寒武纪

显生宙古生代的第一个纪

寒武纪（Cambrian）是显生宙古生代的开始，距今约5.42亿—4.85亿年前，始于埃迪卡拉纪末期灭绝事件，终于寒武纪—奥陶纪灭绝事件。它的前一个纪是新元古代埃迪卡拉纪，后一个纪是奥陶纪。

研究历史

概述

寒武纪最早由英国地质学家亚当·塞奇威克（Adam Sedgwick）于1835年提出，起初称寒武系（Cambrianseccessions），并将其分为早寒武纪（Lower Canbrian）、中寒武纪（Middle Cambrian）、晚寒武纪（UpperCambrian）。1839年，默奇森（Roderick Impey Murchison）将其划分在志留系下。这段冲突一直持续到1879年，拉普华兹（CharlesLapworth）在这两个系统之间插入了奥陶纪（Ordovician）。

在塞奇威克提出寒武纪接下来的很多年内，国际上并没有对寒武纪的地质年代进行明确划分，也没有对寒武纪的各个时期设定标准。导致很长一段时间内，不同的的地区对寒武纪的年代划分都不太相同。直到1960年，在丹麦哥本哈根举行的第21届国际地质大会

国内贡献

早在十九世纪，便有地质学者发现中国山东张夏、崮山、馒头山一带的寒武纪地层发育和出露都十分良好，且紧靠津浦铁路，交通便利，十分适宜科学研究工作。在后续寒武纪相关的地层学研究中，该地区一直被国内外地质学者所重视。

张夏寒武纪地层的标准剖面，分别位于张夏和崮山一带的馒头山、虎头崖、黄草顶、唐王寨、范庄等地。其中的馒头山是徐庄组、毛庄组、馒头组的剖面，虎头崖～黄草顶是张夏组的剖面，唐王寨是崮山组、长山组的剖面，范庄是凤山组的剖面。

馒头山位于张夏镇南2公里，104国道的西侧。因其状如馒头而得名。山的北麓有两个名为徐庄和毛庄的小村子。它是张夏寒武纪标准地层剖面的馒头组、毛庄组、徐庄组的建组和命保所在地。

1903年，美国地质学家B·维里斯和E·布莱克威尔德在张夏、崮山、莱芜九龙山等地展开了考察。通过测量剖面并采集化石，他们对寒武纪地层作了初步划分。1907年，他们的研究成果正式发表：张夏、崮山一带的寒武纪地层被自下而上划分为馒头页岩、张夏灰岩、崮山页岩、炒米店灰岩。

继维里斯和布莱克威尔德之后，美国古生物学家毕可脱（1913年），中国著名的地质学家孙云铸（1923年），日本人远藤隆次（1939年）、小林贞一（1941年、1942年、1955年）均相继研究过这一带寒武纪地层中的生物化石。

1953年，卢衍豪、董南庭重新观察了张夏、崮山一带寒武纪标准剖面，将B·维里斯和E·布莱克威尔德的划分进行了修正和细化。他们将馒头页岩自下而上再分为馒头组、毛庄组、徐庄组，并把馒头组和毛庄组置于下寒武统，把徐庄组归入中寒武统；将炒米店灰岩再分为凤山组及长山组；将张夏地区寒武系确定为7个单位和17个三叶虫化石带。

1959年，位于泰山北侧的张夏寒武纪地层剖面在全国地层会议上被正式定为华北寒武系标准剖面。1958-1961年，北京地质学院在泰山地区进行1：20万区调，将泰山变质岩命名为太古代泰山群，自下而上划分为万山庄、雁翎关、山草峪组等。1960-1962年，山东地质局805队开展包括泰安南留幅等23幅1∶5万区调联测。1963-1965年，山东地质局805队进行1∶5万泰安幅区调，将泰山变质岩称为泰山杂岩，划分为望府山、笤帚峪、唐家庄、盂家庄、冯家峪等五个岩组。同时，地科院程裕淇等，山东地质局805队郑良峙、张成基等人开展变质岩专题研究，确立了雁翎关、山草峪组层序，开展变质岩的岩石学研究。

1978年以后，随着国内对泰山的管理进一步重视，泰山的保护和开发建设得到了系统性的加强，泰山的面貌有了巨大的变化，对泰山的地质研究工作，也进入了一个以专题研究为主的深入发展阶段。1980年，应思淮研究员对泰山变质岩进行了专题研究，并出版专著《泰山杂岩》。1981-1984年，山东矿业学院吕朋菊教授对泰山的形成进行了专题研究，并发表了《泰山形成及其年龄》一文。1982-1985年，山东区调队郑良峙、王世进等人进行了鲁西泰山群专题研究，新建柳杭组，置于雁翎关组和山草峪组之上。1982-1987年，山东地矿局第一地质队马云顺、翟颖川等对鲁西太古代绿岩带含矿性进行专题研究。1982-1984年，赵世英等进行红门“桶状构造”的专题研究，并发表《泰山红门“桶状构造”成因的探讨》论文。1982-1985年，地科院朱振华硕士填制了泰山山前1∶2.5万地质图，完成硕士论文，发表“泰山太古宙岩浆杂岩体的岩石化学和地球化学特征”论文。1983-1986年，法国雷恩大学江博明等，地科院沈其韩等，山东地矿局董一杰等对中国太古宙地壳演化进行专题研究，认为泰山杂岩的大部分为变质侵入岩（灰色片麻岩），称之为望府山片麻岩，取得大量地球化学和同位素年龄资料。1986-1987年，北京大学谢凝高等进行泰山风景名胜区资源综合考察评价及其保护利用研究。1986-1990年，山东区调队王世进等进行1∶20万泰安、新泰幅修测。同期，地科院徐惠芬、山东地质一大队董一杰等人对山东鲁西太古宙绿岩带和鲁西太古代地层等进行专题研究，系统总结了泰山岩群的分布、层序、变质作用的特点，并出版专著。

1987年联合国教科文组织把泰山列为世界自然与文化遗产，泰山的地位和影响发生了历史性的变化。1989-1990年，山东矿业学院吕朋菊教授等对泰山周围重力滑动构造进行专题研究，发表了“泰山周围太古界与古生界不整合面上滑动构造的发现”论文。1990年，山东省地矿局第一地质大队董一杰等发表《泰山地区太古宙杂岩体的地球化学特征》论文。1990－1993年，山东地矿局曹国权等人发表《鲁西早前寒武纪地质》专著。1993－1996年，地质矿产部地质研究所、山东第一地质矿产勘查院进行泰安市幅1∶5万区域地质调查。1994－1995年，吕朋菊教授就泰山新构造运动的进行专题研究，发表了《新构造运动与现今泰山的形成及地貌景观》论文，并对泰山地质地貌进行总结，撰写《泰山大全》之地质地貌篇。1995年地科院庄育勋等，山东地矿局第一地质大队张富中等就泰山地区新太古代～古元古代地壳演化研究的新进展发表论文。1997年，地科院庄育勋等，山东地矿局第一地质大队任志康等人在《岩石学报》发表论文《泰山地区早前寒武纪主要地质事件与地壳演化》。1998年，山东地勘局地质调查研究院吕发堂等就其研究成果发表《泰山地区晚太古代“框架侵入岩”的地质特征及稀土地球化学演化》论文。1999年，地科院王新社等，山东地矿局第一地质大队任志康等发表《泰山地区太古宙末韧性剪切作用在陆壳演化中的意义》论文。2000年，地科院地质力学所张明利等发表《新生代构造运动与泰山形成》论文。2002-2003年，山东科技大学吕朋菊教授等、泰山风景区管委会牛健等人进行泰山地质地貌特征及地学价值评价专题研究，并发表《泰山的地学价值及其意义》论文。2004年9月中国地质大学对拟建中国泰山世界地质公园的建设条件、地质遗迹和资源状况等进行了为期两周的研究考察。

张夏寒武纪地层剖面，在泰山主峰之北，位于泰安和济南之间交通干线的两侧，交通方便，而且构造简单，出露完全，十分有利于现场观察和研究。它是中国地层和古生物研究历史最长、研究程度最高的地层剖面之一，在中国地质学史上占有很重要地位。1959全国地层会议后，被正式确定为中国北方寒武系的标准地层剖面，在中国不同地区寒武纪地层对比和国际寒武纪地层对比方面起着重要作用，同时也是许多寒武纪古生物种属（蒿里山虫Kaolizhania、中华莱德利基虫RedichiaChinensis、馒头褶颊虫Ptychopariamantoensis、山东虫Shantungia、孙氏盾虫Sunasp-isLavevis）命名地或模式标本的原产地。因此，这个标准地层剖面，在国内外十分闻名，长期以来有许多国内外地质学者不断来此参观考察，同时也成为中国大专院校地学的重要实习基地，无论在地质科学方面，还是在生产实践以及地质教育方面，都具有很高的科学价值。

阶段划分

注：FAD：first appearance datum，指通过某种生物首次出现而定义的年代单位；FO：firstoccurrence，指通过某个化石首次出现而定义地理单位。由于地质断层、化石保存不完好等因素，二者会产生差别。

地质特征

地层剖面

位于泰山北侧的张夏寒武纪地层剖面，把寒武系划分为下、中、上统的7个地层单位，包括下统的馒头组，中统的毛庄组、徐庄组、张夏组，上统的崮山组、长山组、凤山组。现从老至新简述如下：

馒头组主要由泥质、白云质灰岩及紫红色、黄绿色等杂色页岩组成。下部灰岩中含磁石结核和条带，上部页岩中具微细水平层理，中部页岩含有三叶虫化石～中华莱德利基虫。厚度119米。

毛庄组主要由紫色云母质灰岩和页岩组成。含三叶虫、腕足类及藻类化石。厚度39米。

徐庄组主要由紫灰色页岩和鲕状灰岩组成，其中下部的灰岩及灰质粉砂岩中常具斜层理或交错层理。含有徐庄虫等三叶虫化石及腕足类化石。厚度73米。

张夏组主要由鲕状灰岩和藻类灰岩组成，中夹杂色页岩。含德氏虫等三叶虫化石。厚度198米。

崮山组主要由竹叶状灰岩、疙瘩状灰岩和黄绿色页岩组成。含蝴蝶虫、蝙蝠虫等三叶虫化石。厚度51米。

长山组主要由迭层石灰岩、具红色氧化圈竹叶状灰岩、紫色页岩组成。含有庄氐虫、蒿里山虫等三叶虫化石。厚度70米。

凤山组主要由泥质灰岩和竹叶状灰岩组成。含济南虫、方头虫等三叶虫化石，以及海百合茎和腕足类化石。厚度130米。

矿产

寒武纪见证了很多矿产资源的形成，比如黑色页岩钒矿床。钒矿床可以分为四种基因类型：岩浆磁铁矿床（V-Ti-Fe）、砂岩V-U矿床、黑色页岩钒矿床和蒸发性钒酸盐矿床。尽管中国和其他地方的钒产量主要来自岩浆V-Ti-Fe矿床，但黑色页岩钒矿床占据了总资源的87%以上，具有巨大的开发价值。早寒武纪是中国黑色页岩寄生钒矿床最重要的成矿时期，约占总钒资源的81%。中国的黑色页岩寄生钒矿床主要分布在三个成矿带：塔里木地台北缘、扬子地台北缘和扬子地台东南缘。此外，黑色页岩是生油、生气的母岩，具有潜在经济价值，近期中国也逐步开展对黑色页岩的金属矿藏，如镍、钴的开发研究。

环境

气候

寒武纪的气候大部分时间处在一个适宜稳定状态，常被称为“温室”（greenhouseclimate），大气中CO2含量较高。显生宙（Phanerozoic）的前一亿年（5.4~4.4亿年前）呈现一个缓慢的全球降温趋势。在温暖的寒武纪之后，奥陶纪到志留纪中期（4.8~4.3亿年）的时间内逐渐降温，期间还经历了两次短暂且大范围的冰川活动。

目前学界对古气候的精细研究主要依赖于检测石灰岩样本中的氧、碳、锶等同位素含量的变化，并以此推断不同地质事件的时间。例如，通过对小壳化石（small shellyfossile, SSF）的18O同位素分析发现，寒武纪早期的海洋表面温度（sea surface temperature, SST）大致处于20 ~ 25℃；利用方解石和文石岩层以及牙形石的磷灰石化石中δ18O的普遍增加等信息可以推断出芙蓉期到志留纪的大范围气温下降。由于对这类地址样本的严重依赖，对寒武纪地层的研究在更精细的尺度上还有诸多空缺。

海平面变化

寒武纪时期是一个总体温暖的时段，海平面相对较高，海洋分层，生态系统条件相对稳定，被描述为“温室”气候状态，但依然有证据表明出现过海平面的突然变化，暗示可能发生了冰蚀。目前科学界普遍认为，全球突发的海平面变化是触发生物进化的关键因素，如寒武纪生物大爆发和三叶虫灭绝等。导致海平面变化的机制尚未明确。

寒武纪地层的一个普遍特征是沉积物周期性，宏观上反映了寒武纪海平面历史的周期性。截至目前，寒武纪上半部分全球地层剖面（GSSP）的详细海平面模式阶段线已被界定，而下半部分仍有所欠缺。

全球范围内，寒武纪中最容易识别的沉积层之一是 Ptychagnostusgibbus Zone（在寒武纪中期磷质石灰石中发现的“Halkieria”，Halkieria是寒武纪一类躯体上披有骨质鳞片的疑难后生动物, 前后各有一个大壳板, 两侧对称, 其钙质骨片在软躯体上排列形成几条规律的纵向带。[9][10]）的起始位置。该地层以较不连续和可观测到海面升降造成的沉积为特点，因此较容易观测。从 P.gibbus Zone的基底部向上，至少可以识别出五个明显的沉积循环，这些循环大体上可以与寒武纪的时期划分对应。更细致的地层节律性可以在生物干扰较少的地层中观测到，特别是有机质较为丰富的黑色页岩和黑色石灰岩。然而，总的来说，寒武纪地层沉积的节律性研究不足，还需要更进一步的研究去揭示海平面的周期性和沉积的机制。

注：自2018年，ICS将第三世（Series 3）更名为苗岭世（Miaolingian）。该图片原文献出版于2015年，因此仍采用“第三世”。

生物

寒武纪的生物形态奇特，和现在地球上所能看见的生物极不相同。比较著名的有早寒武世云南的澄江生物群、加拿大中寒武世的布尔吉斯页岩生物群。寒武纪的生物界以海生无脊椎动物和海生藻类为主。无脊椎动物的许多高级门类如节肢动物、棘皮动物、软体动物、腕足动物、笔石动物等都有出现。其中以节肢动物门中的三叶虫纲最为重要，其次为腕足动物，古杯类、古介形类、软舌螺类、牙形石、鹦鹉螺类等也在寒武纪出现。此外，寒武纪也存在高等脊索动物，如中国云南澄江生物群中的华夏鳗、云南鱼、海口鱼等，加拿大布尔吉斯页岩中的皮开虫，美国上寒武纪的鸭鳞鱼。

寒武纪动物群以节肢动物门在数量和种类上占据主导地位，带壳、具骨骼的海洋无脊椎动物趋向繁荣，它们营底栖生活，以微小的海藻和有机质颗粒为食物，其中，最繁盛的是三叶虫，故寒武纪又称为“三叶虫时代”。目前，全球范围内已记录了数百个属和上万种寒武纪三叶虫。寒武纪三叶虫的化石发现地层间隔较短，说明其进化速度相对较快，在生物地层学相关性研究方面具有很大的价值。与三叶虫相比，介形亚纲动物在整个寒武纪中通常较为罕见且种类较少，仅在澳大利亚和中国的一些岩石中有发现。不过三叶虫并非是寒武纪种类最丰富的纲，在一些罕见的地点发现的化石表明，许多其他种类的节肢动物在局部地区比三叶虫更为多样化，但都普遍具有未矿化的骨骼。

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