Карьер Восточный Кирктон , или просто Восточный Кирктон , — бывший известняковый карьер в Западном Лотиане , Шотландия, ныне известное местонахождение ископаемых. Карьер известен наземными и пресноводными окаменелостями возрастом около 335 миллионов лет, относящимися к поздневизейскому этапу подпериода Миссисипи (ранний каменноугольный период ). [1] [2] [3] Карьер представляет собой впадину длиной 200 метров (~650 футов), расположенную в городе Батгейт . Географически он расположен на холмах Батгейт, недалеко от центра долины Мидленд , богатого ископаемыми региона юго-восточной Шотландии. [4] На этом участке преобладают вулканические туфы , известняки и отложения кремнезема крупных пресноводных озер, связанных с горячими источниками и местным базальтовым (высоко-железистым) вулканизмом . Обнажаются три геологических интервала: известняк Восточного Кирктона (самый старый), сланец Литл-Клифф (средний) и туф Гейки (самый молодой).
В частности, в известняке Восточного Кирктона обнаружено множество хорошо сохранившихся окаменелостей четвероногих (четырехногих позвоночных ) и членистоногих (многоногих хитиновых беспозвоночных , таких как многоножки и паукообразные ). Восточный Кирктон игнорировался палеонтологами с 1840-х годов, но шотландскому коллекционеру окаменелостей Стэну Вуду удалось приобрести эту землю в 1985 году, что вызвало всплеск научного интереса. Новые виды из Восточного Кирктона регулярно называются с 1990 года, и почти все эти виды больше нигде не обнаружены. Среди заметных открытий — Westlothiana (один из наиболее похожих на рептилий четвероногих Миссисипи), Balanerpeton (обычный ранний представитель амфибий группы Temnospondyli ) и Pulmonoscorpius (крупнейший известный наземный скорпион ). Район Восточного Кирктона представляет собой нетрадиционную среду: сухие леса и богатые минералами озера, расположенные среди вулканических шлаковых конусов . Водные животные, хотя и не являются чем-то необычным, менее разнообразны, чем животные, обитающие в болотистых угольных лесах и прибрежных отложениях, преобладающих в других местонахождениях ископаемых каменноугольного периода Шотландии. Преобладание наземных организмов представляет собой более широкую тенденцию к уменьшению зависимости от амфибийного образа жизни в каменноугольный период.
Еще в 1820-х годах Восточный Кирктон считался загадочным местом, имеющим отношение к широким дискуссиям о природе геологических процессов. [5] В конце 18-го и начале 19-го веков петрологи (геологи, изучающие образование горных пород) разделились на два лагеря. Нептунисты утверждали, что большинство горных пород образовалось из богатых минералами вод, в то время как плутонисты считали магму средой, из которой происходит большинство горных пород. Эксперименты с породами на основе карбонатов (такими как известняк) подтвердили нептунистскую интерпретацию петрологии, в то время как данные, полученные из пород на основе кремнезема (таких как гранит ), поддержали плутонистские взгляды. [6] Восточный Кирктон представил противоречие: толстые слои карбоната (известняка) перемешались с более редкими кремнистыми ( кремнистыми ) пластами, подчеркивая, что оба типа пород могут встречаться в тесной последовательности. [5] [7]
Первым геологом, изучившим это место, был Джон Флеминг (1825 г.), шотландский нептунист, который считал, что и карбонат, и кремень образовались из нагретых грунтовых вод. [5] В 1830-х и 1840-х годах в карьере было обнаружено несколько интересных окаменелостей каменноугольных растений и эвриптерид («морских скорпионов», типа вымерших членистоногих), хотя это не было редкостью для карьеров в этом районе. [5] [8] [9] [10] Английский геолог Сэмюэл Хибберт (1836) обсудил интерпретацию Флеминга, определив известняк как пресноводный из-за преобладания растительных окаменелостей и отсутствия морских окаменелостей. Он обратил внимание на наличие на этом месте вулканического туфа и объяснил наличие кремнезема и карбонатов минерализацией горячих источников. [8]
Когда карьер прекратил работу в 1844 году, об этом месте по большей части забыли как о геологическом примечании. [10] Шотландский геолог Арчибальд Гейки (1861) определил, что известняк «Кирктона» не представляет собой единую единицу, а представляет собой две отдельные последовательности: одну в близлежащем карьере Западного Кирктона, а другую в Восточном Кирктоне. Он поддержал интерпретацию Хибберта, считая, что карьеры Кирктона представляют собой большие озера, находящиеся под влиянием горячих источников на древней вулканической равнине. [7] Ист-Кирктону в последующие десятилетия не уделялось особого внимания, поскольку нептунизм в большинстве приложений уменьшился, а плутонизм зарекомендовал себя как надежная научная теория . Земля к югу от карьера была застроена под жилье, в то время как карьер оставался заброшенным. [11] [12] Преобладало мнение, что, за исключением редких пресноводных эвриптерид, содержание ископаемых в Восточном Кирктоне было сравнительно ничем не примечательно. [1] [10] [13] Одно примечательное исследование, проведенное за столетие после статьи Гейки, было проведено Мьюиром и Уолтоном (1957), которые проанализировали предыдущие исследования и более подробно исследовали микроскопическую текстуру и происхождение карбоната. [9]
Десятилетия безвестности Восточного Кирктона закончились в 1984 году, когда шотландский коллекционер окаменелостей Стэн Вуд обнаружил фрагментированный череп четвероногих среди известняковых плит отвалов карьера. [11] Согласно популярным сведениям, он узнал о куче мусора, когда судил футбольный матч на соседнем поле. Следующим летом Вуд купил заброшенный карьер у окружного совета Западного Лотиана. [14] Вуд и палеонтолог Кембриджского университета Тимоти Р. Смитсон начали систематический сбор окаменелостей из карьера с 1985 по 1990 год. Узнав об открытии, группа геологов Национального музея Шотландии (возглавляемая У. Д. Яном Рольфом) начала стратиграфическое исследование . в 1987–1992 гг. [15] [1] [10]
Окаменелости, обнаруженные Вудом, включают обширную выборку как наземных, так и пресноводных ископаемых членистоногих и ранних амфибий из известняка Восточного Кирктона. [16] Меньший образец окаменелостей рыб и растений был найден в более молодых слоях несколько лет спустя. [10] Вуд и его коллеги опубликовали свои первоначальные находки в письме Nature от 1985 года . [16] [10] [13] Двумя примечательными таксонами , упомянутыми в письме 1985 года, были самый старый известный сенокосец («длинноногий папа», получивший название Brigantibunum в 2005 году) [17] и самая старая известная темноспондильная амфибия (описанная как Balanerpeton в 1993 году). . [18] Восточный Кирктон, пожалуй, наиболее известен благодаря Вестлотиане , небольшому четвероногому, обнаруженному в 1988 году и первоначально названному самой старой известной рептилией в 1989 году. [19] [20] Были представлены раскопки Вуда в Восточном Кирктоне и тогда безымянной Вестлотиане . в первом эпизоде документального фильма BBC «Затерянные миры, исчезнувшие жизни» 1989 года, ведущим которого выступил сэр Дэвид Аттенборо . [14] Вестлотиана впоследствии была переосмыслена как стволово - амниотная рептилиоморфа . Другими словами, это была амфибия, тесно связанная с амниотами (группа, состоящая из приспособленных к сухости четвероногих, таких как рептилии и млекопитающие , с усиленными яйцами и утолщенной кожей). Благодаря своей степени завершенности Вестлотиана до сих пор остается одной из лучших парадигм перехода амфибий к амниотам. [21] [22]
Восточный Кирктон был главной темой конференции, организованной Королевским обществом Эдинбурга в 1992 году. На конференции была опубликована серия из более чем 20 статей, опубликованных в 1993–94 годах под названием «Вулканизм и ранние земные биоты» (том 84, выпуски 3–4 журнала). Труды Королевского общества Эдинбурга по наукам о Земле и окружающей среде). [1] [10] [23] [13] Новые виды продолжают описываться из коллекций Вуда и других экспедиций до настоящего времени. [13] [24] [25] В 2011 году палеонтолог из Кембриджа Дженнифер А. Клак назвала новый вид микрозавра Восточного Кирктона , Kirktonecta milnerae , в честь этого места. [26] Карьер Восточный Кирктон был определен как Участок местного георазнообразия (LGS) Западного Лотиана и Участок особого научного интереса (УОНИ). [27]
В карьере Восточный Кирктон сохранилось до 19 м (62 фута) пластов из средней и нижней части вулканической формации Батгейт-Хиллз. По времени он эквивалентен породам из верхней части (член Хопетаун) сланцевой формации Западного Лотиана, обнаженной к северу от Линлитгоу . [28] Обе формации являются частью более широкой группы Стратклайд [29] (неофициально называемой сланцевой группой) [10] , обнаруженной по всей долине Мидленд в Шотландии. [30] [29] [31]
По сравнению с эквивалентными пластами горючих сланцев, Восточный Кирктон, по оценкам, принадлежит бриганту (самая верхняя визейская глобальная ярус) Миссисипского подпериода (нижняя часть каменноугольного периода). Это поместило бы его ближе к концу регионального динантского этапа. [10] В числовом выражении возраст этого места может составлять от 330 [32] до 338 [33] миллионов лет, при этом по общей оценке 335 миллионов лет. [10] [23]
Восточный Кирктон - одно из многих географически ограниченных месторождений известняка, обнаруженных на границе с севера на юг между Батгейтом и Линлитгоу. [8] [28] Близлежащий карьер Западный Кирктон представляет собой немного более молодое месторождение морского известняка. [7] [28] Вест-Кирктон не смог обнаружить каких-либо значительных окаменелостей, так как он был засыпан и перестроен к тому времени, когда Стэн Вуд начал свои раскопки в 1985 году. [14]
Скалы Восточного Кирктона погружаются (наклоняются) в западную стену карьера. Магнитометрические и электрометрические исследования выявили небольшой разлом с севера на юг к западу от карьера. Вертикальное смещение пластов вдоль разлома могло привести к выносу на поверхность мелкозернистых отложений. Разлом указывает на то, что локализованный характер этого участка является следствием современных тектонических процессов, а не древнего ограниченного отложения. [12]
В карьере можно найти три отличительных геологических интервала: туф Гейки (самый молодой / самый высокий), сланец Литтл-Клифф (средний) и известняк Восточного Кирктона (самый старый / самый низкий). Наиболее хорошо обнаженная область — это обнажение породы толщиной 15 м (49 футов) на северо-западной окраине карьера. Здесь три интервала подразделяются на ряд тонких блоков, обозначенных от 1 до 88, от верха обнажения (самая молодая точка) до низа обнажения (самая старая точка). [10]
Туф Гейке (пачки 1–31), как следует из названия, состоит в основном из желтовато-зеленых вулканокластических туфов . Окаменелости, хотя и присутствуют в нескольких слоях, ограничены в разнообразии и сохранности. В основном это чешуя рыб, фрагменты растений и панцири остракод ( мелких двустворчатых ракообразных ). Также присутствуют железистые конкреции . Толщина туфа Гейки имеет толщину более 4 м (13 футов) в основном обнажении породы, хотя в разведочных скважинах она может достигать 8 м (26 футов) . [10] Стратиграфические разрезы, полученные с помощью скважин, показали, что туф перекрыт базальтом . [10] [12]
Псевдоморфозы кристаллов оливина и плагиоклаза указывают на базальтовую природу туфа . Вулканические зерна крупные и округлые, рассортированы на прерывистые линзовидные слои с ступенчатой слоистостью . Это предполагает, что вулканический материал не был напрямую доставлен пирокластическим потоком , волной основания или пеплопадом . Скорее, он был смыт в виде обломков старых отложений пепла, оседающих под водой вместе с древесиной и другими невулканическими фрагментами. Скорее всего, в этом районе происходили небольшие периодические извержения шлаковых конусов , в результате чего предшественником туфового материала стал базальтовый пепел или лава. [15] [34]
Сланец Литл-Клифф (пачки 21–36) представляет собой самый тонкий интервал, обнаженный на участке. Наибольшей толщины (около 1,85 м или 6,07 футов) он достигает в середине западной стены карьера. Отложения сланцев Литтл-Клифф включают сине-серые сланцы с вкраплениями зеленоватого туфа. Окаменелости и железняк встречаются чаще, чем в туфе Гейки, с добавлением кутикулы скорпиона и большего разнообразия остатков растений и рыб. [15] [10]
Известняк Восточного Кирктона (пачки 36–88) на сегодняшний день является самой мощной, самой ископаемым и наиболее геологически разнообразной толщей в карьере. [10] Большинство слоев представляют собой слоистые (тонкослоистые) известняки с мелкозернистой текстурой известковых сферолитов (бусинок). В отдельных слоях могут встречаться черные сланцы , крупные туфоизвестняки, кремнеземы ( кремни и халцедоны ), пирит , гипс и туфовые пласты. [9] [15] [10] Четвероногие, членистоногие и окаменелости растений широко распространены в известняке. Напротив, за пределами пачки 36 рыбы отсутствуют, а остракоды в основном ограничены горизонтами, содержащими черные сланцы. Многие слоистые слои деформированы или искривлены, часто встречаются строматолитовые корки и нити водорослей. [10] В некоторых слоях можно увидеть небольшие оползни, которые, вероятно, соответствуют наклону между мелкой и глубокой частями дна озера. [9] [35] Дно озера, вероятно, было лишено кислорода, судя по геохимическим маркерам следов металлов и отсутствию биотурбации (нарушений, вызванных животными). [15] [36] Истинная толщина известняка неизвестна, но около 9 м (30 футов) обнажены на основном обнажении. [10]
Данные о стабильных изотопах помогают определить происхождение таких минералов, как кремнезем и пирит, в известняке. Соотношения изотопов водорода и кислорода указывают на то, что пласты кремня образовались из метеорной воды , нагретой примерно до 60 ° C (140 ° F), с незначительной рециркуляцией минералов после осаждения. Молекулы серы в пирите довольно легкие, что позволяет предположить, что образование кристаллов было опосредовано деятельностью бактерий. Тем не менее, пирит также был достаточно тяжелым, чтобы подразумевать постоянный приток серы-34 , вероятно, из более старых гипсовых пластов, нагретых магматической активностью. [37] И кремнезем, и пирит подтверждают исторические интерпретации гидротермального влияния на известняк Восточного Кирктона. [15] [37] Другая гипотеза, основанная на тенденциях изотопов стронция , заключается в том, что тепло и щелочные грунтовые воды являются побочными продуктами химических реакций между минералами туфа и молекулами углекислого газа , просачивающимися через метеоритную воду (например, дождь). [38]
Вопреки более ранним предположениям, [5] [8] [7] [15] известковые минералы восточного Кирктонского известняка (в основном кальцит ), вероятно, не имеют непосредственно гидротермального происхождения. [9] [36] [35] Тем не менее, Восточный Кирктон является полезной моделью образования богатого сферолитом пресноводного известняка в вулканических условиях. [9] [35] Большинство известняков со сферолитами зависят от высокой доли глинистых частиц, но глина составляет лишь небольшую часть известняка Восточного Кирктона. Преобладающая интерпретация состоит в том, что образование сферолитов в Восточном Кирктоне происходит по сложному пути минерализации. [9] [36] [35]
В реконструированной последовательности образования сферолитов пресноводные озера снабжены высокими концентрациями растворенных щелочных минералов и микробных кислот. Эти условия способствуют осаждению волокнистого кальцита, который накапливается на нитях органического материала, такого как водоросли или цианобактерии, в мелководной части озера. Волокнистый кальцит служит основой для излучающих шариков ботриоидного (кускового) кальцита. Даже когда водоросли умирают и оседают, кальцит продолжает накапливаться в корки и купола на дне озера. Колебания концентрации минералов приводят к постоянной коррозии и переосаждению кальцита. Воздействие волн разбивает корки кальцита на более мелкие зерна, которые периодически вымываются в более глубокие части озера. Это периодическое поступление зерен сферолита ответственно за слоистый вид известняка, чередующийся между микроскопическими полосами темной глины и органического материала и более толстыми (хотя все еще узкими) полосами кальцита. [36] [35] Диагенез (подземное тепло и давление) разрушает и нагревает кальцит после отложения, создавая пустоты и дальнейшее повторное осаждение в формах нитей водорослей. [9] [35]
В эпоху Динанта долина Мидленда была субтропической низменной рифтовой зоной. Разломы и остывшие потоки лавы могли внести свой вклад в ландшафт, отводя реки и создавая плотины на озерах, [39] так же, как и продвижение дельтовых систем дальше на восток. [40] Некоторые из озер, возможно, заполнены вулканическими кратерами, образуя низкие кратерные озера (также известные как маары ). Большинство отдельных вулканов были небольшими, но многочисленными, с акцентом на базальтовые и фреатические извержения рядом с горячими источниками. Современные эквивалентные среды включают систему вулканов вокруг Мозамбикского пролива и Шэн-де-Пюи во Франции. [39]
На севере и востоке располагалось большое озеро или система эстуариев , известная геологам как озеро Каделл. Он был ответственен за отложение большей части отложений, составляющих сланцевую формацию Западного Лотиана. К западу от Восточного Кирктона располагалось пространство сухих вулканических возвышенностей. На этих возвышенностях, официально известных как Плато Клайд , полностью отсутствовали какие-либо отложения известняка. Известняк Восточного Кирктона отложился в то время и в месте на пересечении этих двух сред, когда расширяющееся сухое плато начало вытеснять солоноватое озеро, что позволило развить прибрежную экосистему в районе Батгейта. [29] [35]
Восточный Кирктон располагался недалеко от экватора в Визе. Климат был теплым и полузасушливым , постепенно становясь более влажным по мере развития каменноугольного периода. [41] [39] [28] [42] Осадки были достаточно распространены, чтобы поддерживать лесные массивы и озерные экосистемы, но достаточно нечасты, чтобы отговорить угольные леса и позволить отложение гипса. [39] [28] [42] Более влажные условия туфа Гейки могут соответствовать расширению более крупного озера в район Восточного Кирктона. [28] Кремень и пирит, а также перминерализованные окаменелости растений могут указывать на то, что горячие источники были распространены во время отложения известняка Восточного Кирктона. [28] [43]
Все окаменелости четвероногих Восточного Кирктона сохранились в водных отложениях известняка Восточного Кирктона. Большинство окаменелостей происходит из слоистых плит сферолитового известняка (пласт 70 и ниже), хотя наиболее хорошо сохранившиеся экземпляры происходят из тонкого слоя черного сланца (пласт 82). Окаменелости рыб не встречаются рядом с окаменелостями четвероногих, что позволяет предположить, что четвероногие жили в более мелких водоемах или вокруг них, чем те, которые питают местную пресноводную рыбу. [44]
Все виды четвероногих восточного Кирктона являются эндемиками , хотя некоторые более широкие группы ( дендрерпетонтиды , аистоподы , « антракозавры » и т. д.) можно встретить и в других местах каменноугольного периода. Примечательно отсутствие адлогиринид , Crassigyrinus , Doragnathus и лизорофий , которые считаются полностью водными. [15] [44] Отсутствие лизорофий можно объяснить возрастом Восточного Кирктона, который намного старше известных водных представителей группы. [44] Настоящие амниоты также отсутствуют, и была обнаружена только одна окаменелость микрозавра. [26] Редкость микрозавров может быть связана с географическими, а не экологическими факторами, поскольку мало окаменелостей этой группы известно из других британских мест. В целом Восточный Кирктон имеет более наземный характер, чем другие места окаменелостей Шотландии, хотя несколько водных или полуводных видов, безусловно, также обитали в этом районе. [44]
Хотя лишь немногие виды рыб Восточного Кирктона были официально описаны, имеющаяся информация предполагает, что озеро Восточного Кирктона является местом обитания разнообразной пресноводной экосистемы. Типы тела, наблюдаемые у рыб Восточного Кирктона, включают веретенообразных (тунцовидных) хищников-универсалов и глубокотелых дурофагов ( Eurynotus ). Ихтиофауна сопоставима с другими участками горючих сланцев Миссисипи в Шотландии. Только на участке креветок Грантон , полностью морской среде, отсутствует пресноводная рыба и четвероногие. [52]
Помимо прямых окаменелостей тела рыб, копролиты также обнаружены в нескольких слоях вблизи перехода от сланцев Литл-Клифф до известняков Восточного Кирктона. Нередки мелкие гранулы, пулевидные и сигарообразные копролиты, часто содержащие раковины остракод и в одном случае фрагменты костей. Одна масса неправильной формы, содержащая остракоды и фрагменты растений, может быть отрыгиванием. Удлиненные спиралевидные копролиты встречаются реже и могли быть произведены пластиножаберными, родственными современным акулам. Неправильные или нитевидные копролиты могли быть произведены четвероногими, хотя нельзя исключать и рыбу. Массивные скопления фосфатированных зерен, вероятно, производились крупными всеядными эвриптеридами, такими как Hibbertopterus , или, что менее вероятно, крупными ризодонтными рыбами. [53]
Помимо членистоногих , к другим идентифицированным беспозвоночным относятся пресноводные остракоды ( Carbonita ) и двустворчатые моллюски ( Curvirimula ?). [10] Остракоды, вероятно, составляли основу водной пищевой цепи, поскольку они были обнаружены в содержимом желудка у некоторых окаменелостей рыб и четвероногих. [23]
Окаменелости растений Восточного Кирктона фрагментарны, но разнообразны, а небольшие фрагменты фузайна (окаменевшего древесного угля) распространены в известняке Восточного Кирктона. [15] [42] Вероятно, эта территория представляла собой лес или редколесье, где часто происходили лесные пожары . Водных растений, если не считать пластинок водорослей, мало, а фрагменты ликопсидов (индикатор болотных лесов) обычны только в Гейкском туфе. Окружающие леса, вероятно, были суше во время отложения сланцев Литл-Клифф и известняка Восточного Кирктона. Флора Восточного Кирктона довольно типична для визейской Шотландии, большинство обнаруженных здесь видов ранее были зарегистрированы в долине Мидленд. [42]
Древесина голосеменных растений и листья папоротников (особенно Spathulopteris и Sphenopteridium ) являются наиболее распространенными окаменелостями растений в Восточном Кирктоне. Эти растения также в изобилии встречаются в Уиклау, отложениях вулканического пепла визейского периода в Восточном Лотиане . Неизвестно, свидетельствует ли это сходство о предпочтении вулканических областей или просто о более широкой биостратиграфии . [42]
Окаменелости растений окаменели несколькими различными химическими путями. В известняке Восточного Кирктона прочные части растений, такие как ветви голосеменных растений и корни стигмарий, часто сохраняются за счет перминерализации ( каменения ). В ходе перминерализации исходный органический материал последовательно заменяется кремнеземом и/или карбонатом, переносимым щелочными грунтовыми водами . Чаще всего органическое вещество сжимается под воздействием тепла и давления в углеродистые пленки . Эти угольные комки древесины и листвы можно найти практически на каждом слое участка. Некоторые окаменелости одновременно сжаты и перминерализованы, особенно в верхних слоях (пласты 44–48) известняка Восточного Кирктона. [15] [43]