奧陶紀以來生物貝殼生長紋層與地月軌道參數(shù)的演化

1、奧陶紀以來生物貝殼生長紋層與地月軌道參數(shù)的演化周瑤琪1，2，趙振宇1，2，冀國盛21. 石油大學地球化學與巖石圈動力學開放實驗室，山東 東營 257061；2. 石油大學資源與信息學院，山東 東營 257062摘要：通過顯微鏡、掃描電鏡以及微量化學成分分析，對現(xiàn)代瓣鰓類粗飾蚶、花蛤和腹足類紡錘螺，第三紀美殼螺，三疊紀克氏蛤，石炭二疊紀燕海扇，泥盆紀云南貝、顛石燕，奧陶紀震旦角石、赫南特貝等貝殼生長紋層進行了綜合研究。結(jié)果表明，奧陶紀以來貝殼生長紋層具有年、半年、雙周、日、半日生長周期的變化，年中所含雙周生長紋層數(shù)、雙周所含日生長紋數(shù)均呈遞減的趨勢。通過觀測計算得出：奧陶紀每年的日數(shù)為 415.

2、69 d，泥盆紀為 407.1 d，石炭二疊紀為400.51 d，三疊紀為 393.98 d，第三紀為 374.13 d，第四紀為 367.4 d，表明自奧陶紀以來有地球自轉(zhuǎn)速度變慢、地月距離增大、月球后退速率減小等變化趨勢。關(guān)鍵詞：奧陶紀第四紀；生物貝殼；生長紋層韻律；地月軌道參數(shù)中圖分類號：Q13；P183.3；P184.4文獻標識碼：A文章編號：1672-2175（2005）05-0625-06越來越多的資料表明月球的旋轉(zhuǎn)速度在不斷增加，而地球的旋轉(zhuǎn)速度在不斷減慢。Runcorn（1964，1969，1970）建議利用古生物鐘資料計算地球轉(zhuǎn)動慣量的變化，進而檢驗宇宙引力常數(shù)的變化和月球退

3、離地球的速率1。Pannella（1975）通過識別生物生長紋層的周期，探討當時起過作用的地質(zhì)環(huán)境和天文周期2。Barker（1964）在美國東海岸現(xiàn)代瓣鰓類貝殼的顯微構(gòu)造中發(fā)現(xiàn)了多級生長規(guī)律， 并反映了當?shù)氐某毕芷?。 Berry 等 （1975）認為瓣鰓類貝殼有由 15 個生長紋層組成的簇帶，解釋為在潮汐作用影響下形成的產(chǎn)物4。Rosenberg等人（1975）用電子探針研究了瓣鰓類殼體不同生長紋層微量元素成分的變化，發(fā)現(xiàn)生長紋層中鈣和硫的含量有相當于雙周期潮汐旋回規(guī)律性的變化等5。國內(nèi)尹贊勛等（1976）論證了古生物鐘的可靠性6，徐道一（1983）等對地球自轉(zhuǎn)與古生物鐘進行了討論7。目

4、前關(guān)于這一方面的研究多集中在珊瑚、疊層石、瓣鰓類 3 種生物之上。本文通過顯微鏡、掃描電鏡以及微量化學成分分析對現(xiàn)代瓣鰓類粗飾蚶、花蛤和腹足類紡錘螺，第三紀美殼螺，三疊紀克氏蛤，石炭二疊紀燕海扇，泥盆紀云南貝、顛石燕，奧陶紀震旦角石、赫南特貝等生物貝殼生長紋層進行了分析，其中首次展開了腹足類、腕足類、頭足類殼體的研究。并對奧陶紀以來地球自轉(zhuǎn)速度的演變、地月距離以及月球后退速率變化等進行了初步討論。1奧陶紀以來生物貝殼生長紋層1.1半年、年生長周期與冷、熱生長間斷海水溫度變化是影響貝殼生長速率的主要因素之一。溫度偏低或偏高，都會對殼體生長產(chǎn)生不利的影響，比如生長紋層變窄或出現(xiàn)冷、熱生長間斷。冷生

5、長間斷形成于初冬海水溫度明顯降低之時，它通常標志著第一次冰點的到來；熱生長間斷通常發(fā)生在初夏高溫水流到來的時候，兩者特點非常相似4。如照片 1 現(xiàn)代粗飾蚶（Anadara） ，冷、熱生長間斷的典型特征是在殼體的外表面有一個“V”字型刻痕，有機質(zhì)會從殼體外層一直延伸到內(nèi)層，形成一個褐色帶，多數(shù)情況下以上兩種間斷每年都會發(fā)生。這提供了一種精確估計貝殼生長年齡的方法，在貝殼表面可以很容易界定出半年、年生長周期：冷-熱生長間斷為半年生長周期；冷-冷生長間斷為年生長周期。同樣，照片 2 也展示了石炭二疊紀燕海扇（Aviculopenten）的冷、熱生長間斷及半年、年生長周期。 W：冷生長間斷；S：熱生長

6、間斷；A：年生長周期照片 1現(xiàn)代粗飾蚶（Anadara）冷、熱生長間斷與年生長周期2Photo. 1The freeze-shock and heat-shock break and annual growthperiod of the Anadara in present2一個完整的年生長周期由約 24 條次級生長紋層組成。Berry 等（1975）在研究了現(xiàn)代瓣鰓類貝殼生長紋層后認為這些次級生長紋層的個數(shù)與現(xiàn)代每年潮汐雙周數(shù) 24 相對應，并稱其為雙周生長紋層4。本文樣品現(xiàn)代瓣鰓類花蛤（Astartell） ，年生長周期寬約 8.9 cm，由 2425 條雙周生長紋層組成，厚度從 0.20

7、.5 mm 不等，平均約 0.37 mm，整體呈現(xiàn)出窄寬窄的變化趨勢 （圖 1-系列 1） 。 對于保存較好的三疊紀克氏蛤（Claraia）化石（照片3）也可觀察到這種生長變化趨勢，年生長周期寬約 10.3 mm，由 25 條雙周生長紋層組成，厚度從0.20.53 mm 不等，平均約 0.41 mm（圖 1-系列 2） 。這種生長模式變化與海水溫度的季節(jié)變化相對應：124 月份溫度偏低，貝殼生長速率較低，生長紋層寬度較窄；511 月份溫度適宜，貝殼生長速率較高，生長紋層相對較寬。1.2半日、日、雙周生長周期與潮汐韻律日生長紋層由一個碳酸鈣層（明紋）和一個有機質(zhì)層（暗紋）組成。Rhoads 和

8、Pannella (1970)，Kennish (1977, 1978) 等曾研究了貝殼的微生長模式指出，貝殼的日生長紋層表明了一個韻律周期。照片 4、5 分別展示的現(xiàn)代紡錘螺（Fusus）和奧陶紀震旦角石 (Sinoceras) 日生長紋層表明，不同種類貝殼日生長紋層的厚度存在差別，如石炭二疊紀 燕 海 扇 （ Aviculopenten ） ， 泥 盆 紀 云 南 貝（Yunnanella） ，奧陶紀震旦角石（Sinoceras）日生長0.150.250.350.450.55159131721252933雙周周期數(shù)雙周紋層厚度/mm系列1系列2系列 1：橫坐標 2、25 處為冬季生長間斷，

9、14 處為夏季生長間斷系列 2：橫坐標 6、30 處為冬季生長間斷，14 處為夏季生長間斷圖 1花蛤、克氏蛤部分雙周生長紋層厚度變化Fig. 1The width changes of the successive fortnightlylaminates in the part of Astartell and ClaraiaF-雙周生長周期照片 5奧陶紀震旦角石(Sinoceras)日、雙周生長周期15Photo. 5The fortnightly and daily growth periodsof the Sinoceras in Ordovician15F-雙周生長周期照片 4現(xiàn)代紡

10、錘螺（Fusus）雙周生長周期15Photo. 4The fortnightly growth periods of the Fusus in present15A：年生長周期照片 3三疊紀克氏蛤（Claraia）雙周、年生長周期4Photo. 3The fortnightly and annual growth periodsof the Claraia in Triassic4W：冷生長間斷；S：熱生長間斷；A：年生長周期照片 2石炭二疊紀燕海扇（Aviculopenten）冷、熱生長間斷與年生長周期2Photo. 2The freeze-shock and heat-shock brea

11、k and annual growthperiod of the Aviculopenten in Carboniferous-Permian2紋層的厚度分別變化于 840 m、57.5114.9 m、20.841.6 m 之間（表 1） ?，F(xiàn)代蘭蜆（Corbicula）顯微結(jié)構(gòu)中還可以看到半日生長紋層（照片 6） ，其典型特征是兩條較寬的有機質(zhì)層中間夾雜著一條較窄的有機質(zhì)細帶，非常明顯，此帶時有時無，反映了貝殼產(chǎn)地渤海灣附近海域受半日潮汐的影響。泥盆紀云南貝也有這種生長模式出現(xiàn)。雙周生長紋層由約 1416 條日生長紋層組成。在顯微鏡下對現(xiàn)代紡錘螺連續(xù)生長的日生長紋層個數(shù)進行觀測發(fā)現(xiàn)：殼體雙周

12、周期中日生長紋層個數(shù)平均約 14.5 條，寬約 73.7 m，紋層厚度明顯表現(xiàn)出寬窄寬的變化，分別對應著潮汐中大潮小潮大潮的韻律周期（圖 2） ；對其化學成分分析顯示，殼體主要由碳（C） 、鈣（Ca） 、氧（O）3 種元素組成（圖 3） ，其中 Ca 和 C 的含量呈現(xiàn)出負相變化關(guān)系及雙周期性變化規(guī)律。這充分說明，潮汐作用對于生活在潮間帶的海洋軟體生物貝殼生長模式的影響是非常顯著的呈現(xiàn)雙周變化規(guī)律。目前，關(guān)于海洋軟體動物貝殼日生長紋層的形成及其寬窄的影響因素說法不一： Donald C. Rhoadsand Richard A. Lutz（1980）認為與殼體自身的生活習性有關(guān)。Pittend

13、righ（1960）認為在生命系統(tǒng)中，近似晝夜節(jié)律是內(nèi)生的，是自我規(guī)定的振蕩，斷然否定了除光和熱外其他環(huán)境條件的作用。Licht（1972）也有類似的意見。Barker（1964） ，Pannella和 Macclintock（1968） ，Rhoads 和 Pannella（1970）等指出水溫和年齡是兩個主要的影響因素4。筆者通過對第三系湖泊相美殼螺（Cochliopa）的研究發(fā)現(xiàn)，日生長紋層厚度的雙周變化規(guī)律并不明顯，而且生長紋層的完整性也比較好，很少有分叉、折斷現(xiàn)象發(fā)生，充分說明了貝殼生活在較為平靜的水體環(huán)境中，這與海相生物貝殼日生長紋層厚度具有明顯的雙周變化規(guī)律不同，證明了潮汐作用也

14、是海相貝殼日生長紋層厚度變化以及半日生長紋層有無的主要控制因素之一，同時也說明了用海0102030405060701510152025半日紋層個數(shù)氧（O)碳（C)鈣（Ca)大潮小潮大潮圖 3紡錘螺貝殼雙周日紋層化學元素半定量分析Fig. 3The chemical composition analyze of daily growthincrements in a fortnightly laminate of Fusus表 1日生長紋層寬度Table 1The width of daily increments/m序號云南貝震旦角石燕海扇11725.025.057.568.912122183

15、3.433.468.980.5122031933.431.2114.978.5202442031.225.091.991.9402652133.432.5114.980.534862241.641.680.591.9363272341.641.668.9103.4344082433.433.468.9103.4283292541.637.591.968.93230102633.441.680.5103.43232112729.133.457.591.93632122825.029.168.980.53630132920.825.068.991.91226143025.029.168.980.5

16、1226153129.127.191.991.91612163233.468.912160510510紋層寬度（X100um)暗紋明紋雙周周期 雙周周期雙周周期大潮大潮大潮小潮小潮小潮紋層個數(shù)圖 2紡錘螺顯微鏡下多個雙周日生長紋層寬度變化曲線Fig. 2Curved line graph of width changes of thedaily increments of Fusus in microscopeD：日生長紋層；O：半日生長紋層照片 6現(xiàn)代蘭蜆（Corbicula）半日、日生長周期60Photo. 6The bidaily and daily growth periods oft

17、he Corbicula in present60紋層寬度/10 4m質(zhì)量分數(shù)/%半日紋層個數(shù)氧（O）碳（C）鈣（Ca）洋軟體動物來標定潮汐韻律周期的準確性，其簡單機理見表 2。1.3貝殼生長紋層間斷與隨機事件貝殼生長紋層的間斷主要包括產(chǎn)卵間斷、侵蝕間斷、風暴間斷以及冷、熱生長間斷等，記錄了生物生長過程中遇到的各種隨機事件。產(chǎn)卵間斷為貝殼產(chǎn)卵期間正常的日生長模式突然終止，同時被一些薄的、模糊不清的生長紋所替代，一般薄生長紋周期的長短與產(chǎn)卵周期相對應，殼體外部結(jié)構(gòu)常為“十”字紋層（照片 7） 。侵蝕間斷為海浪作用使貝殼破壞或在貝殼遷移過程中磨蝕砂體或巖石留下的痕跡，在殼體外表面產(chǎn)生一條起伏不平的

18、裂紋，在間斷前后生長紋層的厚度無明顯變化，由于加速修補整個修補區(qū)的生長紋層與周圍的正常生長模式不同， 表現(xiàn)為顏色加深， 有機質(zhì)含量偏高 （照片 8） 。風暴間斷是由風暴作用導致貝殼生長紋層的間斷，其特征是貝殼的正常日生長模式突然發(fā)生中斷，之后又突然恢復，在間斷前后生長紋的厚度無明顯變化，但在間斷附近的生長紋層中可含有泥沙顆粒（照片 9） 。通過研究生物貝殼生長紋層間斷可推知貝殼生長期間所發(fā)生的某些隨機事件。2奧陶紀以來地球自轉(zhuǎn)速度的演化以現(xiàn)代貝殼生長紋層的韻律性研究為基礎(chǔ)，對奧陶紀以來生物貝殼生長紋層的韻律性進行了系統(tǒng)的觀測與統(tǒng)計，通過計算獲得奧陶紀有關(guān)地球自轉(zhuǎn)速度的各種參數(shù)，其結(jié)果見表 3。

19、將每年太陽日天數(shù)與 Wells（1970）對珊瑚化石的統(tǒng)計結(jié)果相比較一般相差 14 d，三疊紀每年太陽日天數(shù)相差約12 d8，其原因與生物生長過程中受到隨機事件的影響有關(guān)。計算參數(shù)的有關(guān)公式如下：地史時期每年太陰日數(shù)：Ay=FaDa其中 Ay為每年太陰日天數(shù)； Fa為每年潮汐雙周數(shù)；Da為雙周周期中日生長紋數(shù)。每年太陰日數(shù)和太陽日數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)化公式9：Ad=1.03Ay表 2潮汐對貝殼生長的影響Table 2The changes of growth increments in tides潮汐類型物理條件化學條件結(jié)果漲潮水體動蕩加劇， 氧氣含量較高， 食物充分循環(huán)， 此時殼體雙殼張開， 體內(nèi)

20、進行有氧呼吸殼體內(nèi)部 pH 值升高，促 使 化 學 平 衡 ：Ca2+HCO3-CaCO3H+右移沉淀 CaCO3，形成鈣質(zhì)層明紋落潮情況相反， 此時殼體的雙殼閉合， 酸脂含量開始升高，即 H+開始增加促使以上化學平衡向左移動，Ca2+隨體液、新陳代謝流出形成有機質(zhì)層暗紋大潮水體大范圍波動， 氧氣含量更高， 食物來源更加豐富含有鉀、鈉、氯等微量元素形成較寬的日生長紋層小潮情況同大潮相反含有少量微量元素形成較窄的日生長紋層照片 9現(xiàn)代蘭蜆（Corbicula）風暴間斷6Photo. 9The storm break of the Corbicula in present6照片 7現(xiàn)代粗飾蚶（An

21、adara）產(chǎn)卵間斷2Photo. 7The spawning break of the Anadara in present2照片 8現(xiàn)代平頂螺（Truncatus）磨蝕間斷2Photo. 8The abrasion break of the Truncatus in present2泥顆粒其中 Ad為每年太陽日天數(shù)；Ay為每年太陰日天數(shù)；1.03 為現(xiàn)今每年太陽日天數(shù)和太陰日天數(shù)之比值。地史時期太陽日的小時數(shù)：th=Ao24/Ad其中 Ao為現(xiàn)代每年太陽日天數(shù)；th為地史時期太陽日的小時數(shù)。地史時期恒星月數(shù)：Ts=Fa/2+1其中 Ts為地史時期恒星月數(shù)； Fa為每年潮汐雙周數(shù)。地史時期地

22、月之間的距離_開普勒運動第三定律：(l0/l)2=(d0/d)3其中 l0、l 分別為現(xiàn)代和古代恒星月長度；d0、d 分別為現(xiàn)代和古代地月之間的距離。地史時期月球后退的平均速率10：v=v0(d0/d)-11/2其中 v0為 d = d0時月球的平均后退速率；v 為地史時期月球后退的平均速率。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，并參考 Wells（1970） 、Pannella（1972）有關(guān)白堊紀、侏羅紀、志留紀（珊瑚化石、瓣鰓類化石）的統(tǒng)計結(jié)果9，繪制出奧陶紀以來每年太陽日天數(shù)變化趨勢圖（圖 4） 。從圖可以看出自奧陶紀以來地球自轉(zhuǎn)速度呈變慢的趨勢，但并非完全的線性關(guān)系。從表 3 可以看出奧陶紀以來地月距離不斷

23、增加、月球后退速率不斷減少。上述結(jié)果與E.Williams（1990） 、周瑤琪（2002）等人從潮汐韻律研究所得的結(jié)果相一致10, 11。3結(jié)論通過對奧陶紀以來海洋軟體生物貝殼生長紋層模式的分析和研究，主要得出以下四點結(jié)論。（1）潮間帶海洋軟體生物貝殼生長紋層具有五級生長規(guī)律，分別為年、半年、雙周、日和半日生長周期。研究表明自奧陶紀以來，年中所含雙周生長紋層數(shù)、雙周所含日生長紋層數(shù)均呈遞減的趨勢。（2）通過海、湖相貝殼生長紋層對比，進一步肯定了潮汐作用對于生活在潮間帶海洋軟體生物貝殼生長模式影響的顯著性，同時也說明了用海洋軟體動物貝殼生長紋層來標定潮汐韻律周期的準確性。（3）對于貝殼生長紋層

24、中各種隨機生長間斷的研究，可推知在貝殼生長期間所發(fā)生的某些隨機事件，其中化石中微量元素的變化，可作為環(huán)境突變的指示劑。（4）通過觀測計算得出：奧陶紀每年的日數(shù)為 415.69 d，泥盆紀為 407.1 d，石炭二疊紀為400.51 d，三疊紀為 393.98 d，第三紀為 374.13 d，表 3奧陶紀以來地月軌道參數(shù)Table 3Orbital parameter of the Earth-Moon from Ordovician to Quaternary地質(zhì)時代化石名稱標本數(shù)每月太陰日數(shù)每年雙周每年太陽日數(shù)/d每日小時/h地月距離/地球半徑月球后退速率/(cma-1)恒星月每年天數(shù)1)/

25、d第四紀紡錘螺紅螺貽貝529.0024.60367.402460.273.713.37360第三紀美殼螺129.4024.71374.1323.4560.183.7413.41371三疊紀克氏蛤330.6025.00393.9822.2559.883.8313.5381石炭-二疊紀燕海扇米克貝330.8025.25400.5121.8959.523.9613.63398泥盆紀云南貝顛石燕愛曼妞弓石燕631.0025.50407.1021.5359.154.1013.75406奧陶紀赫南特貝震旦角石隱月貝等731.3125.78415.6920.8358.764.2513.894121) 為 W

26、ells（1970）對珊瑚化石的統(tǒng)計結(jié)果3203604004402.457127196220236260440406地史 時期每 年天 數(shù)/dNKTPDOJCSQ圖 4奧陶紀以來每年太陽日天數(shù)趨勢Fig. 4The solar days of a year form Ordovician to Quaternary地史時期/Ma地史時期每年天數(shù)/d第四紀為 367.4 d，表明自奧陶紀以來有地球自轉(zhuǎn)速度變慢、地月距離增大、月球后退速率減小等變化趨勢。參考文獻：1ALLEN J R L. Lower Cretaceous tides revealed by crossbedding withmu

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