貴州早寒武世早期黑色頁巖中發(fā)現(xiàn)的碳質(zhì)和膜型化石

貴州早寒武世早期黑色頁巖中發(fā)現(xiàn)的碳質(zhì)和膜型化石

貴州早寒武世初的特點(diǎn)是磷酸酯沉積，這是磷酸酯氧化物中豐富的微殼動物化石。這被認(rèn)為是寒武紀(jì)生物高度爆發(fā)的第一幕。在小殼動物繁盛期之后,到澄江動物群繁盛期之前,越來越多的生物化石組合被發(fā)現(xiàn),如“清鎮(zhèn)生物群”、“松林生物群”等,它們代表著小殼動物群之后出現(xiàn)的大型動物繁盛期間的產(chǎn)物,隨后,發(fā)生了生物絕滅作用,到筇竹寺期生物又開始繁盛,形成寒武紀(jì)生命大爆發(fā)第二幕,“澄江動物群”和“遵義生物群”就是第二幕的產(chǎn)物。經(jīng)過最近一段時間的化石采集,在貴州寒武系下部牛蹄塘組黑色頁巖中發(fā)現(xiàn)了線狀遺跡、碳質(zhì)膜狀高肌蟲、完整海綿動物、管蟲、長管狀化石Platysolenitessp.、薄殼雙殼動物、碳質(zhì)膜狀軟舌螺以及一些圓形膜狀化石,它們豐富了早寒武世早期生物化石材料,對研究寒武紀(jì)早期生物演化有一定意義。早寒武世早期牛蹄塘組黑色頁巖中生物面貌如何?小殼動物群和澄江動物群之間生物發(fā)展演化如何?它們的古生態(tài)和埋藏機(jī)理是否與凱里、澄江生物群一樣?這都是研究寒武紀(jì)生物大爆發(fā)過程的重要內(nèi)容,因此,作者在貴州早寒武世早期牛蹄塘組黑色頁巖進(jìn)行大量的化石采集,并進(jìn)行地球化學(xué)、古環(huán)境和生態(tài)研究,試圖在生物化石方面有新的發(fā)現(xiàn),并恢復(fù)當(dāng)時的古海洋生態(tài)環(huán)境。1含礦地層類型為了研究早寒武世早期牛蹄塘組黑色頁巖中化石保存特征,作者在貴州遵義、清鎮(zhèn)、開陽、麻江和福泉等地黑色頁巖中采集化石(圖1),在黑色頁巖中發(fā)現(xiàn)了線狀遺跡、管蟲、碳質(zhì)膜狀高肌蟲、完整海綿動物、薄殼雙殼動物、碳質(zhì)膜狀軟舌螺以及一些圓形膜狀化石。對貴州開陽馬場剖面早寒武世早期牛蹄塘組黑色頁巖中粘土礦物組成進(jìn)行定量和定性分析,對遵義中南村剖面進(jìn)行系統(tǒng)的微量、稀土元素測試,對福泉英坪早寒武世早期碳同位素測試,試圖揭示早寒武世早期黑色巖系中生物化石的保存與環(huán)境關(guān)系以及生物繁盛、絕滅過程。貴州清鎮(zhèn)早寒武世早期桃子沖組磷塊巖與下覆燈影組白云巖之間為平行不整合接觸,磷塊巖為硅質(zhì)磷塊巖、磷質(zhì)硅質(zhì)巖,夾薄層生物磷塊巖,含有大量的微體藻類和小殼動物化石。形成的環(huán)境水體比較淺,但比織金地區(qū)水深。在硅質(zhì)磷塊巖之上為泥質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖,產(chǎn)軟舌螺、類似Ediacaran型化石、單板類、高肌蟲、海綿動物等組成的清鎮(zhèn)生物群。該層之上為牛蹄塘組黑色頁巖,黑色頁巖底部產(chǎn)大量簡單的遺跡化石。再往上出現(xiàn)黃灰色泥巖,含有三葉蟲和海綿骨針及類似桿臂蟲的化石(圖2)。遵義松林中南寒武系牛蹄塘組以陸棚沉積的黑色頁巖為主,磷塊巖只厚20cm,其上為薄層硅質(zhì)巖夾黑色頁巖,在薄層硅質(zhì)巖夾黑色頁巖和透鏡狀碳酸鹽巖(以前一直認(rèn)為粉砂巖),厚約為3m,其上為0.1～1.0m的富Mo,Ni礦層。在重金屬層之上為含大量高肌蟲和海綿動物化石的黑色頁巖,厚約3m,往上為含海綿骨針的黑色頁巖,其它化石幾乎消失,到距底部燈影組白云巖之上40m處,大量的含有澄江動物群分子的遵義生物群出現(xiàn)(圖2)。麻江羊跳寒武系牛蹄塘組黑色硅質(zhì)巖夾薄層頁巖覆蓋在燈影組白云巖之上,硅質(zhì)巖厚3m,其上為0.9m厚含磷質(zhì)結(jié)核的黑色頁巖夾黑色碳酸鹽巖,厚為的1.5m,往上為含豐富高肌蟲和長管狀化石Platysolenitessp.及海綿骨針(圖2)。開陽馬場寒武系底部為灰色薄層硅質(zhì)磷塊巖、磷質(zhì)硅質(zhì)巖,厚約為3m,往上為深灰色泥質(zhì)粉砂巖,厚2m,往上為含碳質(zhì)膜狀高肌蟲化石的黑色頁巖,之上出現(xiàn)含大量星散狀黃鐵礦頁巖,厚1.8m,其上為塊狀黑色頁巖,未見化石。深灰色泥巖層,產(chǎn)出大量高肌蟲、海綿、軟舌螺、雙殼動物和三葉蟲等動物化石(圖2)。福泉英坪寒武系牛蹄塘組含小殼化石的硅質(zhì)巖夾薄層碳酸鹽巖,厚2m,其上為黑色頁巖,厚僅6m,黑色頁巖中含管蟲和高肌蟲化石,往上為灰黃色泥巖夾薄層灰?guī)r(圖2)。該剖面是目前貴州境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的黑色頁巖最薄的剖面,也是少有的在寒武系底部產(chǎn)灰?guī)r的剖面。從上述介紹的幾個剖面可以看到,在小殼動物繁盛期之后到三葉蟲開始出現(xiàn)之前,存在一個獨(dú)特的生物群,它主要由高肌蟲和管蟲組成的分異度低、豐度高、個體比較大的生物群,它類似熱水口生物群。2骨針、海綿動物及藻類對貴州清鎮(zhèn)、開陽、遵義、麻江等地早寒武世早期黑色頁巖進(jìn)行仔細(xì)的化石采集,除發(fā)現(xiàn)大量保存完整的海綿動物化石外,還發(fā)現(xiàn)了一些碳質(zhì)薄膜型化石,該類型的化石以前還沒有報道。含硅質(zhì)的海綿動物化石,是早寒武世早期黑色頁巖中保存最多、最好的動物化石,海綿個體完整,但也發(fā)現(xiàn)大量的海綿骨針層。大量的碳質(zhì)薄膜和印?；陌l(fā)現(xiàn),說明早寒武世早期海洋生物的多樣性。經(jīng)初步研究,這些化石屬于單板類,水母狀盤狀體,高肌蟲動物化石,蠕蟲動物化石,軟舌螺動物化石,管蟲Platysolenitessp.等,它們與藻類構(gòu)成了早寒武世早期的海洋生物群落。其中藻類與中寒武世藻類相比較為簡單。在清鎮(zhèn)桃子沖剖面黑色頁巖中除少量海綿骨針外,有大量的簡單的平行雙線跡化石,遺跡細(xì)長,粗細(xì)均勻,光滑、表面無紋飾,粗為1mm,長可達(dá)20cm(圖版I-1),類似采于南澳大利亞RawnsleyQuartzte的線形跡,只是個體較小。遵義松林中南剖面下部為松林生物群,產(chǎn)高肌蟲、海綿動物和藻類化石(圖版I-2)。其中海綿動物個體很大,可達(dá)20cm長,類似的大個體海綿在下?lián)P子荷塘組中也有發(fā)現(xiàn)。以前認(rèn)為奧陶紀(jì)以前動物濾食生態(tài)位一般小于10cm,但在寒武系底部黑色頁巖中動物濾食生態(tài)位出現(xiàn)異常,可達(dá)20～100cm,這可能與海底熱液活動有關(guān),古代和現(xiàn)代海底熱液噴口附近生物群個體都特別大等特征就是最好的證據(jù)。上部生物群為遵義生物群,產(chǎn)澄江生物群中一些生物化石,主要代表分子為水母狀化石(圖版I-3)、三葉蟲(圖版I-4)、類似桿臂蟲的動物化石(圖版I-5,6)。開陽馬場剖面寒武系牛蹄塘組黑色頁巖中化石分兩個層位,下部層位化石單調(diào),只有高肌蟲動物化石,相當(dāng)于遵義松林生物群。上部層位化石豐度、分異度高,有完整海綿動物(圖版I-7,8)、群居軟舌螺(圖版I-9,22)、高肌蟲(圖版I-10)、薄殼雙殼動物(圖版I-12,13)、蠕蟲動物(圖版I-14)、類似苔蘚動物(圖版I-15)以及一些圓形膜狀化石(圖版I-16,17,18),它對應(yīng)于遵義中南的遵義生物群。麻江羊跳剖面寒武系牛蹄塘組黑色頁巖中產(chǎn)大量的高肌蟲化石(圖版I-11)、長管狀化石Platysolenitessp.(圖版I-19)和海綿(圖版I-21)及骨針等。其中長管狀化石Platysolenitessp.個體大,長可達(dá)15cm,粗0.1～0.2cm。Platysolenites化石在英國、威爾士、紐芬蘭、挪威、俄羅斯寒武系底部都有發(fā)現(xiàn)。Platysolenites化石為管狀體,直或稍微彎曲,向頂端微變細(xì),管體由微細(xì)顆粒粘合而成,常常由于壓實(shí)作用而保存為扁管狀,在地層中保存為不完整的節(jié)狀,一般不完整的節(jié)狀化石為3～5cm,完整的化石個體長可達(dá)15cm(圖版I-20),McIlroy等認(rèn)為它類似于棘皮動物的濾食性動物,它具有較高的生態(tài)位。3創(chuàng)建相的競爭優(yōu)勢長期以來,早寒武世早期黑色頁巖中一直認(rèn)為只有海綿骨針等少量的動物化石,但隨著研究的深入,在黑色頁巖中發(fā)現(xiàn)了大量以碳質(zhì)薄膜形式保存的化石,生物體的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造往往保存不清楚,在野外化石采集時往往被忽略。為什么早寒武世早期黑色頁巖中大量保存的只有硅質(zhì)海綿動物化石和其它碳質(zhì)薄膜型動物化石,而缺少鈣質(zhì)殼動物化石呢?作者帶著這個問題對貴州開陽馬場剖面早寒武世早期黑色頁巖進(jìn)行粘土礦物學(xué)定量和定性分析,發(fā)現(xiàn)在早寒武世早期黑色頁巖沉積期古海洋環(huán)境處于較酸性的環(huán)境,這很可能就是早寒武世早期黑色頁巖中很少發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)動物化石,而只保存硅質(zhì)海綿骨針和碳質(zhì)薄膜型動物化石的原因。3.1碳酸鹽巖沉積相開陽馬場牛蹄塘組剖面發(fā)育完整,與下覆寒武紀(jì)磷塊巖為整合接觸(圖3)。牛蹄塘組下部總體為黑色頁巖,但由于含化石、巖石風(fēng)化后顏色等特征的區(qū)別,可分為幾段:(1)底部黑色粗細(xì)晶碳酸鹽巖:厚度1.5m,由黑色粗細(xì)晶碳酸鹽巖組成,風(fēng)化后呈黃褐色,巖石堅硬,含有大量的方解石,很少含化石,與下覆的磷質(zhì)巖為整合接觸,碳酸鹽巖具有顯著的碳同位素負(fù)異常,可能屬于熱水成因有關(guān)的碳酸鹽巖。(2)碳質(zhì)泥巖段:黑色碳質(zhì)泥巖,具有較少的水平層理,巖石易染手,含有大量的高肌蟲化石和海綿動物化石碎片,含黃鐵礦少,巖石黑色是由于含有大量的碳質(zhì)引起,而不是硫化物引起。因此,這段地層沉積時環(huán)境缺氧不嚴(yán)重,海洋中生活高肌蟲動物和海綿動物。厚2.0m。(3)黑色含黃鐵礦粉砂質(zhì)泥巖段:黑色粉砂質(zhì)泥巖,含大量的微細(xì)粒星散狀黃鐵礦,局部富集成黃鐵礦結(jié)核體,球狀風(fēng)化。巖石堅硬致密,不含生物化石,水平紋理不發(fā)育。沉積這段地層時環(huán)境嚴(yán)重缺氧,是強(qiáng)還原環(huán)境,也可能是海底熱液噴流作用形成的產(chǎn)物。厚1.5m。(4)黑色頁巖層:黑色頁巖,具有少量水平紋理,不含化石。厚3.0m。(5)黑色泥巖段:黑色泥巖,水平紋理較發(fā)育,含有微細(xì)粒星散狀黃鐵礦,含少量的海綿骨針、完整海綿動物化石和高肌蟲化石。厚3.0m。(6)深灰色泥巖段:深灰色泥巖,夾風(fēng)化后呈灰白色泥巖,含大量的動物化石,有三葉蟲(盤蟲)、完整的海綿動物、海綿骨針、藻類、簇狀生長的軟舌螺、單板類,高肌蟲動物,類似苔蘚動物,蠕蟲動物化石,還有呈碳質(zhì)薄膜狀、印模狀分類位置難以確定的盤狀化石。說明海洋環(huán)境含氧條件明顯改善,大量的動物和藻類繁盛。3.2寒武系早期生物化石的形成環(huán)境粘土礦物的形成與沉積環(huán)境和成巖環(huán)境(孔隙水)的pH值有關(guān)。在酸性環(huán)境條件或熱液蝕變帶都可形成高嶺石礦物;而隨著環(huán)境的pH值增大,出現(xiàn)弱堿性,形成伊利石,而堿性環(huán)境則形成綠泥石。通過對馬場剖面寒武系底部磷塊巖和牛蹄塘組下部黑色頁巖系統(tǒng)粘土礦物樣品的采集,要求樣品新鮮,盡量去除風(fēng)化巖石。樣品破碎成200目,在中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所礦床開放實(shí)驗(yàn)室X粉晶衍射室進(jìn)行粘土礦物定性和定量分析,獲得以下結(jié)果(表1)。從測試數(shù)據(jù)分析,在寒武系底部含磷質(zhì)層中,白云石和磷灰石含量很高,還含有一定數(shù)量的伊利石(10.41%),少量的高嶺石、綠泥石和斜長石,表明當(dāng)時海洋處于偏堿性環(huán)境。寒武系最底部的(1)碳酸巖層和(2)黑色頁巖層,含5.72%的高嶺石礦物,說明在寒武紀(jì)初期可能發(fā)生了熱液蝕變作用,這與同期沉積的遵義松林發(fā)現(xiàn)海底熱液噴口沉積的碳酸巖相吻合,伊利石含量達(dá)到27.77%,同樣說明受熱液蝕變作用影響。往上地層中高嶺石含量幾乎為零,但斜長石和銳鈦礦明顯逐漸增加,分別從0.55%增至1.93%,1.33%增至9.89%。而M-11以上層位中開始出現(xiàn)綠泥石,并有往上逐漸增加的趨勢。由此推測,在海底熱液作用后,海洋環(huán)境發(fā)生了很大的變化,原來的堿性環(huán)境被海底噴出的大量硫化氫、二氧化碳等破壞,使環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)槿跛嵝原h(huán)境,結(jié)果形成高嶺石,而堿性環(huán)境礦物綠泥石消失。大量的伊利石和很低的高嶺石含量,說明海洋具有較低的酸性條件,處于弱酸性環(huán)境。在M-8以上層位,綠泥石開始出現(xiàn),高嶺石含量很低,伊利石保持在30%水平。說明海洋由弱酸性環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)槿鯄A性環(huán)境。早寒武世早期化石產(chǎn)出層位與沉積時環(huán)境關(guān)系密切,在寒武系底部含磷硅質(zhì)巖層中,海洋處于弱堿性環(huán)境,地層中保存有大量的鈣磷質(zhì)小殼動物化石;寒武系下部的黑色頁巖(M—18)含有大量的碳質(zhì)薄膜狀高肌蟲化石,可能是海底大量的熱液活動,噴出大量硫化物、二氧化碳等不利于生物生存,只有高肌蟲和海綿類適應(yīng)這樣的環(huán)境,因此,形成分異度低、豐度高、個體大的獨(dú)特生物群,它類似熱液噴口附近的生物群。由于海底環(huán)境處于弱酸性環(huán)境,高肌蟲生物體降落到海底后,高肌蟲殼體的鈣質(zhì)物質(zhì)被溶蝕,只剩下有機(jī)質(zhì)部分,結(jié)果地層中(M—18)只有保存碳質(zhì)薄膜狀高肌蟲化石。隨著海底熱液的持續(xù)活動,大量的海底硫化物形成,海洋環(huán)境酸化加劇,導(dǎo)致生物幾乎絕滅,因此,在M—15至M—13層位沒有發(fā)現(xiàn)生物化石。到M—12層,海洋環(huán)境酸度降低,開始出現(xiàn)高肌蟲、海綿骨針等化石。特別是到了M—11層,綠泥石礦物開始出現(xiàn),這標(biāo)志著海洋環(huán)境由酸性轉(zhuǎn)變?yōu)槿鯄A性環(huán)境,因此,大量的生物化石開始出現(xiàn)。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因可能是弱堿性環(huán)境有利于生物生存,結(jié)果大量的生物繁盛;另一原因是在弱堿性環(huán)境下,鈣磷質(zhì)殼體生物死亡后,生物體不易被溶蝕,以致大量的生物體得以保存成為化石。因此,早寒武世早期黑色頁巖中很少保存化石,或除海綿動物(硅質(zhì))化石外幾乎都以碳質(zhì)薄膜或印模狀形式保存,這可能是當(dāng)時海洋環(huán)境呈酸性所致。4強(qiáng)烈的碳同位素貴州福泉英坪剖面寒武系底部發(fā)育很完整的碳酸鹽巖夾層,為研究早寒武世早期海洋碳同位素提供了極好的條件。剖面碳同位素特征表現(xiàn)為燈影組白云巖具有+1.32‰～1.796‰PDB的碳同位素特征,這一特征與以前報道的在新元古代末全球都存在一個+1.0‰～+2.0‰PDB碳同位素“高原”相吻合[23～26]。在白云巖之上為8m厚的黑色硅質(zhì)巖和頁巖,其上為灰黃色泥巖夾薄層灰?guī)r,薄層灰?guī)r的碳同位素具有強(qiáng)烈的負(fù)異常,碳同位素值分布范圍在-4.439‰～-10.258‰PDB之間,特別是在白云巖之上20m到40m層位,灰?guī)r碳同位素值很低,在-7.018‰～-10.258‰PDB之間。在40m以上碳同位素值逐漸向正的方向遷移(圖2)。貴州福泉英坪早寒武世早期強(qiáng)烈的碳同位素負(fù)異常的發(fā)現(xiàn),不僅可與全球寒武系底部碳同位素負(fù)異常對比,而且它是在揚(yáng)子地臺缺氧黑色頁巖相中發(fā)現(xiàn)的碳同位素異?，F(xiàn)象,這對揚(yáng)子地臺寒武系底部地層對比也具有重要意義。該剖面上碳同位素強(qiáng)烈負(fù)異常之下有8m厚的黑色頁巖和硅質(zhì)巖,在黑色頁巖中發(fā)現(xiàn)有大量高肌蟲和蟲管化石,說明缺氧的黑色頁巖沉積期間海洋中有大量的生物生活,但到了灰黃色泥巖和灰?guī)r互層的碳同位素強(qiáng)烈負(fù)異常層段,則幾乎沒有生物化石。這似乎說明缺氧事件對前寒武系—寒武系界線附近生物絕滅事件沒有很大的影響,而碳同位素強(qiáng)烈的負(fù)異常事件與前寒武系—寒武系界線附近生物大絕滅關(guān)系似乎更為密切。貴州缺氧黑色頁巖相牛蹄塘組黑色頁巖底部發(fā)現(xiàn)的大量以高肌蟲動物、海綿動物、管蟲、蠕蟲動物和藻類化石為主的生物組合,其位于強(qiáng)烈碳同位素負(fù)異常之下,因此,它對應(yīng)于淺水區(qū)的清鎮(zhèn)生物群,位于小殼動物大量繁盛時期之后。這就說明在小殼動物大量繁盛之后,在水體較深的陸棚環(huán)境還生活著一群特殊的生物群落,它們與海底熱液活動有關(guān)。但是,在強(qiáng)烈的碳同位素負(fù)異常之后,水體較深的陸棚環(huán)境中只保存少量的海綿骨針和藻類化石,其它如高肌蟲、管蟲、蠕蟲動物消失了,一直到相當(dāng)于梅樹村期生物才大量出現(xiàn)。因此,寒武系底部的碳同位素強(qiáng)烈負(fù)異常可能隱藏著一次生物絕滅事件,但事件的規(guī)模和影響及機(jī)理有待進(jìn)一步研究。5寒武系底部的生物早寒武世早期黑色頁巖中大量動物化石的發(fā)現(xiàn),化石以硅質(zhì)海綿、碳質(zhì)薄膜、印模和薄殼化石為主,它反映當(dāng)時海洋缺少骨骼化礦物質(zhì)Ca,Mg,P等,生物很難保存為化石,這可能是小殼動物化石大量出現(xiàn)后黑色頁巖中很少發(fā)現(xiàn)動物化石的原因之一。為什么寒武系底部大量小殼動物繁盛期之后,Ca,Mg,P等礦化生物大量減少,生物殼體骨骼纖細(xì),殼體很薄