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二叠纪-三叠纪之交是地球演化史上的一个重要时期,这个时期完成了古生代生态系向中生代生态系的重大转变。二叠纪-三叠纪之交的各种生物事件、沉积事件和地球化学事件都引起各界学者的广泛关注。近年来,在二叠纪-三叠纪之交发现了大量微生物成因的碳酸盐岩,这套微生物岩的发现立即引起了学者们的关注。虽然对这套微生物岩的成因有着不同的认识,但都尝试通过这套微生物岩来探讨二叠纪-三叠纪之交的古环境。我国华南地区广泛发育二叠纪-三叠纪之交的钙质微生物岩,这些钙质微生物岩以斑状凝块石为主,部分微生物岩伴生有叠层石层、鲕粒灰岩层。论文通过野外和室内的仔细工作,初步揭示微生物岩产出的古地理环境、时代、微生物岩内化石的组成、岩石特征和岩石地球化学特征,并且通过这些特征反演微生物岩生长时的古海洋环境。
通过野外观察,华南微生物岩出露的古地理位置大致可以分为三类:(1)南盘江盆地内孤立碳酸盐台地上,包括贵州边阳的和平、打讲剖面和广西的作登、太平剖面;(2)上扬子地区台内生物礁顶上,主要为四川东部华蓥山地区的微生物岩剖面;(3)中下扬子碳酸盐台地边缘生物礁顶上,如湖南的慈利和湖北的崇阳剖面。微生物岩和上下地层之间为一种整合的接触关系。厚度从几米到十几米不等,并向台地周围较深水区逐渐减灭。微生物岩的这种古地理背景排除了陆源物质的影响,为微生物岩的地球化学分析打下了很好的基础。
通过对微生物岩中已发现的牙形石化石的综合分析,发现所研究的7条剖面中均产有牙形石化石Hindeodus parvus。据现有的发现,Hindeodu parvus均出现在微生物岩的内部,距微生物岩底部(绝灭界线)有一定的距离。此外,在微生物岩中发现的有孔虫分子也包括了二叠纪和三叠纪分子混生。通过与浙江煤山标准剖面和其它地区微生物岩剖面对比,将微生物岩的时代确定为晚二叠世末到早三叠世早期。
从岩石特征上看,微生物岩主要以发育“花斑状”构造为特征的凝块石为主,但不同地区表现形式有所不同。在南盘江盆地南边的广西地区,微生物岩以斑状和丘状构造为主要特征;在北边的贵州边阳地区,则表现为纹带构造,同时可见大型的藻叠层;而川东地区钙质微生物岩以发育穹隆状构造、纹带状构造以及指状构造为主要特征;鄂东南地区表现为纹带状构造和丘状构造,局部出现柱状叠层构造。引起微生物岩的这种岩性差异的原因可能是其沉积水深的不同,同属于浅海相沉积的微生物岩,水深细微的不同,就可能造成不同的岩石特征。但微生物岩在岩石结构上基本一致,即由微晶和中、粗品指状体或斑点所组成。
通过显微镜和阴极发光观察发现,微生物岩中微晶可以分为三种类型,泥品方解石、颗粒方解石和颗粒白云石;粗晶可以分为4种类型,颗粒状方解石、放射状方解石、菱形白云石和磁针状方解石。微晶中泥晶方解石和颗粒化方解石属于早期的沉积物,而其中的颗粒方解石为快速沉积成岩产物,颗粒的白云石则是微晶白云化作用后的产物。粗品中的颗粒状方解石为早期快速胶结物,而放射状方解石可能是早期文石变为方解石留下的形态特征,菱形白云石则是颗粒状方解石白云化的产物,探针分析表明磁针状方解石具有较高的Mg含量,说明其可能是在蓝细菌钙化过程中在蓝细菌表面高Mg浓度下形成的方解石颗粒。
微生物岩中的化石主要以钙质微生物为主,同时伴生有小型的腹足类、双壳类、有孔虫和介形虫。微生物岩所代表的这种特殊的生态系可称之为菌藻生态系。此外在微生物岩中还发现了大量的钙化的生物膜。
微生物岩中钙质微生物化石主要以两种形态出现,即“束囊状”和球状。“束囊状”化石经初步鉴定为似肾形藻。似肾形藻束蓑状微化石的发现,为微生物岩,特别是凝块石的微生物成因提供了很好的证据,束蓑状微化石的地球化学特征间接说明了其作为蓝细菌的可能,其特殊的胶质壳体为其在二叠纪-三叠纪之交这个特殊的地质时期得以钙化保存,不分叉的特点可能使其更容易在微生物岩中活动,从而在恶劣的环境中获得更多的存在空间和营养。此外,这类微化石与肾形藻在凝块石形成的过程中起到了同样的作用,即为凝块石的钙质骨架的形成起到了主要作用。而球状的蓝细菌则在叠层石的形成过程中起到了主要的作用,为叠层石中生物席的形成提供了最为重要的条件。蓝细菌属于一种喜好碱性环境的微生物,在微生物岩中发现大量的蓝细菌说明微生物岩形成环境应该为一个碱性条件,而钙化蓝细菌的发现也说明了古海水的盐度可能较高。
在华南微生物岩中发现钙化的生物膜进一步证实了微生物岩的微生物成因,生物膜的发现以及生物膜的结构特征为重现微生物岩的生长过程十分重要。微生物岩中球状的蓝细菌在形成生物膜的过程中起到了建筑作用,而束蓑状似蓝细菌则在生物膜的迁移,再生以及微生物岩的钙质骨架的形成中起到十分重要的作用。微生物岩中没有发现硫细菌的化石,但是在生物膜中黄铁矿可能是硫细菌存在的证据。钙化蓝细菌出现说明海水属于碱性,微生物岩的生物膜中只发现球状监细菌,从生物角度说明生物膜生长在一个缺氧的环境。
微生物岩内发现的生物大部分为广盐度和底栖生物,这些生物在形态上相对古生代分子小,而且在一些种属还存在畸形变异,如直管有孔虫的扭曲,导致这些现象出现的原因可能是古海洋环境发生改变,从而引起了生物在形态上的变异和多样性的减少。不同位置微生物岩中有孔虫化石的分异度以及介形虫化石组合不同说明不同位置微生物岩形成的环境还存在差异,华南北部的华蓥山地区,在二叠纪末古海洋环境可能更恶化,而在华南南部古海洋环境可能相对较好。在古地理背景中华南北部面向古特提斯,南部面向泛大洋,微生物岩中化石特征可能反映了二叠纪末古特提斯与泛大洋不同的古海洋环境。
前人研究显示微生物岩中的地球化学信息很好的保存了海水原始的信息。通过稀土元素的配分曲线与生物化石反映的古海洋条件分析发现,碳酸盐岩中稀土元素的配分曲线与海水中含氧量之间存在相关性。在氧化的海水中,Ce元素的负异常明显,并且伴随着LREE的亏损;亚缺氧的海水的稀土元素特征表现为Ce的负异常不明显,不存在LREE和MLEE亏损,稀土元素配分曲线为平坦的分布;而缺氧的海水,稀土元素配分曲线会出现一个凸形,即出现MLEE的富集。
华南微生物岩的稀土元素特征反映了其生长在一个缺氧的、碱性的环境,且华南南北两侧古海洋海水中缺氧的程度不同,北部相对更加缺氧。这个特征和微生物岩中发现的介形虫化石反映的古环境一致。通过对不同古地理位置上碳酸盐岩稀土元素的对比,发现在华南南侧,微生物岩和泛大洋的古海水稀土元素特征一致。此外,通过对比地质历史时期微生物岩的稀土元素特征发现,二叠纪-三叠纪之交微生物岩的稀土元素特征与前寒武纪微生物岩更接近,这个特点说明二叠纪-三叠纪之交的海水特征与前寒武纪古海水之间更相似。
通过稳定碳同位素的研究发现,微生物岩内碳同位素的值出现三次明显的梯度减少,微生物岩内碳同位素的平均值大于0.5‰,而在相同层位一般非微生物岩浅海碳酸盐岩中,碳同位素的值小于0.4‰。通过对比二叠纪-三叠纪之交碳同位素的特征,华南北部微生物岩中碳同位素的这些特征可能是由微生物导致碳同位素分馏造成的。
微生物岩中碳同位素和稀土元素的特征可能是海水翻转的证据,在微生物岩剖面碳同位素三次梯度的减少和稀土元素中Ce异常显示出同步变化的特征。海水翻转首先导致缺氧海水中的轻碳和轻硫进入剑浅海,导致碳同位素的减少,在稀土元素上表现为Ce负异常向正异常的逐渐变化;而碱性海水的上涌使得蓝细曲繁盛,从而导致微生物岩的生长,并且微生物岩中的监细菌和硫细菌对碳同位素和硫同位素进行分馏作用,因而微生物岩内的碳同位素有一个小的回升,而硫同位素的减少;当混合的海水再次处于缺氧状态时碳同位素再次减少。
微生物岩的地球化学特征可能证实了二叠纪-三叠纪之交海水翻转的假设,碳同位素和牙形石可能是海水从深海向浅海逐渐变化的证据。华南不同位置的微生物岩的地球化学特征,特别是稀土元素特征证实了在二叠纪三叠纪之交,华南南部的南盘江盆地在古地理上应朝向泛大洋,在该区域的微生物岩的地球化学特反映的古海洋特征征可以与泛大洋古海洋对比,而华南北部微生物岩中的地球化学特征可能代表了古特提斯海的海水信息。
华南二叠纪-三叠纪之交钙质微生物岩中的生物组合反映了古海洋在这个时期可能处于缺氧、碱化和盐度较高的环境,微生物岩中的地球化学信息也反映了同样的古海洋特征。微生物岩中生物和地球化学信息的耦合强有力的证实了前人对二叠纪-三叠纪之交古海洋环境的假设。与前寒武纪微生物岩的特征比较发现,二叠纪-三叠纪之交微生物岩的分布特征和地球化学特征与前寒武纪微生物岩有很大的相似性,微生物岩是否是解开前寒武纪古海洋环境的一把钥匙还需要研究者大量的工作。论文对二叠纪-三叠纪之交微生物岩的研究为将来从事二叠纪-三叠纪事件以及微生物岩的研究提供了很好的对比依据。总之,华南二叠纪末钙质微生物岩的发现对于认识大绝灭后古海洋的环境以及不同生物对地质事件的响应提供了非常宝贵的材料。