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寒武纪过后，地球历史平稳进入奥陶纪 。奥陶纪(Ordovician period)是古生代的第二个纪 ，距今4.9～4.38亿年 ，是海侵广泛的一个时期，这为无脊椎动物的进一步发展创造了有利的条件。这一时期 ，海生无脊椎动物不仅门类和属种丰富 ，在生态习性上也有重要的分异 。主要生物种类除三叶虫外，还有笔石、鹦鹉螺 、腕足类 、珊瑚和腹足类等 。奥陶纪还出现了原始的鱼类。当时的海洋中，各式各样的笔石随处漂荡 ，游泳能力很强的各种鹦鹉螺在四处觅食 ，三叶虫及腕足类等底栖生物也相当繁盛，珊瑚礁初具规模 ，还有许多蠕虫类和节肢动物藏匿在藻丛和泥沙中 ，海洋初步具有生机勃勃的景象 。
1.奥陶纪生物界的霸主鹦鹉螺
谈到奥陶纪就不能不涉及鹦鹉螺，因为这种动物在奥陶纪的海洋中非常繁盛 ，保存在地层中的鹦鹉螺化石通常多称角石 。鹦鹉螺属于软体动物门头足纲 ，现代海洋仍有少量卷曲鹦鹉螺生存，被称为活化石。头足类全部生活在海洋中 ，从浅海到大洋深处 ，从热带到寒带都有它们的踪迹。如果我们把无脊椎动物称作低等动物，脊椎动物（包括人类）为高等动物 ，那么头足类就是低等动物中最高级的种类 ，其包括乌贼、章鱼和鹦鹉螺 、菊石 、箭石等许多不同种类 。它们的身体两侧对称，头部极其发达，具有一对锐利的眼睛 。之所以称它们为头足类 ，是因为它们的头和足部全都发育在身体的同一侧 ，足在头部的口周围分裂成8～10条腕或触手，能够捕抓猎物、抵御敌害。头足类具有壳 ，只不过有的种类壳在体外 ，有的种类壳在体内或者退化消失，通过壳体气室充气量的变化和气体的推进 ，其可以在海水不同深度游泳生活 ，因此头足类在无脊椎动物中与众不同，是非常进步的生物 。鹦鹉螺从寒武纪时就已出现 ，在奥陶纪迅速发展成为海洋中的一霸 ，其具有坚硬的外壳，形状像牛或羊的角 ，一般是直的 ，也可以是弯的或盘卷的 。鹦鹉螺从开始发育到最终长成，壳的直径逐渐变大，肉体生长时不断前移并分泌钙质的壳 ，最后着生在壳体最前部 ，形成住室。住室后面向壳的尖端一方则形成一系列的气室，气室对其在海水中的升降和平衡具有重要的作用 。鹦鹉螺死亡以后 ，肉体通常很难保存 ，只有硬壳才能够保存成为化石 。我国鹦鹉螺化石属种非常丰富，北方奥陶纪地层中的鄂尔多斯角石 、阿门角石 、灰角石；南方奥陶纪地层中的震旦角石、盘角石、米契林角石等都是代表性属种 ，它们长期以来被有效地应用于划分对比地层。
奥陶纪的新疆 ，随着世界性的海侵，海洋面积大为增加 ，古陆除和田－若羌一线和准噶尔中部外零星支离 。奥陶纪地层分布比寒武纪广泛 ，主要出露于塔里木盆地西缘的柯坪塔格山 、库鲁克塔格山 、阿尔金山和西昆仑、喀喇昆仑山等地 。这些地区的奥陶纪地层记录完整，均保存大量角石 ，类型包含华北形和华南形 ，并且有混生现象。角石对奥陶纪地层的划分和对比最为重要 。
2.塔里木和库鲁克塔格的震旦角石
报道新疆鹦鹉螺化石的最早的学者是意大利人Gortani，其于20世纪30年代初从印度穿越喀喇昆仑山进入新疆，在喀喇昆仑山口北采集到大量早奥陶世的角石 ，经研究成果于1934年在意大利的古生物杂志发表 。
新疆奥陶纪角石保存最多的地区是柯坪塔格山和库鲁克塔格山的却尔却克一带 ，这里整个奥陶纪地层保存完整，角石以中下奥陶统产出最多。下奥陶统以产内角石类为主 ，中奥陶统出产盘角石和震旦角石。震旦角石（Sinoceras）是在中国南方扬子地区中奥陶统建立的一个角石新属 ，代表种称中华震旦角石（Sinoceras chinensis） 。目前所知，它主要产于中国 ，是中国中奥陶世特有的标准化石之一 ，其名Sino—（震旦）为中国之古称 。震旦角石个体长10余厘米到1米以上，外形长锥状 ，形似“竹笋 ” ，沿中部纵切面磨制后，内部层层隔壁叠置如“宝塔 ” ，故民间俗称“宝塔石” 、“竹笋石 ”。
新疆的震旦角石主要见于柯坪和库鲁克塔格 ，个体相对较内地所产小一些，但纹饰保存相当完好 。此外，中奥陶世常见的盘角石在新疆也较为丰富 ，早奥陶世的内角石和中国北方特有的珠角石也很常见 。晚奥陶世新疆的角石在中国类型独特 ，与中国内地差异较大，而与西欧波罗的海一带的角石面貌极为相似 ，可见那时的新疆海域处在东西方的交界地带。
3.笔石
新疆奥陶纪地层除角石外 ，笔石化石也很丰富 。笔石属于半索动物，一般身体呈蠕虫状 ，左右对称 ，全部生活在海洋中 。半索动物曾经被列为脊索动物门的一个亚门，理由是它的口索相当于脊索动物的脊索 ，很可能是脊索动物中最原始的一类。从目前已有的研究资料看 ，半索动物是非脊索动物和脊索动物之间的一种过渡类型 。笔石在二叠纪末已经全部绝灭，我们今天只能通过化石来认识它们 ，这些古老的化石通常保存在岩石层面上 ，很像用铅笔书写的痕迹，故称之为笔石 。奥陶纪—志留纪的笔石种类很多，其在海水中漂浮生活 ，可以到达很远的地方。由于演化快 、数量多、分布广 ，具有重要的地层对比意义 。
我国的笔石非常丰富，分布极广 ，一些世界性的标准属种几乎都在我国出现 ，还有一些中国特有的种类 。化石保存完好，层位齐全 ，其中许多是演化上的关键属种 ，而且在我国出现较早，为研究笔石的系统分类 、生态学及其演化等提供了难以替代的材料。新疆的笔石产出层位和角石一样 ，主要在奥陶纪 ，但角石多保存在石灰岩中，而笔石多保存在很薄的页岩特别是暗色页岩层中 ，产地主要在柯坪 、库鲁克塔格和西天山的科古琴山等地。笔石通常以印模痕迹形态保存 ，但在新疆柯坪奥陶纪泥灰岩中，见有呈立体形态保存精美的笔石，在世界上是非常罕见的 ，对笔石构造和生态的研究具有重要意义 。
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