西南極喬治王島新生代古生物特征及古環境探討

韋利杰

1.中國地質科學院地質力學研究所,北京 100081;

2.中國地質調查局極地地學研究中心,北京 100081;

3.自然資源部新構造運動與地質災害重點實驗室,北京 100081

0 引言

喬治王島是西南極南設得蘭群島 (South Shetland Islands)中最大的島嶼,長95km,寬25km,面積約1160 km2,位于南設得蘭群島的北端,南距南極半島(Antarctic Peninsula)約120km。中國第一個南極科學考察站——長城站 (Great Wall Station)就建在喬治王島的菲爾德斯半島(Fildes Peninsula)。

喬治王島介于南緯61°50′—62°15′和西經57°30′—59°00′之間,該區域接近南極大陸,且90%以上的區域被冰雪覆蓋,附近的海洋每年從4月上旬到12月上旬都會被海冰覆蓋,氣候寒冷,每年4月至11月的平均氣溫低于0 ℃。由于該島四面環海,全年氣溫溫差不大、多云、潮濕,西風強烈,夏季平均氣溫約為1.5 ℃,冬季則為-5 ℃。由于南極嚴酷而獨特的自然地理條件,現僅在南極冰蓋邊緣生長植物,且隱花植物占優勢,僅有兩種開花植物生長,南極漆姑草 (Colobanthus quitensis)和南極發草 (Deschampsia antarctica)(Smith,1994)。

喬治王島因出現了從晚白堊世到古近紀沉積的各種陸相化石和早中新世海相化石而聞名,南極最長的冰川沉積記錄位于西南極南設得蘭群島的喬治王島 (Oh et al.,2020)。無論是全球性的還是區域性古氣候事件所引起的環境變化,都對生物產生深遠影響。生物要么被迫適應不斷變化的環境,要么遷移到更有利的棲息地,要么滅絕。所有這些對生物產生影響的古氣候事件都保留在地層和沉積記錄中,因此,可以用保存在地層中的古生物重建古環境和古氣候事件等。南極的動植物化石一直以來都是理解世界最南端的歷史及其地球氣候歷史的關鍵證據,特別是對理解南極冰蓋演變歷史做出了獨特的貢獻。

文章通過對喬治王島地層中的古生物化石進行系統的整理,總結研究區域的古生物特征,探討喬治王島新生代古環境,揭示西南極喬治王島新生代古生物及多樣性的變化趨勢,為南極冰蓋演變歷史提供證據。

1 區域地質概況

南設得蘭群島位于古太平洋板塊與南極板塊的拼合部,主要由古太平洋板塊向南極板塊的俯沖過程中形成一套統稱為安第斯侵入巖套和南極半島火山巖群。中新生代時,這里經歷了強烈的火山活動。布蘭斯菲爾德海峽 (Bransfield Strait)在約上新世之后才將南極半島與南設得蘭群島分開(Barker et al.,1991;陳廷愚等,1995)。南設得蘭群島呈北東向分布,長達550 km,是一個中新生代的活動帶,火山活動有從西南向東北遷移的趨勢,白堊紀巖漿作用主要發生在西南部的利文斯頓島 (Livingston Island)、格林尼治島(Greenwich Island)、羅伯特島 (Robert Island) 和納爾遜島(Nelson Island),而到新生代則遷移到東北部的喬治王島和部分納爾遜島 (Kraus et al.,2010)。喬治王島新生代發育有一套高鉀低鋁的拉斑玄武巖,夾火山碎屑巖,屬于島弧火山巖系列(圖1)。

圖1 喬治王島地理位置及南設得蘭群島區域構造格架圖(底圖據Google Earth)Fig.1 Location of King George Island and structural frame and tectonic map of the South Shetland Islands (based on Google Earth)(a)Simple diagram of geotectonic units in Antarctica (the original diagram after Wei, 1986); (b)Geographical map of the South Shetland Islands (based on Google Earth)

2 地層特征

喬治王島主要由新生代島弧火山巖系組成,但其中90%以上的面積為冰蓋和冰川覆蓋 (Birkenmajer,1989)。喬治王島的古近系沉積物是與混合噴發型活火山相關的沉積物 (Smellie et al.,1984),它主要由火山巖、火山碎屑巖和火山碎屑沉積物組成(Haase et al.,2012),這些沉積物含植物葉、莖干、孢粉以及鳥類足印等遺跡化石,蘊含著豐富的古環境信息。喬治王島的始新世至漸新世反映了火山、冰川和海侵的復雜歷史,出露有始新世和漸新世冰川的零碎沉積記錄(Birkenmajer et al.,2005)。目前喬治王島發現的最古老的冰川是波羅內茲冰川,年齡是漸新世晚期(Troedson and Smellie,2002),而較年輕的梅爾維爾冰川則是中新世早期(Troedson and Riding,2002)。在喬治王島的梅爾維爾角(Melville Piont)發現的冰川作用,是迄今為止在南極半島地區發現的唯一新近紀中新世早期的冰川海洋層序(Birkenmajer et al.,1987),這些冰川沉積序列是起源于南極大陸但被喬治王島上的局部冰川所改造過的沉積物,蘊含著豐富的古環境和古環境信息(Troedson and Smellie,2002)。這套地層對于了解南極新生代生物多樣性極為重要。

喬治王島的新生界地層單位主要包括:下始新統的菲爾德斯半島群 (Fildes Peninsula Group)、巴蘭諾夫斯基冰川群 (Baranowski Glacier Group)和埃斯庫拉灣群 (Ezcurra Inlet Group),中始新統的埃內坎角群(Hennequin Point Group),上漸新統的迪斯特拉克申灣組 (Destruction Bay Formation)、波羅內茲灣組 (Polonez Cove Formation)和阿德默勒爾蒂灣群 (Admiralty Bay Group),下中新統梅爾維爾角組 (Melville Piont Formation)、博伊角組(Boy Point Formation) 和維瑟爾灣組 (Wesel Cove Formation)等地層。到目前為止,在喬治王島還沒有發現晚始新世—早漸新世、中—晚中新世和上新世含植物地層。這些地層單位的露頭主要散布于島嶼南部朝著布蘭斯菲爾德海峽開口的海灣沿岸,以馬克斯韋爾灣(Maxwell Bay)和阿德默勒爾蒂灣 (Admiralty Bay)出露相對較廣。喬治王島地層綜合柱狀圖及定年依據見圖2。

圖2 喬治王島地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of King George Island

3 古生物特征

喬治王島出露上白堊統—下中新統沉積地層,晚白堊世產樹干及假山毛櫸科、松柏類和蕨類等古生物化石(Birkenmajer,1982)。喬治王島新生代古生物化石包括蕨類、針葉林和被子植物葉及莖干等植物大化石,孢粉、溝鞭藻、硅藻等微體古生物化石,無脊椎動物化石以及鳥類足印的痕跡化石等。含古生物化石的新生代巖石地層單位及古生物特征如下。

3.1 下始新統菲爾德斯半島群

喬治王島菲爾德斯半島半三角 (Halfthree Point)地區出露的一套火山-沉積巖地層,其中夾有厚約5m的灰色凝灰質粉砂巖,發現4種類型的植物葉化石Podocarpusfildesensis、Sphenopterissp.、Nothofagussp.、Dicotylophyllumsp.,其中Podocarpus占優勢(沈炎彬,1994)。菲爾斯半島半三角地區孢粉植物群數量和類型都非常豐富,發現35屬60種孢子和花粉。其中蕨類孢子約占81.5%以上,Gleicheniaceae、Cyatheaceae和Adiantaceae占絕對優勢;裸子植物花粉約占2%,有Araucariacitesaustralis、?Abietineaepollenitesmicroatatus、Microcachryiditessp.、Phyllocladiditessp.、Podocarpiditesellipticus、Gnetaceaepollenitessp.和Dacrydiumsp.等;被子植物花粉有Nothofagiditescf.N.senectus、N.cf.N.brachyspinulosus、N.cf.N.rocaensis、N.nanus、N.sp.、Cranwelliasp.、Gothanipollisbassensis、Triporopollenitessp.、Tricolporopollenitesspp.和Tricolporitesspp.等,約占3%～5%;除了孢子和花粉外,還有種類較多的真菌孢子13屬38種(沈炎彬,1990,1994;曹流,1990)。

菲爾德斯半島化石山(Fossil Hill)和磐石灣(Rocky Cove)凝灰質粉砂巖中發現的40種不同植物的植物大化石,其中蕨類孢子有4屬6種;裸子植物花粉5屬11種,主要有Dionantarctica、Araucariasp.、Podocarpus(Dacrycarpus)tertiarius、Podocarpusspp.、Acmopyleantarctica、Papuacedrusshenii;被子植物花粉 7屬 23種,主要有Nothofagussubferruginea、Nothofagusoligophlebia、Nothofagussp.、Lomatiasp.、Pentaneurumdusenii、?Myrtiphyllumbagnalense、Rhoophyllumnordenskjoeldi、?Oreopanaxguinazui、Dicotylopyllumelegans、Dicotylophyllumlatitrilobatum、Dicotyloph-yllumspp.(Barton,1965;Lyra,1986;Czajkowski and Rosler,1986;李浩敏和宋德康,1988;李浩敏和沈炎彬,1990;沈炎彬,1990,1994;Li,1992)。化石山所產的鳥類足印,至少有4種類型。第1類是唯一已被確定的Antarctichnusfuenzalidae,可能屬于秧雞類(Rallidae);第2類是平胸類(ratite)或鶴類(Gruiform),腳趾寬,最大的指長達180mm,可能屬大型的陸生鳥類;第3類是鴨類(anatid),具有蹼及較短而粗的趾,與鴨或鵝類相近;第4類有4個發育很完整的腳趾,屬不同鳥科的遺跡(Covacevich and Rich,1982;李建軍和甄朔南,1994;沈炎彬,1994)。

在菲爾德斯半島化石山組孢粉植物群中共發現95種類孢粉,其中以苔蘚類、蕨類最為繁多,占總種類的51%多,分異度都很高,占優勢的孢子屬有Cyathidites、Gleicheniidites、Lycopodiumsporites、Baculatisporites、Laevigatosporites和Polypodiaceaesporites等;其次為被子植物,約占29%;再次為菌藻類,占10%多;裸子植物的種類最少,約占9%(宋之琛,1998)。

菲爾德斯半島磐石灣的孢粉含量很豐富:蕨類孢子約占38%,主要是Cyatheaceae和Lygodiaceae;裸子植物花粉約占30%,主要有ellipticus、Phyllocladiditessp.、Microcachryditessp.、Araucariacitessp.等;被子植物花粉約占32%,主要包括Nothofagiditescf.N.flemingii、Nothofagiditescf.N.emarcidus、N.spp.、Proteaciditessp.、Myrtaceiditessp.、Momipitessp.、Trioritessp.、Peninsulapollisgillii、P.truswelliae、Triporopollenitessp.、Tricolporopollenitessp.等(Cao,1992)。Torre (1984)則記述了磐石灣(Rocky Cove)的硅化木,被子植物有Nothofagoxylonantarcticus和Cupressinoxylonparenchymatosum,還記錄了裸子植物Araucarioxylon和Podocarpoxylon兩屬的存在。Poole et al. (2001) 在喬治王島菲爾德斯半島柯林斯冰川植物區系發現的莖干化石包括:裸子植物有Cupressaceae

(Cupressinoxylonsp.)、Podocarpaceae (Podocarpoxylonfildesense),被子植物有Nothofagaceae (Nothofagoxyloncorrugatus、N.neuquense、Nothofagusscalariforme)、Eucryphiaceae (Eucryphiaceoxyloneucryphioides)、Myrtaceae (Myrceugenelloxylonantarcticus)。Oh et al. (2020)在菲爾德斯半島蘇菲菲爾德角采集硅化木化石,裸子植物有Araucariaceae (Agathoxylonantarcticum、A.pseudoparenchymatosum)、Podocarpaceae (Phyllocladoxylonantarcticum、Protopodocarpoxylonaraucarioides),被子植物有Atherospermataceae、Cunoniaceae、Eucryphiaceae、Monimiaceae、Myrtaceae、Nothofagaceae和Rubiaceae。

Del Valle et al.(1984)在巴頓半島(Barton Peninsula)發現5種類型的假山毛櫸科植物葉化石,可以鑒定的只有2種:Nothofagussubferruginea和N.densinervosa,其他是具有環結脈的雙子葉植物。這些假山毛櫸科植物葉化石在費爾德斯半島的化石山植物群中也都發現過類似的化石葉。

3.2 下始新統巴蘭諾夫斯基冰川群

喬治王島的阿德默勒爾蒂灣巴蘭諾夫斯基冰川群上部扎米克組植物葉化石呈現Nothofagus-Laurophyllous闊葉林組合(Birkenmajer and Zastawniak,1989),產樹干及葉化石假山毛櫸(Nothofagussp.)、松柏類及蕨類(Mozer et al.,2015)。

3.3 下始新統埃斯庫拉灣群

喬治王島的阿德默勒爾蒂灣埃斯庫拉灣群下部阿克多夫斯基灣組拉庫薩角段含木化石碎片,石化林段含Nothofagidites-Pteridophyte孢粉組合、植物葉及木化石,賊鷗崖段含木化石碎片(Birkenmajer,1987)。托馬斯角組以Nothofagus為主,還有蕨類及羅漢松科的分子(Birkenmajer and Zastawniak,1989)。在埃斯庫拉灣(Ezcurra Inlet)南岸出露埃斯庫拉灣群上部托馬斯角組,層內有莖干和植物葉化石等植物殘骸,植被主要由Podocarpaceae-Araucaria-Nothofagus組成 (Mozer,2012)。

Stuchlik (1981)報道了阿德默勒爾蒂灣埃斯庫拉灣群的孢粉,包括36種類型的孢子和花粉,是以Nothofagus-Pheridophyta組合為特征。Mozer(2012)研究表明埃斯庫拉灣孢粉組合以Podocarpaceae-Araucaria-Nothofagus為主,林下生長著喜濕和喜熱的蕨類植物。

3.4 中始新統埃內坎角群

阿德默勒爾蒂灣的埃內坎角 (Point Hennequin)的德拉根灣(Dragon Cove)和瓦維爾山(Mount Wawel)的3個層位發現以Nothofagus-Podocarpaceae為主,含豐富松科的植物葉、根、種子和果實等植物大化石,羅漢松科主要有Dacrydium(Dacrydioides)、Acmopyle和Stachycarpus,被子植物主要有Nothofagus、Roophyllum、Rubus和Cupania等,其特點是小型及中型葉超過95%,葉緣具齒,葉脈達緣,類型單調(Zastawniak,1981;Zastawniak et al.,1985)。段威武和曹流(1998)在阿德默勒爾蒂灣的埃內坎角上部凝灰質砂泥巖夾層中發現有近40種孢粉化石:菌類孢子有10多種,約占孢粉組合總量的8%;蕨類孢子有近15種,約占45%,為孢粉組合的主要成分;裸子植物花粉主要有Trisaccitesmicrosaccatum、Dacrycarpitesaustraliensis、Podocarpiditesmarwickii、Phyllocladiditesmawsonii、Phyllocladiditessp. 和Microcachryditesantarcticus等8種,約占42%,為孢粉組合的優勢種群;被子植物花粉含量少,僅發現5種,約占5%,主要成分為Nothofagiditescf.flemingii、Nothofagiditescf.saraensis和Nothofagiditesspp.等。阿德默勒爾蒂灣的瓦維爾山發現以節肢動物為主的痕跡化石,包括:Glaciichniumaustralis和cf.Pterichnus(Uchman et al.,2018)。

3.5 上漸新統迪斯特拉克申灣組

Troedson and Riding(2002)在梅爾維爾角迪斯特拉克申灣組中發現陸相孢粉和海相溝鞭藻化石,含量很低,孢粉組合中Nothofagiditesfusca豐富,還含有bisaccate 花粉 (podocarps)、Cyathiditesspp. (蕨類) 和Inaperturopolleniteshiatus等陸相孢粉化石;海相溝鞭藻化石有?Bitectatodiniumtepikiense、Lejeunecystaspp.、Operculodiniumcentrocarpum和Spiniferites ramosus等。

迪斯特拉克申灣組產原位雙殼類、腹足類、獨居珊瑚和腕足類,腕足類動物有Discinisca、Pachymagas、Neothyris、Rhizothyris、Magellania和?Magella(Birkenmajer,1987)。

3.6 上漸新統波羅內茲灣組

波羅內茲灣組含有疊層石、有孔蟲、海綿、珊瑚、雙殼類、棘球類和腕足類 (Birkenmajer,1991),最上部的腕足動物有Rhynchonellida,Liothyrella和Rhizothyris(Bitner and Thomson,1999;Bitner et al.,2009),浮游有孔蟲有Chiloguembelina、Globigerina和Globorotalia(Gazdecki,1989)。Hryniewicz and Gazdzicki (2016) 在喬治王灣洛角和海獅岬的波羅內茲灣組斯克拉瓦段的下部發現雙殼類Pholadideagradzinskii化石,其生存環境為淺海環境。棘皮類包括Caenopedinaaleksandrabitnerae和Caenopedinaaleksandrabitnerae(Kroh,2014)。

波羅內茲灣孢粉組合以草本植物為主,伴有假山毛櫸和羅漢松植物(Kymes,2015)。在波羅內茲灣組還發現Bitectatodiniumtepikiense溝鞭藻化石(Jonkers,1998)。

3.7 上漸新統阿德默勒爾蒂灣群

阿德默勒爾蒂灣的凱勒半島 (Keller Peninsula)地層屬于阿德默勒爾蒂灣群下部,其中發現植物葉化石Nothofagus(Nothofagaceae) (Kellner et al.,2007)。Lucas and Lacey (1981) 在凱勒半島采集11塊硅化木,歸為5類,其中包括Dodoxylonpseudoparenchymatosum、D.kellerense和D.sp.等。

3.8 早中新世梅爾維爾角組

梅爾維爾角組地層中的古生物化石種類和數量都非常豐富,隸屬于刺胞動物門(Cnidaria)、軟體動物門(Mollusca)、環節動物門(Annelida),節肢動物門 (Arthropoda)、苔蘚動物門(Bryozoa)、腕足動物門(Brachiopoda)和棘皮動物門(Echinodermata),其中軟體動物門雙殼類(Bivalve)占總動物群的57.8%,軟體動物門腹足類(Gastropod)占20.4%,刺胞動物門珊瑚類(Coral)占13.5%,節肢動物門十足類(Decapod)占6.1%等(Whittle et al.,2014)。雙殼類主要有Nuculidae、Sarepdidae、Malletiidae、Hiatellidae、Periplomatidae、Limopsidae、Limidae和Pectinidae(Jonkers, 2003; Anelli et al., 2006; Whittle et al.,2012)。腹足類主要有Volutidae、Cerithiidae、Epitonidae、Turitellidae、Naticidae、Buccinidae、Apomhaidae、Philinidae和Mathildidae等 (Beu,2009;Whittle et al.,2014)。珊瑚類主要是Flabellum(Birkenmajer et al.,1983)。十足類有Homolodromiidae和Nephropoidea(Whittle et al.,2014)。苔蘚蟲主要是Microporoidea(Birkenmajer and ?uczkowska,1987;Hara and Crame,2004)。腕足類主要被鑒定為Liothyrella和Paraldingia(Bitner and Crame,2002)。軟體動物還有Conotheca、Microcornus、Parkula、Hyptiotheca、Hyolithes、?Pararacornus、Yochelcionella、Anabarella、Pelagiella、Beshtashella、Cupitheca(Wrona,2004)。 棘皮類包括Cidaridae、Echinidae和Schizasteridae(Birken-majer and ?uczkowska,1987;Jesionek-Szymańska, 1987)。 節 肢 動 物 還 有Albrunnicolabengtsoni、Liangshanellabirkenmajeri、Melvillellacorniculata、Mongolitubulussquamifer、?Zepaerasp.和?Dabashanellasp.等 (Wrona,2009)。

Troedson and Riding(2002)在梅爾維爾角組中發現種類稀少的陸相孢粉和海相溝鞭藻化石:其中梅爾維爾角組中陸相孢粉化石主要有bisaccate 花粉和Cyathiditesspp.,Nothofagusspp.很少;海相溝鞭藻化石Brigantedinium和Lejeunecysta占優勢,還有少量的Lejeunecystacf.communis、Protoperidiniumspp.、?Selenopemphix和Selenopemphixnephroides等;另外在1個樣品中還發現有豐富的Leiospheres。Warny et al.(2016) 認為梅爾維爾角組孢粉組合以Nothofagiditesfusca為主,還有 零 星 的Podocarpiditessp.、Asteraceae、 Caryophyllaceae、Chenopodipollis和苔蘚孢子Coptosporasp.等。

梅爾維爾角組的微體動物化石還包括:有孔蟲主要有Uvigerina、Cyclammina、Globobulimina、Haplophragoides和Pullenia;硅藻有Actinoptychus、Asteromphalus、Coscinodiscus、Trinacria和Triceratium;還有金藻類Bolboformareticulata、硅鞭藻和海綿骨針等(Birkenmajer et al.,1983)。梅爾維爾角組有孔蟲可區分出2個組合,下部為Cibicides-Cibicidoides組 合;上 部 為Cribrostomoides-Cyclammina-Globobulimina組合,時代都相當于早中新世(Birkenmajer and ?uczkowska,1987)。

4 古氣候與古環境探討

4.1 早始新世

始新世時,喬治王島仍為島弧拉斑玄武巖噴發,然而出現了河、湖相火山細碎屑沉積,有不連續的煤線分布(沈炎彬,1994),菲爾德斯半島下始新統菲爾德斯半島群的化石山組最為代表,在阿德默勒爾蒂灣埃斯庫拉灣群阿克托夫斯基灣組上部及托馬斯角組也有早始新世的沉積。

菲爾德斯半島植物群植物葉化石都以中型葉為主,種類豐富,有落葉樹種(Nothofagus)、常綠樹種 (Dicotylophyllumelegans)、松柏類植物(Podocarpus、Araucaria、Papuacedrus)、 紫 萁 屬 (Osmunda)、蘇鐵 (Dion) 及許多喜濕喜暖的蕨類。半三角地區以Acmopyla為主,化石山以Podocarpus占優勢。假山毛櫸屬(Nothofagus)是研究南半球植物生物地理區的關鍵屬,現在生長在南美、新西蘭、澳大利亞、塔斯馬尼亞、新幾內亞及新喀里多尼亞雨量充沛的溫帶—亞熱帶雨林,在高緯度或高海拔地區由于氣候條件過分嚴峻才出現矮化現象。Dicotylophyllumelegans葉尖細長,與滴水葉尖近似,說明氣侯潮濕,雨量比較充沛,反映了與現代暖溫帶雨林相類似的氣侯環境。紫萁屬與蘇鐵植物的存在都反映當時氣候較溫暖。通過對化石山40多種植物葉化石的葉相特征進行分析發現,以中型葉為特征,全緣葉占40%左右,所代表的年均溫約為10 ℃。菲爾德斯半島植物區代表一種與現代暖溫帶—亞熱帶雨林植被相類似的面貌(沈炎彬,1989;李浩敏和沈炎彬,1990;李浩敏,1994)。

菲爾德斯半島群孢粉以蕨類植物占優勢,蕨類這些孢子的母體植物可能屬于杪欏科、里白科、石松科、水龍骨科和紫萁科,還有海金沙科、蚌殼蕨科等的少數屬種。裸子植物多數具氣囊花粉,雖有氣囊上的區別,但它們均和羅漢松科有關系,在南半球古近紀分布廣泛。被子植物花粉Proteacidites、Nothofagidites、Tricolpites、Tricolporites和Triorites等和南半球廣泛分布的山龍眼科、假山毛櫸屬以及具三溝和三孔溝花粉的屬種有關系。半三角地區孢粉植物群反映了一種低山湖泊或湖沼岸邊及其附近山坡生長著蕨類植物為主的植被,在這一植被中還生長著由 Araucariaceae-Podocarpaceae-Nothofagus等組成的稀疏針闊葉混交林。化石山孢粉植物群代表了以假山毛櫸屬和羅漢松科為主的針闊葉混交林,山龍眼科的一些屬種和其他一些被子植物位于林冠層,在林下還生長杜鵑科、小二仙草科等的灌木、草本及大量的蕨類植物,水體及其周圍生長有眼子菜及菌藻類分子。菲爾德斯半島群孢粉植物組合特征反映了暖溫帶—亞熱帶的氣候特征,環境濕潤(曹流,1994;宋之琛,1998)。

菲爾德斯半島群所含的真菌孢子、孢粉、植物葉和莖干化石都是陸生植物殘骸,雖然經過一定距離搬運,但并不是很遠,從古生物推測菲爾德斯半島地區在早始新世應是淡水湖相沉積,可能臨近海岸(沈炎彬,1989,1990,1992)。

宋之琛(1997)對阿德默勒爾蒂灣埃斯庫拉灣群阿克托夫斯基灣組上部石化林段的孢粉分析得出其孢粉組合以水龍骨科等孢子占優勢為特征,與菲爾德斯半島群化石山組孢粉植物群的類似。石化林段孢粉植物群代表了以假山毛櫸屬為主的森林,林下生長有山龍眼科、杜鵑科等的灌木及大量蕨類植物,水體中生長有眼子菜及綠藻植物,認為其地質時代為中—晚始新世,表明了暖溫帶—亞熱帶溫暖而濕潤的環境特征。在埃斯庫拉灣南岸出露埃斯庫拉灣群上部托馬斯角組,層內有莖干和植物葉化石等植物殘骸,主要由羅漢果科-南洋杉-白樺組成,表明有一種潮濕和嗜熱的蕨類植物在火山活動中斷期間生長在喬治王島的火山斜坡和周圍低地地區,反映了潮濕、溫暖的氣候環境,有可能與化石山組上部地層相當。

化石山菲爾德斯半島群有大量的鳥類足跡及遺跡等化石,說明有過水流作用,但水體不穩定,降雨期水域面積擴大,雨期過后水域面積縮小,反映了丘間或低地河流的特點(李建軍和甄朔南,1994)。現今秧雞類分布比較廣泛,但一般都在溫暖潮濕的環境中。在有些四季變化較大地區,某些秧雞類還有遷徙的習慣。這說明秧雞類適應不了惡劣的環境。因此,南極在始新世時應該比較溫暖潮濕(李建軍和甄朔南,1994)。喬治國王島的大多數具有寬環的化石木反映出真正有利的生長條件,因為較寬的年輪表明樹木生長迅速,這與有利的氣候有關(Oh et al.,2020)。

總之,早始新世時,喬治王島地區氣候溫暖、潮濕、降雨最多,有利于植物生長,反映了暖溫帶—亞熱帶的植被與氣候特征。

4.2 中始新世

中始新世埃內坎角群的植物面貌與埃斯庫拉灣群和菲爾德斯半島群有顯著區別,埃內坎角群的植物群類型單調,小型葉和中型葉占95%以上,葉緣具齒,葉脈達緣,以Nothofagus-Podocarpaceae組合為代表,與現代澳大利亞寒溫或暖溫帶雨林植被類似 (Zastawniak,1981;Zastawniak et al.,1985),說明中始新世溫度比早始新世偏低。瓦維爾山節肢動物的出現與氣候降溫很好地吻合(Uchman et al.,2018)。中始新世埃內坎角群的孢粉組合特征反映其周圍古植被為由松柏類和Nothofagus等組成的針闊葉混交林,林下植被主要由Gleicheniaceae、Cyatheaceae、Adiantaceae、Lygodiaceae和Polypodiaceae等科的蕨類植物組成,沉積環境為近中低山區的湖沼環境,氣候溫暖潮濕(段威武和曹流,1998)。

因此,中始新世時,喬治王島地區是溫暖濕潤的古氣侯環境,植被與現代生長在南美、澳大利亞及新西蘭溫帶或涼溫帶的常綠或落葉植被接近。

4.3 晚漸新世

喬治王島漸新世植物層僅見于喬治王灣和梅爾維爾角下部地層。上漸新統波羅內茲灣孢粉組合以草本植物為主,伴有假山毛櫸和羅漢松植物(Kymes,2015)。上漸新統迪斯特拉克申灣組中,Nothofagus是優勢花粉,表明古近紀結束時被子植物的多樣性降低了,幸存的稀疏植被被嚴格限制在冰川周緣的苔原物種上,假山毛櫸和羅漢松可能是灌木(Warny et al.,2016)。上述孢粉特征表明,漸新世植物面貌與始新世植物面貌有一定差別,它或許反映了當時氣候與始新世相比已經變冷,環境已經開始惡劣,不利于植物生長。

波羅內茲灣組腕足動物組合標本豐富,但多樣性低。波羅內茲灣組動物化石組合特征表明,波羅內茲灣冰川海相地層形成于濱淺陸架環境(Birkenmajer,1987)。

總而言之,喬治王島的氣候晚漸新世時相比始新世時已經變冷,稀疏的植被類似于現代南極洲周圍的島嶼,反映了溫涼—寒冷氣候或冰川、荒漠等貧瘠或惡劣的生態環境。

4.4 早中新世

梅爾維爾角組的動物群包括單體珊瑚、多毛類、雙殼類、腹足類、甲殼類、棘皮類和十足類等。微生物的代表是眾多的底棲鈣質和砂質有孔蟲、硅藻、黃單胞菌、硅藻和海綿骨針。梅爾維爾角組底棲動物群的特征,指向淺海、安靜、低能環境(Birkenmajer,1985)。

梅爾維爾角組含稀有的羅漢松針葉樹和幾種被子植物花粉,后者包括Nothofagus、Asteraceae、Caryophyllaceae (Colobanthus-type)和Chenopodipollis(Warny et al.,2016),反映了溫涼—寒冷氣候或冰川、荒漠等貧瘠或惡劣的生態環境。Nothofagus在梅爾維爾角組中是稀有的,可能表明Nothofagus花粉在中新世早期局部消失,可能是早中新世冰川事件的一個證據,梅爾維爾角組中豐富的Leiospheres也說明沉積過程中海冰發生過擴張,呈現出一個以海冰為主的近海海洋沉積環境(Troedson and Riding,2002)。

早中新世梅爾維爾角組是一個受冰川影響的地層,十足類的存在表明溫度下降程度不足以完全消除喬治王島生態系統中的動物群。梅爾維爾角組動物化石組合特征表明,梅爾維爾冰川海相地層形成于深水外陸架環境(Birkenmajer,1985)。

綜上所述,早中新世植被稀疏,反映了溫涼—寒冷氣候或冰川、荒漠等貧瘠或惡劣的生態環境。早中新世海相地層對應低能環境,表明其形成于深水外陸架環境。

5 結論

喬治王島始新世至早中新世的沉積反映了沉積時期的古氣候和古環境,島上的植物化石是在溫暖的階段或間冰期之間生長的植被遺跡。早始新世時,喬治王島地區氣候溫暖、潮濕、雨最多,有利于植物生長,反映了暖溫帶—亞熱帶的植被與氣候特征;中始新世時,該地區是溫暖濕潤的氣侯環境,植被與現代生長在南美、澳大利亞及新西蘭溫帶或涼溫帶的常綠或落葉植被接近。晚漸新世—早中新世植被稀疏,反映了溫涼—寒冷氣候或冰川、荒漠等貧瘠或惡劣的生態環境。研究表明從始新世到早中新世,喬治王島植物多樣性呈明顯下降趨勢,幸存的稀疏植被被嚴格限制在冰川周緣的苔原物種上。冰海相地層與古生物研究表明,晚漸新世海相地層主要對應高能環境,早中新世海相地層對應低能環境。

致謝:項目執行過程中得到了中國地質調查局、智利南極研究所、國家海洋局極地考察辦公室、中國極地研究中心、中國第29～34次南極科學考察隊等單位和個人的大力支持,趙越、劉曉春、胡健民、陳虹、張拴宏、裴軍令、杜星星、鄭光高、胡娟、高亮等參加了野外考察,在此一并表示感謝。