华南峡东及浙西早寒武世（黔东世）生物群及其与古环境协同演化研究

【摘要】从晚前寒武到早寒武世,古海洋的海水地球化学,生物面貌都经历了巨大的转折,并伴随着全球气候变化、板块的重新拼合、生物绝灭和后生动物群的发展等。在此过程中,最引人注目的是前寒武动物群的消失和带矿化骨骼的后生动物群的爆发。后生动物群的爆发不仅包括分异度和丰度的爆发性增长,食物链和生活方式的日趋复杂,而且其生活环境也从氧化程度良好的滨浅海向地球化学特征上显示仍然缺氧和硫化的台内盆地和斜坡地区辐射。这一进程必然离不开其海洋水体环境和初级生产力的支持。新一轮的氧化进程如何开始?大洋循环重新开始了吗?半深海和深海地区的缺氧程度到底如何?初级生产力水平如何演化?是否足以支撑生物的大爆发?目前已有的数据仍然不足以完全回答这些问题,特别是关于东南边缘海、斜坡和盆地的数据仍然很少。在本文中,我们在秭归水井沱组黑色岩系中发现了大量保存完好的后生动物化石和小壳化石,在浙西荷塘组,我们也在黑色页岩中经处理得到了少量小壳化石和疑源类。我们分析了两地的沉积环境及古氧相,以及该时期的初级生产力特征和水平,具体如下：1、古生物特征：笔者在在秭归邻近的多个剖面中采获大量化石,经过初步研究和结合前人的调查结果,我们提出水井沱生物群的概念：所谓水井沱生物群,是指包括海绵动物、开腔骨类、古杯类、腕足动物、软舌螺、腹足类、单板类、叶足类、节肢动物等10多个门类的化石,部分分类不明化石及微古植物化石的生物类群,早期即水井沱组下部以三叶虫如Zsunyidiscus等、海绵、高肌虫、叶虾等为主,偶见放射虫化石,具有贵州牛蹄塘组底部松林动物群的特点。上部灰岩中的开腔骨类、古杯类、腕足、单板类等化石与鄂西北和陕南的“西蒿坪动物群”面貌相似,海绵、高肌虫、腔肠动物楔叶虫和拜如尼亚虫则具有贵州牛蹄塘组上部遵义动物群的特点,属于非典型的布尔吉斯型动物群(海绵动物因为缺乏足够的挖掘除外)。尽管对该动物群仍需进一步研究,此次水井沱生物群的发现也完善了峡东鄂西地区早中寒武世生物群中缺失的一环。至此,包括岩家河生物群、水井沱生物群、石牌动物群、京山布尔吉斯型页岩动物群在内的鄂西地区早中寒武世生物群系列已经初步建立。在浙西荷塘组黑色页岩中,我们也找到了少量小壳化石,与传统产出于黑色硅质页岩中的碳酸盐岩夹层或者结核当中不同。我们的研究显示：a.小壳化石无疑在深水相区也是存在的；b.传统的弱酸处理方法限制了小壳化石在硅质岩中的报道。c.除此之外,这些小壳化石的组成与特征与水井沱组上部灰岩结核中产出的小壳化石以及鄂北陕南地区Rhombocorniculumcancellatum带生物特征一致,表明了其时代,以及地层之间可以很好的进行相互对比。因此,这些广泛分布于华南的小壳化石类型如有希望取代仅仅只在浅水地区出现的”Rhombocorniculumcancellatumzone”而成为新的小壳带化石分子。2、古氧相演化及特征：在古氧相演化及特征方面,通过对秭归罗家村剖面水井沱组、浙西志棠及新塘坞剖面荷塘组地球化学、草莓状黄铁矿以及TOC的研究,我们发现总体上位于台内盆地、台地边缘或斜坡上部的两套黑色岩系都处于缺氧甚至硫化的环境下,但两者也有明显的区别,在处于台内盆地的秭归地区,其古氧相演化可大致分为四个阶段：阶段Ⅰ下部比较缺氧,上部缺氧程度下降,而阶段Ⅱ相对比较稳定,缺氧程度没有太大的变化。阶段Ⅰ和阶段Ⅱ都偶尔可能有洋流将富氧的表层水带入水和沉积物界面附近,以支持底栖生物的生活；在水井沱组的上部即阶段Ⅲ时,缺氧突然扩大,导致TOC、微量元素富集、生物稀少。之后,在阶段Ⅳ时水体中氧含量迅速增高,TOC含量下降,底栖生物富集,环境处于贫氧或者富氧的环境中,表明海水氧化时间的扩大和缺氧的结束。总体来说,水井沱组以阶段性的缺氧程度的减弱为特征。而在处于台地边缘至斜坡带的浙西荷塘组,其古氧相演化分为三个阶段：底部的阶段Ⅰ和顶部的阶段Ⅲ都处于缺氧甚至硫化的阶段,化石特征显示仅有偶尔有洋流将氧气带入底层水体并促使生物的发展,而在其中部含灰岩条带、结核或者巨厚层灰岩的阶段Ⅱ则处于有氧的状态。说明该地区直到荷塘组结束时,其总体特征并没有明显的改善,只有中段有短时间向贫氧至氧化好转。在秭归水井沱组上部,我们还观察到了纹层状的黑色碳酸盐岩/泥页岩韵律以及地球化学指标和草莓状黄铁矿指标的矛盾之处：地球化学指标如V/(V+Ni),U/Th,V/Cr以及Ni/Co等总体上都显示快速降低的特征,与此同时,化石记录开始骤然增多,不仅是生物的丰度还是分异度都有大幅的上涨；而黄铁矿指标显示的结果则正好相反,不止是一个草莓状黄铁矿指标显示其中值和平均值都有一定程度的下降,表明底层水体处于严重缺氧甚至硫化的环境。高精度的地球化学研究揭示了体氧含量明显的波动情况。这种在有氧和缺氧至硫化之间的波动意味着：a.底层水正常化的开始,也就是说氧化海水的规模和深度正在不断扩大。b.从另一方面说氧化海水并没有永久性的占领这一区域,或者说底层水环境并没有永久性地得到改善,不同类型或者来源的水团也尚未得到充分的流动和混合。c.这种含氧地层海水与缺氧海水在地区上的反复角力同时也控制着生物的生存空间和化石的保存条件。在区域上,像秭归水井沱组这种缺氧的减弱和氧含量的扩大进程在华南其他地区可以与之很好的对应,例如云南昆明玉案山组、贵州遵义和湖南三岔一带牛蹄塘组等：无论是生物还是地球化学特征都表明其古氧相特征在最初的缺氧事件之后一段时间内有一个明显的转折。在转折发生之前,生物稀少,缺氧程度较大；而在转折之后,生物无论是丰度还是分异度都明显增加,地球化学特征也显示缺氧程度有明显的减弱。并且,其转折发生的时间也比较有规律,滨浅海的云南昆明地区的玉案山组氧化事件明显早于台内盆地的秭归水井沱组,表明了含氧海水从浅水向深水地区扩大的趋势。而在皖南到浙西的荷塘组,地球化学证据似乎指向相反的结论：其底层环境处于,或者说至少长时间处于硫化状态,有氧或者富氧只是暂时的,筇竹寺晚期到沧浪铺早期而并无像云南、峡东或贵州那样有明显的由缺氧向氧化底层水体转变的迹象。总而言之,华南早寒武世的海洋历史是一个持续充氧的过程,也是生物辐射和爆发的关键期,云南澄江一带水体进入长期氧化的时间大约在筇竹寺阶中期；贵州底层水由长期缺氧到长期充氧的转折时间可能略晚于云南,在秭归发现的小壳化石同样表明该地区进入长期充氧的时间晚于澄江动物群大规模出现的时间段。而与之相对比的是位于台地边缘或斜坡带的浙西地区,尽管在早期以及中晚期,生物证据表明底层海水曾经处于偶尔充氧的状态,但这种改善毕竟非常短暂,整个荷塘组绝大部分时间还是处于缺氧甚至硫化的状态之下。直到荷塘组顶部,筇竹寺阶末期至沧浪铺阶,海水环境的转变始终没有到来,上层含氧的海水活动未能大幅度地影响和改善底层环境。受海水含氧量的控制,生物的爆发和辐射也未能到达这一区域,因此在该区域内的化石相当有限。这种截然不同的对比表明了早寒武世早期的缺氧事件发生后海洋环境的恢复状态和进度,以及含氧水团的活动范围和程度。3、初级生产力：宏体和微体藻类(包括疑源类)以及微生物席是前寒武纪—寒武纪海洋有机碳的三大主要生产者。它们的繁盛对于大气氧含量的增加、消费者的食物供应以及黑色岩系及其伴生的能源和矿产有着密切的关系。我们对峡东秭归地区水井沱组和浙西志棠剖面荷塘组的地球化学和TOC研究表明早寒武世早期海洋长期处于生产力水平相对较高的状态,在特定环境下,陆源输入对初级生产力增长具有刺激作用。峡东地区稳定碳同位素特征同样表明该时期初级生产力水平处于稳步发展的状态下。但从另一个方面来说,相关性分析显示初级生产力的几个指标似乎都主要受控于有机质埋藏环境及底层水体的古氧相特征。对黑色岩系中镜质体和惰质体的统计结果发现它们与其他初级生产力指标关系不明显。关于有机质的来源,水井沱组、荷塘组及牛蹄塘组有机质主要来源于被细菌改造过后的蓝细菌或者藻类残余,其母质主要来源于细菌藻类等低等水生物。这与早寒武世初期有机碳主要来源于底栖藻类,蓝细菌的贡献可以忽略不计的宽川铺组有着明显的区别。
【作者】张磊；
【导师】冯庆来；
【作者基本信息】中国地质大学，古生物与地层学，2014，博士
【关键词】寒武纪；水井沱组；荷塘组；化石；生物群；古氧相；缺氧；古生产力；

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