重慶西溪地區(qū)寒武紀(jì)牙形石化石動(dòng)物群的發(fā)現(xiàn)及其古環(huán)境意義

重慶西溪地區(qū)寒武紀(jì)牙形石化石動(dòng)物群的發(fā)現(xiàn)及其古環(huán)境意義

由于地理分布廣泛、發(fā)育速度快、保存相對(duì)豐富、全球比例高等，牙科診所是世界邊界層型、點(diǎn)（gsps）和區(qū)域地層分類的主要識(shí)別化石。近年來(lái)依據(jù)牙形石特征及演化序列的地層劃分對(duì)比取得了重要進(jìn)展。2004年,中國(guó)廣西蓬萊灘以C.postbitteripostbitteri首現(xiàn)為標(biāo)志的二疊系瓜德魯普統(tǒng)和樂(lè)平統(tǒng)全球界線層型和點(diǎn)位(GSSP)獲得通過(guò),確立了吳家坪階的底部界線。而后,以牙形石C.wangi的首現(xiàn)為標(biāo)志的樂(lè)平統(tǒng)長(zhǎng)興階底界全球界線層型和點(diǎn)位(GSSP)在浙江長(zhǎng)興煤山D剖面的建立,又確立了吳家坪階頂部界線。這2個(gè)全球界線層型剖面和點(diǎn)位(GSSP)的確立為國(guó)際和區(qū)域地層對(duì)比提供了重要標(biāo)準(zhǔn)。由于二疊紀(jì)的復(fù)雜地質(zhì)過(guò)程,世界上大多地區(qū)二疊系發(fā)育不好,沉積往往不連續(xù),給國(guó)際二疊紀(jì)年代地層和區(qū)域地層對(duì)比帶來(lái)極大困難,而華南地區(qū)二疊紀(jì)地層發(fā)育良好,出露廣泛,為二疊系研究工作提供了良好的條件。前人曾開展過(guò)一系列研究工作,取得了豐富的成果。重慶石柱地區(qū)位于揚(yáng)子板塊中北部,二疊系發(fā)育良好,出露較全,是生物地層研究的理想地區(qū)。本次工作在重慶石柱冷水溪剖面吳家坪階中部獲得牙形石化石88枚,計(jì)1屬11個(gè)種,可劃分為3個(gè)牙形石帶。該牙形石動(dòng)物群的發(fā)現(xiàn)對(duì)研究牙形石古生態(tài)、區(qū)域地層劃分對(duì)比以及恢復(fù)古沉積環(huán)境具有重要意義。1硅質(zhì)團(tuán)巖的組成該地層剖面位于重慶市石柱縣冷水溪(圖1),處于石柱縣城至馬武鎮(zhèn)的公路上,地層出露良好。剖面特征如下。吳家坪組未見頂190黃色薄層狀頁(yè)巖與硅質(zhì)巖互層,厚度大于5.00m189深灰色厚層狀白云巖化生物碎屑顆?；?guī)r,含牙形石C.renewalpostbitteri、棘皮類和腕足類碎片,厚0.64m188黑色含生物碎屑(棘皮類)硅質(zhì)巖,厚0.30m187深灰色含硅質(zhì)團(tuán)塊狀生物碎屑泥粒灰?guī)r,可見少量藻類碎片和黃鐵礦,牙形石豐富:C.orientalis,C.liangshanensis,C.bizarrensis,C.protowangi,C.n.sp.A,厚1.00m186深灰色巨厚層狀含硅質(zhì)團(tuán)塊狀泥?；?guī)r,含豐富的牙形石:C.liangshanensis,C.bizarrensis,C.longicuspidata,C.inflecta,C.protowangi,C.n.sp.B,C.n.sp.C,厚1.70m185深灰色厚層狀含生物碎屑泥灰?guī)r,見少量海百合莖碎片和牙形石C.renewalpostbitteri,厚0.85m184深灰色厚層弱白云巖化含硅質(zhì)團(tuán)塊狀粒泥灰?guī)r,見少量保存完好的有孔蟲,厚0.85m183深灰色巨厚層生物碎屑泥灰?guī)r,局部見少量黃鐵礦,含少量腕足類碎片和牙形石C.guangyuanensis,厚1.30m182深灰色中層含生物碎屑粒泥灰?guī)r,夾硅質(zhì)團(tuán)塊,含少量牙形石C.renewalpostbitteri及棘皮類、腕足類、有孔蟲生物碎片,厚0.25m175～181黑色薄-中厚層白云巖化硅質(zhì)巖,夾中薄層細(xì)晶白云巖,偶見有孔蟲和腕足類棘刺,硅質(zhì)巖單層厚5～40cm,厚2.71m169～174灰、深灰色厚層狀白云巖化生物碎屑硅質(zhì)團(tuán)塊狀粒泥灰?guī)r、泥?；?guī)r、細(xì)晶白云巖,生物碎屑有海百合莖、腕足類和有孔蟲等,厚5.32m168深灰色含生物碎屑粒泥灰?guī)r,夾灰黑色橫向不穩(wěn)定的硅質(zhì)巖,可見少量有孔蟲,厚0.10m167深灰色含生物碎屑粒泥灰?guī)r,生物碎屑以棘皮類為主,少量腕足類碎片,厚0.90m166灰白色黏土巖,厚0.25m161～165深灰色中厚層泥粒-粒泥灰?guī)r,局部夾硅質(zhì)團(tuán)塊或硅質(zhì)條帶(橫向不穩(wěn)定),厚2.40m龍?zhí)督M160灰黃色粉砂巖、黑色碳質(zhì)泥巖,夾煤線,厚7.00m2牙石動(dòng)物群2.1牙形溫室內(nèi)添加量的確定為了充分滿足牙形石生物地層工作的需要,剖面測(cè)制采用自然分層、逐層取樣的方法,對(duì)于單層厚度大于30cm的巖層,取樣間距控制不大于30cm,重要層位加密取樣間距,樣品重量不低于3kg,牙形石室內(nèi)處理方法較多,最簡(jiǎn)便、最常用的方法是醋酸法與甲酸法?；夷鄮r或泥質(zhì)含量較高的碳酸鹽巖,采用質(zhì)量濃度為10%的醋酸處理,每隔24h換酸一次;其他碳酸鹽巖則采用質(zhì)量濃度為5%的甲酸處理,每12h換酸一次;硅質(zhì)巖或硅質(zhì)含量較高的巖石使用質(zhì)量濃度為5%的氫氟酸處理,每24h換酸一次。反應(yīng)后的殘余物經(jīng)孔徑0.074mm(200目)的不銹鋼篩篩選后,于45℃的烘箱中烘干,然后置于40倍的雙目實(shí)體顯微鏡下挑選。挑選出的牙形石粘臺(tái)后送至中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電子掃描電鏡(JEOLLtd,JSM-35CF)照相。2.2c.rechehn標(biāo)準(zhǔn)冷水溪剖面第161～181層未發(fā)現(xiàn)牙形石化石,而第182～189層(地層厚度小于7m)牙形石化石異常豐富,挑出牙形石多達(dá)88枚。其中可識(shí)別出C.guangyuanensis(圖2-1),C.renewalpostbitteri(圖2-2,3),C.orientalis(圖2-4),C.liangshanensis(圖2-5,6),C.bizarrensis(圖2-7,8),C.longicuspidata(圖2-9,10),C.inflect(圖2-11),C.protowangi(圖2-12,13),C.n.sp.A(圖2-14),C.n.sp.B(圖2-15,16)和C.n.sp.C(圖2-17,18)。其中C.renewalpostbitteri,C.protowangi,C.n.sp.A,C.n.sp.B和C.n.sp.C為新種。按牙形石地層分布可劃分出C.guangyuanensis帶,C.renewalpostbitteri帶和C.orientalis帶3個(gè)牙形石帶。C.guangyuanensis帶底界以C.guangyuanensis首現(xiàn)為標(biāo)志,化石豐富度和分異度均較高,常與C.liangshanensis,C.protowangi,C.deflect,C.bizarrensis等分子共生,在剖面上僅見其延限部分,未見首現(xiàn)位置;C.renewalpostbitteri帶以C.renewalpostbitteri首現(xiàn)為標(biāo)志,剖面最早見于第182層,該帶化石豐富度和分異度均較高,常與C.liangshanensis,C.protowangi,C.longicuspidata,C.guangyuanensis等分子共生;C.orientalis帶底界面為C.orientalis首現(xiàn)面,該帶化石豐富度和分異度均較高,常與C.renewalpostbitteri,C.protowangi,C.longicuspidata,C.guangyuanensis等分子共生。區(qū)域上冷水溪剖面缺少C.transcaucasica帶,但C.transcaucasica帶在建始茅草街和興山峽口等都有出現(xiàn)(圖3),推測(cè)冷水溪當(dāng)時(shí)古地理位置更靠近大陸一側(cè),早期環(huán)境不利于牙形石生存,導(dǎo)致該剖面下部牙形石化石稀少。牙形石C.renewalpostbitteri不僅在冷水溪剖面大量出現(xiàn),而且在茅草街剖面、峽口剖面均有出現(xiàn)。該種是C.postbitteri的復(fù)蘇分子,其形態(tài)特點(diǎn)與C.postbitteripostbitteri相似:齒臺(tái)相對(duì)修長(zhǎng),兩側(cè)近平行,齒臺(tái)后緣圓突,兩側(cè)有微凹,具窄的齒臺(tái)后邊緣;主齒中等至較大,主齒與其他細(xì)齒間距較大,但無(wú)明顯間隙;細(xì)齒向前逐漸增高,前部細(xì)齒高大。由于該種首現(xiàn)面之下區(qū)域上存在一個(gè)生物事件面,因此可以根據(jù)該種的首現(xiàn)位置將吳家坪階分為下亞階和上亞階,界線在冷水溪剖面位于第182層底部(圖4),在茅草街剖面位于第183層底部。3無(wú)機(jī)碳、氧同位素碳、氧穩(wěn)定同位素組成受溫度、大氣水稀釋和蒸發(fā)作用等因素影響,因此,碳酸鹽巖中的穩(wěn)定碳、氧同位素組成可以用來(lái)定量地恢復(fù)沉積環(huán)境的古鹽度和古水溫,確定成巖環(huán)境。選擇剖面第161～189層出露的所有碳酸鹽巖進(jìn)行碳、氧同位素地球化學(xué)分析。采取逐層取樣,地層厚度大于30cm的巖層,取樣間距控制不大于30cm。碳酸鹽巖樣品首先去除風(fēng)化面,取約20g不含后期脈體的新鮮樣品粉碎成粒徑為0.074mm(200目)的粉末,在25℃下與質(zhì)量濃度100%濃磷酸反應(yīng),經(jīng)液氮冷卻分離出純CO2氣體,然后利用FinniganMAT251型質(zhì)譜儀進(jìn)行無(wú)機(jī)碳、氧同位素測(cè)定。每9個(gè)樣品加測(cè)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品,所得數(shù)值以PDB標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算,測(cè)試結(jié)果誤差控制在±0.1‰以內(nèi)(表1)。所有同位素測(cè)試工作均在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室同位素室完成。測(cè)試結(jié)果顯示,δ(13CPDB)值為2.56‰～4.14‰,平均為3.50‰,偏移較小,但曲線變化存在一定規(guī)律,第161～181層δ(13CPDB)值由下至上逐漸增高且變化頻繁,曲線呈鋸齒狀,第182～189層δ(13CPDB)向上變小,曲線平直;δ(18OPDB)值為-8.25‰～-3.53‰,平均為-5.61‰,第161～181層δ(18OPDB)值向上逐漸增高,變化相對(duì)較大,極值均出現(xiàn)在此段中,曲線呈鋸齒狀,第182～189層δ(18OPDB)值向上略降低,變化較小,曲線平直(圖5)。碳、氧同位素值變化在第161～181層和第182～189層差異明顯。剖面上,第161～181層未出現(xiàn)牙形石,第182層開始出現(xiàn)少量牙形石,其后牙形石數(shù)量及種類快速增加。推測(cè)冷水溪當(dāng)時(shí)地理位置處于近岸一帶,吳家坪期海侵初期,為局限-半局限環(huán)境,由于海平面波動(dòng)和不斷受到淡水混入影響,同位素值曲線變化頻繁,環(huán)境不利于牙形石生存;隨著海侵的進(jìn)行,海平面不斷升高,沉積環(huán)境由局限-半局限環(huán)境向正常淺海環(huán)境轉(zhuǎn)變,海水受淡水混入影響減小,同位素值曲線變化相對(duì)較小,牙形石開始大量出現(xiàn)。因此,將吳家坪上亞階和下亞階的界線確定在第182層底部是基本合理的。4環(huán)境積累根據(jù)地層的巖石特征、生物組合和碳、氧同位素變化特點(diǎn),吳家坪階中下部沉積環(huán)境可分為濱岸沼澤相、局限—半局限臺(tái)地相和開闊臺(tái)地相。(1)下灰砂質(zhì)該相發(fā)育于剖面底部(龍?zhí)督M),巖性組合大致可分為二段:下部為灰黃色粉砂巖;上部為黑色碳質(zhì)泥巖,局部夾粉砂巖和煤線,產(chǎn)植物、淡水動(dòng)物化石和菱鐵礦結(jié)核,屬濱海湖沼環(huán)境。(2)生物碎屑和顆粒該相發(fā)育于剖面中部(第161～181層),巖性以白云巖化生物碎屑泥粒灰?guī)r、白云巖、灰泥巖為主,夾少量白云巖化硅質(zhì)巖;生物碎屑含量較少,主要有腕足類、有孔蟲、棘皮類、腹足類、竹節(jié)石和藻類等,但未見牙形石,生物碎屑粒徑一般為0.5～1.5mm,個(gè)別可達(dá)3.0mm以上,體積分?jǐn)?shù)小于15%,個(gè)別樣品僅約5%,向上生物碎屑體積分?jǐn)?shù)有增高趨勢(shì);顆粒碎屑磨圓不好,分選較差;基質(zhì)主要為泥晶方解石(或白云石)。顆粒較大的白云石礦物晶形較好,中部可見霧心內(nèi)核(圖6-A,B);碳、氧同位素值由下至上逐漸增大,曲線向正向偏移,曲線形態(tài)呈鋸齒狀,反映其形成環(huán)境為有淡水混入、非正常鹽度的局限-半局限環(huán)境(圖5)。(3)生物碎屑類該相發(fā)育于剖面上部(第182～189層),巖性以灰泥巖、粒泥灰?guī)r為主,局部夾白云巖化顆粒灰?guī)r,生物碎屑含量較高,種類豐富,主要有腕足類、棘皮類、雙殼類、腹足類、三葉蟲和藻類碎片等,牙形石開始大量出現(xiàn);碳、氧同位素值稍有下降,往負(fù)向略偏移,但偏移幅度微小,曲線平直,反映隨著海平面快速上升沉積環(huán)境開始向正常淺海轉(zhuǎn)變,海水受淡水混入影響減小,沉積環(huán)境開始過(guò)渡到開闊臺(tái)地相(圖5)。5碳、氧同位素特征(1)重慶石柱冷水溪剖面吳家坪階中部牙形石化石豐富,根據(jù)牙形石地層分布可將牙形石分為C.guangyuanensis帶、C.renewalpostbitteri帶和C.orientalis帶,根據(jù)C.renewalpotbitteri的首現(xiàn)位置可將吳家坪階分為上亞