黔南賓夕法尼亞亞世大型fomichevela礁附礁生物的成因探討

0古海水環境的研究材料在平衡條件下，從生物排出的碳氫化合物（如手腕和昆蟲殼）中的氧代碼物是由水體溫度和海水氧氣組成的函數。如果已知海水氧同位素組成,可以根據測定的貝殼化石δ18O值計算古海水溫度。因此,顯生宙貝殼碳酸鹽的穩定同位素組成成為恢復古環境的重要手段。腕足殼因易于同基巖區分和剝離、個體大能夠提供足夠的分析樣品等諸多優點,最終被認定為研究古水溫的理想材料。在賓夕法尼亞亞紀,中國黔南同世界其他礁區一樣以葉狀藻礁為主,但其他類型的生物礁也較為繁盛,尤其是Fomitchevella構成的扁平村大型珊瑚礁在全球晚石炭世后生動物格架礁中極為罕見,直接體現了該區礁體發育環境的優越性和特殊性。為獲知礁體生長的水溫、鹽度、生產力等古海洋環境指標數據,本文選擇上石炭統格舍爾階Triticites帶大型Fomitchevella珊瑚礁內的有鉸綱腕足類殼體進行碳、氧穩定同位素檢測。為確保同位素取樣的準確性,對從灰巖中剝離的腕足動物Striatiferastriata、Enteletoidesshuichengensis個體采用XRD和激光熔樣—電感耦合等離子體質譜法(LA—ICP—MS),對其殼體棱柱層不同生長帶中的多種微量元素進行就位分析復選。1殼體及國物的結構與同位素利用同位素地球化學方法推演古海洋環境,首先要求碳酸鹽在形成過程中同海水保持同位素平衡狀態;其次,要求未受成巖作用改造,因此采集腕足動物化石時避開風化、硅化、蝕變、角礫、重結晶、膠結物、節理、裂隙處,于未受構造影響的地層中選取。不是所有腕足類都能滿足第一個要求。Parkinson分析了從低緯度到高緯度不同水深環境中生活的122個腕足動物樣品,認為冷水種殼體δ18O值遠離與海水的平衡值;Brand研究了650個采自不同緯度和水深的現代腕足動物,分析結果表明棲居于低緯度正常淺海的有鉸綱殼體能較好地保持與海水的同位素平衡;而且穩定的低鎂方解石殼體(MgCO3濃度0.5～7mol%)能較強抵抗后期成巖作用的改造。生物新陳代謝與骨骼碳酸鹽的沉淀速率是造成同位素分餾的主要原因,殼體生長過快則難以與周圍海水保持同位素平衡。有鉸綱腕足殼次生層中鍶含量比原生層及多數海洋生物的骨骼碳酸鹽低,這意味著其新陳代謝和殼體分泌速率更為緩慢,因而更易于與周圍海水達到同位素平衡。低緯度淺水區的有鉸綱腕足類后期生長階段碳酸鈣分泌速率減緩,因此選擇殼體中央前側成年期次生層非特化部位用于古環境恢復的研究更為恰當(圖1)。注意取樣點要距離殼緣至少幾毫米。本文最終獲得多個外貌完整的殼體。為保證其地球化學信息的原始性,在進行同位素分析前對每個腕足樣品按照傳統鑒定標準進行初步挑選,顯微結構完整、沒有明顯溶蝕及重結晶現象、次生層在陰極燈照射下無發光且微量元素平均含量Mn<250μg/g、Sr>400μg/g且Sr/Mn>2.0的腕足殼化石則初步認定為“保存程度較好”。許多研究者認為海水的化學成分是影響腕足動物殼體中元素分布的主要因素,現代腕足動物增生方式決定近同心狀的殼體生長帶a、b、c、d隨著年齡的增加而向外增生,如圖2(a)。季節等外界條件的變化會造成相鄰殼體生長帶中微量元素分布的差異,但就同一條生長帶而言,由于是相同時期的產物,故A—B橫切面上元素分布在理論上應該關于中線S—S’左右對稱,如圖2(b)。古代腕足動物與現代腕足動物同樣遵循這一規律。微量元素分布以殼體的原生特征為依據,具有絕對性。由于經過傳統鑒定標準初步挑選得到的腕足殼仍有10%“保存不好”的可能性,因此,本文利用XRD結合腕足殼A—B橫切面同一生長帶上微量元素分布對稱性特征,對初步挑選得到的腕足化石Striatiferastriata,Enteletoidesshuichengensis再次進行檢測,以確保后續同位素取樣的可靠性。2氧、碳同位素分析及古海水溫度和鹽度的表征XRD分析表明Striatiferastriata殼體次生層全為低鎂方解石,而Enteletoidesshuichengensis的殼體次生層中出現少量Fe、Ni(圖3)。LA—ICP—MS就位分析測得Striatiferastriata,Enteletoidesshuichengensis腕足殼橫切面上不同生長帶a、b、c、d上各種微量元素分布情況見圖4。Striatiferastriata,Enteletoidesshuichengensis腕足殼經100000Hz超聲波高頻振蕩4h及用去離子水洗刷潔凈處理后,自然風干。拋棄次生層中13C和18O虧損的特化部位,如鉸齒、腕骨、莖孔、鉸窩、肌痕、牙等,在雙目體視顯微鏡下,使用刮削工具去除原生層,在成年期區域的棱柱層結構單元處刮削樣品粉末,烘干后用稱量紙封存備用。氧、碳同位素分析在中科院地質與地球物理研究所穩定同位素地球化學實驗室MAT—253質譜儀上完成,測試精度σ≤0.01‰。δ13C、δ18O值換算成PDB國際標準。自Urey(1947)第一次提出同位素地質溫度計的概念后,Epstain于1951年實驗測定了已知不同溫度環境中生活的軟體海生生物貝殼碳酸鈣的δ18O值,并于1953年首次建立了溫度和貝殼δ18O值之間的經驗公式:t(℃)=16.5-4.3(δ18OC-δ18Ow)+0.14(δ18OC-δ18Ow)2(1)(1)式經Craig,Shackleton,Gasse等人的修正后,獲得目前普遍接受的關系式:t(℃)=16.9-4.38(δ18OC-δ18Ow+0.27)+0.10(δ18OC-δ18Ow+0.27)2(2)(2)式中,t為碳酸鹽沉淀時周圍水體的溫度;δ18Oc為自生碳酸鹽礦物的氧同位素組成(PDB標準);δ18Ow為當時水體的氧同位素組成(SMOW標準)。根據腕足殼的氧同位素組成,利用(2)式即可獲得賓夕法尼亞亞紀黔南珊瑚礁區的古海水溫度,如表1。Keith和Weber把δ13C,δ18O二者結合起來用來指示古鹽度:Z=2.048×(δ13C+50)+0.498×(δ13O+50)(δ為PDB標準)(3)(3)式可獲得黔南珊瑚礁區表征古海水鹽度的Z值,見表1。Z>120時為海相石灰巖;Z<120時為陸相石灰巖;Z=120時為未定型石灰巖。3不同豐富的ata和eneletityesshuehenge1的元素地球化學特征賓夕法尼亞亞紀黔南大型后生動物Fomitchevella珊瑚格架礁的發育或許與古地理格局有關。當時黔南位于揚子區東南被動陸緣的“南盤江盆地”范圍內,屬低緯度區,與岡瓦納板塊之間存在泛大洋。古特提斯海水從南盤江盆地的南面向北遞次侵進,區域洋流將各種特提斯暖水型底棲生物散布到黔南淺水臺地,較快的水體交換使固—液界面間的擴散邊界層變薄,有利于碳酸鈣沉積,同時水體交換帶來大量的溶解氧,這些因素共同促進了黔南大型Fomitchevella珊瑚格架礁群落的生長。碳酸鈣在后期成巖作用過程中多伴隨Fe、Mn、Ni的混入和Sr、Na的減少。XRD分析Striatiferastriata殼體次生層礦物成分單一,保存較好;但Enteletoidesshuichengensis殼體次生層中除低鎂方解石外出現少量Fe,Ni,可能已經遭受后期改造。利用激光熔樣等離子質譜LA—ICP—MS對兩腕足殼棱柱層中Fe、Mn、Ni、Sr、Na、Zn,Cr,Cd進行就位分析,結果是Striatiferastriata,Enteletoidesshuichengensis殼體中Ni、Fe、Mn、Na、Sr在A—B殼體橫切面上關于中線S—S’具有較好的對稱關系,總體上與殼體增生方式相一致,表明Striatiferastriata和Enteletoidesshuichengensis殼體原始信息保存較好。因微量元素分布以殼體的原生特征為依據,具有絕對性,因此Enteletoidesshuichengensis殼體受后期改造影響較小。Enteletoidesshuichengensis殼體中的Ni,Fe,Mn濃度略高于Striatiferastriata,都低于周圍礁灰巖;兩種腕足動物殼中的Sr濃度相當;而Striatiferastriata中的Na略低,Sr,Na均高于礁灰巖,說明兩種殼的保存程度較好,且Striatiferastriata保存程度略好于Enteletoidesshuichengensis。腕足殼中Zn,Cr,Cd含量很低且橫切面中分布的對稱性也不明顯,Zn,Cr略低于礁灰巖中的含量,Cd濃度與礁灰巖相當,這可能是由于進入殼體晶格的Zn,Cr,Cd含量太低,LA—ICP—MS儀器測試的誤差大,造成元素分布對稱性不顯著。Veizer等通過對顯生宙熱帶海洋中2128個生物,包括牙形石、腕足殼、箭石的同位素測定,論述了顯生宙海水氧同位素組成演化趨勢。低鎂方解石的腕足殼中的δ18OPDB值從寒武紀的-8‰,逐漸上升至更新世以來的0,故認為從寒武紀至今雖然期間有冰川消融等氣候變化帶來的波動,但海洋水的δ18OSMOW值總體呈現上升的趨勢。晚石炭世腕足動物殼的δ18OPDB值穩定在-5‰～-2‰,本文測定的兩個腕足殼Striatiferastriata,Enteletoidesshuichengensis的δ18OPDB值分別為-3.249‰,-3.385‰,剛好落進該區間內,符合演化規律。古海水的δ18OSMOW值只能作理論上的推測。一般認為顯生宙以來海水的δ18OSMOW被水巖反應緩沖在0±2‰。姜建軍等均假定古海洋水δ18OSMOW值比現代海洋水偏低,而更新世以來海洋水的δ18OSMOW為0,那么賓夕法尼亞亞紀海洋水的δ18OSMOW值介于-2‰～0。當取海水的δ18OSMOW=-2‰時,Striatiferastriata和Enteletoidesshuichengensis的δ18OPDB分別為-3.249‰,-3.385‰,計算得到腕足動物生活水體的溫度分別為21.28℃,21.91℃,平均21.60℃;當取海水的δ18OSMOW=0時,計算得到兩種腕足類生活水體的溫度為30.84℃,31.51℃,平均31.18℃。因而推測黔南礁區古海洋溫度大概在21.60～31.18℃,與生物礁生長發育的最佳溫度區間(24～28℃)近似,且極值與生物礁生長的最佳溫度范圍僅差3℃。除靠近D/C和C/P界線附近海相碳酸鹽巖有δ13C值的強烈負偏移外,石炭紀的大部分區間都是δ13C值的正漂移時期。與俄羅斯同期格舍爾階臺地上的腕足殼δ13CPDB=+4.4±1.1‰相比,本實例中腕足殼具有較高的δ13CPDB值,分別為4.784‰,4.782‰。原因可能有三:其一,植物光合作用過程發生同位素動力分餾作用,高的生物生產力致使海相碳酸鹽巖δ13C值發生正偏移,由于輕同位素12C較重同位素13C運動快,生物在光合作用中優先選擇性吸收富12C的CO2和HCO-3構成自身的組成部分,結果藻類等植物的大量繁殖有利于水體富集13C,海相碳酸鹽巖δ13C值向正方向移動;其二,地殼運動使有機物來不及氧化便被儲藏,導致水體及碳酸鹽的δ13C隨有機碳儲藏量的增加而升高。密西西比亞紀南半球的岡瓦納古陸向北漂移,末期與北半球的勞亞古陸碰撞,巴拿馬海道閉合;賓夕法尼亞亞紀泛大陸形成,大量富12C的有機碳被埋藏,成為地質歷史上最重要的成煤期之一,而豐富的13C留在海水和同期海相碳酸鹽巖中;其三,海水的鹽度正常。本研究獲取的Striatiferastriata,Enteletoidesshuichengensis的Z值分別為135.48,135.41,代表海水鹽度正常,接近正常鹽度的上限。本文所選擇的樣品受沉積期后各種成巖變化影響雖小,但畢竟或多或少會受后期諸多因素的影響,而這些因素是多解性的,同位素組成是各種因素作用后的綜合結果,因此對同位素組成與沉積環境關系的解釋需通過資料的積累和實際工作經驗的增長而作補充。4eneletityesshuehengex初始信息聯系(1)Striatiferastriata殼體全部為低鎂方解石,Enteletoidesshuichengensis殼體中出現微量的Fe、Ni,Enteletoidesshuichengensis可能遭受了成巖改造。兩腕足殼中Ni、Fe、Mn、Na、Sr在A—B殼體橫切面上關于直線S—S’對稱性分布特征與殼體增生方式相一致,說明Enteletoidesshuichengensis殼體受成巖作用改造的影響極小,兩個腕足化石殼原始信息保存程度均為良好;(2)賓夕法尼亞