白垩纪

白垩纪（Cretaceous Period）^[1]，中生代最后一个纪，也是显生宙延续时间最长的一个纪，其时间划分为距今1.45亿~0.66亿年（145.0Ma~66.0Ma），^[4]跨度长达7900万年（79Myr）左右。^[2]在国际地层分类体系中将白垩纪分为2世（统）12期（阶），应建立12枚“金钉子”，现已建立9枚“金钉子”，顶界马斯特里赫特阶（Maastrichtian）金钉子位于法国西南部朗德省泰西斯莱班（Tercis les Bains）的大卡里采石场剖面，底界贝里阿斯阶（Berriasian）未设立金钉子。^[4]在中国地质年代表中，白垩纪地层系统被设立为2世（统）6期（阶）。^[5]

白垩纪是地史上最广泛的海进期之一，末期也发生了世界规模的海退。^[6]在白垩纪初期，先前的泛大陆（Pangca）分裂成两个超大陆，既南方的冈瓦纳大陆（Gondwana）和北方的劳亚大陆（Laurasia），它们之间被特提斯洋（Tethys Ocean）所隔。到白垩纪中期，随着南美洲与非洲的裂解，南大西洋与不断加宽的北大西洋相连。在印度洋地区，印度与澳大利亚分离，开始了长距离北漂的旅程。^[4]从古气候上讲，白垩纪代表了离现在最近的深时温室气候时期，这一时期的古大气具有高浓度的二氧化碳温室气体，纬度温差小并且两极大部分时间无冰盖。^[4]此时地球气候带由赤道向外扩展，副热带环流圈的下降空气更靠近极地，比现在高15°C；温带气候几乎延伸到极地，至少比现今高20°C。年平均温度比现今高10~15°C，且温度梯度约为现今的一半。^[7]

在白垩纪时期，地球生命得到了进一步发展。在植物界，被子植物在晚白垩世取代了裸子植物的统治地位。在动物界，原始有胎盘和有袋类哺乳动物在早白垩世热河生物群出现；剑龙类、禽龙类等在早白垩世末期灭绝，霸王龙、鸭嘴龙和角龙类大繁盛；鸟类中的反鸟类得到空前发展。^[4]伴随环境的变化，也发生了诸如白垩纪生物大灭绝^[4]、大洋缺氧等重大事件。^[3]

白垩纪英文名为“Cretaceous Period”^[1]，“Cretaceous”一名来自拉丁字“Creta”，即“白垩”的意思。由于这一时期，西欧沉积了一种极细的、富含钙质的白垩层，故就岩性取名。^[6]事实上其它国家并不完全如此，如中国白垩纪的地层多为紫红色，有时含白垩，所以叫第三纪和第四纪。主要因为最早由查尔斯·莱尔（Charles Lyell）划分地层时，把古生代叫第一纪，中生代叫第二纪，新生代划分为第三纪和第四纪，后来发现第一纪和第二纪的地层很厚，化石种类很多，因此根据沉积情况和化石，才把第一纪划分为六个纪，改名为古生代，把第二纪分为三个纪，根据生物的演化叫中生代。^[8]

在西欧海相白垩系发育较好，研究较详，根据菊石类和瓣鳃类中的小型蛣儿蛤（Inoceramus）等，国际地质年代表中将白垩系分为2世（统）12期（阶）。^[6]现已设立9枚“金钉子”。^[9]

参考国际地层学研究基础，《中国地层表（2014）》将白垩纪划分为2世（统）6期（阶）。^[5]

白垩纪全球古地理格局与现今具有巨大差别。在白垩纪初期，先前的泛大陆（Pangca）分裂成两个超大陆，既南方的冈瓦纳大陆（Gondwana）和北方的劳亚大陆（Laurasia），它们之间被特提斯洋（Tethys Ocean）所隔。到白垩纪中期，随着南美洲与非洲的裂解，南大西洋与不断加宽的北大西洋相连。在印度洋地区，印度与澳大利亚分离，开始了长距离北漂的旅程，直到新生代初期与欧亚大陆（Eurasia）碰撞拼合，造就了世界屋脊——青藏高原的形成。^[4]

白垩纪时期有六块大陆，欧亚大陆通过格陵兰（Greenland）与北美联结在一起、非洲大陆、南美洲大陆、澳大利亚与南极洲联结在一起、印度大陆以及可能单独的古中国大陆。大洋则有太平洋、古大西洋、古印度洋、特提斯海和北极海。北大陆（欧亚大陆）与南大陆（冈瓦纳大陆）通过现今的西班牙与摩洛哥某地连接起来。在此连接处的西面为古大西洋，东面为特提斯海。古大西洋通过中美洲与太平洋沟通，白垩纪早期与晚期的地理面貌相差很大。^[18]

早白垩世以特提斯海为界的南北两大陆比较明显。特提斯海、北海和俄罗斯海覆盖了欧洲的大部分。具体的海侵表现为：特提斯海淹没北非、南欧、东欧乃至土耳其；北海海侵实际上属于北极海的分支，入侵到北海地区及英格兰北部、法国北部和波兰的大部；俄罗斯海最初为北极海的支海，后来与特提斯海沟通。早白垩世的亚洲地区也有较大的海侵，使北极海与太平洋沟通。日本诸岛亦遭受海侵。喜马拉雅山南北均被特提斯海东段的海域所占并向东南一直淹没中南半岛、马来亚半岛。再向南，澳大利亚大陆的三分之一亦被海水所淹，把这块大陆分割成二或三个较大的岛屿。早白垩世的北美太平洋岸被海水淹没，并进入中美洲西部。在哥伦比亚北部和委内瑞拉有一个接连太平洋和大西洋的海峡，墨西哥及美国东南部则为大西洋的一个大海湾，海水自此海湾向北穿越美国内地直达加拿大，与北极海沟通，于是将北美大陆分割成东西两大块。现在的加勒比海地区，当时有可能是一处有火山活动的陆块。早白垩世的冈瓦纳大陆已经分裂，海侵发生在裂隙的边缘地带。^[18]

到晚白垩世全球性海侵扩大，是地史上较大的海侵之一。这次海侵起始于早白垩世晚期，直至晚白垩世初期。海侵的表现是特提斯海向南北两侧扩展，就欧洲而言，除斯堪的纳维亚（Navian）和波罗（Baltic）的地区外，其他部分都遭到海侵；北非的北部及东、西非沿岸也被没，这是古生代以后的最大一次海侵。亚洲南部与中南半岛、马来亚半岛也被淹没；向北淹及乌拉尔（Ural）与鄂毕河（Ob River）地区。中美洲全部被淹，这是特提斯海的西延部分。落基山（The Rocky Mountains）以西出现一条宽阔的海峡，自加拿大西部穿过美国直达墨西哥湾，使北极海与特提斯海沟通。东亚沿太平洋东岸诸岛，也被淹没。澳大利亚出现一个大海湾。白垩纪末出现全球性海退，只局部地区有残留海继续到古新世。^[18]

联合古陆于2亿年前开始解体和漂移。侏罗纪时产生了一条分割南美洲与非洲大陆的新裂谷，白垩纪时南大西洋沿此裂谷迅速张开，到白垩纪末已加宽到约3000千米；北大西洋裂谷在格陵兰东侧，北美与格陵兰白垩纪大部分时间都是联结在一起的。分隔欧亚大陆与非洲大陆的是特提斯海，现中南欧和中近东的许多国家当时都淹没在海水中。当欧亚板块缓慢地顺时针转动时，非洲则继续逆时针转动，早白垩世时印度板块还与马达加斯加联结在一起，到了晚白垩世则彼此分开，澳大利亚是到了晚白垩世末期才开始脱离南极板块。^[19]

早白垩世晚期，由于太平洋板块的剧烈活动，中国东部的郯庐断裂发生了巨大的平移，1500万年间平移将近740千米，平均每年移动约5厘米。太平洋东岸的圣安德烈斯断裂带与此相应，平移了将近720千米，这是太平洋北部的库拉板块（Kula plate）向西北方向漂移所引起的。在这一活动过程中，中国东部特别是东南沿海地区发生了强烈的火山喷发和岩浆活动，在浙、闽、粤、苏、皖、赣诸省造成了巨厚的下白垩统中酸性火山岩系。这一火山岩浆作用一直持续到晚白垩世，不过向东发生了迁移，主要在丽水-海丰大断裂之东。中国中部和西部内陆地区，白垩纪很少有火山活动，但西藏海域却有海底喷发。^[19]

以欧洲海相地层为依据，白垩系划分为下统、上统两个统。下统从下而上为贝里阿斯阶、瓦兰今阶、欧特里夫阶、巴雷姆阶、阿普特阶、阿尔布阶；上统包括赛诺曼阶、土伦阶、康尼亚克阶、圣通阶、坎潘阶、马斯特里赫特阶。在这12个阶中可划分出53个菊石带，后来又以浮游有孔虫和钙质超微化石作为白垩系分阶、分带及洲际对比的重要依据。白垩系底界，一般建议以贾氏贝里阿斯菊石（Berriasella jacobi）最底层位为其生物标志。^[19]

英国下白垩统下部是韦尔登系陆相地层（Wealden Formation），包括哈斯丁层（Hastings Sands group）和韦尔登黏土两部分；下白垩统上部是绿色砂岩层，包括阿普特和阿尔布两个期的沉积。上白垩统即狭义的白垩层，包括从赛诺曼期到坎潘早期地层，顶部缺失坎潘中晚期和马斯特里赫特期沉积。北美也采取了国际通用标准，但在广大的落基山区，白垩纪海侵是从早白垩世晚期开始的，普遍缺失早、中期沉积。^[19]

陆相白垩系在东亚腹地非常发育，中国仅西藏、新疆喀什地区、黑龙江省东部和台湾岛才有海相白垩系沉积，其余广大地区则不同程度地发育了陆相地层。东部沿海属环太平洋活动带，以红色及杂色岩层夹火山碎屑岩和熔岩为主；西北内陆盆地以杂色沉积岩层为主；西南和华中主要是红色岩层。东北下白垩统下部是含煤岩层，上部是湖相沉积，夹少许油页岩；上白垩统则是含油岩系，与北美情况不同，含煤岩层很少。中国白垩系由于以陆相地层为主，与海相标准分层进行对比还存在许多问题，特别是侏罗-白垩系界线的划分是长期争论的问题。^[19]

白垩系主要矿产为石油、天然气、煤和膏盐矿床。美国得克萨斯州、墨西哥、波斯湾、北非、俄罗斯均有许多大油田，特别是中国松辽平原上白垩统的大庆油田，以及东北和内蒙古有下白垩统的大煤田。中国南部有巨厚的膏盐矿。云南白垩纪红层有铜矿，而中国东南沿海的火山活动，形成了明矾、萤石、沸石等非金属矿床和铅锌银等金属矿床。^[19]

白垩纪是全球性强烈温暖的时期。此时地球气候带由赤道向外扩展，副热带环流圈的下降空气更靠近极地，比现在高15°C；而温带气候几乎延伸到极地，至少比现今高20°C；年平均温度比现今高10~15°C，且温度梯度约为现今的一半。^[7]

从古气候上讲，白垩纪代表了离现在最近的深时温室气候时期。白垩纪时期的古大气具有高浓度的二氧化碳温室气体，并且两极大部分时间无冰盖。但是，白垩纪地球也经历了温度的宽幅波动。比如较温冷的早白垩世巴雷姆和阿普特时期，北纬25°表层海水出现了高达18℃的显著季节温差，这被解释成短暂极地冰盖的存在。之后，地球逐渐开始增温，在阿尔布晚期至塞诺曼早期，赤道地区上层海水温度可达35℃，虽然在塞诺曼后期有3℃的短暂降温，但是在土伦中、晚期发生了7℃的巨大增温事件，使得上层海水温度达到极值42℃，同时估算的古大气二氧化碳浓度高达600~2400ppmv^[注2]。此时估算的赤道-极区温度梯度在25~30℃，仅为现今赤道一极区温度梯度的一半，当时中纬度地区表现出每纬度0.4℃的温度梯度。虽然在随后的晚白垩世地球再次经历了逐渐降温的过程，但是在白垩纪末期的马斯特里赫特期，热带海洋表层水体温度也可超过30℃。因此，白垩纪总体上是一个极其温暖、纬度温差小、两极无冰盖的特殊时期。^[4]

在白垩纪时期，地球生命得到了进一步发展。在植物界，被子植物在晚白垩世取代了裸子植物的统治地位。在动物界，著名的长毛兽脚类恐龙（中华龙鸟等）、原始有胎盘和有袋类哺乳动物在早白垩世热河生物群出现，剑龙类、禽龙类等在早白垩世末期灭绝，霸王龙、鸭嘴龙和角龙类大繁盛；鸟类中的反鸟类得到空前发展；海洋无脊椎动物中的菊石、箭石继续繁荣，双壳类的厚壳蛤空前繁盛，在特提斯地区形成了礁灰岩，享有碳酸盐工厂的盛名。微体化石颗石藻和有孔出的爆发，形成了白垩沉积和英国多佛白崖景观。^[4]

植物

白垩纪的植物界，在早、晚白垩纪具有迴然不同的面貌。早白垩纪的植物群是晚侏罗纪的继续，但在晚白垩纪则以高等的被子植物占统治地位，与新生代相似，而与中生代不同。早白垩纪常见化石为蕨类桫suō椤luó科的似金粉锥羊齿（Coniopteris Gonychiopsis），银杏类的似银杏（Ginkgoytes）、古银杏（Bairea）和松泊的苏铁杉（Padoxamites）等为主。到了晚白垩纪植物界的面貌发生了巨大的变化，主要表现为被子植物的大量繁盛，而在中生代占优势的裸子植物则退居次要地位，从而开始了一个被子植物的大量繁盛的新时代。^[20]

陆栖动物

早白垩纪的化石记录在质量和数量上都是不规则的，但很明显，恐龙继续着它们在陆地上的长期统治地位。白垩纪晚期的记录要完整得多，尤其是在北美和亚洲，此时，许多恐龙类型的生活关系与现在的陆生哺乳动物群落没有什么不同。虽然体型较大的恐龙，如食肉的暴龙和食草的禽龙是最著名的，但白垩纪也有许多体型较小的恐龙。三角龙，一种大型的三角恐龙，在马斯特里赫特时期居住在北美西部。泰坦龙是一种蜥脚类恐龙，包括阿根廷龙和无畏龙，出现在这一时期的后半段，是有史以来最大的陆地动物。^[21]

多尖齿兽类继承了它们的侏罗纪前辈已经建立起来的适应能力，通过整个白垩纪生存和发展一直进入新生代初期。在白垩纪和新生代早期，多尖齿兽类进化的特点是这些动物适应性的某些改善已经大体表现出来，其中特别是体积的增大。白垩纪结束以后，古新世的纹齿兽（Taeniolobis）属在这些哺乳动物的进化上达到了顶峰。这属动物大小和海狸一样，头骨长六时，有大的凿状牙齿，在某些其他类型中，有的一直生存到始新世早期。^[22]

与现代美洲负鼠（Opossum）关系密切的有袋类发现于北美上白垩统地层中；与现代鼩鼱和刺猬有关的有胎盘食虫类发现于蒙古和北美上白垩统地层中。^[22]

海洋生物

白垩纪最常见的海洋生物形式是软体动物。软体动物即身体柔软的动物，通常带有坚硬的外壳。海生蜗牛和牡蛎现在犹存，但最有软体动物特色的是菊石和箭石。菊石有一个盘绕的珍珠似的外壳。它们的直径小至1厘米以下，大至接近3米。箭石有时长至2米，相当象枪乌鰂。这两种动物现在都已绝种。在接近这个时期的末尾，才开始出现现代鱼类。^[23]

鸟类

在欧洲或其他任何地方，都还没有关于其他侏罗纪鸟类的报道，但现在已经有一系列鸟类在中国、蒙古以及西班牙的晚白垩世地层中发现。这些鸟类集中发现于大约3000万年的时间段里，即1.4~1.1亿年前，和始祖鸟相比，这些鸟类在结构上展现了多样的进步性。它们中的绝大多数种类的尾部骨骼已经缩短愈合成更适于附着扇形尾羽的尾综骨。它们前肢的爪子也已经退化或者完全消失。它们的鸟喙骨和现代鸟类一样，变得长而粗壮；胸骨变得更大，可以支撑飞行肌肉的龙骨突也变得更加明显。牙齿退化消失从而获得了现代鸟类（同时也是化石鸟类）的代表性特征，不同属的早白垩世鸟类所具有的进步特征呈现出了复杂多变的镶嵌模式，许多不同的鸟类支系同时平行演化出了更加有效的飞行机制。^[24]

昆虫

绝大部分现代昆虫群，如早期蝗虫、蟑螂、苍蝇、白蚁、蚂蚁和飞蛾都可以在白垩纪的地层中找到。^[23]

白垩纪地球古海洋发生了多次缺氧事件（Oceanic Anoxic Events，OAEs）。如瓦兰今晚期（Valanginian）的Weissert OAE，阿普特期-阿尔布期（Aptian-Albian）的OAE1，塞诺曼期-土伦期界线（Cenomanian-Turonian）的OAE2，康尼亚克期-圣通期（Coniacian-Santonian）的OAE3。这些大洋缺氧事件一般对应海相碳酸盐岩的碳同位素正偏、海洋生物的快速更替，同时伴随着全球黑色页岩的沉积，这些富含有机质的黑色页岩常常是大型油田的经源岩。虽然历次大洋缺氧事件的诱因各有不同，但是一般认为它们与海底大火成岩省的活动有关。^[4]

主要缺氧事件发生期间，由于大洋中底层水处于缺氧的还原条件，一般对应黑色页岩的广泛分布、大洋底栖-浮游生物的快速更，同时期的海相碳酸盐碳同位素表现为正偏，表明气候/海洋系统发生深刻变化。总体上白垩纪的黑色页岩沉积代表了一种“缺氧的高生产力大洋”，极端气候条件是大洋缺氧事件最直接的促进因素，而构造活动的推动则可能是最终的决定因素。^[3]

在白垩纪期问，地球磁场很长时间维持正极性（即与现在的地球磁场极性相同），被称之为“白垩纪超静磁带”（Cretaceous Normal Superchron，CNS）。古地磁学家从不同角度对CNS进行了研究，确定了CNS持续时间近40Ma（121~83Ma^[注1]）。起因于地幔对流的热通量横向变化可以控制地核内流体运动状态，并足以产生现今观测到的地磁变化，进而影响地磁极性倒转频率。地磁极性倒转周期与地慢对流时间尺度的一致性可能说明了前者受到后者的调制作用，这正是白垩纪超静磁带出现的原因。^[25]

地球磁场在这么长的时间里没有发生倒转引起了科学家的广泛关注，超静磁带事件是地球熵shāng^[注3]产生的表现形式。^[25]

大火成岩省（Largelgneous Province，LIP）是短时间内（1~5Ma^[注1]）形成的，覆盖面积大于10km2，岩浆岩体积大于10km3的规模巨大的、通常位于板块内部的喷出岩和侵入岩。^[26]

海洋大火成岩省的主要部分，即海底高原是由面积较大、顶部相对平坦的较厚的洋壳组成。由于海底不断扩张和洋壳俯冲消减，现存洋壳的年龄一般不超过200~180Ma^[注1]。因此虽然可能存在更早形成的海洋大火成岩省，但现存的海洋大火成岩省的年龄不超过约170Ma^[注1]。^[26]

对于白垩纪期间形成的海洋大火成岩省来说，虽然没有与之对应的生物大灭绝事件，但是它们可能与全球性的大洋缺氧事件有关。由于海洋大火成岩省在深海环境喷发，因此其热量和营养物质会直接释放到海洋中，使得海水缺氧、海洋初始生产力增加，从而导致黑色页岩等有机质大规模的埋藏，出现碳同位素正偏移。^[26]

随着白垩纪中期黑色页岩的不断形成以及长时期高海洋表面生产力，大气圈氧气含量不断增加，化能力不断加强；加之白垩纪中期海底火山作用和热液作用将提供大量的Fe2+^[注4]，在海水溶解充分的氧化条件下，Fe2+将快速被氧化成Fe3+^[注5]，从而造成白垩纪大洋红层（Cretacous Oceanic Red Beds，CORBs）的形成。^[27]

白垩纪末期，发生了第五次生物大灭绝（The fifth great extinction of species）。^[28]一个直径10km的小行星撞击在墨西哥尤卡坦半岛的海域，在海底撞出一个巨坑（希克苏鲁伯陨石坑）^[4]，海水被迅速气化，蒸气向高空喷射达数万米，随即掀起的海啸高达5千米，并以极快的速度扩散，横扫着陆地上的一切，汹涌巨浪席卷地球表面后会合于撞击点的地球背面一端，引发了德干高原强烈的火山喷发，同时使地球板块的运动方向发生了改变。同时，陨星以极高速度和大气分子撞击，压缩大气并产生极高温度和极强冲击波，释放的能量相当1000万亿吨TNT（三硝基甲苯，烈性炸药），约为广岛原子弹威力的500亿倍。强大的冲击波破坏和燃烧着地面上的一切物体，迅速蔓延全球，产生大量的烟尘、炭黑和二氧化碳进入大气层，屏蔽了太阳辐射，使地面降温8~20℃，海水降温2~3℃，地面冰盖增大、海水退缩、盐度上升，导致部分海洋生物灭绝，地面植物的光合作用受到抑制，以植物为食的恐龙等动物大量死亡。强大的冲击波使得大面积的海水立即蒸发，海水产生的剧烈震荡，使得大量的海洋生物死亡，如鱼龙、蛇颈龙和一些软体动物。除此之外，还造成巨大的奥氧层空洞，各种宇宙射线直射地面，危害地表生物。由于气温下降导致的巨大冰盖对阳光的反射，使气候进一步向寒冷方向发展^[29]。这次生物大灭绝约76%的生命物种灭绝，包括统治中生代长达1.6亿年之久的恐龙。^[4]