广西六景泥盆系腕足壳体的微量元素组成及其对海水信息的保存

广西六景泥盆系腕足壳体的微量元素组成 及其对海水信息的保存 ? 研究成果? 广西六景泥/\暑匕 矿物岩石地球化学通报 BulletinofMineralogy,PetrologyandGe0chen1istry Vo1.26No.3,July2007 盆系腕足壳体的微量元素 组成及其对海水信息的保存 程红光.,李心清,王克卓.,黄思静,王兵.,程建中. 1.中国科学院地球化学研究所环境地球化学日家重点实验室,贵阳550002;2.中国科学院研究生院,北京100049; 3.新疆地质调杏院第一地质调查所,乌鲁小齐83001l;4.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都610059 摘要:低镁方解石惋足化石壳体被广泛地应用于地质历吏时期啄始海洋地球化学组成的重建研究,其保存度的识别是该研 究的一项重要.通常使用显傲结构,阴极发光和微量元素含量等3种方法验证其对原始地球化学信息的保存,微量元素 含量的识别方法一直被置于较为次要的地位.我们对采自广西六景泥盆系惋足化石微量元素研究明,其Fe,Mn,Sr分别为 (12,2800)×10',(1,711)×10'和(243,1835)×10'.上述3种识别方法实质上都是微量元素的识别,其余两种识别 方法只是微量元素的不同表现而已.通过氧同位素组成,Mn和Sr/Mn对比,得知Mn含量小于100×10,Sr/Mn值高于10 的惋足化石壳体基本上保存完好.这一发现为利用惋足化石研究海水原始碳氧同位素提供了有力的判据. 关键词:惋足化石;微量元素;碳同位素;氧同位素;泥盆系 中图分类号:P595文献标识码:A文章编号:1007—2802(2007)03-0249-05 TheCompositionofTraceElementsoftheBrachiopodShellfromDevonian System,Liujing,Guangxi,andItsPreservationofOriginalSeawaterInformation CHENGHong—guang',LIXinqing,WANGKe—zhuo.,HUANGSijing, WANGBing,,CHENGJian—zhong' 1.StateKeyLab.0_,EnvironmentalGeochemistry,htstituteo.,,Geoc'hemistry,ChineseAcademyofS(iences,Guiyang550002 China;2.GraduateS(hool,ChineseA(1ademyoJSciences,Beijing100049,China;3.XiiangGeologicalSurveyInstitute, Ulumuqi8300l1,China;4.StateKeyLab.ol,(andReservoirGeologyandE.rploitation,Chengdu610059,China Abstract:Thearticulatefossilofbrachiopodshellsconsistingoflowmagnesiancalciteisusuallyusedforstudying thegeochemicalcompositionoftheinitialoceaningeologicalhistory.Toevaluatethestateoforiginalseawaterin— formationpreservedinthearticulatefossilisoneofimportantresearchobjectsforthiskindofstudy.Generally, threekindsofmethods,includingmicrostructure,cathodoluminescenceandtraceelementconcentrationanalysis,are appliedtoverifythepreservationstateoforiginalgeochemicalinformationpreservedinthearticulatefossil.Howev er,thetraceelementconcentrationanalysiswasnotregardedasimportantasothertwomethodsinpreviousstudies. ThetraceelementcompositionsinfossilsofbrachiopodshellsfromtheIiujingDevonianSysteminHengxian, Guangxihavebeenanalyzed,withtheFe,MnandSrconcentrationsof12×10一一2800× 10.1×10一.711× 10and243×10'一 1835X10respectively.Ourstudyindicatesthatthetraceelementconcentrationanalysisis themostessentialmethodforevaluatingthestateoforiginalseawaterinformationpreservedi nthearticulatefossil amongthreemethods.Thecombinedstudyontheoxygenisotope,MncontentandSr/Mnratio ofthefossilindicates thattheinformationisbasicallywellpreservedinshellscharacterizedwithMn<1O0× 10and?(Sr)//?(Mn)> 10.Thisdiscoveryhasprovidedagoodcriterionforstudyingtheoriginalcarbonandoxygenis otopesofseawaterby usingthebrachiopodshellfossil. Keywords:fossilbrachiopod;traceelement;carbonisotope;oxygenisotope;Devonian 收稿日期:20060424收到,12-25改回 基金项目:国家自然科学基金资助项目(40273011) 第一作者简介:程红光(1981),男,硕士研究生,专业方向:环境地球化 学.Email:chenghongg@mails.gucas.ac.cn. 通讯作者:李心清(1965),男,教授.E—mail:xinqinglee@hotmail.con]. 250程红光等/广西六景泥盆系腕足壳体的微量元素组成及其对海水信息的保存 海相碳酸盐岩的碳,氧同位素组成及其演化特 征分析是古气候,古海洋环境研究的一种常用手段. 地质历史时期海相碳酸盐岩稳定同位素组成能近似 地反映古海洋稳定同位素的组成uj.因此,研究 海相碳酸盐岩稳定同位素组成对于了解古海洋平面 变化,构造活动,全球气候冷暖变化,生物灭绝以及 古海水温度,盐度等具有十分重要的意义.4O多年 碳酸盐岩碳,氧同位素研究表明,具有较强抵抗成岩 后生作用改造能力的腕足化石壳体,是重建地质历 史时期原始海洋碳,氧同位素的理想分析对 象ls.但腕足化石碳,氧同位素信息能否真实反 映海水原始碳,氧同位素组成,保存鉴定是个关键因 素.目前腕足化石保存鉴定常用的识别方法有显微 结构,阴极发光和微量元素含量识别一"'.其中微 量元素识别由于没有具体使用,一直处于次要 地位.本文通过以上三种常用方法对广西六景剖面 腕足化石进行保存鉴定,探讨三种方法的辨识能力, 并判定其海水信息的原始性. 1地质背景 广西泥盆系六景剖面是华南泥盆系的标准剖 面,位于南宁市东郊的六景火车站附近(图1).剖 面出露完好.从上个世纪3O年代开始,就有学者先 后研究过生物,地层和沉积相].从那高岭组延 续到融县组,共采集样品87件. 2样品的制备,保存鉴定 微量元素分析使用地球化学研究所的Vista MPX型电感耦合等离子体一光发射光谱仪ICP—OES (美国Varian公司),同位素分析利用连续流同位素 质谱仪一IsoPrime.碳,氧同位素标准测定:测试精 度分别为:6"C为?0.02‰;6O为?0.03o(N 一87),所获数据均以PDB表示. 图I研究区地理位置 Fig.1Asketchmapshowingsamplingarea 六景剖面腕足化石微体结构显示(图2):单偏 光下腕足化石的纤维层和棱柱层都明显地同充填的 后期改造物(图2左下角)分开,没有遭受明显的成 岩后生作用.纤维层之间有暗色的后期改造物填 充,且随纤维层的展布而不连续分布.棱柱层极少 有后期改造物充填. 阴极发光实验中,腕足样品基本上在阴极射线 照射下不发光,但在纤维层之问明显有着条带状沿 纤维层展布的轻微发光,虽相对于填充物的发光而 言非常微弱,但仍显示纤维层之间层与层之间有着 后期改造的充填. 此外,六景剖面腕足化石同现代腕足以及Lep— zelter和VeizerE的研究对比如表1所示;部分 样品中Sr偏低,部分样品Mn比较高,Fe含量基本 一 致. 图2腕足化石的微体结构(单偏光镜,放大倍数20) Fig.2Themicrostructureofthebrachiopodshellfossil(×20.一) 矿物岩石地球化学通报 表1样品中微量元素含量同现代腕足以及前人研究对比 TablelTraceelementcontentsofmodernbrachiopod andbrachiopodfossil×10一 3结果与讨论 保存鉴定显示,六景剖面腕足化石样品尽管有 的纤维层有后期改造物充填,但绝大多数样品的棱 柱层可供分析碳,氧同位素.仅Sr低于400×l0 的样品(约1)可能遭受成岩后生作用的影响.其 碳,氧同位素值分别为:2.56g.,5.19.(PDB), 11.48G.,3.05.(PDB).其中碳同位素基本 上在0左右,而氧同位素则随时问的变化逐渐变重. 3.1三种识别方法的比较 3.1.1显微结构识别主要用于腕足化石保存程 度的识别.腕足化石的壳体分为薄的纤维层和内层 棱柱层(图1).多数情况下纤维层保存不完整或者 重结晶,但内层棱柱层能够很好地保存腕足化石微 体结构_】.如果显微镜下壳体结构有明显的溶蚀 现象,或任何重结晶及次生矿物的形成现象,则表明 壳体已被成岩后生作用所改造.但是,因为光 学显微镜和扫描电镜对腕足化石壳体显微结构的研 究根本看不到原子级别上的变化.大多数情况下, 原生结构识别仅仅能排除一些明显遭受过蚀变的腕 足化石,经过原生结构识别的腕足化石并不能保证 没有遭受成岩蚀变,即腕足化石原生结构的保存是 其未经成岩后生改造的必要条件而不是充分条件. 因此,原生结构遭到破坏的化石必然经受过成岩后 生的改造,但结构得以保存的化石也可能遭受过成 岩后生作用的改造,其氧,碳同位素是否也"保存完 好"尚需验证.所以这种腕足化石保存程度的识 别方法仅仅作为一种初步的筛选,而不能作为一种 独立的方法. 3.1_2阴极发光识别是碳酸盐岩保存程度识别 方法中最受重视的一种方法,.J,主要用来识别碳 酸盐岩是否遭受过后期改造.碳酸盐矿物的阴极发 光性主要受晶格中Fe,Mn含量的控制:Mn作为活 化剂,激活阴极发光,Fe作为猝灭剂,猝灭阴极发 光.一般认为阴极射线照射下发光的样品受过成岩 后生作用的改造.事实上,当Mn小于40×l0 时,阴极发光性主要受Mn绝对含量控制;小于20 ×l0时,不具阴极发光.Fe大于5000×10时, 25l 阴极发光性与Fe的绝对含量最为密切;大于10000 ×l0时,不具阴极发光.Mn大于40×l0,Fe 小于5000×l0时,阴极发光性受Fe/Mn值的显 着控制:当Fe/Mn小于7时,具强的阴极发光;大于 7而小于30时,具中等强度的阴极发光;Fe/Mn大 于30时,具弱的阴极发光一..通常情况下,大气水 参与下的成岩后生作用一般会使碳酸盐岩矿物朝着 增加Mn和Fe的方向发展.,但各自具体增加 多少,视流体中Mn,Fe的含量和碳酸盐矿物对二者 交换强度的相对大小而定.因为成岩后生作用不一 定都能把碳酸盐矿物改造到Mn/Fe足以达到 阴极射线照射下发光的程度.现代腕足生物壳 体一般都不会发光.因此可以说,凡发光的样品都 经受过使Mn含量增加的成岩后生作用改造.但 在实际中,腕足化石是否经历了成岩后生作用,仅仅 凭阴极射线照射识别是远远不够的.这是因为地质 历史时期的腕足壳体的地球化学特征与现代同类生 物可能不同,将今论古在腕足的保存鉴别上几乎没 有得到过任何验证.因此,实际应用中把所有发光 样品都当作非原始样品而舍去,可能会丢掉一些实 际上并未遭受后期改造的样品.更重要的是留下来 的阴极射线照射下不发光的样品也可能遭受过后生 成岩作用的改造.所以说阴极射线照射下没有发光 的样品是否一定末受过后生成岩作用的改造,是不 能确定的. 3.1.3微量元素识别通常腕足化石在阴极射线 不发光时,微量元素依然显示样品经历过后生成岩 作用的蚀变.六景剖面样品通过微体结构识别和阴 极射线照射识别时,分别测出碳,氧同位素和微量元 素(Mn,Fe和Sr)组成.现代腕足及前人研究的腕 足化石的对比都显示其保存完好,但在微量元素对 比中,与现代腕足对比是否可靠尚有疑问,"将今论 古"思想受到质疑.前人认为,保存完整的腕足化石 实际上也是通过上述三种方法鉴定,其微量元素根 本没有具体标准.此种情况下,与经过其他论证保 存完好的腕足化石对比不失为理想的途径.近年来 以腕足壳体生长方式和生长过程为依据,提出以微 量元素分布特征为判据"一来鉴定腕足化石的保 存度.保存鉴定后指出,保存完整的六景剖面腕足 化石中微量元素可与经过微量元素分布特征鉴定的 化石_1'四JI『龙门山泥盆纪腕足中Sr,Mn进行比 较(图3).后生成岩作用会使Sr含量降低,六景剖 面中腕足化石的Sr与四JI『龙门山样品中Sr的底线 几乎完全一致.但Mn却有近20的样品不一致; 就是说用于碳,氧同位素分析的六景腕足化石仍有 近20的样品受过不同程度的后生成岩作用. 252程红光等/广西六景泥盆系腕足壳体的微量元素组成及其对海水信息的保存 Mn/"g'g' 图3广西六景和四川龙门山泥盆纪剖面腕足 壳体中sr和Mn对比 Fig.3AplotofSrversusMncontentsofthebrachipod fossilfromDevoniansystemsinlongmenshan, SichuanandinLiujingGuangxi 通常情况下,腕足化石中的碳,氧同位素与腕足 动物生活时期周围的海水碳,氧同位素达到平 衡,腕足化石氧同位素能够反映当时的古海水 温度.文献[2C所使用的古温度计算所用公式为: t(?)一16.9--4.14(3c一6)+0.13(3c一6), 其中,6,6w分别代表腕足化石和海水的氧同位素 值,6c以PDB为标准,6w以SMOW为标准.王 大锐等.指出,湘中地区晚泥盆世弗拉斯期法门 期的古海水与北美地区同时期的海洋存在某种联 系,或者说它们应处在相同的纬度,或它们之间可能 有十分畅通的海水通道.为精确计算,6w取值为美 洲阿巴拉契盆地中泥盆世古海水的6O?w值 一 3‰l2,六景剖面腕足化石计算的古水温为17.1 , 61.8~C.泥盆纪时华南板块位于古赤道附近.湖 南冷水江地区泥盆纪腕足化石研究显示,39.5? 时底栖生物绝灭;表明当时位于赤道附近的六景地 区腕足动物生存温度低于39.5~C.据此推断样品 所计算的古温度大约只有80是正确的(图4),即 近20的腕足化石中所含的氧同位素信息没有正 确地反映当时的古海水温度.这说明样品在经过微 体结构识别和阴极射线照射识别后,依然有约20 受过成岩蚀变的样品没有被清除. 30 : 6O(%o) 图480值同温度的关系 Fig.4Therelationshipof8Ovaluesandtemperatures 阴极射线照射发光是根据样品中的Mn,Fe以 及Fe/Mn值来判断样品是否达到在阴极射线照 射下发光的要求,并且其发光与否都不能肯定地对 其保存程度作出判断.这与微量元素识别是一致 的,可以直接用Fe,Mn及其比值推断样品是否会发 光.图4,5显示,Mn含量低于100×10,,且Sr/ Mn值都高于10的样品,无论从其反演的古海水温 度,还是与微量元素分布特征"..对比方法的结 果,都显示样品保存完好. 5O 40 善3O ?2O 10 O Mn//~g'g'. A.虚线表示Mn>100×10,8()<,7.9‰的样品可能遭受 后期成岩作用的影响;B.Mn>100×10,Sr/Mn<10的样品可 能遭受成岩作用的影响 Thedashedlinerepresentthatthefossilbrachiopodshellpossibly sufferstheinfluenceofthediagenesiswhenMn>100×10and8O< 一 7.9XninAandwhenMn>100×106andSr/Mn<10inB 图580值与Mn含量及Sr/Mn与Mn含量的关系 Fig.5Plotsof8OvaluesversusMncontents(A) andSr/MnratiosversusMncontents(B) 4结论 六景地区的古地理位置,古气候,氧同位素和微 量元素分析表明,该区腕足化石的微体结构基本保 存完好,其Fe,Mn,Sr分别为(12,2800)×10,(1 , 711)×10和(243,1835)×10.经过微体 结构,阴极发光和微量元素识别,同时与氧同位素, Mn,Sr及Sr/Mn的对比,得出如下结论: (1)腕足化石保存鉴定通常使用的三种鉴定方 法并不一定都能在识别其保存完整性时发挥作用, 其实质可归结为微量元素识别一种方法. (2)六景剖面腕足化石的微量元素和氧同位素 数据表明,Mn含量小于100×10,Sr/Mn大于 10的样品基本上保存完好. 参考文献(References): [1]NierAO,GulbransenEA.Variationsintherelativeabun, danceofthecarbonisotopes[J].J.Am.Chem.,1939,61:697 — 698. [2]UreyHC,LowenstamHA,EpsieinS,McKinneyCR.Meas— urememofpaletemperaturesandtemperaturesoftheUpper CretaceousofEngland,Denmark,andthesoutheasternUnited States[J].Geo1.Soc.Am.Bul1.,1951,62:99—416. 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