愛沙尼亞地質(zhì)考察之旅

張志亮 陳飛揚(yáng)

圖1，夜幕降臨的波羅的海

愛沙尼亞位于歐洲東北部，東連楚德湖，西臨波羅的海，北望芬蘭海灣。由于地理與歷史的極大相似性，愛沙尼亞與其南部的拉脫維亞及立陶宛合稱"波羅的海三國(guó)"。愛沙尼亞地勢(shì)平坦，海拔一般不足100米，境內(nèi)湖泊、沼澤星羅棋布，縱橫點(diǎn)綴著大小島嶼約1500個(gè)，海岸線長(zhǎng)達(dá)3794公里。其首都塔林以空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良和別具一格的老城建筑聞名于世。去年11月，作者有幸與瑞典烏普薩拉大學(xué)的師生一起參加愛沙尼亞的地質(zhì)考察。在落日的余暉中，我們一行搭乘維多利亞號(hào)郵輪航行在平靜的波羅的海上（圖1），斯堪的納維亞大陸漸行漸遠(yuǎn)，次日清晨我們抵達(dá)塔林港口。

在地理位置上，愛沙尼亞位于東歐大陸的西北緣。東歐大陸的沉積地層和芬諾斯堪的亞（Fennosca ndia）地盾的邊界沿波羅的海海床北東向展布，而愛沙尼亞主體的地質(zhì)構(gòu)造隨著波羅的海海床綿延直至對(duì)面的瑞典和芬蘭海岸。愛沙尼亞陸體的歷史始終伴隨著波羅的板塊的形成。目前，愛沙尼亞位于一個(gè)垂向厚度約50-60千米，且空間展布達(dá)100萬(wàn)平方千米的波羅的板塊中部。這一板塊形成于古元古代20億-18億年前的造山運(yùn)動(dòng)，以及隨后發(fā)生在中元古代早期（16.5億-15億年前）的環(huán)狀花崗巖巖漿作用。在中元古代晚期（13億-10億年前），此板塊屬于羅迪尼亞（Rodinia）超大陸的一部分，而在之后8億年前羅迪尼亞大陸的裂解中與后者逐漸分離。隨后，波羅的板塊在埃迪卡拉紀(jì)晚期（6億-5.5億年前）徹底從羅迪尼亞超大陸分開，并開始了從南半球逐步漂移到北半球的漫長(zhǎng)旅程。其在志留紀(jì)-泥盆紀(jì)時(shí)期經(jīng)過赤道，隨后持續(xù)向北漂移，并在二疊紀(jì)早期（2.8億年前）與西伯利亞板塊碰撞而與歐亞大陸連接。愛沙尼亞的結(jié)晶基底由古元古代（19億-18億年前）的片麻巖和芬諾斯堪的亞造山運(yùn)動(dòng)期間形成的混合巖組成，其中伴有中元古代16億-15億年前的環(huán)狀花崗巖侵入體。結(jié)晶基底的表面在愛沙尼亞北部靠近地表100米深，而在南部埋深為800米。從新元古代晚期埃迪卡拉紀(jì)開始，愛沙尼亞持續(xù)為淺水盆地沉積，連續(xù)沉積埃迪卡拉紀(jì)、寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)、志留紀(jì)和泥盆紀(jì)地層（圖2），并含有豐富的古生物化石。之上覆蓋有第四紀(jì)更新世的冰川、冰湖和冰水沉積物。強(qiáng)烈的地質(zhì)風(fēng)化導(dǎo)致古生代地層與冰川沉積物之間缺失大約3億年的沉積地層。我們沿著愛沙尼亞海岸線由北向南，對(duì)古生代沉積地層由老到新逐一考察。

寒武紀(jì)地層主要由砂巖和泥巖組成，盡管境內(nèi)廣泛分布，但僅僅有限地出露于愛沙尼亞北部海岸。照慣例，這里的寒武系分為上、中、下三統(tǒng)，而只有下寒武統(tǒng)分布最廣、厚度最大。愛沙尼亞寒武紀(jì)最老的地層為Voosi組，屬于Lontova階，由A.?pik1933年命名，是一套綠色的泥巖層，其與下伏埃迪卡拉紀(jì)薄層黏土巖平行不整合接觸。Voosi組化石稀少，僅含有一些管狀殼體化石，在愛沙尼亞東北部納爾瓦地區(qū)厚度可達(dá)90米。Voosi組之上平行不整合接觸Luka ti組和Tiskre組，屬于Domininopol階。Tiskre組主要由淺綠色至灰白色石英粉砂巖夾灰黃色泥巖組成，以殼體化石零星地記錄著寒武紀(jì)生命大爆發(fā)。標(biāo)準(zhǔn)剖面位于愛沙尼亞北部Tiskre村Ra nna m?isa懸崖，沿天然海岸線東西向延伸，分布較為廣泛（圖3）。Tiskre組中上部發(fā)育大量的透鏡狀層理，里面含有此區(qū)最早的干群腕足動(dòng)物化石Mickwitzia（圖4），疑難化石Tommotiids（托模特殼）和節(jié)肢動(dòng)物遺跡化石（圖5）。干群腕足動(dòng)物Mickwitzia和澄江化石庫(kù)中所發(fā)現(xiàn)的腕足動(dòng)物澄江日射水母貝形態(tài)上存在極大地相似性，為探索腕足動(dòng)物早期演化提供了重要線索。在此剖面，Tiskre組頂部直接被第四紀(jì)冰川礫巖沉積所覆蓋（圖6）。

圖2，愛沙尼亞地質(zhì)簡(jiǎn)圖

圖3，愛沙尼亞下寒武統(tǒng)Tiskre組石英砂巖標(biāo)準(zhǔn)剖面，位于愛沙尼亞北部Tiskre村Rannam?isa懸崖

圖4，A，Rannam?isa剖面下寒武統(tǒng)Tiskre組石英砂巖中干群腕足動(dòng)物化石Mickwitzia的富集層；B，放大顯示Mickwitzia；C，澄江化石庫(kù)中的腕足動(dòng)物化石澄江日射水母貝

圖 5，A，Rannam?isa剖面下寒武統(tǒng) Tiskre組石英砂巖中遺跡化石；B，放大顯示節(jié)肢動(dòng)物垂直鉆穴遺跡化石Cruziana

圖6，A，下寒武統(tǒng)Tiskre組頂部直接被第四紀(jì)冰川礫巖沉積所覆蓋，圖中為L(zhǎng)arsHolmer教授；B，放大顯示砂巖-礫巖界線

奧陶紀(jì)在東歐大陸上主要分布在芬蘭海灣北部至白俄羅斯和波蘭南部地區(qū)，以及從波羅的海西部至莫斯科西部區(qū)域。廣泛發(fā)育的奧陶紀(jì)地層以一系列壯觀的剖面呈現(xiàn)于愛沙尼亞天然的懸崖、內(nèi)陸河岸以及開采灰?guī)r的露天礦山等地區(qū)。而且，其中化石保存完整而精美、沉積構(gòu)造明顯，形成了一系列極具特色的地層單元，如磷質(zhì)腕足動(dòng)物介殼灰?guī)r、黑色筆石頁(yè)巖、角石灰?guī)r及深綠色海綠石砂巖等。早奧陶世Pa kerort組主要出露于愛沙尼亞北部，由砂巖和油頁(yè)巖組成。而下奧陶統(tǒng)最底部為十分發(fā)育交錯(cuò)層理的粉砂巖，與下伏寒武系石英砂巖呈平行不整合接觸，反映了從早寒武世晚期到早奧陶世之間的海退-海侵旋回（圖7A-C）。砂巖表面往往發(fā)育波痕，反映了較高能的淺水沉積環(huán)境（圖7D），夾層中可見薄層的磷質(zhì)結(jié)核，其中含有大量的舌形貝類腕足動(dòng)物化石（圖8A-B）。粉砂巖層之上為含干酪根（15-55%）的油頁(yè)巖，厚度大約為5米，被稱為庫(kù)克油頁(yè)巖（kukersite），代表了奧陶紀(jì)初期藻類植物的一次大繁盛（圖9B）。而在Pa kri剖面，Pa kerort組上部黑色頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)了大量的筆石化石Dictyonema（圖8C-D）。庫(kù)克油頁(yè)巖底部往往出現(xiàn)大量的呈棱面體的方解石假象，表明奧陶紀(jì)是以非補(bǔ)償性鈣質(zhì)饑餓淺海盆地的冷水沉積環(huán)境開始的（圖9）。再往上，覆蓋有含海綠石粉砂巖和中奧陶統(tǒng)鐵質(zhì)結(jié)核薄層灰?guī)r（圖9E）。而中奧陶統(tǒng)主要由中厚層灰?guī)r組成，含有大量的頭足類角石、正形貝和扭月貝腕足動(dòng)物、棘皮動(dòng)物、三葉蟲和牙形石等（圖10）。數(shù)量巨多，保存完好的角石化石與中國(guó)揚(yáng)子地臺(tái)中奧陶世大灣期寶塔組灰?guī)r中的震旦角石共同代表了奧陶紀(jì)中期頭足類的輻射演化事件。而珊瑚蟲的碳酸鹽建造直到晚奧陶世才開始出現(xiàn)，表明晚奧陶世海水環(huán)境發(fā)生了急劇的變化。

圖7，A，Rasaja剖面，下奧陶統(tǒng)最底部Pakerort組粉砂巖夾黑色頁(yè)巖；B，R?ite剖面下寒武統(tǒng)Tiskre組石英砂巖與下奧陶統(tǒng)Pakerort組含礫粉砂巖平行不整合接觸；C，下奧陶統(tǒng)Pakerort組底部粉砂中的交錯(cuò)層理；D，Pakerort組底部粉砂巖層表面的波痕；E，中奧陶統(tǒng)Aseri組底部粉砂巖中夾黃鐵礦結(jié)核

圖8，A-B，Pakri剖面下奧陶統(tǒng)Pakerort組下部粉砂巖夾層中薄層的磷質(zhì)結(jié)合，含有大量的舌形貝類腕足動(dòng)物化石；C-D，Pakerort組中部黑色頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)了大量的筆石化石Dictyonema

在志留紀(jì)時(shí)期，波羅的大陸在向北漂移的過程中，正好經(jīng)過赤道，因此愛沙尼亞的志留紀(jì)地層便以廣泛分布的熱帶大陸架沉積物和含極其豐富的生物化石為特征，并且主要分布于愛沙尼亞的西部、中部和南部地區(qū)。然而，最好的露頭出現(xiàn)在愛沙尼亞西部的薩拉瑪（Sa a rema a）島上。在出露地區(qū)志留系是以淺水陸架灰?guī)r和含白云巖的介殼灰?guī)r為代表，而在偏西南地區(qū)則發(fā)育較深水沉積的硬質(zhì)泥灰?guī)r和筆石頁(yè)巖。志留紀(jì)的古生物化石記錄十分豐富，包括腕足動(dòng)物、珊瑚、層孔蟲、棘皮動(dòng)物、三葉蟲、介形蟲、軟體動(dòng)物、魚類、鱟類、苔蘚蟲、牙形石、幾丁蟲、疊層石、疑源類和藻類等化石。我們依次考察了薩爾瑪島上最重要的三個(gè)剖面。Pulli剖面位于島的東北角，出露志留系Wenlock統(tǒng)，主要由含白云石泥質(zhì)灰?guī)r和含生物礁白云巖組成。白云巖中含有大量的洞穴，是由于內(nèi)部數(shù)量豐富的腕足動(dòng)物、珊瑚、棘皮動(dòng)物和苔蘚蟲化石的鈣質(zhì)骨架溶解后形成，剖面頂部常見由珊瑚和苔蘚蟲建造的生物礁體化石（圖11）。Ohesa a re剖面位于島的最南部，出露志留系Pridoli統(tǒng)，薄層的灰?guī)r和泥灰?guī)r互層，厚度大約4米，橫向延伸達(dá)600米（圖12）。據(jù)介紹，這是一個(gè)著名的魚類化石發(fā)現(xiàn)點(diǎn)，開創(chuàng)性工作由Pa nder早在1856年作出。并且因其是波羅的地區(qū)唯一出露志留紀(jì)最晚期地層的剖面，而深得地質(zhì)工作者的喜愛。Ka uga tuma剖面位于小島的西南部，出露志留系Pridoli統(tǒng)，主要由生物介殼灰?guī)r組成（圖13）。其中含有大量的棘皮動(dòng)物、珊瑚、層孔蟲和三葉蟲化石（圖13-14）。另外一個(gè)重要的志留紀(jì)剖面是Reinu石灰?guī)r采礦區(qū)，位于愛沙尼亞中部Ra pla地區(qū)。此剖面出露了志留系Lla ndovery統(tǒng)底部Juuru階?hne組，主要由生物礁灰?guī)r夾鈣質(zhì)結(jié)核組成（圖15A）。產(chǎn)大量的層孔蟲和珊瑚、三葉蟲，以及正形貝、無(wú)洞貝和小嘴貝腕足動(dòng)物（圖15B-E）。地層的最底部發(fā)現(xiàn)分別以鈣質(zhì)正形貝Da lejina及五房貝Borea lis腕足動(dòng)物占主導(dǎo)的富集殼層（圖16）。像這樣的以磷質(zhì)舌形貝腕足動(dòng)物殼體形成的富集殼層最早出現(xiàn)在華南寒武紀(jì)早期，代表了腕足動(dòng)物以礦化殼體作為鋪路石，對(duì)海洋垂直結(jié)構(gòu)式的生態(tài)位的建立。

圖9，A，R?ite剖面，下奧陶統(tǒng)砂巖-頁(yè)巖與中奧陶統(tǒng)灰?guī)r界線；B-D，下奧陶統(tǒng)Pakerort組中部庫(kù)克油頁(yè)巖底部發(fā)現(xiàn)呈棱面體的方解石假象；E，中奧陶統(tǒng)Aseri組上部粉砂巖中含大量鐵質(zhì)結(jié)核

泥盆紀(jì)時(shí)期，伴隨著巨神海（La petusocea n）的關(guān)閉以及波羅的大陸與勞倫大陸之間的逐漸碰撞，波羅的古盆地淺水陸架沉積模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐詼\水陸架沉積伴隨間歇性的陸相碎屑巖沉積，或?yàn)樾购妓猁}巖和蒸發(fā)巖沉積。泥盆紀(jì)地層局限地分布于愛沙尼亞南部地區(qū)，下、中泥盆統(tǒng)主要以砂巖和粉砂巖為主，而上泥盆統(tǒng)則相變?yōu)榛規(guī)r與白云巖。境內(nèi)下泥盆統(tǒng)幾乎沒有出露，而中泥盆統(tǒng)的砂巖層和上泥盆統(tǒng)淺水碳酸鹽沉積僅僅出露于內(nèi)陸河岸。又由于植被覆蓋，因而沒有理想的觀測(cè)剖面。

圖10，Pakri剖面中奧陶統(tǒng)V?o組灰?guī)r，A-B，角石類頭足動(dòng)物化石；C，正形貝類腕足動(dòng)物；D，扭月貝類腕足動(dòng)物化石；E，海林檎類棘皮動(dòng)物化石；F，三葉蟲頭甲化石

此次考察的最后一站是位于薩拉瑪島中部Ka a li地區(qū)的隕石坑群。Ka a li地區(qū)目前共發(fā)現(xiàn)9處隕石坑，其中最大的位于酷雷薩德鎮(zhèn)（Kuressa a re）東北部19千米，坐標(biāo)為：58°22'N,22°40'E。Ka a li主隕石坑直徑為110米，其南側(cè)分布有大小8個(gè)隕石坑，直徑分別為：1-4米深，12-40米寬（圖17）。因此，研究者認(rèn)為這一系列隕石坑是由隕石雨事件所致。由于這一隕石雨事件發(fā)生在第四紀(jì)沉積層和志留紀(jì)產(chǎn)狀為水平的白云巖層之間，發(fā)生年代很新，對(duì)人類理解最近的隕石撞擊地球事件具有重要意義。而隕石雨釋放的能量，可以通過隕石坑周圍暴露的、因撞擊導(dǎo)致傾斜的志留紀(jì)白云巖而略見一斑。根據(jù)隕石坑的大小和隕石的物質(zhì)組成，研究人員認(rèn)為這一鐵質(zhì)隕石質(zhì)量最初大概為400-10000噸，而飛行速度約為15-45 km/s，在進(jìn)入大氣層之后、撞擊地面之前，其質(zhì)量減少到20-80噸，飛行速度減小至10-20 km/s。Ka a li隕石撞擊事件發(fā)生的精確時(shí)間目前還不得而知，但是三個(gè)方面的數(shù)據(jù)顯示，其發(fā)生的時(shí)間在公元前（BC）1750-6500年，肯定在第四紀(jì)冰期以后。首先，一系列有機(jī)質(zhì)如木炭、樹木、花粉和硅藻等保存在撞擊事件之后的沉積層里，它們顯示最年輕的時(shí)間為1750BC；三個(gè)不同地方的沼澤中發(fā)現(xiàn)了玻璃，形成時(shí)間約為1950 BC；泥炭中富含有硅、鈣、鐵和鎳質(zhì)的顆粒，鑒定時(shí)間為6270-6500BC。由于Ka a li主隕石坑與地下水相連，水位隨季節(jié)變化，因而在當(dāng)?shù)乇环Q為"神湖"。為了促進(jìn)群眾對(duì)隕石撞擊事件的了解，當(dāng)?shù)卣€修建了Ka a li博物館（圖17C），主要介紹隕石事件的形成過程和研究歷史，每年還吸引著大量的觀光客來此游玩探索。

圖11，薩爾瑪島Pulli剖面，志留系Wenlock統(tǒng)白云質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r中由珊瑚和苔蘚蟲建造的礁體

圖12，薩爾瑪島Ohesaare剖面，出露志留系Pridoli統(tǒng)頂部薄層灰?guī)r和泥灰?guī)r互層

圖13，A，薩爾瑪島Kaugatuma剖面，出露志留系Pridoli統(tǒng)，主要由生物介殼灰?guī)r組成；B-C，海百合骨骼化石富集層；D-E，主要造礁生物笛管珊瑚化石

圖14，A，薩爾瑪島Kaugatuma剖面，顯示志留系Pridoli統(tǒng)海百合骨骼化石的富集

地質(zhì)考察結(jié)束后，我們搭乘渡輪從薩爾瑪島返回大陸。在當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)學(xué)家Ba uert的帶領(lǐng)下，我們參觀了塔林古城。塔林古城最引人注目的是絢麗多彩的公共建筑，特別是保留著哥特式風(fēng)格的教堂，以及裝飾上別具一格的小店鋪，是北歐唯一一座保持著中世紀(jì)外貌和格調(diào)的城市（圖18）。老城主要由內(nèi)外兩層構(gòu)成，13世紀(jì)由丹麥人建立，和中國(guó)西安、南京等地的明代古城墻時(shí)代一致，但規(guī)模卻要比后者遜色的多。走在大街上，隨處可見熱情的服務(wù)員出來吆喝著招攬客人，路邊小攤上的手工藝品也令人應(yīng)接不暇。聯(lián)想到愛沙尼亞的教育水平極高，中學(xué)學(xué)生的表現(xiàn)水平是世界之最；而社會(huì)經(jīng)濟(jì)也蓬勃發(fā)展，被稱作"波羅的海之虎"。這一切原來都來自于她的人民，在經(jīng)歷了最屈辱的百年浮沉之后，對(duì)生活自強(qiáng)不息的奮斗和永無(wú)止境的熱愛。住宿的酒店內(nèi)，掛著一幅愛俄兩國(guó)的國(guó)界線-納瓦河，河左岸愛沙尼亞的納爾瓦城堡和右岸俄羅斯的伊萬(wàn)哥羅德堡壘隔河相望（圖19）。奔流不息的河水滋養(yǎng)著今日的繁榮與和平，同時(shí)也暗示著在悲慘的歷史境遇里永不言棄的抗?fàn)帯?/p>

圖15，A，愛沙尼亞中部Reinu石灰?guī)r采礦區(qū)，出露志留系Llandovery統(tǒng)最底部生物礁灰?guī)r夾鈣質(zhì)結(jié)核；B-C，珊瑚化石；D，層孔蟲化石；E，腕足動(dòng)物化石集群，包括正形貝、無(wú)洞貝和小嘴貝

圖 16，A，Reinu剖面志留系 Llandovery統(tǒng) ?hne組底部，以正形貝腕足動(dòng)物Dalejina占主導(dǎo)的富集殼層；B，?hne組最底部以五房貝腕足動(dòng)物Borealis占主導(dǎo)的富集殼層；C，Borealis腕足動(dòng)物富集介殼灰?guī)r層橫斷面

圖17，A，薩爾瑪島上酷雷薩德鎮(zhèn)，Kaali隕石雨坑群；B，Google衛(wèi)星拍攝的Kaali主隕石坑；C，11月份的Kaali主隕石坑

圖18，具有中世紀(jì)外貌和格調(diào)的塔林老城，左方為最高地標(biāo)建筑——圣奧拉夫大教堂

圖19，納爾瓦地區(qū)，愛沙尼亞納爾瓦城堡和俄羅斯伊萬(wàn)哥羅德堡壘隔河相望

圖20，波羅的海上的極光

壯麗的地質(zhì)景觀、遙遠(yuǎn)的化石記錄、怡人的自然風(fēng)光、重生的古老城市對(duì)這次地質(zhì)考察之旅做了最完美的點(diǎn)綴。在平靜的波羅的海上，太陽(yáng)風(fēng)與大氣強(qiáng)烈碰撞而產(chǎn)生的淡綠光芒閃爍在蒼穹，給漫長(zhǎng)的黑夜投射出神秘與驚奇（圖20）。就像遠(yuǎn)古的化石遺骸，零星地記錄著地質(zhì)歷史上生物面貌的更替和適應(yīng)性演化的軌跡，給沉寂的藍(lán)色星球刻畫著生命的傳奇。