黔南賓夕法尼亞亞世大型fomichevela礁附礁生物的成因探討

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(huán)境的研究材料在平衡條件下，從生物排出的碳?xì)浠衔铮ㄈ缡滞蠛屠ハx殼）中的氧代碼物是由水體溫度和海水氧氣組成的函數(shù)。如果已知海水氧同位素組成,可以根據(jù)測(cè)定的貝殼化石δ18O值計(jì)算古海水溫度。因此,顯生宙貝殼碳酸鹽的穩(wěn)定同位素組成成為恢復(fù)古環(huán)境的重要手段。腕足殼因易于同基巖區(qū)分和剝離、個(gè)體大能夠提供足夠的分析樣品等諸多優(yōu)點(diǎn),最終被認(rèn)定為研究古水溫的理想材料。在賓夕法尼亞亞紀(jì),中國(guó)黔南同世界其他礁區(qū)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(gòu)成的扁平村大型珊瑚礁在全球晚石炭世后生動(dòng)物格架礁中極為罕見(jiàn),直接體現(xiàn)了該區(qū)礁體發(fā)育環(huán)境的優(yōu)越性和特殊性。為獲知礁體生長(zhǎng)的水溫、鹽度、生產(chǎn)力等古海洋環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù),本文選擇上石炭統(tǒng)格舍爾階Triticites帶大型Fomitchevella珊瑚礁內(nèi)的有鉸綱腕足類殼體進(jìn)行碳、氧穩(wěn)定同位素檢測(cè)。為確保同位素取樣的準(zhǔn)確性,對(duì)從灰?guī)r中剝離的腕足動(dòng)物Striatiferastriata、Enteletoidesshuichengensis個(gè)體采用XRD和激光熔樣—電感耦合等離子體質(zhì)譜法(LA—ICP—MS),對(duì)其殼體棱柱層不同生長(zhǎng)帶中的多種微量元素進(jìn)行就位分析復(fù)選。1殼體及國(guó)物的結(jié)構(gòu)與同位素利用同位素地球化學(xué)方法推演古海洋環(huán)境,首先要求碳酸鹽在形成過(guò)程中同海水保持同位素平衡狀態(tài);其次,要求未受成巖作用改造,因此采集腕足動(dòng)物化石時(shí)避開(kāi)風(fēng)化、硅化、蝕變、角礫、重結(jié)晶、膠結(jié)物、節(jié)理、裂隙處,于未受構(gòu)造影響的地層中選取。不是所有腕足類都能滿足第一個(gè)要求。Parkinson分析了從低緯度到高緯度不同水深環(huán)境中生活的122個(gè)腕足動(dòng)物樣品,認(rèn)為冷水種殼體δ18O值遠(yuǎn)離與海水的平衡值;Brand研究了650個(gè)采自不同緯度和水深的現(xiàn)代腕足動(dòng)物,分析結(jié)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(wěn)定的低鎂方解石殼體(MgCO3濃度0.5～7mol%)能較強(qiáng)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(zhǎng)過(guò)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(shù)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(dá)到同位素平衡。低緯度淺水區(qū)的有鉸綱腕足類后期生長(zhǎng)階段碳酸鈣分泌速率減緩,因此選擇殼體中央前側(cè)成年期次生層非特化部位用于古環(huán)境恢復(fù)的研究更為恰當(dāng)(圖1)。注意取樣點(diǎn)要距離殼緣至少幾毫米。本文最終獲得多個(gè)外貌完整的殼體。為保證其地球化學(xué)信息的原始性,在進(jìn)行同位素分析前對(duì)每個(gè)腕足樣品按照傳統(tǒng)鑒定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行初步挑選,顯微結(jié)構(gòu)完整、沒(méi)有明顯溶蝕及重結(jié)晶現(xiàn)象、次生層在陰極燈照射下無(wú)發(fā)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(rèn)定為“保存程度較好”。許多研究者認(rèn)為海水的化學(xué)成分是影響腕足動(dòng)物殼體中元素分布的主要因素,現(xiàn)代腕足動(dòng)物增生方式?jīng)Q定近同心狀的殼體生長(zhǎng)帶a、b、c、d隨著年齡的增加而向外增生,如圖2(a)。季節(jié)等外界條件的變化會(huì)造成相鄰殼體生長(zhǎng)帶中微量元素分布的差異,但就同一條生長(zhǎng)帶而言,由于是相同時(shí)期的產(chǎn)物,故A—B橫切面上元素分布在理論上應(yīng)該關(guān)于中線S—S’左右對(duì)稱,如圖2(b)。古代腕足動(dòng)物與現(xiàn)代腕足動(dòng)物同樣遵循這一規(guī)律。微量元素分布以殼體的原生特征為依據(jù),具有絕對(duì)性。由于經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)鑒定標(biāo)準(zhǔn)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(jié)合腕足殼A—B橫切面同一生長(zhǎng)帶上微量元素分布對(duì)稱性特征,對(duì)初步挑選得到的腕足化石Striatiferastriata,Enteletoidesshuichengensis再次進(jìn)行檢測(cè),以確保后續(xù)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(xiàn)少量Fe、Ni(圖3)。LA—ICP—MS就位分析測(cè)得Striatiferastriata,Enteletoidesshuichengensis腕足殼橫切面上不同生長(zhǎng)帶a、b、c、d上各種微量元素分布情況見(jiàn)圖4。Striatiferastriata,Enteletoidesshuichengensis腕足殼經(jīng)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(fēng)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(qū)域的棱柱層結(jié)構(gòu)單元處刮削樣品粉末,烘干后用稱量紙封存?zhèn)溆?。氧、碳同位素分析在中科院地質(zhì)與地球物理研究所穩(wěn)定同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室MAT—253質(zhì)譜儀上完成,測(cè)試精度σ≤0.01‰。δ13C、δ18O值換算成PDB國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。自Urey(1947)第一次提出同位素地質(zhì)溫度計(jì)的概念后,Epstain于1951年實(shí)驗(yàn)測(cè)定了已知不同溫度環(huán)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(jīng)驗(yàn)公式:t(℃)=16.5-4.3(δ18OC-δ18Ow)+0.14(δ18OC-δ18Ow)2(1)(1)式經(jīng)Craig,Shackleton,Gasse等人的修正后,獲得目前普遍接受的關(guān)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(shí)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(biāo)準(zhǔn));δ18Ow為當(dāng)時(shí)水體的氧同位素組成(SMOW標(biāo)準(zhǔn))。根據(jù)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(jì)黔南珊瑚礁區(qū)的古海水溫度,如表1。Keith和Weber把δ13C,δ18O二者結(jié)合起來(lái)用來(lái)指示古鹽度:Z=2.048×(δ13C+50)+0.498×(δ13O+50)(δ為PDB標(biāo)準(zhǔn))(3)(3)式可獲得黔南珊瑚礁區(qū)表征古海水鹽度的Z值,見(jiàn)表1。Z>120時(shí)為海相石灰?guī)r;Z<120時(shí)為陸相石灰?guī)r;Z=120時(shí)為未定型石灰?guī)r。3不同豐富的ata和eneletityesshuehenge1的元素地球化學(xué)特征賓夕法尼亞亞紀(jì)黔南大型后生動(dòng)物Fomitchevella珊瑚格架礁的發(fā)育或許與古地理格局有關(guān)。當(dāng)時(shí)黔南位于揚(yáng)子區(qū)東南被動(dòng)陸緣的“南盤江盆地”范圍內(nèi),屬低緯度區(qū),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(jìn),區(qū)域洋流將各種特提斯暖水型底棲生物散布到黔南淺水臺(tái)地,較快的水體交換使固—液界面間的擴(kuò)散邊界層變薄,有利于碳酸鈣沉積,同時(shí)水體交換帶來(lái)大量的溶解氧,這些因素共同促進(jìn)了黔南大型Fomitchevella珊瑚格架礁群落的生長(zhǎng)。碳酸鈣在后期成巖作用過(guò)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(xiàn)少量Fe,Ni,可能已經(jīng)遭受后期改造。利用激光熔樣等離子質(zhì)譜LA—ICP—MS對(duì)兩腕足殼棱柱層中Fe、Mn、Ni、Sr、Na、Zn,Cr,Cd進(jìn)行就位分析,結(jié)果是Striatiferastriata,Enteletoidesshuichengensis殼體中Ni、Fe、Mn、Na、Sr在A—B殼體橫切面上關(guān)于中線S—S’具有較好的對(duì)稱關(guān)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(jù),具有絕對(duì)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?guī)r;兩種腕足動(dòng)物殼中的Sr濃度相當(dāng);而Striatiferastriata中的Na略低,Sr,Na均高于礁灰?guī)r,說(shuō)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(duì)稱性也不明顯,Zn,Cr略低于礁灰?guī)r中的含量,Cd濃度與礁灰?guī)r相當(dāng),這可能是由于進(jìn)入殼體晶格的Zn,Cr,Cd含量太低,LA—ICP—MS儀器測(cè)試的誤差大,造成元素分布對(duì)稱性不顯著。Veizer等通過(guò)對(duì)顯生宙熱帶海洋中2128個(gè)生物,包括牙形石、腕足殼、箭石的同位素測(cè)定,論述了顯生宙海水氧同位素組成演化趨勢(shì)。低鎂方解石的腕足殼中的δ18OPDB值從寒武紀(jì)的-8‰,逐漸上升至更新世以來(lái)的0,故認(rèn)為從寒武紀(jì)至今雖然期間有冰川消融等氣候變化帶來(lái)的波動(dòng),但海洋水的δ18OSMOW值總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。晚石炭世腕足動(dòng)物殼的δ18OPDB值穩(wěn)定在-5‰～-2‰,本文測(cè)定的兩個(gè)腕足殼Striatiferastriata,Enteletoidesshuichengensis的δ18OPDB值分別為-3.249‰,-3.385‰,剛好落進(jìn)該區(qū)間內(nèi),符合演化規(guī)律。古海水的δ18OSMOW值只能作理論上的推測(cè)。一般認(rèn)為顯生宙以來(lái)海水的δ18OSMOW被水巖反應(yīng)緩沖在0±2‰。姜建軍等均假定古海洋水δ18OSMOW值比現(xiàn)代海洋水偏低,而更新世以來(lái)海洋水的δ18OSMOW為0,那么賓夕法尼亞亞紀(jì)海洋水的δ18OSMOW值介于-2‰～0。當(dāng)取海水的δ18OSMOW=-2‰時(shí),Striatiferastriata和Enteletoidesshuichengensis的δ18OPDB分別為-3.249‰,-3.385‰,計(jì)算得到腕足動(dòng)物生活水體的溫度分別為21.28℃,21.91℃,平均21.60℃;當(dāng)取海水的δ18OSMOW=0時(shí),計(jì)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(cè)黔南礁區(qū)古海洋溫度大概在21.60～31.18℃,與生物礁生長(zhǎng)發(fā)育的最佳溫度區(qū)間(24～28℃)近似,且極值與生物礁生長(zhǎng)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(qiáng)烈負(fù)偏移外,石炭紀(jì)的大部分區(qū)間都是δ13C值的正漂移時(shí)期。與俄羅斯同期格舍爾階臺(tái)地上的腕足殼δ13CPDB=+4.4±1.1‰相比,本實(shí)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(guò)程發(fā)生同位素動(dòng)力分餾作用,高的生物生產(chǎn)力致使海相碳酸鹽巖δ13C值發(fā)生正偏移,由于輕同位素12C較重同位素13C運(yùn)動(dòng)快,生物在光合作用中優(yōu)先選擇性吸收富12C的CO2和HCO-3構(gòu)成自身的組成部分,結(jié)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(dòng);其二,地殼運(yùn)動(dòng)使有機(jī)物來(lái)不及氧化便被儲(chǔ)藏,導(dǎo)致水體及碳酸鹽的δ13C隨有機(jī)碳儲(chǔ)藏量的增加而升高。密西西比亞紀(jì)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(jì)泛大陸形成,大量富12C的有機(jī)碳被埋藏,成為地質(zhì)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(huì)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(jié)果,因此對(duì)同位素組成與沉積環(huán)境關(guān)系的解釋需通過(guò)資料的積累和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的增長(zhǎng)而作補(bǔ)充。4eneletityesshuehengex初始信息聯(lián)系(1)Striatiferastriata殼體全部為低鎂方解石,Enteletoidesshuichengensis殼體中出現(xiàn)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(guān)于直線S—S’對(duì)稱性分布特征與殼體增生方式相一致,說(shuō)明Enteletoidesshuichengensis殼體受成巖作用改造的影響極小,兩個(gè)腕足化石殼原始信息保存程度均為良好;(2)賓夕法尼亞