1、古生代海平面变化年代学特征摘要：已确定了古生代的大部分海平面变化，但仍未实现完整的海平面变化历史。我们利用来自克拉通边缘以及克拉通盆地的地层剖面重建了古生代完整的海平面波动。不同海平面变化事件，对其时间和幅度评价揭示了最难的是准确估量变化量级。长期海平面特征显示整个寒武纪逐步上升，在晚奥陶纪到达最高点，最高点短暂存在之后海平面由于赫南特阶冰期突然退却。随后在中志留纪，近中晚泥盆纪边代，石炭纪最晚期出现了大量渐减的海平面升降高位。在早泥盆纪，近密西西比纪和宾夕法尼亚纪边代，晚二叠纪记录了海平面升降地位。古生代记录了 172 次海平面升降事件，大小从数十米到 125m。尽管近年来整合中生代和新生代
2、的海平面升降波动取得实质性进展。相对地古生代海平面数据的重新评估和综合没有得到注意，其覆盖范围一直非常零散。古生代包含了半数以上的显生宙，以一些地球历史上最吸引人的未解问题为特色。认为未勘测过的古生代地层包含了未恢复的重要烃类。因此古生代海平面升降历史的重新评估不仅是作为勘察地质学的工具，而且有希望复苏古生代地球科学的兴趣。海平面曲线对沉积提供了实用的预测模型，因此对于地质勘测非常重要。沿大陆边缘基准面，内部海道的泛滥、干涸、干旱以及因此发生的烃储集和源相的运移，这些曲线对其长期趋势提供了可行的表现。在此局部构造影响最小，没有使地层记录缺失（或在此构造地质学能用来校正） 。这些曲线也可以在一阶
3、相关性上提供帮助。海平面升降的高低位的相对量级、频率和范围以及海侵的性质都凝聚在大陆架间距上（此时聚集富有机质沉积） ，地表露头的持续时间，大陆架的下切作用也是地质勘查的重要证据。在此我们提出了一个关于古生代海平面历史的半定量模型。它基于以生物年代地层学约束不同质量和可靠性多种古生代序列中广泛分布的层序地层学数据。尽管先前的区域海平面历史重建仅限于不同时间片段，他们也提供了关于长短期趋势的大量信息，同时于整合这些信息而言也是一个非常重要的资源。 （见在线支持材料文档）尤其对于美国北部以及澳大利亚相对稳定的克拉通边缘和克拉通盆地是必不可少的。如同后文讨论的，我们指定对不同的区段指定了参考区域（大
4、部分来自美国北部和澳大利亚，也包含北部和南部非洲，欧洲西北部以及中国） 。我们说明将这些区域的沉积记录当做在构造活动相对静止区间海平面变化的模式平均值。参考区域也与世界上其他确定明显海侵、海退趋势，独特海平面变化以及提供确切数据的区域比较。由于字数限制，本文只对我们主要发现做简短的陈述。 （也可见在线支持材料文档）古生代海平面事件的定年和量级。在解析基于全球范围不同质量功用的数据的整合特定海平面事件遇到了困难。这些数据不仅特定于古生代，而且他们也适用于更年轻的年代。然而古生代具有一套独特的约束条件令其与众不同。例如，大部分古生代洋壳都已俯冲消减（除了一些仰冲的迫龙藏布蛇绿混杂岩之外） ，使直接
5、估计洋壳的平均年龄很难实现，这是为了解释海平面升降的长期趋势。古生代地层强烈偏向克拉通期后以及克拉通边缘盆地，以大量的不一致和地方性动物群为特点。不过，这些属性使得研究的自然位置成为了不整合界定单位（沉积层序） 。这些不整合界定的亚层形成了现有的古生代文献，相关或有用的研究横跨了一个世纪。准确的地质年代表对于任何全球整合而言都具有最重要的价值。地质年代便在近些年变得越来越完整。尤其是古生代的时限处在不稳定状态，最近主要的改变发生在纪与期的边代。关于定年最新发表的文章是由格兰德斯丁撰写的。年代地层学的一些部分在近期已更新，并被我们采用。对 40Ar/39Ar 年龄不断的调谐和再校准有可能会是边界
6、年龄更准确。然而，除了一些由辐射度测量决定的边界年龄之外，所有与古生代相关的都基于化石生物群。因此，讨论中生物带的持续时间提供了层序边界最小程度的不确定性。一个盆地与另一个相关性的精密度取决于适用于这些目的生物地层化石组合。对于古生代生物年代地层习惯上基于若干组通常出现的化石，它们中的大部分往往是地方性或者相控制的。这强调了运用多重条件的必要（基于若干群的生物分配），在此有可能增加年代地层。的信噪比。图 1|寒武纪- 奥陶纪海平面变化。时间尺度标准和区域阶段是由 Gradstein 等人以及 Ogg 等人模式化。图 1 到 3 的左半部分绝对时限标志校准的地层分区。已知大陆冰期的区间在数值时间
7、尺度旁边标注。每张图的右半部分以超覆曲线开始，这是在参考区估计区域基线相对陆向和盆向的运动测值。与已知突出凝缩层有关的层序也在这列中表示。层序边界生物地层年代年龄在下一列中表示。每次短期事件相对量级的半定量测值作为插入。已知高频率周期的海平面升降回旋以及记录下的凝缩层也在用竖线这列标出。海平面长期包络线以及短期波动曲线紧跟在海平面曲线的右边。这列中的虚竖线代表了现今海平面近似值。长期与短期海平面曲线都经过现今海平面校准。重建第二个重要的问题，诸如关心估计海平面升降量级的不确定性。在古生代，冰体积代替数据的普遍缺失，例如 O 同位素（由于剧烈变化的成岩作用），限制我们依赖来自地层数据的海平面变化
8、的物理方法。精确物理判断的根本限制源于通用基准点的缺失，如果不符合它海平面变化可以被计算。方便起见，我们经常将过去的海平面升降波动与当今海岸线对比。但是经过很长周期这种比较照应要点变得越来越没有意义，因为大陆通过水平的增生/消减以及垂直方向上的运动而变化。能经常合理的确定何时现存陆家边缘的海水退却，但是通过地层数据精确测量海平面消退的量很有挑战，由于大陆架未知数量侵蚀。有意义地测量海平面上升甚至更难，由于高水位期适应空间可能为完充填，或者是由于随后海平面下降可能会腐蚀部分或大部分的高水位期体系域。因此，为了使用目的，所有来自物理数据的振幅评估必须被认为是相对的问不是绝对的。图 2|志留纪泥盆纪
9、海平面变化。详见图 1 说明。回拨分析可以通过沉积物负荷的更正以及盆地底板的下潜，可以潜在地精炼这种估量。然而，由于长期古等深线指示以及潜在的差异沉降，在这种方法中存在着需要考虑的不确定性。边缘冰/水负载和卸载的对应曲线的修正，沉积物也不是精确的，能使任意一个方法的产生偏差。在这些数据整合期间，我们采用的唯一有意义的方法是复制从参考区域和辅助区域搜集到的海平面升降的概数量级（基于不同的地层层组，例如体系域的厚度、深度岩相和生物相的评估、大陆架侵蚀作用的深度以及局部回剥分析） 。我们半定量地把每个事件分类（测值作为先前高水位期回落的量级）为小（75m ） 。从全球范围的数据来看，很明显虽然海平面
10、的长期整体（累计）上升可达到差不多 250m，特殊的三阶海平面变化很少超过 150m那些事件超过 0.56Ma（My ）。高频率（5My。图 3|石炭二叠纪海平面变化。详见图 1 说明。层序记录是由几个叠加沉积旋回而成，取决于它们的成因机制。它们从高频率的米兰科维奇规模冰川旋回到三级和四级海平面变化旋回，以及较强的构造旋回变化。事实上，一贯很难将三级和四级循环分开。我们有能力解析任何给定的区域年代地层的记录，取决于保存区段的厚度、露头的性质、沿着大陆架-大陆斜坡-盆地轮廓区段的位置以及生物地层数据。在这里我们尝试确定三级层序的分辨率；然而，一些四级沉积旋回也不可避免地存在被关联。尽管高频率旋回
11、在古生代的存在更加广泛，四级旋回中一些间隔更加明显地保存，比如中寒武世，中泥盆世，中晚石炭世，还有二叠纪。古生代层序地层数据全部来自露头区域。从层序地层和地震数据解释区域的海平面上升和下降标志应在已在其它文章中总结过，这里不再重复。另外，一些沉积岩性特征和古生物学也帮助我们解释在层序地层框架区域内的露头特征的确定。重建长期包络线趋势轨迹和短期的海平面历史需要不同的方法。认为长期变化是由于缓慢的构造过程引起了洋盆的容积发生变化。每个单个长期轨迹数据集必定考虑是基于相关的联系而不是海平面变化趋势绝对量度。然而，基于全球大陆洪水期估计长期变化曲线，堆叠地区海平面数据和洋壳产生的平均年龄模式结果是一致
12、的。Algeo 和 Seslavinsky 已经提出了浑水历史的解析，13 个古生代大陆块体高程测量并且估计长期海平面变化高位应该超过当前的海平面 100-225m。他们也推断古生代大陆由于造陆运动经历了额外的 100m的垂直运动。我们估计长期高位的上限受这种分析影响。更多最新中生界和新生的海底模拟结果，尽管基于不同设想，一致指出洋壳的平均年龄；而不是海底扩展速率或者洋脊大小，迫使潜在的长期海平面变化增强。Cogn and Humler 已推测追溯到古生代模式结果，因为俯冲作用直接得到海底等时线的测量值是不可能的。反而，他们从基于古地磁重建的大陆地块区域测量值来估计海陆分布。贯穿多数古生代大陆
13、块体高度分离和全球海平面高位之间的周期，其结果表现出了很好的一致性。最近在模拟研究方面，得出了大陆边缘可能在相对较短的地质时期受到了与地幔流动的相关很大程度垂直运动的结论。这个过程引起当地地形动态变化，这可能导致对从过去物理数据中海平面变化的低估。海平面短期变化更有可能是由世界大洋在冰川过程中水的体积变化造成的。在这里描述的古生代短期海平面变化曲线是基于几个最好特定的参考区，在此依据我们的解释，构造影响最小并且海平面变化信号更可能保存。辨析海平面变化事件是参考区，之后寻找全球范围其他地区以及特辅助参考区。早先古生代短期海平面事件物理估计量范围内从几十米到 250 米。最近综合石炭纪到二叠纪出现
14、的波动从非冰期间隔的几十米一直变化到成冰川主导周期的 120 米。这些区域估值将会在未来精确化，曾经这些讨论区域都有严格地回剥分析。尽管我们认为长期趋势是真实的，对于寻找海平面升降变化量级有效估算方法有难度，以上讨论预示着长期包络线以及短期变化的振幅仍然很难捉摸。所有的这些方法在当前被认为是近似的。这些观察结果也提醒我们以大陆边缘代表全球海平面变化重要性的角度归纳个别海平面事件量级是没有价值的。关于参考区的概念，其中蕴含了认为其中区段是现在研究中时间段模式平均值的最佳表现。我们将某区域当作参考区所包含的条件如下：（1 ）讨论的时间单元代表局部构造平静期并且受到了沉积后相对较小变形，因此可说明层
15、序地层学的方法论。 （2）区段数据相关性很好，更好的是存在多种生物地层。 （3）该区的露头能够公开使用。 （4 ）该区域能够容易地适用于地史学分析以便能够与相关的区段进行最后的回剥，是为了分析详细的估计海平面变化量。我们在线支持材料文档中列出了所选择的参考区和辅助区段，通过我们指定的依据岩石学背景和年龄来解读层序边界。结论和讨论。本文我们提出了关于古生代海平面历史的稳定工作模型，然而当区段受限于回剥分析时，地层年代学细化会受限制。我们的结果显示了长期海平面曲线，包括寒武纪到早奥陶纪期间海平面上升，中奥陶世明显下降，在进入晚奥陶世前大幅度上升，并且古生代海平面最高值是在早白垩世。其后发生的是晚奥
16、陶世末期明显下降，其一直持续到志留纪早期。早白垩世剩余时间能够观察到在中志留世达到高潮的另一次长期海平面上升，后面紧跟着从晚志留持续到到早泥盆世的一次下降过程。在中泥盆世能够发现另一个长期上升的开始，其到达峰值是在晚泥盆世早期。之后在弗拉斯阶和法门阶界限有轻微的下降，并且在早法门阶早期恢复，长期曲线在晚泥盆世逐渐下降以及在泥盆世/石炭纪边界明显降低。在短暂的恢复后，层序长期下降开始于中密西西比河期，在晚密西西比河期达到最低。接下来的长期上升开始于中宾夕法尼亚系和最后只持续到宾夕法泥亚纪末期，随后在二叠纪早期轻微下降。海平面在早二叠世剩余部分保持稳定。二叠世海平面开始有明显降低趋势，最终海平面最
17、低点出现在中生代的晚二叠世早期。海平面在晚二叠世的时候开始恢复，但是普遍低点持续到早三叠世。短期基准面变化持续时间通常是 0.53.0 个百万年。已经识别 172 个不连续的三级事件，其平均持续时间是 1.7 个百万年。在一些间隔期，区段还优先保存了四级旋回，表明长周期可能受轨道偏心率的控制。到目前为止已经识别四个这样的间隔期：中寒武世，中泥盆世，中-晚石炭世，早- 中二叠世；然而四级旋回可能更为广泛存在。较高频率是否完全取决于更快的沉积作用或者不明确的下伏标志。两个较为年轻的更高频率旋回间隔也于冰川作用周期一致，但对于两个较老的间隔没有成冰作用的记录。应该值得注意的是在早中密西西比河期，大多
18、数的三级旋回持续的时间看起来非常长。尽管特殊的长期旋回也出现在其他的时间，长期旋回一致的出现在早中密西西比世可能指出间隔的时间尺度问题。我们不能解释古生代所有短期海平面升降成因。尽管冰川作用在古生代被认为占据近28时间，但是这个时期余下部分没有记录。因此，冰川作用的盛行和衰退不能认为是古生代海平面波动唯一根本原因。不过，因为古生代冰川作用保留了残余碎片，这个问题能可被公开。相反有可能是其他原因，例如非气候原因。对于短期海平面的变化原因机制仍然有待发现。译自：A Chronology of Paleozoic Sea-Level Changes ；Bilal U. Haq,Het al. Science322,64 (2008)
