湖南老江沖上泥盆統(tǒng)弗拉斯晚泥盆世弗拉斯期法門期之交海水溫度變化的同位素證據(jù)

湖南老江沖上泥盆統(tǒng)弗拉斯晚泥盆世弗拉斯期法門期之交海水溫度變化的同位素證據(jù)

晚泥盆紀(jì)洪點（fr-fa）的全球生物滅絕是世界歷史和生命發(fā)展的一個極其強烈的事件。它引起了地球科學(xué)中許多學(xué)科的關(guān)注，并投入了大量研究。這次生物絕滅事件在我國華南廣西、湖南及貴州等地的海相地層中也有明顯的反映,早已引起我國古生物學(xué)和地層學(xué)領(lǐng)域研究人員的重視,并提出了自己的見解(馬學(xué)平等,1996)。在各國學(xué)者所提出的絕滅機(jī)制中,尤以地外撞擊事件導(dǎo)致海水混濁、環(huán)境巨變并嚴(yán)重污染的假說最引人注目(Claeyspetal.,1994,1992;Houetal.,1992;McGhee,1996;Wang,1992),但仍有較大爭議。1生物絕滅事件的發(fā)生和原因地質(zhì)科學(xué)中,地層界線的研究具有重要的理論意義,尤其是與地史中生物大絕滅相關(guān)的界線。泥盆紀(jì)弗拉斯—法門階(Fr/Fa)界線是地球歷史上幾次生物重大的大絕滅事件之一,對此國際上在諸方面已有許多研究成果,例如對生物絕滅方式的探討;對有事件證據(jù)方面的研究;對生物及非生物事件的報道;對微球粒的研究以及對界線的地球化學(xué)方面的研究等(馬學(xué)平等,1996;Claeysp,1992;Wang,1992;House,1985;Copper,1998;Joachimski,1993)。這些證據(jù)遠(yuǎn)未達(dá)到對該次事件成因的統(tǒng)一認(rèn)識,有的甚至是矛盾的。如哪些門類生物受到環(huán)境變化的影響較大?絕滅事件是長期的還是短期的?現(xiàn)已查明,當(dāng)時絕滅的生物包括單體珊瑚及床板珊瑚、層孔蟲、腕足類、三葉蟲、竹節(jié)石、菊石、牙形石動物群及浮游植物和介形類都經(jīng)歷了幾次絕滅。陸生植物也受到很大影響(Caputo,1985),其中最引人注目的是底棲生物的絕滅。但弓石燕及小嘴貝類是穿過這一界線的。關(guān)于生物絕滅的原因,已有多種解釋。目前的爭論焦點在于,Fr/Fa事件包括了生物與非生物事件,而在非生物事件中,究竟是海侵還是海退?從弗拉斯后期開始,海水、乃至全球溫度是下降還是上升,即Fr/Fa事件的主導(dǎo)因素是什么?有的學(xué)者根據(jù)珊瑚、腕足類等動物的絕滅提出了冰川活動導(dǎo)致全球大降溫的觀點(Joachimsdi,1993;Caputo,1985)。也有人根據(jù)這個時期的缺氧事件而提出了不同觀點(McLaren,1990)。在我國,曾有過關(guān)于弗拉斯-法門階的同位素研究報道,但或因化石保存的較為零星,或僅為個別的碳酸鹽巖的分析數(shù)據(jù),沒有較為系統(tǒng)的分析數(shù)據(jù),無法系統(tǒng)地了解晚泥盆世古海洋化學(xué)及古生態(tài)變化特征。為此,本研究選擇了湘中弗拉斯—法門界線發(fā)育良好的錫礦山剖面,進(jìn)行了詳細(xì)的弗拉斯—法門階交界處的穩(wěn)定同位素地球化學(xué)研究。2基因組織ss與較深水相相比,淺水相沉積更能準(zhǔn)確地反映環(huán)境的變化。湖南中部錫礦山地區(qū)上泥盆統(tǒng)相當(dāng)發(fā)育,早期的工作奠定了那里的地層系統(tǒng)(Tien,1938),并描述了錫礦山組的大量底棲生物化石,包括腕足類和造礁珊瑚,同時還有一些分別可以劃入弗拉斯—法門階的牙形石化石。Fr/Fa界線處的含化石主剖面位于湖南省冷水江地區(qū)錫礦山礦區(qū)老江沖村旁(圖1),簡述如下:L10灰色、灰綠色含鈣泥巖,紋層發(fā)育。含稀少的腕足類8.9mL9灰色中厚層介殼灰?guī)r,局部富含介形蟲。上部45cm灰色藻鮞亮晶灰?guī)r,頂部不平整,出露有豐富的腕足類;中部65cm中薄層亮泥晶灰?guī)r,局部富含雙殼類,含牙形類I.deformatus,I.iowaensis等;下部25cm含鐵生物碎屑白云質(zhì)灰?guī)r,含大量苔蘚屑,牙形石以單錐型常見,含Icriodussp.indet,I.deformatus,I.iowaensis等1.35mL8灰黑色頁巖夾灰?guī)r,局部有豐富的苔蘚蟲、介形蟲0.1mL7白云質(zhì)苔蘚蟲亮泥晶灰?guī)r,含腕足類、單錐型牙形石和遺跡化石0.1mL6灰黑色頁巖,含一些陸相植物孢子0.7mL5灰色疙瘩狀灰?guī)r,以泥晶為主,局部為泥、亮晶膠結(jié),含豐富的珊瑚(尤其在本層頂部20cm內(nèi))、腕足類、介形蟲和苔蘚蟲,牙形石:Polygnathuswebbi,Hunanotoechiatieni1.0mL4鈣質(zhì)頁巖或泥灰?guī)r與薄層泥晶灰?guī)r層。含介形蟲及腕足類、牙形石:Po.xylus,Hunanotoechiatieni,H.elongata,薄片中可見少量海百合及腹足類1.25mL3灰色生物屑泥晶灰?guī)r,含腕足類、牙形石:Po.xylus,Hunanotoechiatieni及海綿骨針、介形蟲等0.4mBaietal.曾根據(jù)該剖面中的牙形石,并通過生物-化學(xué)地層學(xué)方法確定Fr/Fa界線在該剖面上位于距L9層底部25cm處。3方解石晶體的同位素組成研究中采集到的腕足動物包括弓石燕與小嘴貝等兩大類。為了防止可能存在的“生命效應(yīng)”對同位素組成的影響,只選用同屬弓石燕殼體進(jìn)行分析。先對擬采用的樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察,結(jié)果表明,所選出的腕足類外層殼體的方解石晶體保存得相當(dāng)完好,未受到成巖作用的強烈破壞(圖2),這種腕足動物殼體內(nèi)的碳酸鹽巖在其生長期間,可與原始古海洋的O、C同位素組成保持平衡,并基本可以被保存下來(Joachimski,1993)。進(jìn)行同位素分析時選用標(biāo)本外型完整的腕足類殼體中部,殼體樣品用超聲波清洗儀清洗,以除去外邊可能受到輕微成巖或風(fēng)化作用影響的薄層,選用方解石質(zhì)內(nèi)層。以McCrea(1950)方法制成純凈的CO2氣體,送Finnigan-MAT252氣體同位素質(zhì)譜儀檢測C、O同位素組成,δ13C值為±0.1‰;δ18O值為±0.2‰。所獲數(shù)據(jù)均為PDB值(表1),并標(biāo)于圖3。4晚泥盆世弗拉斯期—討論根據(jù)本研究所獲得的數(shù)據(jù),其觀點為:(1)在世界其他地區(qū)的Fr/Fa界線研究中,亦發(fā)現(xiàn)了從弗拉斯階—法門階δ13C值增加的現(xiàn)象,分別表現(xiàn)在沉積有機(jī)質(zhì)(Nicholasetal.,1991)、碳酸鹽巖(Baietal.,1994),及腕足動物殼體(Nicholasetal.,1991;Joachimiski,1997)等3種物質(zhì)的同位素組成方面。表明在晚泥盆世弗拉斯期—法門期之交發(fā)生的地質(zhì)事件波及范圍很廣,強度也相當(dāng)大。雖然這種地質(zhì)時期極短時間內(nèi)所發(fā)生的大范圍無機(jī)與有機(jī)界的δ13C值正向波動原因尚無可靠的解釋(Joachimiskietal.,1993),但是可以肯定那是一次(或短期內(nèi)數(shù)次)極為強烈的非常事件。而且,這次事件所造成的全球性的同位素波動,可以成為大區(qū)域乃至全球范圍地層對比的明顯、精確而可靠的標(biāo)志。(2)我國湖南中部地區(qū)保存基本完好的弓石燕類化石殼體內(nèi)的C、O同位素組成與采自北美大陸同時期的弓石燕類殼體內(nèi)δ13C值與δ18O值十分接近(Joachimiski,1997),這一結(jié)果也意味著,我國湘中地區(qū)晚泥盆世弗拉斯期—法門期的古海水與北美地區(qū)同時期的海洋之間存在著某種聯(lián)系,或應(yīng)處在相同的緯度區(qū)間,或者兩大區(qū)域之間存在十分暢通的海水通道。(3)由于保存完好的腕足動物殼體內(nèi)基本保存了原始的O同位素組成,因此可以用來推算生物生活時期古海洋的溫度變化。湘中錫礦山剖面弓石燕殼內(nèi)的δ18O值從弗拉斯末期至法門期出現(xiàn)了小幅度的增加現(xiàn)象,根據(jù)碳酸巖內(nèi)同位素組成古溫度計的原理,應(yīng)該是海洋水體溫度下降的標(biāo)志。而且,這次降溫事件始于湘中剖面的第5層頂部,即生物地層學(xué)劃分出的Fr/Fa界線之下。這也是符合自然界中先發(fā)生環(huán)境變化,然后發(fā)生生物集群絕滅的規(guī)律的。需要指出的是,在第6及第7層中僅發(fā)現(xiàn)了殘破的弓石燕類殼體和小嘴貝類,為了保證穩(wěn)定同位素分析的可靠性并盡量避免可能的生命效應(yīng),沒有獲得這兩層的O、C同位素數(shù)據(jù),有待于以后彌補。為進(jìn)行更為精確地計算,根據(jù)上述推斷,可取美洲阿巴拉阡盆地中泥盆世古海洋的δ18OSMOW值(-3‰;McLarenetal.,1990)。計算結(jié)果如表1所示(鄭淑惠等,1986)。雖然所