学习任务中国前寒武纪地质时代划分

学习任务中国早古生代划分及生物界~

【任务描述】 ①了解早古生代地质特征；②掌握早古生代的地质时代划分；③了解早古生代生物界面貌，鉴定代表性化石；④理解生物相的含义。
一、早古生代地质特征
从早古生代起，地球进入一个崭新的发展阶段。这一时期的生物界与前寒武纪生物界明显不同，以小壳动物群的大量繁盛为起点，各种后生动物迅速发展，其中海生无脊椎动物十分繁盛并大量保存为化石。从寒武纪开始，地质年代各阶段的划分，主要依据生物的演化阶段，在地层划分和对比工作中，生物地层学方法也成为十分有效的手段之一。从无机界的演化来看，早古生代处于加里东构造阶段，继承了震旦纪的古地理格局。在中国扬子板块与华夏板块之间经历多次构造运动，于志留纪末最终拼合转化为造山带，而柴达木、秦岭微板块与华北板块碰撞，也使华北板块规模扩大，该构造阶段在中国表现为陆壳板块的扩大和增生。与这种古构造格局相对应，早古生代的沉积类型也复杂多样，华北地区早寒武世含膏盐、石盐假晶的紫红色泥质、钙泥质岩广泛分布，西伯利亚板块、俄罗斯板块奥陶纪红色沉积及含膏盐沉积等代表了干旱、炎热的氧化条件。奥陶纪晚期以北非为中心广泛分布于冈瓦纳大陆西部的大陆冰盖沉积，说明南方大陆处于南半球高纬度地区。
二、早古生代地质时代划分
早古生代时限为距今543～410Ma，延续时间133Ma。包括寒武纪（Cambrian）（距今543～490Ma）、奥陶纪（Ordovician）（距今490～438Ma）和志留纪（Silurian）（距今438～410Ma），其中寒武纪和奥陶纪划分为早、中、晚三个世，志留纪划分为四个世（表8-1）。

表8-1 早古生代与地层划分

（据《中国地层指南》，2001）
三、早古生代生物界面貌特征
早古生代生物界是海生无脊椎动物的繁盛时期，几乎所有的海生无脊椎动物门类都已出现（图8-1）。因此，早古生代又称海生无脊椎动物的时代。无脊椎动物以三叶虫、笔石、头足类、腕足类、珊瑚及牙形石最为重要。早古生代后期已开始出现原始脊椎动物无颌类和陆生植物裸蕨类。
小壳动物群是个体微小（1～2mm），具外壳的多门类海生无脊椎动物，包括软舌螺、单板类、腹足类、腕足类及分类位置不明的棱管壳等。小壳动物群始见于震旦纪末期，寒武纪初期大量繁盛。它是继伊迪卡拉动物群之后生物界又一次质的飞跃，完成了从无壳到有壳的演化历程。从地层学角度看，小壳动物群是划分前寒武纪和寒武纪界线的最好标志，目前多数地质学者倾向以小壳化石大量繁盛为寒武系底界的标志。20 世纪80 年代，在我国云南澄江及晋宁地区寒武系底部发现一个无壳和具壳化石混生带，包括三叶虫、水母、蠕虫类、甲壳纲及分类位置不明的节肢动物、腕足类、藻类等，该生物群是继小壳化石出现之后很快出现的一个动物群，称为澄江动物群。该动物群已引起国内外古生物学界的重视，在生物演化上的意义正被加紧研究。三叶虫是继小壳动物后最早繁盛的带壳动物，它在寒武纪属种繁多，演化迅速，生态分异明显，化石丰富，是寒武纪地层划分对比的重要依据。

图8-1 早古生代化石图

（据全秋琦等，1993）
1.Circotheca （圆管螺）；2.Coscinocyathus （筛杯）；3.Redlichia （莱得利基虫）；4.Damesella （德氏虫）；5.Drepanura （蝙蝠虫）；6.Pseudagnostus （假球接子）；7.Dictyonema （网格笔石）；8.Eoisotelus （古等称虫）；9.Armenoceras （阿门角石）；10.Yongtzeella （扬子贝）；11.Nemagraptus （丝笔石）；12.Pentamerus （五房贝）；13.Tuvaella （图瓦贝）；14.Didymograptus （对笔石）；15.Sinoceras （中国角石）；16.Nankinolithus （南京三瘤虫）；17.Monograptus （单笔石）；18.Rastrites （耙笔石）；19.Coronocephalus （王冠虫）；20.Halysites （链珊瑚）；21.Hormotoma （链房螺）
笔石是地史时期的海生群体动物，化石中最常见的有树形笔石目和正笔石目。树形笔石呈树状或丛状，大多数底栖固着生活，常与腕足类、三叶虫类等共生，代表正常浅海环境。树形笔石最早出现于中寒武世，绝灭于早石炭世。正笔石目从寒武纪开始在地层中大量出现，奥陶纪、志留纪达到极盛，早泥盆世绝灭。正笔石目演化迅速，分布广泛，是奥陶系、志留系划分和对比的主要依据。腕足类自早寒武世起已有广泛分布，以具几丁质类的无铰纲为主，也有具铰纲的原始代表。奥陶纪是腕足类发展的高峰期之一，具铰纲的三分贝目、正形贝目、五房贝目和扭月贝目进入顶峰阶段，志留纪腕足类化石相对减少，但其内部构造渐趋复杂化。头足类从晚寒武世开始出现，早古生代主要为缝合线简单的鹦鹉螺类。奥陶纪是鹦鹉螺重要发展时期，壳体增大，壳内体管构造复杂化，以直壳类型为主，志留纪起鹦鹉螺类开始衰落。珊瑚最早出现于寒武纪，我国在早奥陶世发现床板珊瑚。晚奥陶世开始繁盛，主要为单带型的四射珊瑚和床板珊瑚。
除此之外，早古生代还有腹足类、双壳类、苔藓虫、棘皮类、古杯类以及海绵等。尤其是微体古生物牙形石，近年来已成为早古生代地层划分、对比的重要生物类别。
四、生物相
地史中的环境是多样的，各种生物以其各自的生活方式适应不同的环境条件，造成明显的生态分异，构成不同的生物相。早古生代的生物相主要有浮游相、底栖相（壳相）和礁相几种类型。浮游相以营漂浮、游泳生物为特征，共生的岩石类型常常为深水或静水环境的黑色页岩、硅质岩及复理石沉积等，通常分布于台盆、半深海或深水海槽区。例如晚奥陶世五峰组的笔石页岩相就是一种特殊的浮游相。在缺氧还原环境中无底栖生物生活，只有在上层水面生活着营漂浮生活的笔石，笔石死后落入较深水的滞流缺氧环境，与暗色泥页岩构成这种特殊的浮游相。底栖相（壳相）以正常浅海底栖生物如三叶虫、腕足类等和典型的浅海相灰岩、泥灰岩等为特征，通常分布于台地区。上扬子浅海早志留世石牛栏组即为典型的壳相。保存的生物有腕足类、珊瑚、海百合茎、苔藓虫、腹足、层孔虫等多种正常浅海底栖生物或生物碎屑，产出于灰岩、泥灰岩、泥岩等岩石中。礁相通常分布在台地边缘，呈条带状分布，以温暖、清澈的浅海底栖固着的造礁生物和纯净的灰岩为特征。
五、技能训练——早古生代典型化石识别
训练目的：结合早古生代生物界图及地层柱状图，观察代表性化石标本，熟悉早古生代生物群总貌及生物地层划分情况。
（一）寒武纪
三叶虫是保存于寒武系中数量最多、最重要的化石，寒武系的划分与对比基本上是根据三叶虫化石进行的。早寒武世三叶虫一般是头大、尾小、眼叶大、胸节多为特征。中寒武世初期三叶虫具有宽阔的固定颊、较平直的眼脊和较小的尾甲为特点；中期至晚期三叶虫尾甲增大，尾节增多，且多具尾刺。晚寒武世初期和中期三叶虫特征与中寒武世晚期三叶虫有近似处；到晚期则常具柱状、方形的头鞍，有的鞍沟相连，把头鞍分成数节，也有头鞍前节扩大或头尾光滑，分节不显的类型。
【任务】 观察并描述下列代表性的化石：Eoredlichia （始莱得利基虫），Redlichia （莱德利基虫），Palaeolenus （古油栉虫），Kaotaia （高台虫），Bailiella （毕雷氏虫），Dorypyge （叉尾虫），Damesella （德氏虫），Drepanura （蝙蝠虫），Glyptagnostus （雕纹球接虫）。
（二）奥陶纪
笔石动物在奥陶纪时大量发展，演化迅速，分布很广，是奥陶系划分和对比的主要依据。早奥陶世早期主要出现树形笔石，中后期正笔石类中无轴亚目大为发展，胞管形状一般为直管状，生活方式为漂浮，演化方向为笔石枝数目的减少。中、晚奥陶世为笔石胞管的内弯时期，笔石枝继续减少和向上攀合。但也有少数类别出现笔石枝增多的“复杂化”现象——生出次生枝。分枝的正笔石类大量灭绝为奥陶纪结束的一个标志。
【任务】 观察并描述下列代表性的化石：Dictyonema flabelliforme （扇形网格笔石），Tetragraptus （四笔石），Didymograptus hirundo （燕形对笔石），Dicranograptus （双头笔石），Nemagraptus （丝笔石），Glyptograptus teretiusculus （圆滑雕笔石），Dicellograptus （叉笔石）。
奥陶纪初期的一些三叶虫具有头尾等大，头鞍锥形，多具尾刺为特征，但整个奥陶纪则以头鞍前端扩大呈倒梯形、梨形等的三叶虫为主。此外，尚有特殊类型，如具有饰边和长的颊刺，头部呈三瘤状等等。
【任务】 观察并描述下列代表性的化石：Tungtzuella （桐梓虫），Nankinolithus （南京三瘤虫），Dalmanitina （小达尔曼虫）。
奥陶系中的头足类以具有简单的鹦鹉螺式缝合线的类别最盛，一般为直壳状。
【任务】 观察并描述下列代表性的化石：Armenoceras （阿门角石），Sinoceras （震旦角石）。
奥陶纪时，腕足类中有铰纲的属种已成为主要类型，且都具有坚硬厚实的灰质外壳。
【任务】 观察并描述下列代表性的化石：Hirnantia （赫南特贝），Yungtzeella （扬子贝）。
（三）志留纪
划分和对比志留纪地层的主要生物类别是笔石、腕足和珊瑚。
志留纪初期仍以双笔石类为主，稍后新兴的单笔石类开始繁盛。单笔石类胞管由简单直管状演化为复杂外弯状、外卷状、分离状和三角状。笔石体形态也呈多种多样，有直、弯、盘旋及螺旋状。中志留世除有单笔石类外，弓笔石类兴起。晚志留世的笔石又具有简单直管状胞管，末期正笔石类衰退、大量绝灭，极少数残留到泥盆纪。
【任务】 观察并描述下列代表性的化石：Pristiograptus cyphus （曲背锯笔石），Monograptus sedgwickii （赛氏单笔石），Spirograptus （螺旋笔石），Monograptus riccartonensis （瑞卡顿单笔石），Pristiograptus nilssoni （尼氏锯笔石）。
志留纪时，腕足类主要有正形贝类、扭月贝类及五房贝类。此外还出现具旋状腕骨的石燕贝类。
【任务】 观察并描述化石：Pentamerus （五房贝）。
志留纪时的珊瑚，主要为床板珊瑚和四射珊瑚中的单带型、泡沫型。
【任务】 观察并描述化石：Halysites （链珊瑚）。
志留纪时，三叶虫以前颊类为主。
【任务】 观察并描述化石：Coronocephalus （王冠虫）。

【任务描述】 ①了解中国元古宇地质特征；②掌握元古宙的地质时代划分；③了解元古宙生物界面貌，鉴定代表性化石。
元古宇是距今5.43亿～25亿年，延续达19.57亿年所形成的地层，在中国的南方和北方均有出露。鉴于南华系和震旦系在年代地层表中的特殊地位，将单独作为一个学习任务加以识别。
一、典型工作任务——认识和分析元古宇地层
通过对蓟县中、上元古界剖面进行分析，了解前寒武纪地层划分、对比的方法。
二、中国北部元古宇划分与对比
中国北部包括华北和塔里木两大板块。对华北板块的元古宙地史特征做重点介绍。
华北板块的元古宇以晋冀交界及燕山地区研究较深入。古元古界的典型地区为五台山和吕梁山等地区。中、新元古界的典型地区为燕山地区。
（一）古元古界
五台山区古元古界上部出露滹沱系不整合于下部的五台群之上，该系自下而上可划分为3个亚群，分为豆村亚群、东冶亚群和郭家寨亚群，皆不整合接触。总厚度超过8 km （图7-4）。滹沱系的原岩是一套粗碎屑岩，砂质、黏土质及镁、硅质碳酸盐类岩石，夹少量中基性火山岩组成的巨大沉积旋回，发现有叠层石。古元古代后期发生了强烈的地壳运动-吕梁运动，滹沱系遭受低级变质作用，早期变质年龄18.5亿年左右（吕梁运动主幕）；晚期变质年龄约17.5亿年左右（吕梁运动次幕）。吕梁运动对华北地区岩石圈构造的发展有重大意义，它把古元古代初期分裂的陆核重新“焊结”起来，形成了华北地台的原型-原地台。从此华北地区进入了一个相对稳定发展的新阶段，华北稳定的大陆板块基本定型。
（二）中、新元古界标准剖面
中、新元古界以冀东蓟县地区发育最好，研究最详。这里连续出露了万米以上，代表8亿年左右时间间隔内形成的一套基本不变质的沉积岩系。地层界线清楚，构造简单、层序完整，被视作我国中、新元古界的典型剖面（图7-5）。

图7-4 五台-云中山滹沱系柱状图

（据武铁山等，1979，简化）

图7-5 蓟县剖面中、 新元古界柱状图

（转引自刘本培，1996，有修改）
中、新元古界组成一巨型沉积旋回，剖面总厚近10000 m。根据沉积特征、接触关系、叠层石和微古植物组合特征及同位素年龄，将其划分为3个系（群），12个组。具体划分如下：

地层古生物基础


地层古生物基础

从上述剖面可以看出，长城系（群）有由碎屑岩逐渐过渡为碳酸盐岩的趋向，火山岩仅分布在当时凹陷地带的中心部位。蓟县系（群）以碳酸盐岩（白云岩居多）为主，夹部分碎屑岩，其本身也构成完整的沉积旋回。青白口系（群）中曾具有砾状石英岩或燧石角砾岩，与其下伏岩系呈不整合接触。而且下马岭组底部与铁岭组顶部之间有明显的古风化壳存在（图7-6）。

图7-6 燕山地区铁岭组与下马岭组接触关系 （表示芹峪运动存在）

蓟县一带新元古界上部景儿峪组与其上覆的下寒武统府君山组常呈比较明显的角度不整合接触（如图7-7）。虽然在局部范围来看上、下层位之间角度差异并非那么显著。但从区域范围进行全面分析，毫无疑问可以证实其存在，被命名为蓟县运动。

图7-7 蓟县景儿峪一带新元古界与下寒武统接触关系

三、中国南方元古宇
中国南方包括秦岭、大别山以南，川西、滇东以及川西北龙门山一线以东的广大地区。在中国南方尚未发现太古宙地层，广泛出现的是一套元古宙浅变质岩系。主要分布在两个地区：西部的川滇区和东部的雪峰-九岭区。二者之间的四川盆地内部可能存在着一个太古宇（或包括古元古界）组成的稳定“陆核”区。陆核区构成原始的大陆型地壳，两侧的地槽活动带为大陆周边的岛弧海区。新元古代后期（850～800Ma），晋宁运动使东西两面的大洋板块向川中“微大陆”俯冲、碰撞，其结果导致了川滇地槽带和雪峰-九岭地槽带转化为元古宙褶皱带。它们和川中古陆核一起，构成一巨大的稳定地块-扬子板块（图7-8）。

图7-8 中国中元古代古地理图

（据刘本培，1996）

【任务描述】 ①了解前寒武纪地质特征；②掌握前寒武纪的地质时代划分；③了解前寒武纪生物界面貌，鉴定代表性化石。

一、前寒武纪地质特征

地球上现知最古老的地质记录（格陵兰西部、南极恩比地、南非林波波等地的变质岩原岩年龄）形成于38亿年以前或稍早，可以视作存在内外力地质作用的地质历史时期已经真正开始。地球上首次出现多门类带壳动物群的寒武纪开始于5.7亿年以前，标志着显生宙时期的来临。

距今46亿年、38亿年和5.7亿年三个时间标尺将全部地球历史划分为两大阶段和三个时期：①距今46亿年至38亿年左右（延续近8亿年）的天文演化阶段，是迄今了解程度最差、特殊的地球早期史时期，从生物演化角度也称为冥古宙；②距今38 亿年至5.7亿年（延续32亿年左右）的前寒武纪时期，占38亿年以来地质历史阶段的82%，以往曾称为隐生宙（现已废弃），现称为太古宙和元古宙；③距今5.7亿年至现在的显生宙时期，占地质历史阶段的18% 左右，但研究最为详细，包括古生代、中生代和新生代。

二、前寒武纪地质时代划分

前寒武纪是寒武纪以前地质时期的总称，该术语不属于正式地质年代单位，通常简称为前寒武。相应的前寒武系也泛指前寒武时期形成的地层。前寒武纪一般划分为两个阶段，以25亿年左右为界，大于25亿年，称太古宙，小于25亿年，称元古宙。太古宙再分为始太古代、古太古代、中太古代和新太古代。元古宙再分为古元古代、中元古代和新元古代。具体划分见表7-1。

表7-1 前寒武纪地质时代划分方案简表

（据全国地层委员会，2001）

前寒武纪占全部地史时期的5/6，在这漫长的地史阶段中地球各圈层都经历了重要的演变，尤其是地球上出现了最早期的生命并逐渐进化为高等生物，全球各稳定的大陆板块也相继形成，并形成了铁、铀、金等多种矿产。因此，了解前寒武系不仅对认识地球早期有机界和无机界的演化历史具有重要的理论意义，而且对国民经济建设也有重要的实际意义。

三、中国前寒武纪生物面貌特征

前寒武系保存的化石不多。除晚期前寒武纪出现原始的后生动物外，主要是海生的菌藻类和叠层石。

（一）原始菌、藻类生物的发展

已知最老的化石发现于南非年龄大于30 亿年的无花果树群中，是一些微小的（5 ～25μm）的球状、丝状体，被认为可能是单细胞菌、藻类生物。最近我国鞍山群中也发现了可能是菌、藻类的化石。这些太古宙（到古元古代）的生物是一种形态简单、基本无性别的生命形态，没有真正的细胞核，被称为原核细胞生物。它们以有机物为食，又称他养生物。

（二）真核细胞生物的出现

真正无可怀疑的真核细胞生物见于距今13.5 亿年的北美贝克泉（Beck Spring）组，我国华北在距今约12亿～13亿年的雾迷山组中也发现了绿藻类化石。真核细胞生物大约是19亿～20亿年以前已出现并得到一定程度的发展。

（三）后生动物出现、前显生宙向显生宙的过渡

前寒武纪最晚期，大规模稳定地块的出现，冰期后广泛的陆棚浅海，大气中氧含量的显著增加，以及一个可能的有效臭氧屏蔽的存在（Barker＆Marshall，1965），导致了后生动物的出现和发展。

最初的后生动物化石发现于距今7亿年以后，相当震旦纪上统地层中，以伊迪卡拉动物群为代表的不具硬体部分的无脊椎软体印膜化石。据研究共有动物化石20多种，包括腔肠动物、环节动物、节肢动物，以及一些分类位置不明的生物，在世界很多地区都有发现。微小带壳无脊椎动物化石在6亿年前就已开始出现。目前国际上，主要的趋向是将多门类小壳动物化石的出现作为古生界寒武系之底。我国震旦系灯影组中，下部已发现有类似软舌螺类的化石，甚至陡山沱组中也有海绵骨针化石的发现，因此从生物演化的观点来看，至少上震旦统的生物特征和显生宙已没有本质上的重大差别。

综上所述，前寒武系保存的化石不多。除前寒武纪晚期出现原始的后生动物外，主要是海生的菌藻类和叠层石。最早的叠层石发现于太古宇中，叠层石广泛发育于元古宇中，尤其是新元古代地层中。如Kussiella （喀什叠层石，主要为新元古代早期，图7-1 之1），Conophyton （锥叠层石，新元古代，以早中期为主，图7-1 之2），Baicallia （贝加尔叠层石，新元古代中晚期，图7-1 之3），Gymnosolen （裸枝叠层石，新元古代晚期为主，图7-1 之4）等。

图7-1 元古宙叠层石 （纵断面）

1.Kussiella （喀什叠层石）；2.Conophyton （锥叠层石）；3.Baicallia （贝加尔叠层石）；4.Glymnosolen （裸枝叠层石）

（四）技能训练——前寒武纪典型化石识别

训练目的：观察元古宙代表性化石标本，掌握元古宙生物界面貌和重要标准化石。

元古宙的生物界主要由微古植物和叠层石两大类组成。

【任务】：观察并描述下列代表性的化石：Gruneria （格鲁纳叠层石），Kussiella （喀什叠层石），Tungussia （通古斯叠层石），Conophyton （锥叠层石），Scopulimorpha （墙叠层石），Anubaria （阿纳巴叠层石），Gymnosolen （裸枝叠层石），Minjaria （米雅尔叠层石），Baicalia （贝加尔叠层石），Jurusania （朱鲁赛叠层石），Boxania （布克松叠层石），Linel⁃la （林那叠层石）。

在新元古代晚期震旦纪时，是生物飞跃发展的前夜。它们表现出从新元古代到古生代的过渡性质。高级藻类中的褐藻大量出现，如文德带藻（Ventotaenia）。动物方面不仅有软体型的后生动物，且有少量具外壳的后生动物类别的出现。如在长江三峡的震旦系中，产出有小壳动物化石。

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