroisporis)和克鲁克孢等; (4)喜低洼、湿热环境的分子较常见, 如水龙骨单缝孢、膜环弱缝孢及三孔孢等; (5)裸子植物以松科的云杉粉最繁盛, 双束松粉亦较丰富; (6)喜干旱的克拉梭粉很少见, 含量仅为2.2％。

阜新组下部是早白垩世孢粉植物群发展的鼎盛时期, 共出现63属, 165种之多。蕨类植物孢子无论在数量或类型上均得到极大发展, 特别是喜湿热的海金沙科孢子极为繁盛, 喜湿热分子含量达49.8％, 喜中温、中湿分子的含量为21.6％, 喜干热的分子含量仅为2.2％。

现代蕨类植物主要分布于热带、亚热带地区,生长在温暖、阴湿的环境中, 是湿热气候的重要指示性植物; 而海金沙科和桫椤科植物又是热带、亚热带潮湿气候的代表性类群。因此, 阜新组下部在沉积时期是典型的亚热带温暖、潮湿气候时期。

值得注意的是, 真蕨类的蚌壳蕨科(Dicksoniaceae), 如金毛狗属(Cibotium), 十分繁盛,反映了当时的气候温暖潮湿。阜新组所含的植物群属于Ruffordia-Onychiopsis植物群的中期组合, 或称Acanthopteris植物群, 代表了温暖、潮湿气候带的植物群。从整体而言, 阜新组的孢粉植物群反映了一个典型的亚热带温暖、潮湿的气候环境。

2.3 沙海组的孢粉组合特征

沙海组的孢粉可称为“辽西孢(Liaoxisporites)-刺毛孢(Pilosisporites)-克拉梭粉(Classopollis)”组合,主要特征是: (1)蕨类植物孢子含量明显增加, 约占孢粉总量的36％, 个别含量可高达45％, 裸子植物的花粉含量约为65％; (2)蕨类植物孢子仍以海金沙科分子占优势, 其中无突肋纹孢和刺毛孢尤为突出,含量分别为5.8％与4.6％, 其它常见分子有凹边瘤面孢、非均饰孢及有突肋纹孢; (3)蕨类孢子类型更加多样化, 常见者有具环肋纹孢(Contignisporites)、东北孢(Dongbeispora)、辽西孢(Liaoxisporis)、水龙骨单缝孢(Laevigatosporites), 以及隐藏孢(Crybelosporites)等; (4)层环孢、徐氏孢、膜环弱缝孢、三孔孢, 以及希指蕨孢等含量很低; (5)裸子植物中的松柏类双囊粉含量较先前有所降低, 但仍占优势地位, 含量为58.2％, 主要是松科和罗汉松科分子, 其中雪松粉含量明显增加, 原始松柏类花粉大大减少, 一般不超过5％; 最值得注意的是, 克拉梭粉的含量显著增加, 十分常见, 平均含量为7.1％,最高可达19.9％。

本组合中蕨类植物, 特别是喜湿热的海金沙科孢子含量明显增加, 且类型多样化, 如具有重要意义的无突肋纹孢可达20多种, 表明该时期比较适合蕨类植物生长。喜中温、中湿条件的双囊松柏类植物含量明显降低, 指示了该时期的气候要比九佛堂组沉积时期略微湿热一些。喜干热的克拉梭粉含量有明显增加, 反映了该时期曾出现季节性干热气候。总之, 沙海组的孢粉组合特征反映了当时以亚热带温暖、湿热的气候为主, 但时有干热气候的扰动。

2.4 九佛堂组的孢粉组合特征

本组的孢粉可称为“云杉粉(Piceaepollenites)-无突肋纹孢(Cicatricosisporites)-凹边瘤面孢(Concavissimisporites)”组合, 主要特征是: (1)裸子植物花粉占绝对优势, 平均含量为84.9％, 而蕨类植物孢子平均为15％; (2)裸子植物中松柏类双囊粉十分丰富, 含量高达73.1％, 主要是松科和罗汉松科花粉, 尤以云杉粉占绝对优势(45.5％), 古老型松柏类假云杉粉(Pseudopicea)和拟云杉粉(Piceites)等占有一定位置(6.3％); (3)掌鳞杉科的克拉梭粉含量有所增加, 平均含量为4.5％, 个别样品中的含量可达10％以上; (4)蕨类植物孢子含量为7.2％, 以海金沙科分子为主, 如凹边瘤面孢(2.6％～9.8％)和无突肋纹孢(2％～6％), 像刺毛孢、海金沙孢、克鲁克孢、坑穴孢(Ischyosporites)等其它孢子含量均很低。总体上, 本组合中的海金沙科孢子无论在类型上还是在数量上均比义县组有明显增加, 表明九佛堂期的气温较义县期略有升高; 而喜潮湿环境的层环孢(Densoisporites)和膜环弱缝孢(Aeguitriradites)含量明显减少, 则指示了当时空气湿度有所降低; 克拉梭粉等干旱分子的含量有所增加, 表明当时气候有所波动, 可能是季节性干旱或半干旱, 或火山喷发所致; 具双囊松柏类花粉的丰富多样, 说明当时总体上仍以温凉、湿润的气候为主。

值得注意的是, 本组合中松科花粉, 尤其是云杉粉占绝对优势, 在气候生态环境上具有重要意义。现生的以云杉(Picea)或冷杉(Abies)为主体的森林主要分布在我国大陆和台湾海拔2 500 m以上的山区, 它们对气候条件有着严格的要求, 是一类反映高海拔山地的标志性植物。因此, 本组合中云杉粉和松粉的大量出现, 表明当时沉积地区或盆地是在中、高山地形背景下形成的, 也反映了相对温凉、湿润的气候环境。

2.5 义县组的孢粉组合特征

本组的孢粉可称为“云杉粉(Piceaepollenites)-层环孢(Densoisporites)-无突肋纹孢(Cicatricosisporites)-膜环弱缝孢(Aeguitriradites)”组合, 主要特征是: (1)裸子植物花粉占优势, 平均含量为69.8％, 其中松柏类双囊粉含量达30％, 主要有云杉粉、双束松粉和罗汉松粉等, 气囊与本体分化不完全的原始松柏类花粉含量为13.4％～15.3％,其它裸子植物花粉含量低, 如苏铁粉(Cycadopites)、无口器粉(Inaperturopollenites)、克拉梭粉(Classopollis)等; (2)蕨类植物孢子有一定含量(10.8％～35.4％), 卷柏科(Selaginellaceae)孢子占优势, 常见者有层环孢、徐氏孢、新叉瘤孢, 及膜环弱缝孢等, 其中层环孢最为丰富; (3)海金沙科孢子有一定含量, 含量均在4.4％左右, 以无突肋纹孢最常见, 其它还有非均饰孢、凹边瘤面孢、克鲁克孢,以及海金沙孢等。

义县组的孢粉植物群以喜中温、中湿的松柏类双囊粉(主要是松科和罗汉松科的分子)的大量出现,适应能力较强的蕨类植物卷柏科孢子(如Densoisporites)含量较高, 生长在热带、亚热带的海金沙科(如Cicatricosisporites)较为常见, 喜干旱、干热环境的克拉梭粉罕见为特征。现生的松科和罗汉松科裸子植物主要生长在温凉、湿润的丘陵、中高山地环境。值得注意的是, 义县组的孢粉组合中出现了较丰富的层环孢, 它与卷柏类蕨类植物关系密切, 是潮湿气候环境的指示性植物, 主要生长在林下、溪边、湿地、山岩阴暗潮湿的环境中。此外, 组合中还出现了膜环弱缝孢, 这是一类生长在低洼、沼泽环境的植物。因此, 义县组的孢粉组合反映了温暖-温凉、潮湿的亚热带气候, 以及溪流、湖泊和湿地较为发育的丘陵-中高山地环境。

2.6 大北沟组的孢粉组合特征

2.6.1 大北沟组上部的孢粉组合特征

大北沟组上部的孢粉可称为“无突肋纹孢(Cicatricosisporites)-滦平孢(Luanpingspora)-纵肋单沟粉(Jugella)”组合, 其主要特征是: (1)裸子植物的花粉占绝对优势(75％～95％), 其中双囊松柏类花粉最多(49％～78.5％), 主要是单束松粉(Abietineaepollenites)、阿里粉(Alisporites)、双束松粉(Pinuspollenites)、雪松粉(Cedripites)、云杉粉(Piceaepollenites)等, 还见有少量蛟河粉(Jiaohepollis)和纵肋单沟粉(Jugella); (2)蕨类植物孢子含量逐渐增加, 约占5％～25％, 其中出现了较丰富的海金沙科的无突肋纹孢; (3)喜干旱气候环境的莎草蕨科希指蕨孢(Schizaeoisporites)含量极低; (4)从整体情况来看, 该组合中喜湿热的分子明显增加, 约占25.3％, 温凉分子的含量约为21.3％, 干旱、干热分子的含量仅为1.5％。

2.6.2 大北沟组上部的孢粉组合特征

大北沟组下段的孢粉可称为“拟云杉粉(Piceites)-罗汉松粉(Podocarpidites)-希指蕨孢(Schizaeoisporites)”组合, 主要特征是: (1)裸子植物的花粉占优势, 含量达94％, 主要是具囊松柏类花粉和单沟粉, 如云杉粉、拟云杉粉、罗汉松粉、苏铁粉、雪松粉、无口器粉、小囊粉, 以及一些气囊分化不好的原始松柏类花粉; (2)蕨类植物孢子含量较低, 仅为4.5％, 喜湿热的分子少量出现; (3)喜温凉、中湿的分子含量较高, 约为32％, 如双束松粉、云杉粉、雪松粉等; (4)喜湿热分子的含量约为11.5％,主要是蕨类植物; (5)喜干旱、干热的分子含量很低,主要是克拉梭粉和希指蕨孢。大北沟组下段孢粉组合中蕨类植物少量出现和喜温湿植物的丰富, 表明当时属于温带半干旱-半湿润气候。

大北沟组上段与下段的孢粉组合特征发生了明显变化: (1)出现了多种典型的早白垩世分子(如Cicatricosisporites inflexus, C. mirabilus, Jiaohepollis annulatus和Jugella sp.等), 这些属种迄今在我国晚侏罗世地层中还没有产出的记录; (2)蕨类植物孢子逐渐兴起, 含量由下段的5％增至25％; (3)喜中温、中湿的双囊花粉仍占重要位置, 湿热分子的含量明显增加, 由下段的11％增至25％。从整体来看,大北沟组沉积时处在一个由半干旱气候逐渐向温暖、湿润的气候转变的阶段。

2.7 土城子组的孢粉组合特征

土城子组中-下部的孢粉可称为“克拉梭粉(Classopollis)”组合, 以裸子植物花粉占绝对优势为特征, 其中克拉梭粉的含量达90％以上, 其它分子含量很低, 如皱球粉(Psophosphaera), 球形粉(Spheripollenites), 南洋杉粉(Araucariacites)等, 蕨类植物孢子十分贫乏, 含量低于1％。本组合中克拉梭粉的丰富产出, 反映当时处于炎热、干旱的气候,是植被稀少的荒原环境。

2.8 髫髻山组的孢粉组合特征

髫髻山组的孢粉可称为“桫椤孢(Cyathidites)-苏铁粉(Cycadopites)-克拉梭粉(Classopollis)”组合,以蕨类植物孢子和裸子植物花粉的共同繁荣为特征,但孢子的含量略高于花粉的含量。蕨类植物孢子中以光面三缝孢含量最高, 达43％, 其它常见分子有: 旋脊孢(Duplexisporites), 石松孢(Lycopodiumsporites), 新叉瘤孢(Neoraestrickia),紫萁孢(Osmundacidites)等。裸子植物中单沟类花粉含量占22％, 克拉梭粉含量约为9.5％, 具囊松柏类花粉较少。这个孢粉组合反映当时是丘陵-低山的环境, 反映当时处于亚热带温暖、湿润的气候, 但组合中克拉梭粉含量较高, 表明当时时有干旱气候的扰动, 或有向炎热、干旱气候转变的趋势(顾知微, 1962, 1982, 1995; 斯行健和周志炎, 1962; 米家榕等, 1980; 郝诒纯等, 1982; 王思恩, 1986, 1990, 1998, 1999; 辽宁省地质矿产局, 1989; 王五力等, 1989; 金帆, 1996; 陈丕基, 1998, 1999, 2000; Ji et al., 1998; 常征路等, 1999; 季强等, 1999, 2005, 2006; 季强, 2002; Ji, 2005)。

图1 冀北—辽西地区晚中生代孢粉植物群更替与气候环境变化Fig. 1 The polynoflora alternation and the climate and environment change of Late Mesozoic in northern Hebei and western Liaoning

3 生物群演化和更替对古气候和古环境变化的响应

通过以上孢粉化石资料的分析, 冀北—辽西地区晚中生代的气候和环境变化大致分为三个阶段。

3.1 中侏罗世—早白垩世早期阶段

髫髻山组(中侏罗世—晚侏罗世早期)的孢粉以喜中温、中湿的具双囊的松柏类花粉和喜湿热的蕨类植物孢子共同繁盛为特征, 反映了典型的温暖、湿润的亚热带气候, 推测当时可能是植被茂盛的丘陵-低山环境。

土城子组(晚侏罗世—早白垩世早期)的孢粉以喜炎热、干旱、盐碱环境的克拉梭粉含量极高(90％以上), 喜温暖、湿润环境的具囊松柏类花粉和蕨类植物孢子含量极低(一般在2％～3％以下)为特征, 反映了典型的炎热、干旱的热带、亚热带气候, 推测当时可能是植被稀少的荒原环境。

由此可见, 冀北—辽西地区中侏罗世至早白垩世早期的气候和环境发生了较大变化, 由温暖、湿润的气候突然变成了炎热、干旱的气候, 由植被茂盛的丘陵-低山环境突然变为植被稀少的荒原环境。

3.2 早白垩世中期阶段

该阶段(大北沟组—九佛堂组)的孢粉属种随时间逐渐增多, 大北沟组上部有38属58种, 义县组有40属65种, 九佛堂组急剧增加到60属110种;喜湿热气候的海金沙科和桫椤科孢子含量明显随时间逐渐增加, 其中最重要的分子无突肋纹孢和桫椤孢在大北沟组上部和义县组下部仅少量出现, 在九佛堂组中含量略有增加; 喜中温、中湿气候条件的具囊松柏类花粉始终占有重要位置; 松科花粉, 尤其是云杉粉占绝对优势。云杉(Picea)或冷杉(Abies)对气候条件有着严格的要求, 是一类反映高海拔山地的标志性植物, 主要分布生长在海拔2 500 m以上的高山上。因此, 大北沟组—九佛堂组中云杉粉和松粉的大量出现, 表明当时沉积地区或盆地是在中、高山地形背景下形成的, 也反映了相对温凉、湿润的气候。

3.3 早白垩世晚期阶段

该阶段(沙海组—孙家湾组)的孢粉属种随时间逐渐减少, 沙海组有61属142种, 阜新组下部发展到64属165种, 但从阜新组上部开始减少到54属101种, 孙家湾组仅有45属90种; 喜湿热气候的海金沙科和桫椤科孢子含量在沙海组中开始增加, 至阜新组其数量和类型均发展到鼎盛阶段; 喜沼泽环境的水龙骨单缝孢从沙海组开始发展, 在阜新组中最繁盛; 喜中温、中湿气候条件的具囊松柏类花粉从沙海组开始逐渐衰败, 在阜新组上部已较为少见;喜干热的克拉梭粉仅在沙海组和孙家湾组中含量明显增加, 喜干旱、干热的麻黄粉和希指蕨孢含量一直极低, 但在孙家湾组中含量明显增高。

根据以上分析, 冀北—辽西地区在早白垩世晚期开始转变为温暖、潮湿的亚热带气候, 仅在沙海组和孙家湾组沉积时期出现过两次干热气候的扰动。

综上所述, 冀北—辽西地区中侏罗世至早白垩世气候和环境变化的三个阶段不仅与燕辽生物群、热河生物群和阜新生物群的消亡与复苏相协和, 而且也与构造演化阶段相耦合。晚侏罗世与早白垩世早期之间发生的生物群更替(燕辽生物群的消亡与热河生物群的复苏)在性质和形式上与早白垩世中期与晚期之际发生的生物群更替(热河生物群消亡与阜新生物群复苏)并无多大区别。前者的情况是,燕山运动使冀北—辽西地区的地势抬高, 加之晚侏罗世—早白垩世最早期气候突然变得炎热干旱, 双重影响使当时的生态环境遭到了极大毁坏, 结果导致燕辽生物群在该区消亡; 后者的情况是, 早白垩世中期的温凉、湿润气候至晚期逐渐转变为温暖、潮湿的气候, 由中期的中-高山环境逐渐变为低地或沼泽环境。早白垩世中期和晚期气候与环境的变化是缓慢的、逐步的, 因而热河生物群的消亡与阜新生物群的复苏的过程也是渐变的, 二者的组成在丰富性和多样性上也是渐变的, 动物与植物的含量在更替过程中呈互为消长的关系。在这种意义上,热河生物群是一个以动物为主体的生物群, 而阜新生物群则是一个以植物为主体的生物群。

4 生物群更替的“避难所”模式

根据构造演化、盆地演化、生物群演化、古气候、古生态和古地理环境的综合研究, 我们认为区域构造运动(燕山运动)并不能真正导致生物群的灭绝, 晚侏罗世与早白垩世早期之间发生的生物群更替在性质上并不是“绝灭”与“复苏”的关系, 而是“消亡”与“复苏”的关系。冀北—辽西地区“燕辽生物群”的消亡与“热河生物群”的复苏显示了一定的继承性特点, 也呈现了明显的阶步性特征,为此本文提出了生物群更替的“避难所”模式。

在晚侏罗世早期, 冀北—辽西地区发生了著名的燕山运动(I幕), 在髫髻山组与土城子组之间形成了规模巨大的区域不整合面。这次构造运动导致当时环境发生了巨大变化, 使得原先植被茂盛的丘陵-低山环境突然变为植被稀少的荒原环境, 加之气候变得十分炎热干燥, 导致水系衰败萎缩, 湖泊干凅消失, 生物失去了生存空间和环境, 致使燕辽生物群中95％以上的物种在冀北—辽西地区消亡, 纷纷迁徙到气候合适、环境适宜的地区继续生存发展,仅有不到5％的物种残存到晚侏罗世中—晚期。在早白垩世早期, 冀北—辽西地区再次发生了强烈的构造活动(燕山运动II幕), 使得该区的生态环境进一步恶化, 气候变得越来越炎热干燥, 水系濒临枯竭, 结果导致燕辽生物群残存下来的物种全部在该地区消失。这些生物并没有真正灭绝, 而是沿着先行者的足迹逃往它乡继续生存发展, 等待着有朝一日重新返回故里。

燕山运动之后, 冀北—辽西地区早白垩世中期的气候条件和地理环境与先前明显有别, 长期处于中、高山环境, 由早期的亚热带干热气候逐渐转变为温凉、湿润的气候, 生态环境逐渐得以恢复, 各种生物又重新回到该区。在冀北阶早期, 随着水系和生态环境的初步恢复, 热河生物群中仅有叶肢介、昆虫、蕨类植物、藻类等4～5个门类的生物出现在冀北—辽西地区; 在冀北阶晚期, 生态环境进一步变好, 热河生物群中大约有7个门类的生物生活在冀北—辽西地区, 常见者有裸子植物、蕨类植物、藻类、双壳类、腹足类、昆虫和鱼类(北票鲟)等。在热河阶早期, 冀北—辽西地区的生态环境得以完全恢复, 热河生物群中大约有12个门类的生物生活在该区, 如戴氏狼鳍鱼、东方叶肢介和女星介等是首次出现在该区; 在热河阶中期, 热河生物群得以蓬勃发展, 山上是高大的乔木(各种裸子植物), 林间是各种蕨类植物和昆虫, 翼龙和鸟类在天空翱翔, 恐龙、哺乳动物、爬行动物等在地上争斗,两栖动物和鱼类在水中游荡, 原始被子植物在水边绽放, 20多个门类的生物形成了多姿多彩的热河生物群(赵宗溥和何铸文, 1959; 刘宪亭和周家键, 1965; 张文堂等, 1976; 潘广, 1978, 1981; 陈丕基等, 1980; 洪友崇, 1981; 曹从周, 1982; 叶美娜和历宝贤, 1982; 王五力, 1987; 王五力等, 1989, 2004; 孙革等, 1992, 2001; 王思恩等, 1994; 侯连海等, 1995;蒲荣干和吴洪章, 1995; 侯连海, 1996; 季强和姬书安, 1996, 1997; 任东等, 1995, 1996, 1997, 2002; 季强等, 1998, 2002, 2003, 2005, 2006; 罗清华等, 1999;孙革和郑少林, 2000; 李佩贤等, 2001; 季强, 2002, 2009; 牛宝贵等, 2003; 季强和袁崇喜, 2008; 王思恩和李罡, 2008; 王思恩和季强, 2009)。

致谢:在工作中得到了中国地质大学(北京)王成善院士和黄永建教授, 中国地质科学院地质研究所柳永清研究员和姬书安研究员, 首都师范大学任东教授的大力支持, 在此一并致谢。

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

本文由国家科学技术部973项目(编号: 2006CB701405; 2012CB822004)和中国地质调查局地质调查项目(编号: 12120114026801)联合资助。

2015-12-15; 改回日期: 2016-05-17。责任编辑: 闫立娟。

王大宁, 男, 1936年生。研究员。主要从事中生代和新生代孢粉地层学研究。

*通讯作者: 季强, 男, 1951年生。博士生导师, 研究员。主要从事古生物学和地层学研究工作。E-mail: jirod@cags.ac.cn。