晚震旦世高能山生物群的黃鐵礦化作用

晚震旦世高能山生物群的黃鐵礦化作用

特殊埋土巖石資源豐富。然而，從地質(zhì)歷史和保存方式來看，它們的分布是不均勻的。特別是，黃鐵礦軟體化石很少。到目前為止，世界上只有三個(gè)特定規(guī)模的黃鐵礦軟體化石的生產(chǎn)區(qū)：紐約北部奧陶系的三葉昆蟲層、德國西部下泥盆系的hunsrunk板巖和法國西南部levoultesur-sore模型的中侏羅世層。三葉昆蟲層僅出現(xiàn)在含有4cm厚度的砂層中，數(shù)量稀少，接近疲勞。與三葉昆蟲層相比，黃色鐵礦化板巖中的化石具有豐富的物種和數(shù)量。lavoylesur-sor-sor-sor-sor-sor-sor-sor-sor-sor-sor-sor-sor-sor-sor-sor-sor-sor-sor-sor-sor-sor-sor-sor-sov作為一個(gè)整體是有價(jià)值的。然而，這三個(gè)僅有的生物區(qū)只反映了顯生世紀(jì)以來的一次化石記錄。在地質(zhì)歷史上幾乎沒有取得成功的古代冷武紀(jì)之前，只有朱an等人系統(tǒng)地報(bào)告了安徽蘭田生物群中的黃鐵礦藻類，而黃鐵礦化的軟體化石很少。幸運(yùn)的是，張璐和林世敏在1984年在陜西省寧強(qiáng)高家山發(fā)現(xiàn)了生物群系主要由后代動物、遺跡化石和宏觀藻類化石組成的生物群。1986年，它被正式稱為高家山生物群。根據(jù)最新的研究，高家山生物群最大的特點(diǎn)是保存了大量黃鐵礦巖和錐形化石。它們出現(xiàn)在東西40公里范圍內(nèi)，產(chǎn)量約為10米，有些層有石膏。現(xiàn)在，這種規(guī)模的黃鐵礦生物群在世界上很少見。它們的成功保存填補(bǔ)了寒武大爆發(fā)前巖石記錄的空白，向人們展示了前寒武紀(jì)生物群的生存泉。以及早期生物之間的關(guān)系、形態(tài)和進(jìn)化過程。研究的重要性顯而易見。高家生物群的巖石組合與世界上常見的“子牙卡拉”生物群明顯不同。保存的方法是精細(xì)的三維保存，優(yōu)于“子牙卡拉”模型和鑄造保存。因此，。特異埋藏化石的研究開始于20世紀(jì)初期,在過去的20年里取得了重大進(jìn)展,主要來自Briggs,Allison,ConwayMorris和Gehling等人的研究.在對黃鐵礦化軟軀體化石埋藏學(xué)的研究中,以BriggsRaiswell等人為代表,對Beecher’s三葉蟲層和Hunsrück板巖中黃鐵礦化的化石做了一定的研究他們主要從元素分析的角度分析了Fe,C和S元素等在化石和圍巖中的含量及分布狀況,研究了黃鐵礦礦化軟軀體化石的沉積化學(xué)條件、黃鐵礦化的過程和生物體各部分礦化的先后順序等問題.然而,高家山生物群中占主導(dǎo)地位的黃鐵礦化的軟軀體管狀和錐管狀化石的埋藏學(xué)研究,從它們被發(fā)現(xiàn)的20多年來還尚未做過任何系統(tǒng)深入的研究這里,我們采用SEM來對它們進(jìn)行嘗試性的研究.1藻白云巖段黃鐵礦化三維保存的錐管狀化石Conotubushemiannulatus(圖1(a))來自陜西省寧強(qiáng)縣高家山村-牛落坑上震旦統(tǒng)燈影組剖面中的高家山段.燈影組劃分為三段,從下往上依次為藻白云巖段、高家山段和碑灣段.高家山段下伏地層為燈影組底部的藻白云巖段,巖性以灰白色厚層白云巖為主,未見化石;上覆地層為燈影組上部的碑灣段,同樣以灰白色厚層白云巖為主,在寬川鋪李家溝剖面產(chǎn)Cloudina、Sinotubulites等.高家山段下部主要為灰色薄層鈣質(zhì)泥巖和粉砂巖,中部主要為灰色中薄層鈣質(zhì)粉砂巖夾白云巖或灰?guī)r透鏡體,上部主要為厚層白云巖、灰?guī)r.化石可分為3個(gè)主要的組合帶,由下到上分別為Shaanxilithes-Helminthopsis組合帶、ConotubusGaojiashania-Protolagena組合帶和SinotubulitesCloudina組合帶.關(guān)于高家山段地質(zhì)年代的問題最新的資料是來自三峽燈影組下伏的陡山沱組中火山灰的U-Pb鋯石年齡,它顯示燈影峽期的沉積開始于551Ma前.因此,高家山段的沉積很可能處于551～542Ma之間的中期.2測試對象和方法研究對象Conotubushemiannulatus來自高家山段Conotubus-Gaojiashania-Protolagena化石組合帶中的碎屑巖中.我們對它進(jìn)行了大量的鏡下觀察并作了掃描電子顯微鏡測試,力求探討它的黃鐵礦化過程.化石產(chǎn)出的巖石在它們被抬升到地表之后,在漫長的地質(zhì)歷史中很大程度上已經(jīng)被風(fēng)化.風(fēng)化嚴(yán)重的巖石往往顯示出黃綠或灰綠色等深色調(diào),原始的黃鐵礦已經(jīng)被氧化為赤鐵礦,褐鐵礦等.但是我們找到了一些只發(fā)生輕微風(fēng)化的標(biāo)本,它們顯示出灰白、灰藍(lán)等淺色調(diào).在這些標(biāo)本中的黃鐵礦斷面上可見到明亮的金屬光澤,表明它們只發(fā)生過輕微的風(fēng)化,保留有更原始的信息.我們選取這些標(biāo)本作為掃描電鏡測試的對象.標(biāo)本被采集之后在幾天內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室,直到測試前幾分鐘才將它們敲碎以防止氧化.具體做法是用鉗子將管體夾斷,選取其中的一小段(長約5～8mm)在掃描電子顯微鏡下觀察其橫切面.做元素面分布測試的切面,先用砂紙將其磨平以增加各種礦物之間接觸邊界的清晰度.用來觀察礦物形態(tài)的切面則直接用鉗子夾出一個(gè)相對較平的切面,不要把它磨平,因?yàn)樵谧匀粩嗝嫦掠^察礦物形態(tài)更具立體感和真實(shí)性.不同部位的切面可能出現(xiàn)不同的壁的層數(shù)和形態(tài),因?yàn)镃onotubus的管體形態(tài)是很復(fù)雜的.足夠多的切面可以保證我們在掃描電子顯微鏡下觀察到它的每一層壁.掃描電子顯微鏡測試在西安理工大學(xué)現(xiàn)代分析測試中心完成.3管體的形態(tài)及粒度掃描電子顯微鏡資料顯示,管體(圖1(b))徹底黃鐵礦化(圖1(c),(d)),其最外層覆蓋了一層黏土礦物(圖1(e),(f),(g))(主要是伊利石)和少量的碳酸鹽礦物(圖1(h),(i),(j)).管體有兩種不同程度的保存方式A型(圖2,(a)):管壁及里面的管腔全部黃鐵礦化.管壁部分的黃鐵礦(圖2(b))粒度相對管腔部分的明顯較大,而管腔部分的黃鐵礦無論從晶形還是粒度上都比較一致.它們主要由粒徑在一定范圍內(nèi)分布的莓球狀黃鐵礦組成(圖2(c)).B型(圖2(d)):除了管壁部分被礦化外,管腔部分只發(fā)生不同程度的礦化.管壁部分的黃鐵礦(圖2(e)),粒度和晶形與A型中管腔部分的相似,但是莓球狀黃鐵礦的粒徑明顯較大.在兩層壁接觸處和管體中心一帶充有碳酸鹽礦物.前者呈薄膜狀(圖2(f)),后者(圖1(h),(i),(j))為塊狀.4復(fù)雜地質(zhì)的組合黃鐵礦礦化軟軀體的過程中,快速埋藏和理想的化學(xué)沉積條件2個(gè)因素的結(jié)合是非常關(guān)鍵的.關(guān)于快速埋藏的原因,在眾多軟軀體化石生物群中,主要是事件性的沉積導(dǎo)致的快速埋藏.在Hunsrück板巖中,Brett和Seilacher認(rèn)為是泥流引發(fā)的快速沉積.在Beecher’s三葉蟲層中,Cisne認(rèn)為是沉積物的快速覆蓋引發(fā)了生物群體的快速埋藏.象這樣的例子是很多的,例如早寒武世的澄江動物群,羅惠麟等人認(rèn)為它是風(fēng)暴沉積引發(fā)的快速埋藏.高家山生物群中黃鐵礦化的管狀和錐管狀化石產(chǎn)出的層位以粉砂巖為主,夾碳酸鹽巖沉積.巖石中含大量泥質(zhì)成分,粉砂巖具明顯的水平層理及粒序韻律,化石平躺在巖石層面上產(chǎn)出.大部分化石未見被搬運(yùn)的跡象,應(yīng)該是原地埋藏的保存方式.最新的研究表明,它們很可能快速埋藏于風(fēng)暴沉積中.其證據(jù)有:首先,大量含有化石的層段可在巖石側(cè)面觀察到明顯的正粒序(圖3(a));其次,過去一直發(fā)現(xiàn)碎屑巖表面經(jīng)常零星地分布有石英礫的現(xiàn)象,而我們在碑灣剖面高家山段的Conotubus-GaojiashaniaProtolagena化石組合帶中部發(fā)現(xiàn)了一層石英礫,在此層面上還發(fā)現(xiàn)了以黏土礦物方式保存的Conotubussp.(圖3(b));另外,大量不同個(gè)體大小、有明顯定向性的Conotubussp.富集在同一層面上(圖3(c))也暗示著風(fēng)暴沉積引發(fā)的快速埋藏對它們的影響.可能正是持續(xù)的風(fēng)暴沉積提供了高家山生物群成為特異埋藏化石的先決條件—快速埋藏.快速埋藏確實(shí)阻止了動物尸體被捕食,但即使是低氧度也并不能阻止腐爛.因而軟軀體的保存就需要在腐爛發(fā)生時(shí)有效地阻止信息的流失,這就需要自生礦物如磷灰石、方解石和黃鐵礦等的快速生長來復(fù)制生物體的形態(tài).黃鐵礦在高家山生物群的保存中就扮演了這樣的角色.黃鐵礦化作用在生物死后很快就開始了,三維形態(tài)的完整保存證明礦化至少是在尸體未被大量沉積物埋藏和塌落之前就開始了.在礦化的最初階段,伴隨細(xì)菌的活動,在管體外表coating了一層黏土礦物(圖1(e)～(g)),這樣也許能增加尸體的穩(wěn)定性,防止其塌落并能便利后面的自生礦物礦化尸體的內(nèi)部[21～23].同時(shí)PH值開始下降,可能反映了H2S和CO2等的釋放,這對黃鐵礦的形成是很有利的.高家山段的巖石中大量、普遍地沉積有結(jié)核狀和片狀的黃鐵礦,證明古沉積物中的可利用性鐵非常充足甚至是過剩的,具體原因目前還不清楚.因此它保證了黃鐵礦化過程中所需要的Fe,在細(xì)菌的活動下,伴隨理想的化學(xué)條件,黃鐵礦化作用便可以快速進(jìn)行.根據(jù)黃鐵礦化作用進(jìn)行的早晚,化石可以分為兩種基本類型.A型(圖2(a)),黃鐵礦化作用進(jìn)行的比較早,軟體部分在成巖階段形成了大量的莓球狀黃鐵礦.但沒有任何精細(xì)結(jié)構(gòu)被保存,因?yàn)辄S鐵礦顆粒粗大,并且,相對磷灰石等礦物來說,它形成較晚而不能保存最精細(xì)的結(jié)構(gòu).尸體周圍孔隙水中的硫酸鹽形成H2S的速度可能受控于尸體腐爛的速度.對比軟體,管壁腐爛的速度相對較慢,雖然聚集了高濃度的Fe,但是H2S形成的速度慢、濃度低,不能快速形成很多的晶核,因此形成了粗大的黃鐵礦自形晶(圖2(b)).軟體是更易腐爛的部分,因此具有更高的細(xì)菌作用下的硫酸鹽還原速度,快速形成很多的晶核,致使大量莓球狀黃鐵礦的形成(圖2(c)).但是軟體可能在莓球狀黃鐵礦形成之前就幾乎已經(jīng)全部分解.B型(圖2(d)),黃鐵礦化作用進(jìn)行的較晚,管體中心的軟體已經(jīng)發(fā)生了不同程度的大規(guī)模腐爛,而管壁可能只發(fā)生輕微的腐爛.但是這時(shí)管壁腐爛的速度比A型情況下的要快的多,可以快速形成很多晶核,致使管壁部分大量形成莓球狀黃鐵礦而變得和A型中軟體部分形成的黃鐵礦相似(圖2(e)).雖然軟體部分已經(jīng)大規(guī)模腐爛,低濃度的H2S不足以形成任何形態(tài)的黃鐵礦,但是它可以聚集起來,在管口形成足夠高濃度的H2S,形成一定量的黃鐵礦將管口封閉,阻止了碎屑物的進(jìn)入.目前尚未見到管體空腔中充填有碎屑物的現(xiàn)象證實(shí)了這一點(diǎn).存在于兩層壁的縫隙之間(圖2(f))和管體空腔中的碳酸鹽礦物(圖1(h)～(j))則很可能是后期充填進(jìn)入的.因?yàn)槲覀兺ㄟ^對比輕微風(fēng)化與嚴(yán)重風(fēng)化的標(biāo)本后發(fā)現(xiàn),輕微風(fēng)化的標(biāo)本中,管體的空腔或空隙中充填有碳酸鹽礦物.但是嚴(yán)重風(fēng)化后的標(biāo)本中,空腔或空隙中殘留有零星的鐘乳狀碳酸鹽礦物,而化石表面和巖石層面上總是覆蓋著一層黃白色的礦物.所以,黃白色礦物極有可能是空腔或空隙中的碳酸鹽礦物被風(fēng)化、溶解后再沉積在化石和巖層表面的.同時(shí),管體外表覆蓋的、與黏土礦物共存的少量碳酸鹽礦物(圖1(h)～(j))也可能是輕微風(fēng)化、溶解后再沉積的.另外,我們分別對上述兩種情況下保存的標(biāo)本中莓球狀黃鐵礦的粒徑進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)它們代表了兩種含氧量截然不同的環(huán)境.我們把每塊標(biāo)本上的化石管體還分成了幾段進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分別統(tǒng)計(jì)了5塊A型標(biāo)本(所統(tǒng)計(jì)黃鐵礦莓球總數(shù):68個(gè))和8塊B型標(biāo)本(所統(tǒng)計(jì)黃鐵礦莓球總數(shù):111個(gè)).Wilkin等認(rèn)為,形成于滯流缺氧環(huán)境下的莓球狀黃鐵礦,其形成過程可以在海水中就開始.由于受到水力的影響,它們的生長速度快,因而生長時(shí)間短,形成的莓球的粒徑相對較小.而形成于含氧-半含氧環(huán)境下的莓球狀黃鐵礦,其往往形成于缺氧的沉積物孔隙水中,生長速度慢,因而生長時(shí)間長,形成的莓球的粒徑相對較大.A型化石的莓球狀黃鐵礦粒徑出現(xiàn)在1～5μm之間,并以2～4μm之間為主(圖4(a)),它表明這些黃鐵礦形成于一個(gè)滯流缺氧的環(huán)境.在這樣的環(huán)境下尸體腐爛的速度會明顯下降,這很可能就是A型化石保存比較完整的主要原因.而B型化石的莓球狀黃鐵礦粒徑出現(xiàn)在6～9μm之間,并以7～8μm之間為主(圖4(b)),它表明這些黃鐵礦形成于含氧-半含氧環(huán)境.在這樣的環(huán)境下,尸體腐爛的速度明顯高于A型,因而只部分地保存了軟體部分.綜上所述,高家山特異埋藏化石群可能在一個(gè)相對閉塞的海盆中發(fā)展起來,并不斷受到風(fēng)暴事件的影響而使生物快速埋藏并窒息,同時(shí)風(fēng)暴作用還暫時(shí)性地改善了海盆的缺氧狀態(tài).黏土礦物的包膜在生物立體保存過程中起著很大作用,黃鐵礦的快速生長精細(xì)地復(fù)制了生物體的形態(tài).對高家山生物群中的黃鐵礦化作用的進(jìn)一步研究可以為末元古代古海洋學(xué)和生物地球化學(xué)等的研究提供極為重要的線索