《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：The Hirnantian-Rhuddanian succession in East Central United States: New implications for latest Ordovician to early Silurian sea level
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该研究通过碳同位素与生物地层学证据，确认了美国东南部俄亥俄州和印第安纳州东南部存在薄层但富含化石的上Hirnantian阶地层，构建了序列地层框架，揭示了晚奥陶世至早志留世期间冰川海平面波动对东部北美地质记录的影响。
Cole F. Farnam | Carlton E. Brett | Lincoln Shoemaker | Jisuo Jin | Robert J. Elias | Christopher B.T. Waid
Nanoscience Instruments Inc., 5845 Richmond Highway, Suite 150, Alexandria, VA 22303, USA
摘要
要详细了解晚奥陶世至早志留世的冰川作用和希南蒂安期的大规模生物灭绝事件，需要高分辨率的海平面和气候事件模式及时间信息。在美国东部，这些记录尤为缺乏，因为此前认为该地区不存在希南蒂安期的地层。通过对新的和之前报道的生物地层学证据以及碳同位素化学地层学数据的综合分析，发现俄亥俄州南部和印第安纳州东南部保存有薄而广泛分布的含化石的上希南蒂安期地层。在俄亥俄州和印第安纳州的辛辛那提拱形地带的Whippoorwill组下部泥岩和碳酸盐岩中，Ozarkodina hassi带内的δ13Ccarb值升高，这表明了希南蒂安期同位素碳偏移（HICE）的上部特征。O. hassi带的笔石、腕足动物、珊瑚以及属于全球公认的Edgewood-Cathay动物群的达尔马尼特三叶虫的存在，强烈支持Whippoorwill组属于希南蒂安期的最晚阶段。通过对Whippoorwill组及其上覆地层的序列地层学研究，在俄亥俄州和印第安纳州识别出两个薄层序列（可能为第四级序列）：Hirnantian-2A（H2A）和Hirnantian-2B（H2B）。较老的Hirnantian（H1）序列在辛辛那提地区整体上缺失，可能被H2不整合面或Cherokee不整合面切断。在某些地方，H2A和H2B序列被更高的Ruddanian S1A侵蚀面（Brassfield组基底）切断或完全去除。此外，高度不规则的Aeronian S2B侵蚀面（Oldham基底）也可能局部切割下志留世、希南蒂安期甚至Katian期的地层。将这些序列及其边界不整合面在北美东部的对比揭示了这些序列可能主要受冰川海平面变化控制的特征。
引言
了解晚希南蒂亚期至早志留世的沉积序列和生物相特征对于重建晚奥陶世大规模生物灭绝后的冰川消退历史及海洋生物群的恢复至关重要。例如，最近对劳伦西亚和华南地区的Brevilamnulella腕足动物群的比较，发现了具有全球意义的上希南蒂亚期（主要为碳酸盐岩）地层，其特征是温暖水域的Edgewood型或Edgewood-Cathay型动物群（详见Rong等人2020年、Jin和Harper 2024年的研究）。在奥陶纪末期希南蒂亚期开始时（根据Goldman等人2020年的研究约为4.452亿年前；但Ling等人2019年认为约为4.431亿年前，Zhang等人2025年认为约为4.426亿年前），冈瓦纳大陆上形成了一个巨大的冰盖，随后在整个希南蒂亚期间至少发生了三次冰盖的进退周期（参见Ghienne等人2023年，第224页，图14）。晚希南蒂亚期最大的冰川周期（Ghienne等人2023年的Gondwanan LOGC 3期，从最上层的Metabolograptus extraordinarius带到下层的M. persculptus笔石带）对当时位于南亚热带的北美东部产生了广泛影响（参见Brenchley等人1994年、Trotter等人2008年、LaPorte等人2009年、Finnegan等人2011年、Kaljo等人2012年、Melchin等人2013年、Scotese 2023年、Zimmt等人2024年、Ghienne等人2023年的研究）。然而，晚奥陶世至早志留世期间相对海平面和海平面变化的细节因错误的相关性而变得模糊，导致不整合面的相对年代测定和模式存在不确定性（例如，比较Bergstr?m等人2006年、2011年研究中所谓的相关不整合面Hirnantian HA和HB的使用；详见Farnam和Brett 2023年的讨论）。部分原因在于对北美中西部奥陶纪-志留纪边界附近地层年代的误解。实际上，除了长期以来公认的密西西比河谷Girardeau和Edgewood地层外，人们曾认为美国东部缺乏希南蒂亚期地层。
俄亥俄州、肯塔基州和印第安纳州辛辛那提拱形地带出露的奥陶纪晚期至志留纪早期的地层保存完好且富含化石。自19世纪以来，该地区一直是研究奥陶纪晚期的标准参考区域（见图1）。然而，直到最近，人们还不知道辛辛那提拱形地带和阿巴拉契亚盆地边缘存在希南蒂亚期地层（Dennison和Head 1975年；Brett等人1990年、1995年、2006年）。部分原因是人们假设覆盖在广泛的“Cherokee不整合面”（Dennison和Head 1975年）之上的地层属于下志留世，尽管生物地层学年代存在不确定性（Fisher 1954年；Pollock等人1970年；Liberty和Bolton 1971年；Dennison和Head 1975年；Johnson 1981年；Brett等人1990年、1995年、2006年）。然而，最近的研究和新数据表明，在阿巴拉契亚盆地及其相邻陆架的一些地区，希南蒂亚期地层确实存在于Cherokee不整合面上方（见Dennison和Head 1975年的研究）。这些局部保存的地层为了解晚奥陶世大规模生物灭绝后的环境条件和生物群提供了窗口。
对安大略省和纽约州希南蒂亚期地层的研究为识别和探索俄亥俄州和印第安纳州更南部的希南蒂亚期地层提供了依据。最近关于Whirlpool组和Manitoulin组的研究表明，这些历史上被认为是志留世的地层实际上属于上希南蒂亚期（Stott和Jin 2007年；Bergstr?m等人2011年；Schroer等人2016年；Farnam和Brett 2023年；Elias和Hewitt 2023年）。通过地球物理测井进行的地下分析（Waid等人2018年）将纽约州的Whirlpool组（新确定为上希南蒂亚期，见Schr?er等人2016年；Farnam和Brett 2023年）与俄亥俄州的“Whippoorwill组”（此处之前称为Centerville Member）联系起来。之前的动物群和沉积学研究将这一层通常归入Brassfield组的基底，认为是下志留世（Foerste 1931年；Zaffos和Holland 2012年）。我们旨在根据当前对希南蒂亚期和Ruddanian期的定义重新研究Whippoorwill组（Goldman等人2020年；Melchin等人2020年）。
详细的生物地层学和碳同位素化学地层学研究表明，该地区保存有薄而局部富含化石的上希南蒂亚期地层残余。
在Whippoorwill组下部的Centerville Member中，通过生物地层学确认存在2‰的正碳同位素偏移，这表明该层形成于晚希南蒂亚期。此外，动物群研究还发现了全球公认的Edgewood-Cathay动物群（见Rong等人2020年；Jin和Harper 2024年），进一步支持其属于晚希南蒂亚期至早志留世的年龄。此前在辛辛那提地区仅记录到少量Edgewood-Cathay动物群（见Foerste 1931年），但新的发现提供了来自辛辛那提拱形地带的重要且保存完好的化石组合。
尽管形成了广泛分布的奥陶纪晚期不整合面，这些希南蒂亚期残余仍然得以保存，这些不整合面不同程度地切割了Katian期和上希南蒂亚期地层。在某些地区，希南蒂亚期地层的透镜体可能代表了古河谷填充物，有助于保存晚希南蒂亚期的低水位沉积物。较高的Ruddanian和Aeronian不整合面则复杂地切割了这些古老的不整合面，并不同程度地切割了希南蒂亚期和上Katian期地层。揭示这些不整合面有助于修订序列地层学，使其能够在北美东部和中部的奥陶纪晚期至志留纪早期进行对比。这些序列为理解冰川海平面变化提供了依据，本文对此进行了讨论。这些记录的海平面低水位为北美东部的希南蒂亚期至早Aeronian期的相对海平面曲线提供了参考。
方法
本研究采用多指标综合地层学方法，结合了现有的生物地层学数据、碳同位素化学地层学和高分辨率的异地地层学信息，验证了印第安纳州东南部和俄亥俄州南部存在晚希南蒂亚期地层。我们研究了辛辛那提地区所有主要露头处的奥陶纪-志留纪边界地层序列，以建立序列地层模型；具体描述见补充文件中的图1和附录A。
地层学和沉积学
下面概述了本研究的岩石地层学、生物地层学和碳同位素化学地层学发现（见相应部分）。所有δ13Ccarb同位素剖面显示，Whippoorwill组Centerville Member中的值较高，而在Belfast Member中逐渐降低。此外，钻探岩心的同位素剖面将这些高值与其他已记录的Katian期δ13C偏移（如Waynesville和Elkhorn）进行了对比。
序列术语
Brett等人（1990年、1995年）为阿巴拉契亚盆地（纽约州、宾夕法尼亚州和加拿大安大略省）的下志留世和中志留世制定了序列术语，这些术语已在阿巴拉契亚盆地边缘地区的多项研究中得到应用（例如Brett和Ray 2005年；McLaughlin等人2008年）。他们识别出六个较大的不整合面边界序列，每个序列对应于部分或全部岩石地层群，并为每个序列赋予了相应的名称。
讨论：对海平面变化和侵蚀事件的影响
如前所述，Whippoorwill组仅代表希南蒂亚期的最高部分，可能是志留世的最低部分，这一结论基于以下证据：中等程度的δ13C偏移、Belfast Member中存在O. hassi带笔石，以及Edgewood动物群的存在。因此，这些地层形成于早期希南蒂亚期不整合面之后（与第一次大规模冰川海平面下降相关），以及最后一次也是最强烈的冰川作用期间形成的不整合面之后（Ghienne等人）。
结论
- ●
希南蒂亚期同位素碳偏移的上部及其下降段的存在，结合生物地层学证据（如O. hassi带笔石、Streptelasma subregulare、Mucronaspis mucronata、Edgewood-Cathay腕足动物等），强烈支持俄亥俄州南部（此处之前提出）和印第安纳州东南部的Whippoorwill组属于晚希南蒂亚期的观点。
- Whippoorwill组包含典型的Edgewood-Cathay动物群组合。
CRediT作者贡献声明
Cole F. Farnam：撰写初稿、方法论制定、调查实施、数据分析。Carlton E. Brett：撰写审查与编辑、项目监督。Lincoln Shoemaker：撰写审查与编辑、调查实施、概念构思。Jisuo Jin：撰写审查与编辑、调查实施。Robert J. Elias：撰写审查与编辑、调查实施。Christopher B.T. Waid：撰写审查与编辑、调查实施。
未引用的参考文献
Ausich, 1986b
Ausich, 1986c
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢S. Oborny在碳同位素分析方面的帮助。T. Algeo、P. McLaughlin和D. Sturmer在项目开发过程中提供了重要意见和建议，该项目也是C. Farnam博士论文的一部分。感谢D. Crum发现了第一个Centerville海百合化石，以及J. McIntyre协助获取Sand Creek地区的样本。B.-L. Brett在摄影方面提供了支持。最后，本文得益于两位匿名审稿人的仔细审阅。
