北票—义县地区义县组化石沉积层的层位、时代及形成环境

摘要

北票－义县地区的义县组以含丰富的热河生物群化石而著名于世，其中常见的化石种类有鱼类、昆虫、叶肢介、介形类和植物等，而三尾拟蜉蝣、叶肢介和狼鳍鱼是其中的典型代表。自上世纪90年代以来，在区内尖山沟、四合屯、李八郎沟、金家沟、河夹心、白台沟、王家沟和金刚山一带的义县组地层中先后产出了大量的珍稀鸟类、哺乳类、带毛恐龙、原始被子植物等珍稀化石，使得北票－义县地区再度成为国内外地学界和生物学界关注与研究的“热点”。在这种情况下，人们迫切地期待着科学研究工作尽快解决珍稀化石的空间分布、产出层位、时代和生物演化所依赖的古环境问题。 本论文紧密围绕义县组含珍稀化石沉积层的空间、层位、时代和环境问题展开科研工作。通过区域地质调查研究，采用多重地层划分、火山岩石学、沉积岩石学和构造地质学等综合手段，查明了北票－义县地区义县组含珍稀古生物化石沉积层的地质背景、空间分布和产出层位，并对珍稀化石沉积层进行了科学地区域对比研究。通过对义县组岩石地层特征、火山作用旋回以及地球化学特征、层序地层特征、生物地层特征、生物组合及古生物群落的研究，确定了包括珍稀化石在内的热河生物群发育、繁盛的古生态和古环境，并结合同位素资料和古地磁资料厘定了义县组含珍稀古生物化石沉积层的准确年代，为解决侏罗/白垩系界线问题提供了重要依据。具体研究成果如下： 1)晚中生代以来，辽西地区以北西－南东方向的拉张、伸展作用为主，高山逐渐剥蚀，形成了与俯冲带大致平行的北东—北北东向叠加构造带和北西向走滑断裂带，形成了一系列北东向展布的断陷盆地。这些盆地被北东向展布的山脉分割，盆地内则形成了大量的火山岩堆积和火山凹陷湖沉积。北票－义县地区的义县组就形成于这种断陷盆地中，是一套火山－沉积岩系，由火山喷溢相及间歇期形成的河湖相沉积组成，至少存在六个沉积夹层。 此次研究将义县组火山－沉积岩系划分出四个岩性段。其中，第一段以基性火山岩为主，间夹间歇期河湖相沉积夹层；第二段以火山高地凹陷湖形成的沉积岩为主，间夹规模不等的中基性火山岩，顶部有酸性火山岩；第三段以基性和偏碱性的中性火山岩为主；第四段以中酸性火山岩为主，局部夹火山高地的凹陷湖相沉积。第一段中沉积夹层以河湖相～滨湖相沉积为主，第二、三段中沉积层包括滨湖、浅湖、半深湖和深湖等不同亚相沉积。这些沉积层分别形成了各具特色的生物化石组合。 2)从北票至义县，义县组由下至上存在三个主要化石层位。下部层位：以义县组一段地层中的火山碎屑－沉积夹层为主体，其中含有较多的鹦鹉嘴龙骨骼化石，另有强壮爬兽和热河龙产出。中部层位：以义县组二段中的沉积层为主体，包括四合屯沉积层、尖山沟沉积层、上园沉积层、砖城子沉积层、大康堡沉积层等，其中的古生物化石十分丰富，除了含有典型的热河生物群代表外，还包括了大量新发现的珍稀化石种类，如原始鸟类、原始哺乳类和原始被子植物等。上部层位：以义县组四段中的沉积夹层(金刚山层)为主，除了产有丰富的室井氏狼鳍鱼、叶肢介和介形等化石外，还有细小矢部龙、满洲鳄、鹦鹉嘴龙和反鸟类化石。 3)基本查明了中生代地层分布规律和火山喷发次序，发现义县期火山作用有由西向东迁移的特征，总体表现出一个由基性向中基性、中酸性演化的过程。此次研究将义县期火山旋回划分为4个亚旋回。除了第三火山亚旋回地层不含化石外，其它各火山亚旋回地层都含有生物化石，而且生物组合特征不同。以中华龙鸟、孔子鸟和辽宁古果为代表的珍稀化石组合出现在第二火山亚旋回期间。 4)根据辽西地区中生代火山岩的时空分布规律、火山构造特征、成因、火山活动特点及其与区域构造的关系，划分了六个级别的火山构造。研究区火山构造属于四级－六级火山构造，位于锦州—义县—阜新三级火山喷发带上，包含两个四级火山构造洼地，每个火山构造洼地又包含一系列的五级～六级火山构造。由于火山岩浆性质的变化，导致义县旋回早期火山构造以层状为主体，之后破火山逐渐发育，晚期穹状火山逐渐增加。不同级别、不同发展阶段的火山构造对化石沉积层的形成、分布和保存起到了不同的作用。三级火山构造控制了义县火山－沉积岩系呈北东向展布；四级火山构造形成了两大火山洼地，并在两个火山构造洼地中分别形成了相对独立的沉积层；五～六级火山构造直接影响了化石沉积层的空间形态和物质组成。 5)火山作用严重地影响了热河生物群的生存环境，使热河生物群直接面对的灾难性地质事件。火山作用形成的熔岩流进入水体可以引起水体迅速沸腾，破坏生物赖以生存的水体；火山碎屑可以污染空气、水体，大量的碎屑堆积可以快速掩埋各种生物；火山喷气形成的CO2、SO2、H2S以及S、As、Hg是对生物环境有重要影响的有毒、有害物质，它们可以造成脊椎动物的集群死亡。 6)通过同位素年代学和古地磁分析，确定义县组时代为早白垩世，其形成年龄介于135Ma～121Ma之间，含中华龙鸟、孔子鸟和辽宁古果等珍稀化石的湖相沉积层是在125～127Ma之间形成的。侏罗系与白垩系的界线应当置于义县组底界。 7)通过区域构造、义县组及其上覆与下伏岩石地层特征、层序地层特征、事件地层特征和生物组合特征与生物群落的分析，并采用岩石学、微量元素地球化学等研究手段，确定了义县组及其生物化石的形成环境。早白垩义县期北票－义县地区处在一系列的北东向展布的盆岭体系中，盆地之间为高山峻岭分割，盆地内则形成了以火山洼地和高地为背景的古湖泊。北票地区形成了四合屯－上园古月牙湖，义县地区形成了金家沟－河夹心－万佛堂古湖泊，湖泊表现为滨湖、浅湖、半深湖和深湖相等不同的沉积环境，湖水主要为淡水，间有半咸水，呈弱碱性，富含钙质和碳酸根离子。水体PH值变化在6.6～9.5之间，平均水温在20℃左右。由于地势变化较大，盆地之间的相对隔绝，因此存在复杂多变的小环境和生态群落。 8)通过生物组合特征和古今生物生存环境的分析，结合岩石组合和层序地层的研究，探讨了北票－义县地区义县期古生物的生态特征。古植被具有明显的垂直分带性，以高山针叶林为主，具有山间高地、斜坡丘岭、湿地、湖泊等多种不同生态环境。植物群具有五种植被类型，即针叶树、常绿阔叶树、落叶阔叶树、灌木和草本，总体上反映了一种温暖、湿润气候条件下的亚热带—暖温带陆地植被景观，指示温暖湿润的生存环境。虽然存在一些旱生类植物，它们反映了一种季节性干旱、半干旱的气候，但是这种气候状况持续的时间可能不长，不足以改变整个植物群的亚热带—暖温带面貌。 在义县期除了植被发育外，其它热河生物也已经相当繁盛，湖盆内的水生动物(鱼、虾、龟等)群和围绕湖盆分布的沼泽、平地、山坡和高山动物群(昆虫、鸟、恐龙等)与各种植被群落构成了一个生机勃勃的生态景观。

目录

文摘

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第一章绪言

1.1研究内容及拟解决的关键性问题

1.2选题依据及研究意义

1.3国内外研究现状

1.4技术路线和工作方法

1.4.1技术路线

1.4.2工作方法

第二章区域地质背景

2.1区域构造概况

2.1.1 印支旋回构造

2.1.2燕山旋回构造

2.2中生代构造盆地的演化阶段

2.2.1晚三叠世－早侏罗世(T3-J1)盆地构造演化阶段

2.2.2中侏罗世－晚侏罗世(J2-J3)盆地构造演化阶段

2.2.3早白垩世(K1)盆地构造演化阶段

2.2.4晚白垩世(K2)盆地构造演化阶段

2.3中生代地层简介

2.3.1三叠－侏罗系

2.3.2侏罗系

2.3.3 白垩系

2.4中生代火山旋回及岩石特征简介

2.4.1兴隆沟火山旋回及主要岩石特征

2.4.2髫髻山火山旋回及主要岩石特征

2.4.3义县火山旋回及主要岩石特征

第三章义县组地层剖面及岩石地层特征

3.1义县组地层的含义

3.2剖面描述

3.2.1北票地区

3.2.2义县地区

3.3结论

第四章含化石沉积层的层位及时代

4.1义县组地层分布特征及其与下伏、上覆地层的关系

4.1.1义县组地层分布特征

4.1.2义县组与下伏地层的关系

4.1.3义县组与上覆地层的关系

4.2北票－义县地区含珍稀化石义县组地层对比

4.2.1从火山旋回性角度判定珍稀化石产出层位

4.2.2某些特殊岩石的地层对比

4.2.3从层序地层学进行地层对比

4.2.4义县组岩性地层单位及生物化石组合对比

4.3义县组时代及侏罗系与白垩系界线

4.3.1生物群组合

4.3.2二级磁性地层界面及层序地层界面

4.3.3古气候特征

4.3.4同位素年龄

4.4结论

第五章义县期火山作用及其对热河生物群演化的影响

5.1义县火山作用的构造背景

5.2火山构造

5.2.1义县火山旋回的火山构造划分

5.2.2三级火山构造

5.2.3四级火山构造

5.2.4五～六级火山构造特征

5.3火山岩石地球化学特征

5.3.1主元素地球化学

5.3.2稀土元素地球化学

5.3.3微量元素地球化学

5.4义县组火山作用对热河生物群演化的影响

5.4.1.火山构造的分布、演化规律及其与化石沉积层的关系

5.4.2.火山作用引起的生物灾变事件

5.5结论

第六章含化石沉积层的形成环境

6.1沉积环境分析

6.1.1沉积背景

6.1.2沉积水体性质

6.2古气候分析

6.2.1沉积岩组合特征反映的古气候特征

6.2.2古植物群反映的古气候特征

6.2.3孢粉植物群指示的古气候特征

6.3古生态再现

6.3.1义县组各类群生物群古生态分析

6.3.2义县组生物群古生态的综合分析

6.4结论

第七章结语

致谢

参考文献

作者从事科学研究和学习经历简历

攻读学位期间发表的论文

图版说明

图版1-5

图版6-10

图版11-15