East Kirkton Quarry , или просто East Kirkton , — бывший известняковый карьер в Западном Лотиане , Шотландия, ныне известный ископаемый участок. Карьер известен наземными и пресноводными окаменелостями возрастом около 335 миллионов лет, из позднего визейского яруса миссисипского подпериода (ранний каменноугольный период ). [1] [2] [3] Карьер представляет собой впадину длиной 200 метров (~650 футов), расположенную в городе Батгейт . Географически он находится в холмах Батгейт недалеко от центра долины Мидленд , богатого ископаемыми региона на юго-востоке Шотландии. [4] На участке преобладают вулканические туфы , известняк и кремниевые отложения крупных пресноводных озер, связанных с горячими источниками и местным базальтовым (высокожелезистым) вулканизмом . Обнажаются три геологических интервала: известняк Восточного Кирктона (самый древний), сланец Литл-Клифф (средний) и туф Гейки (самый молодой).
В частности, известняк Восточного Кирктона дал многочисленные хорошо сохранившиеся окаменелости четвероногих (четырехногие позвоночные ) и членистоногих (многоногие хитиновые беспозвоночные , такие как многоножки и паукообразные ). Восточный Кирктон игнорировался палеонтологами с 1840-х годов, но шотландский коллекционер окаменелостей Стэн Вуд сумел раздобыть землю в 1985 году, вызвав всплеск научного интереса. Новые виды из Восточного Кирктона регулярно назывались с 1990 года, и почти все эти виды не были найдены больше нигде. Известные открытия включают Westlothiana (один из самых похожих на рептилий миссисипских четвероногих), Balanerpeton (обычный ранний представитель амфибий в группе Temnospondyli ) и Pulmonoscorpius (крупнейший известный наземный скорпион ). Район Ист-Кирктон представляет собой необычную среду: сухие леса и богатые минералами озера, расположенные среди вулканических шлаковых конусов . Водные животные, хотя и не редки, менее разнообразны, чем те, что встречаются в болотистых угольных лесах и прибрежных отложениях, распространенных в других шотландских ископаемых каменноугольного периода. Распространенность наземных организмов отражает более широкую тенденцию к снижению зависимости от земноводного образа жизни в каменноугольный период.
Еще в 1820-х годах Ист-Кирктон был отмечен как загадочное место, имеющее отношение к широким дебатам 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 осаждалось из богатых минералами вод, в то время как плутонисты определяли магму как среду, из которой происходит большинство горных пород. Эксперименты с карбонатными породами (такими как известняк) подтверждали нептунистические интерпретации петрологии, в то время как доказательства, полученные с пород на основе кремния (таких как гранит ), благоприятствовали взглядам плутонистов. [6] Ист-Кирктон представлял собой противоречие: толстые слои карбоната (известняка) перемешались с более редкими кремнистыми ( кремнистыми ) пластами, подчеркивая, как оба типа горных пород могут встречаться в тесной последовательности. [5] [7]
Первым геологом, изучавшим это место, был Джон Флеминг (1825), шотландский нептунист, который считал, что и карбонат, и кремень произошли из нагретых грунтовых вод. [5] В 1830-х и 1840-х годах в карьере были найдены некоторые интересные окаменелости каменноугольных растений и эвриптеридов («морских скорпионов», тип вымерших членистоногих), хотя это было не 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 вулканического туфа на этом месте и приписал кремний и карбонат минерализации горячих источников. [8]
Когда карьер прекратил работу в 1844 году, это место было по большей части забыто как геологическая сноска. [10] Шотландский геолог Арчибальд Гейки (1861) определил, что известняк «Кирктона» не был единым блоком, а вместо этого двумя отдельными последовательностями, одна в соседнем карьере Западный Кирктон, а другая в Восточном Кирктоне. Он поддержал интерпретацию Хибберта, посчитав, что карьеры Кирктона представляют собой большие озера, на которые влияли горячие источники на древней вулканической равнине. [7] В последующие десятилетия Восточный Кирктон привлек мало внимания, поскольку нептунизм уменьшился в большинстве приложений, в то время как плутонизм утвердился как надежная научная теория . Земля к югу от карьера была разработана для жилья, в то время как карьер был заброшен. [11] [12] Преобладающее мнение состояло в том, что, за исключением редких пресноводных эвриптеридов, ископаемое содержание Восточного Кирктона было сравнительно непримечательным. [1] [10] [13] Одно из примечательных исследований, проведенных в столетии после статьи Гейки, было проведено Мьюиром и Уолтоном (1957), которые проанализировали предыдущие исследования и более подробно изучили микроскопическую текстуру и происхождение карбоната. [9]
Десятилетия безвестности Ист-Кирктона закончились в 1984 году, когда шотландский коллекционер окаменелостей Стэн Вуд обнаружил фрагментарный череп четвероногого среди известняковых плит отвала карьера. [11] Согласно популярным сообщениям, он узнал о отвале, когда судил футбольный матч на соседнем поле. Вуд купил заброшенный карьер у окружного совета Западного Лотиана следующим летом. [14] Вуд и палеонтолог Кембриджского университета Тимоти Р. Смитсон начали систематический сбор окаменелостей из карьера с 1985 по 1990 год. Получив известие об открытии, группа геологов Национального музея Шотландии (во главе с У. Д. Яном Рольфом) начала стратиграфическое исследование в 1987–1992 годах. [15] [1] [10]
Ископаемые останки, обнаруженные Вудом, включают обширный образец как наземных, так и пресноводных ископаемых членистоногих и ранних амфибий из известняка Ист-Кирктон. [16] Меньший образец ископаемых рыб и растений был найден в более молодых слоях несколько лет спустя. [10] Вуд и его коллеги опубликовали информацию о своих первоначальных находках в письме Nature за 1985 год . [16] [10] [13] Два примечательных таксона, упомянутых в письме 1985 года, были старейшим известным сенокосцем («папаша длинноногий», названный Brigantibunum в 2005 году) [17] и старейшим известным темноспондильным амфибием (описанным как Balanerpeton в 1993 году). [18] Ист-Кирктон, возможно, наиболее известен благодаря Westlothiana , небольшому четвероногому, обнаруженному в 1988 году и первоначально объявленному старейшей известной рептилией в 1989 году. [19] [20] Раскопки Вуда в Ист-Кирктоне и тогда еще не названная Westlothiana были представлены в первом эпизоде Lost Worlds, Vanished Lives , документального фильма BBC 1989 года, ведущим которого был сэр Дэвид Аттенборо . [14] Впоследствии Westlothiana была переосмыслена как стволовая амниотическая рептилия . Другими словами, это была амфибия, тесно связанная с амниотами (группа, включающая адаптированных к сухому миру четвероногих, таких как рептилии и млекопитающие , с укрепленными яйцами и утолщенной кожей). Благодаря своей степени полноты Westlothiana по-прежнему остается одной из лучших парадигм перехода от 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 в 1993–1994 годах под названием «Вулканизм и ранние наземные биоты» (том 84, выпуски 3–4 Трудов по наукам о Земле и окружающей среде Королевского общества Эдинбурга). [1] [10] [23] [13] Новые виды продолжают описываться из коллекций Вуда и других экспедиций вплоть 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 Восточного Кирктона был обозначен как Локальный участок георазнообразия (LGS) Западного Лотиана и Участок особого научного интереса (SSSI). [27]
Карьер East Kirkton сохраняет до 19 м (62 фута) слоев из средней нижней части вулканической формации Bathgate Hills. По времени он эквивалентен породам из верхней части (Hopetoun Member) формации West Lothian Oil-Shale, обнаженной к северу от Linlithgow . [28] Оба образования являются частью более широкой группы Strathclyde [29] (неофициально называемой группой Oil-Shale) [10], встречающейся по всей долине Мидленд в Шотландии. [30] [29] [31]
По сравнению с эквивалентными слоями сланцевого топлива, Восточный Кирктон, по оценкам, принадлежит к бригантианскому (верхний визейский глобальный ярус) миссисипского подпериода (нижняя часть каменноугольного периода). Это помещает его близко к концу регионального динантийского яруса. [10] В числовом выражении возраст участка может составлять от 330 [32] до 338 [33] миллионов лет, при этом общепринятая оценка составляет 335 миллионов лет. [10] [23]
East Kirkton — одно из многих географически ограниченных месторождений известняка, выходящих на поверхность по касательной с севера на юг между Батгейтом и Линлитгоу. [8] [28] Расположенный поблизости карьер West Kirkton — это немного более молодое месторождение морского известняка. [7] [28] West Kirkton не дал никаких существенных ископаемых, поскольку он был заполнен и переработан к тому времени, когда Стэн Вуд начал свои раскопки в 1985 году. [14]
Скалы Ист-Кирктона падают (наклоняются) в западную стену карьера. Магнитометр и исследования сопротивления выявили небольшой разлом с севера на юг к западу от карьера. Вертикальное смещение слоев вдоль разлома могло бы быть причиной выноса мелкозернистых осадков на поверхность. Разлом указывает на то, что локализованная природа участка является следствием современных тектонических процессов, а не древнего ограниченного осаждения. [12]
В карьере можно найти три отличительных геологических интервала: туф Гейки (самый молодой / самый высокий), сланец Литл Клифф (средний) и известняк Ист-Кирктон (самый старый / самый низкий). Наиболее хорошо обнаженная область - это обнажение толщиной 15 м (49 футов) на северо-западном краю карьера. Здесь три интервала подразделяются далее на ряд тонких единиц, промаркированных от 1 до 88 от вершины обнажения (самая молодая точка) до основания обнажения (самая старая точка). [10]
Туф Гейки (единицы 1–31), как следует из названия, в основном состоит из желтовато-зеленого вулканокластического туфа . Ископаемые останки, хотя и обильны в нескольких слоях, ограничены по разнообразию и сохранности. В основном они включают рыбью чешую, фрагменты растений и раковины остракод (крошечные двустворчатые ракообразные ). Также присутствуют железные конкреции . Туф Гейки имеет толщину более 4 м (13 футов) на главном выходе, хотя в разведочных скважинах он 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 то, что туф имеет базальтовую природу. Вулканические зерна грубые и округлые, отсортированные в прерывистые линзовидные слои с градуированной слоистостью . Это говорит о том, что вулканический материал не был напрямую доставлен пирокластическим потоком , базисной волной или выпадением пепла . Скорее всего, он был смыт вниз как обломки из более старых отложений пепла, оседая под водой вместе с древесиной и другими невулканическими фрагментами. Скорее всего, в этом районе происходили небольшие прерывистые извержения шлаковых конусов , в результате чего базальтовый пепел или лава стали предшественниками туфового материала. [15] [34]
Сланец Литл Клифф (блоки 21–36) является самым тонким интервалом, открытым на участке. Он достигает своей наибольшей толщины (около 1,85 м или 6,07 футов) около середины западной стены карьера. Осадки сланца Литл Клифф включают сине-серый сланец с вкраплениями зеленоватого туфа. Окаменелости и железная руда встречаются чаще, чем в туфе Гейки, с добавлением скорпионовой кутикулы и большего разнообразия остатков растений и рыб. [15] [10]
Известняк Восточного Кирктона (блоки 36–88) на сегодняшний день является самой толстой, наиболее богатой окаменелостями и наиболее геологически разнообразной последовательностью в карьере. [10] Большинство слоев представляют собой слоистую (тонкослоистую) известняк с мелкозернистой текстурой известковых сферолитов (зерен в виде бус). В некоторых слоях могут встречаться черные сланцы , грубые туфовые известняки, кремнезем ( кремень и халцедон ), пирит , гипс и туфовые слои. [9] [15] [10] Окаменелости четвероногих, членистоногих и растений в изобилии встречаются по всему известняку. Напротив, рыбы отсутствуют за пределами блока 36, а остракоды в основном ограничены горизонтами, содержащими черные сланцы. Многие слоистые слои деформированы или искривлены, а также обычны строматолитовые корки и водорослевые нити. [10] В некоторых слоях можно увидеть небольшие оползневые особенности, вероятно, соответствующие уклону между мелководными и глубокими частями ложа озера. [9] [35] Дно озера, вероятно, было лишено кислорода, судя по геохимическим маркерам следов металлов и отсутствию биотурбации (нарушения, вызванные животными). [15] [36] Истинная толщина известняка неизвестна, но около 9 м (30 футов) обнажены на основном выходе. [10]
Данные о стабильных изотопах помогают определить происхождение таких минералов, как кремний и пирит в известняке. Соотношения изотопов водорода и кислорода указывают на то, что слои кремня осаждались из метеорной воды , нагретой примерно до 60 °C (140 °F), с незначительным количеством минеральной переработки после осаждения. Молекулы серы в пирите довольно легкие, что свидетельствует о том, что образование кристаллов было опосредовано бактериальной активностью. Тем не менее, пирит был также достаточно тяжелым, чтобы предполагать постоянное поступление серы-34 , вероятно, из более старых гипсовых пластов, нагретых магматической активностью. [37] И кремний, 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 метеорную воду (например, дождь). [38]
Вопреки более ранним предположениям, [5] [8] [7] [15] известковые минералы известняка Восточного Кирктона (в основном кальцит ), вероятно, не имеют прямого гидротермального происхождения. [9] [36] [35] Тем не менее, Восточный Кирктон является полезной моделью для формирования богатого сферолитами 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 заключается в том, что образование сферолитов в Восточном Кирктоне следует сложному пути минерализации. [9] [36] [35]
В реконструированной последовательности образования сферолитов пресноводные озера снабжаются 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 выступает в качестве основы для радиально расходящихся шаров гроздевидного (комковатого) кальцита. Даже после того, как водоросли умирают и оседают, кальцит продолжает складываться в корки и купола на дне озера. Колебания концентрации минералов приводят к постоянной коррозии и повторному осаждению кальцита. Воздействие волн разбивает корки кальцита на более мелкие зерна, которые периодически смываются в более глубокие части озера. Эта периодическая поставка зерен сферолита отвечает за слоистую структуру известняка, чередующуюся между микроскопическими полосами темной глины и органического материала и более толстыми (хотя все еще узкими) полосами кальцита. [36] [35] Диагенез (подземное тепло и давление) раскалывает и нагревает кальцит после отложения, создавая пустоты и дальнейшее повторное осаждение в формах водорослевых нитей. [9] [35]
В Динантиане долина Мидленд была бы субтропической низменной рифтовой зоной. Разломы и охлажденные потоки лавы внесли свой вклад в ландшафт, отводя реки и запруживая озера, [39] как и выдвижение дельтовых систем дальше на восток. [40] Некоторые из озер могли заполнить вулканические кратеры, образовав низкие кратерные озера (также известные как маары ). Большинство отдельных вулканов были небольшими, но многочисленными, подчеркивая базальтовые и фреатические извержения наряду с горячими источниками. Современные эквивалентные среды включают систему вулканов вокруг Мозамбикского пролива и Шен-де-Пюи во Франции. [39]
На севере и востоке находилась большая система озер или эстуариев , известная геологам как озеро Каделл . Оно отвечало за отложение большинства осадков, входящих в состав формации нефтяных сланцев Западного Лотиана. К западу от Восточного Кирктона располагались обширные сухие вулканические возвышенности. На этих возвышенностях, официально известных как плато Клайд , полностью отсутствовали какие-либо формы отложений известняка. Известняк Восточного Кирктона откладывался в определенное время и в определенном месте на пересечении этих двух сред, поскольку расширяющееся сухое плато начало вытеснять солоноватое озеро, что способствовало развитию прибрежной экосистемы в районе Батгейта. [29] [35]
Восточный Кирктон был расположен близко к экватору в визейском периоде. Климат был теплым и полузасушливым , постепенно становясь более влажным по мере развития карбона. [41] [39] [28] [42] Осадки были достаточно распространены, чтобы поддерживать лесные массивы и озерные экосистемы, но достаточно редки, чтобы отвадить угольные леса и допустить отложение гипса. [39] [28] [42] Более влажные условия туфа Гейки могут соответствовать расширению более крупного озера в район Восточного Кирктона. [28] Кремень и пирит, наряду с перминерализованными растительными окаменелостями, могут указывать на то, что горячие источники были распространены во время отложения известняка Восточного Кирктона. [28] [43]
Все окаменелости тетраподов Восточного Кирктона сохранились в водных отложениях известняка Восточного Кирктона. Большинство окаменелостей происходят из слоистых сферолитовых известняковых плит (участки 70 и ниже), хотя наиболее хорошо сохранившиеся образцы происходят из тонкого слоя черного сланца (участок 82). Окаменелости рыб не встречаются вместе с окаменелостями тетрапод, что позволяет предположить, что четвероногие обитали в или около более мелких водоемов, чем те, в которых обитают местные пресноводные рыбы. [44]
Все виды тетрапод Восточного Кирктона являются эндемиками , хотя некоторые более широкие группы ( дендрерпетонтиды , айстоподы , « антракозавры » и т. д.) можно найти в других местах каменноугольного периода. В частности, отсутствуют аделогириниды , крассигиринус , дорагнат и лизорофы , все из которых считаются полностью водными. [15] [44] Отсутствие лизорофов можно объяснить возрастом Восточного Кирктона, который намного старше известных водных членов 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 из других британских мест известно немного окаменелостей этой группы. В целом, Восточный Кирктон имеет более наземный характер, чем другие шотландские ископаемые места, хотя несколько водных или полуводных видов, безусловно, также обитали в этой области. [44]
Хотя немногие виды рыб Восточного Кирктона были формально описаны, имеющаяся информация свидетельствует о том, что озеро Восточного Кирктона имело разнообразную пресноводную экосистему. Типы тела, наблюдаемые у рыб Восточного Кирктона, включают веретенообразных (похожих на тунца) универсальных хищников и глубоководных дурофагов ( Eurynotus ). Ихтиофауна сопоставима с другими участками в нефтяных сланцах Миссисипи в Шотландии. Только в креветочной ложбине Грантона , полностью морской среде, отсутствуют пресноводные рыбы и четвероногие. [52]
Помимо прямых окаменелостей тел рыб, копролиты также найдены в нескольких слоях вблизи перехода сланцев Литл-Клифф-известняк Ист-Кирктон. Небольшие копролиты в форме гранул, пуль и сигар обычны, часто содержат раковины остракод , а в одном случае фрагменты костей. Одна нерегулярная масса, содержащая остракод и фрагменты растений, может быть отрыгнутой. Удлиненные спиралевидные копролиты встречаются реже и могли быть произведены эластобранхами, родственными современным акулам. Нерегулярные или нитевидные копролиты могли быть произведены четвероногими, хотя нельзя исключать и рыб. Массивные скопления фосфатизированных зерен, вероятно, были произведены крупными всеядными эвриптеридами, такими как Hibbertopterus , или, что менее вероятно, крупными корненожными рыбами. [53]
Помимо членистоногих , другие идентифицированные беспозвоночные включают пресноводных остракод ( Carbonita ) и двустворчатых моллюсков ( Curvirimula ?). [10] Остракоды, вероятно, сформировали основу водной пищевой цепи, поскольку они были обнаружены в качестве содержимого желудков у нескольких рыб и ископаемых четвероногих. [23]
Окаменелости растений Восточного Кирктона фрагментарны, но разнообразны, и небольшие фрагменты фюзена (окаменевший древесный уголь) распространены в известняке Восточного Кирктона. [15] [42] Вероятно, эта область была лесом или редколесьем, часто посещаемым лесными пожарами . Водных растений, помимо водорослевых наслоений, немного, а фрагменты плауновидных (индикатор болотных лесов) распространены только в туфе Гейки. Окружающие леса, вероятно, были суше во время отложения сланца Литл-Клифф и известняка Восточного Кирктона. Флора Восточного Кирктона довольно типична для визейской Шотландии, большинство видов, найденных здесь, ранее были зарегистрированы в долине Мидленд. [42]
Древесина голосеменных и листья папоротников (особенно Spathulopteris и Sphenopteridium ) являются наиболее распространенными растительными окаменелостями в Ист-Кирктоне. Эти растения также в изобилии встречаются в Уиклоу, вулканическом пепле визейского возраста в Восточном Лотиане . Неясно, выдает ли это сходство предпочтение вулканическим областям или просто более широкую биостратиграфию . [42]
Окаменелости растений были окаменелыми несколькими различными химическими путями. В известняке Ист-Кирктон крепкие части растений, такие как ветви голосеменных и корни стигмарии, часто сохраняются путем перминерализации ( окаменения ). Во время перминерализации исходный органический материал последовательно заменяется кремнеземом и/или карбонатом, переносимым щелочными грунтовыми водами . Чаще всего тепло и давление сжимают органическое вещество в углеродистые пленки . Эти обугленные уплотнения древесины и листвы можно найти практически в каждом слое участка. Некоторые окаменелости как сжаты, так и перминерализованы, особенно в верхних слоях (участки 44–48) известняка Ист-Кирктон. [15] [43]