甘肅金昌早二疊世幾種科達(dá)種子及古氣候意義

1、 甘肅金昌早二疊世幾種科達(dá)種子及古氣候意義華一帆，王雪蓮，黃若寒，徐仁輝，李樸，劉洋，孫柏年(蘭州大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院，蘭州 730000) 摘要：本文記述了甘肅金昌地區(qū)早二疊世晚期三種科達(dá)種子化石：金昌石籽(Carpolithus jinchangensis Y.F. Hua et X.L. Wang sp.nov.)、三稜籽(未定種)(Trigonocarpus sp.)和小雙核籽(Tobleria minor)。金昌石籽頂端具有明顯的尖喙，基部微圓并且具有珠孔；三稜籽(未定種)頂部具三個尖端，基部呈倒三角形；小雙核籽具有雙核并列的外部形態(tài)，核部具有縱紋。對其形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析鑒

2、定，并與國內(nèi)外報道的相關(guān)種屬進(jìn)行了比較和討論后，進(jìn)一步對其分類進(jìn)行詳細(xì)的鑒定。在此基礎(chǔ)上，通過對該區(qū)裸子植物種子的鑒定，提出金昌地區(qū)早二疊世晚期主要為溫暖濕潤的氣候，但在聚煤作用發(fā)生之前經(jīng)歷了短暫的干旱期，并且推測該區(qū)當(dāng)時的科達(dá)類種子較為繁盛，發(fā)育程度較高，當(dāng)時的古環(huán)境適于科達(dá)類植物的生長。 關(guān)鍵詞：古生物學(xué)；古氣候；早二疊世晚期；科達(dá)類種子；甘肅金昌 1.引言晚古生代時，我國石炭紀(jì)晚期至二疊紀(jì)早期主要處于無季節(jié)性分化的熱帶雨林氣候，二疊紀(jì)早期總體上變?yōu)榫哂屑竟?jié)性熱帶氣候，并出現(xiàn)氣候分異現(xiàn)象，但到二疊紀(jì)晚期，則出現(xiàn)逐漸變干旱的趨勢，形成了亞熱帶干旱或半干旱氣候特征2。晚古生代植物地理分區(qū)在泥盆

3、紀(jì)至早石炭世還不明顯，晚石炭世后，植物地理區(qū)系一般可分為四區(qū)：熱帶-亞熱帶植物區(qū)、溫帶植物區(qū)、歐美植物區(qū)以及岡瓦納植物區(qū)。10,14甘肅金昌大泉-紅泉的晚古生代地層因發(fā)現(xiàn)華夏植物群的典型分子而引起了關(guān)注8。2015年8月，作者同蘭州大學(xué)古生物學(xué)與地層學(xué)研究所成員對該區(qū)植物化石進(jìn)行了重點采集，采集到大量保存完整的植物壓型化石，其中包括本文研究的科達(dá)種子化石?？七_(dá)類植物是已滅絕裸子植物的一個重要類群20?？七_(dá)植物樹干高大，在莖軸上，葉呈條帶狀，呈緊密螺旋狀分布，葉具有直線脈絡(luò)13?？七_(dá)(Cordaites)化石被發(fā)現(xiàn)于全球各地的石炭紀(jì)地層中3?？七_(dá)類植物大部分發(fā)現(xiàn)的是不完整葉片,部分情況下也能找到

4、葉尖或葉基化石，研究較為廣泛的當(dāng)屬科達(dá)營養(yǎng)枝和生殖穗15,16，對其種子的研究還較少。根據(jù)保存較好的種子表面的紋飾17、種皮厚度及種皮表面角質(zhì)層等，均可以反映當(dāng)時的溫度、濕度等氣候信息，對恢復(fù)古氣候、古環(huán)境特征具有重要的地質(zhì)學(xué)意義11,12。 2.地質(zhì)地理概況甘肅金昌位于河西走廊中部(圖1)，靠近龍首山。龍首山呈W-NW向延伸，東段出露晚古生代地層，由老到新為上石炭統(tǒng)-下二疊統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組，中二疊統(tǒng)下石盒子組和上二疊統(tǒng)上石盒子組；二疊系內(nèi)均為整合接觸，二疊系與下伏的部分上石炭統(tǒng)太原組和上覆三疊系西大溝群也均為整合接觸4,5。本文所采集的化石主要產(chǎn)自下二疊統(tǒng)山西組第一和第二巖性段(圖2

5、)，化石采集點位于大泉-紅泉地區(qū)。圖1 甘肅金昌地質(zhì)地理概況圖Fig.1 Locality of fossils in Jinchang, Gansu Province大泉剖面山西組第二巖性段巖性為灰白色、淺黃色含礫粗砂巖及石英砂礫巖，夾灰黑色泥巖一層，巖層厚度為8.8m；位于紅泉的山西組第一巖性段巖性為淺黃色薄層細(xì)砂巖，上部為砂質(zhì)頁巖，巖層厚度為3.4m1。兩處巖層表面因長期暴露在地表風(fēng)化較為嚴(yán)重，表層化石保存較差，而巖層內(nèi)部化石保存完整，在砂巖中所采化石一般風(fēng)化較為嚴(yán)重，保存不夠完整。本文選取保存較好并且典型的石籽屬(Carpolithus)、三稜籽屬(Trigonocarpus)和雙核籽

6、屬(Tobleria)進(jìn)行詳細(xì)的研究分析。圖2 化石產(chǎn)出層位柱狀圖Fig.2 The stratigraphic column of the Shanxi Formation 3.材料及研究方法本文所研究的科達(dá)種子化石分別為：石籽屬(Carpolithus)、三稜籽屬(Trigonocarpus)和雙核籽屬(Tobleria)(表1)。所有化石用索尼DSC-TX55數(shù)碼相機拍照，部分化石置于Leica MZ12.5立體顯微鏡下放大觀察，并利用數(shù)碼相機的超微聚焦功能對其細(xì)節(jié)形態(tài)特征進(jìn)行了拍照。由于其角質(zhì)層不易剝離，因此采取以下步驟進(jìn)行化學(xué)處理：先用小刀將所采集的化石表面的碳膜輕輕刮下，放入塑料試

7、管中，用蒸餾水浸泡約30分鐘后，加入10%HCl溶液浸泡4-5h后移出，蒸餾水離心沖洗至中性后浸泡于盛有50%HF的塑料試管中浸泡4-5h后移出，繼續(xù)用蒸餾水離心沖洗至中性后置于舒氏液中，等到碳膜顏色由黑色變?yōu)榈S色乃至無色透明狀時將其移出，繼續(xù)用蒸餾水離心沖洗至中性后滴入氨水進(jìn)行分離，繼而滴入染色劑染色，然后用甘油制片進(jìn)而用指甲油進(jìn)行封片。種屬名稱數(shù)量/塊保存狀況產(chǎn)出地石籽屬(Carpolithus)5種子，種皮較好，角質(zhì)層清楚甘肅金昌,大泉三稜籽屬(Triginocarpus)2種子，種皮裂隙，角質(zhì)層清楚甘肅金昌,紅泉雙核籽屬(Tobleria)4種子，種皮有裂隙，分界明顯甘肅金昌,紅泉表

8、1 化石樣品采集信息Tab.1 Fossil sample information 4.化石系統(tǒng)描述 裸子植物種子Seimina Gymnospermarum 石籽屬Carpolithus Walleri 金昌石籽 Carpolithus jinchangensis Y.F. Hua et X.L. Wang sp.nov.正模：GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-053(圖3)副模：GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-054，GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-059，GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-071，GSYC-2015-LDGSW-P1sh

9、-2-082地層與時代：山西組，早二疊世晚期地點：甘肅省金昌市河西堡鎮(zhèn)(圖1)保存地：蘭州大學(xué)古生物實驗室詞源：種名來源于化石發(fā)現(xiàn)地，甘肅金昌市鑒別特征：凡沒有具備一個獨立屬的特征，分類位置不明又不能歸入其他裸子植物種子屬的種子，均可歸入石籽屬。因此石籽屬具有較為簡單的鑒別特征：種子大小不一，橢圓形，或者卵形，紡錘形等，表面平或者有瘤狀等紋飾。圖3 Carpolithus jinchangensis化石特征Fig.3 Fossil characteristics of Carpolithus jinchangensis1. C. jinchangensis手標(biāo)本(比例尺=1 cm)；2. C.

10、 jinchangensis角質(zhì)層特征(比例尺=50 um)；3. C. jinchangensis頂部細(xì)節(jié)圖(比例尺=1000 um)；4. C. jinchangensis基部細(xì)節(jié)圖(比例尺=1000 um)；5. C. jinchangensis中部細(xì)節(jié)圖(比例尺=1000 um)化石特征描述：當(dāng)前標(biāo)本的種子近橢圓形(圖3-1)，直徑約1cm，頂端具明顯的尖喙(圖3-3)，中部微凹，基部微圓，可見明顯的珠孔，且珠孔呈60度夾角(圖3-4)；該化石胚珠明顯可見，大小約為7mm，呈卵圓形-圓形(圖3-1)；種皮相對較厚，大約為2mm；表面較為平整，但局部可見散落的瘤狀紋飾(圖3-5)。當(dāng)前標(biāo)

11、本碳膜保存較差，但通過實驗研究，其種皮角質(zhì)層部分可見。該化石種皮細(xì)胞排列緊密，寬約10um，長約20um，細(xì)胞整體呈狹長的五邊形，未見種皮氣孔(圖3-2)。 雙核籽屬 Tobleria Jongm. 小雙核籽 Tobleria minor Hsu標(biāo)本號：GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-057(圖4)，GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-064，GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-068，GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-081地層與時代：山西組，早二疊世晚期地點：甘肅省金昌市河西堡鎮(zhèn)(圖1)保存地：蘭州大學(xué)古生物實驗室鑒別特征：種子很小，由兩個并列

12、的核向頂端延伸成一對頂角的外種皮組成，基部膨大，表面平或者有紋飾。圖4 Tobleria minor化石特征Fig.4 Fossil characteristics of Tobleria minor 1. T. Minor手標(biāo)本(比例尺=1 cm)；2. T. Minor頂部細(xì)節(jié)圖(比例尺=1000 um)；3. T. Minor細(xì)節(jié)圖(比例尺=1000 um)；4. T. Minor基部細(xì)節(jié)圖(比例尺=1000 um)化石特征描述：種子呈三角形，長約18毫米，寬約5毫米(圖4-1)，頂端有兩個互成30°的頂角(圖4-2)，基部渾圓，有短柄，有一15毫米深凹(圖4-4)，從頂部至基

13、部漸狹(圖4-3)，種皮薄，寬約1毫米，雙核并列，等大(圖4-1)。當(dāng)前標(biāo)本保存于砂巖之中，故較難對其角質(zhì)層特征進(jìn)行研究。 三稜籽屬 Trigonocarpus Brongn. 三稜籽（未定種） Trigonocarpus sp.標(biāo)本號:GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-052(圖5-1)，GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-065(圖5-5)地層與時代：山西組，早二疊世晚期地點：甘肅省金昌市河西堡鎮(zhèn)(圖1)保存地：蘭州大學(xué)古生物實驗室鑒別特征：種子的核橢圓形、紡錘形，長大于寬，表面有三個（或3的倍數(shù)）等距排列的、突出的脊，脊間有時還有一些較細(xì)的縱紋。圖5 Trigono

14、carpus sp.化石特征Fig.5 Fossil characteristics of Trigonocarpus sp.1. T. sp.化石標(biāo)本GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-052 (比例尺=1 cm)；2. T. sp.橫截面特征(比例尺=1 cm)；3. T. sp.頂部細(xì)節(jié)圖(比例尺=1000 um)；4. T. sp.基部細(xì)節(jié)圖(比例尺=1000 um)；5. T. sp.化石標(biāo)本GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-065 (比例尺=1 cm)化石特征描述：種子呈橢圓形，平均長約15毫米，寬約10毫米(圖5-1，5-5)，頂部有三個尖端，各個尖端近似等

15、大(圖5-3)，基部呈倒三角形，有鈍角凸起，似短柄(圖5-4)。種皮上可見有兩條縱脊及橫向紋飾(圖5-1)，富存與砂巖中的種子(圖5-5)形態(tài)較為清晰，并發(fā)現(xiàn)其立體保存形態(tài)，從橫截面可見，一環(huán)分六瓣(圖5-2)，一般成壓型保存，通?？梢娖渲幸幻娴娜?。 5.討論和比較 5.1石籽屬(Carpolithus)當(dāng)前標(biāo)本形態(tài)特征明顯，尤其具明顯的珠孔，將其歸入石籽屬(Carpolithus)是毫無疑問的?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的石籽屬約四種，分別為榴石籽(Carpolithus perornatus)19、卵石籽(Carpolithus taxiformis)、泡石籽(Carpolithus bullatus)1

16、7、單溝石籽(Carpolithus unisulcus)9，金昌石籽(Carpolithus jinchangensisY.F.Hua et X.L.Wang sp.nov.)和單溝石籽(Carpolithus unisulcus)均橢圓形，但單溝石籽(Carpolithus unisulcus)表面有一條明顯的縱溝，故與當(dāng)前化石相區(qū)別；卵石籽(Carpolithus taxiformis)、泡石籽(Carpolithus bullatus)和榴石籽(Carpolithus perornatus)均以其獨特的外形，以及較薄的種皮區(qū)別于當(dāng)前化石?？梢?，將當(dāng)前標(biāo)本定為已新種是合適的。種名形態(tài)表面

17、頂端基部種皮Carpolithus jinchangensis橢圓形表面平，局部有瘤具尖喙微圓，有凹槽較薄，寬約2毫米C. taxiformis倒卵形表面平具尖喙基部漸狹，有凹槽薄，寬約1毫米C. unisulcus橢圓形有一條縱溝微凸微圓薄，寬不足1毫米C. bullatus卵圓形具有瘤有尖頂寬而淺的凹陷薄，寬約1毫米C. perornatus心形具有瘤有短喙微圓薄，寬約1毫米表2 Carpolithus化石記錄Tab.2 Fossil records of Carpolithus 5.2雙核籽屬(Tobleria）目前對雙核籽屬的研究較少，僅在中國古生代植物中有記載，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)雙核籽屬(Tob

18、leria)僅存一屬一種，即小雙核籽(Tobleria minor)。本文在研究區(qū)所發(fā)現(xiàn)的雙核籽屬(Tobleria)化石完全符合小雙核籽(Tobleria minor)的形態(tài)特征,這也是該屬在甘肅的首次發(fā)現(xiàn)。 5.3三稜籽屬(Trigonocarpus)同樣對三稜籽屬的研究也較少，僅在中國古生代植物中有記載，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)三稜籽屬(Trigonocarpus)約1種，為榧三稜籽(Trigonocarpus schultzianus)。當(dāng)前標(biāo)本是三稜籽屬在甘肅的首次發(fā)現(xiàn)，與榧三稜籽(Trigonocarpus schultzianus)比較，僅在形態(tài)上與榧三稜籽(Trigonocarpus schul

19、tzianus)有區(qū)別之外，其他特征與榧三稜籽(Trigonocarpus schultzianus)區(qū)別不夠明顯(表3)，故將該標(biāo)本定為未定種。表3 Trigonocarpus化石記錄Tab.3 Fossil records of Trigonocarpus種名形態(tài)頂端表面基部種皮Trigonocarpus sp.長三角形具尖喙3條縱脊扁圓薄，寬約1毫米T. Schultzianus橄欖形尖36條縱脊鈍圓薄，寬約1毫米 6.古氣候意義 果實和種子化石較花更容易保存，它的各種性狀比葉片化石保存的更加穩(wěn)定6。不僅僅葉片化石能夠反映地質(zhì)歷史時期的古環(huán)境氣候，種子作為植物化石的重要組成部分，能夠為古

20、環(huán)境氣候的研究提供重要的證據(jù)。通常情況下種皮較為光滑的種子一般情況下生長在溫暖、濕潤的環(huán)境中，而頂部具尖端，種皮和核部有縱紋的一般是因為氣候干燥所導(dǎo)致的7。甘肅金昌早二疊世晚期科達(dá)種子是這一地區(qū)保存比較完好的化石，通過對該地區(qū)采集的11塊種子化石研究發(fā)現(xiàn)：表面具縱紋、頂部尖的化石占具較大比例。根據(jù)不同類型種子的外部形態(tài)可以初步推斷出，甘肅金昌地區(qū)在早二疊世晚期處于干旱環(huán)境。又因為在化石產(chǎn)出層位之上發(fā)現(xiàn)有煤層,成煤作用一般發(fā)生在濕潤氣候條件下，加之該地區(qū)在早二疊世早期屬于溫暖濕潤的氣候環(huán)境18，因此本文推斷，甘肅金昌地區(qū)在早二疊世晚期，聚煤作用發(fā)生之前，經(jīng)歷了一個短暫的干旱期。 7.致謝 本篇論

21、文的完成，離不開項目組成員和老師的幫助。尤其要感謝我的論文指導(dǎo)老師孫柏年老師，他對我進(jìn)行了無私的指導(dǎo)和幫助，不厭其煩的幫助進(jìn)行論文的修改和改進(jìn)。另外，在校圖書館查找資料的時候，圖書館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。在此向幫助和指導(dǎo)過我的各位老師表示最中心的感謝！ 感謝這篇論文所涉及到的各位學(xué)者。本文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文獻(xiàn)，如果沒有各位學(xué)者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫作。感謝我的項目組成員，在我寫論文的過程中給予我了很多你問素材，還在論文的撰寫和排版的過程中提供熱情的幫助。 由于我的學(xué)術(shù)水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請各位老師和學(xué)友批評和指正！參考文獻(xiàn)1 鄧宏

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