湖北省二疊紀—三疊紀之交牙形石生物地層序列研究進展

吳 奎, 鄒亞銳, 楊良哲, 楊波涌, 苑金玲, 余浩宇, 趙 璧

(1.湖北省地質科學研究院,湖北 武漢 430034; 2.生物地質與環境地質國家重點實驗室,湖北 武漢 430074;3.資源與生態環境地質湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430034)

二疊紀—三疊紀之交是地質歷史時期的“多事之秋”,發生了眾多極端生物與環境事件[1]。當時西伯利亞大火成巖省的噴發帶來了大量的地球深部物質,分布在通古斯、西伯利亞、泰米爾地區,原始體積甚至可達700萬km3[1-2](圖1),從其中逃逸出的有害氣體及其副效應更是使得大氣中的有害氣體含量飆升[3]。這次超大規模的火山噴發事件也被認為是造成自顯生宙以來最大生物大滅絕事件的主因,使得海洋中超過90%的種以及陸地上近89%的屬消失[1,4-6]。在此期間,海洋的物理化學條件也變得異常,酸化、高溫、缺氧、硫化等多種不利于生物發育的條件均一一出現,而在這些極端惡劣的環境影響下,不同類別的生物也展現出大相徑庭的演變過程[1,6]。其中,牙形石不僅沒有出現大規模的滅絕,反而在全球范圍內表現出快速演化的現象,使其成為該時期重要的標準化石[7]。

在二疊紀—三疊紀之交,雖然華南板塊位于遠離西伯利亞大火成巖省的東特提斯洋近赤道處,但依然記錄了本次極端生物與環境事件的完整過程[8-9]。不僅如此,正是由于其特殊的古地理位置,當時世界范圍內最好的地質記錄之一也位于華南地區[10-11]。其中,二疊系—三疊系界線,即三疊系底界的全球界線層型剖面和點(俗稱“金釘子”)正是位于浙江省長興市的煤山D剖面[10]。該剖面地層沉積連續,生物地層、事件地層、化學地層等均可以與全球其他地區對比,最終也使得三疊系底界的“金釘子”化石以牙形石Hindeodusparvus在該剖面中的首現作為標準參考。同時,該剖面的牙形石帶也成為同時期劃分生物地層的重要參考標準[12-13]。

從古地理來看,湖北省青峰—襄廣斷裂以南的沉積巖區在二疊紀—三疊紀之交屬于華南板塊北部邊緣,于該時期接受了大量的海相沉積物,包括上二疊統最頂部—下三疊統最底部的含硅質團塊灰巖、硅質頁巖、炭質頁巖、微生物巖、泥頁巖及泥質灰巖等。幾十年來,許多學者對湖北省境內關于二疊紀—三疊紀之交牙形石生物地層序列的多條剖面進行了詳細的研究,獲得了大量的牙形石標本,依次建立了可與國際標準進行對比的牙形石帶。值得注意的是,位于四川廣元的上寺剖面也曾被提名為二疊系—三疊系界線“金釘子”候選剖面[14],而從區域地層對比來看,該地層序列屬于湖北省南部沉積巖區的揚子地層區,同時包括以鄂東南為代表的下揚子地層區以及以鄂西南為代表的中上揚子地層區。因此,湖北省是銜接這兩個分區二疊紀—三疊紀之交相關研究的重要橋梁?；诖?本文將位于煤山和上寺剖面之間的湖北省二疊紀—三疊紀之交牙形石帶相關研究進行系統總結和對比,為今后相關研究提供一些基礎并探索新的研究思路。

1 湖北省南部沉積巖區二疊紀—三疊紀之交地層及相關剖面簡介

二疊紀晚期湖北省境內主要出露有臺盆相大隆組和深水盆地相大水溝組,以及淺水臺地相長興組。在二疊系—三疊系界線附近,大水溝組表現為黑色薄層狀硅質巖,大隆組表現為黑色薄層狀硅質頁巖、硅質巖、炭質頁巖及黃綠色頁巖等,長興組表現為深灰色塊狀含硅質團塊生物碎屑灰巖。由于大水溝組整體為硅質巖沉積,受到牙形石前處理方法的限制,目前并沒有相關牙形石研究的報道。

湖北省境內廣泛出露的早三疊世最下部地層均為大冶組,其下部為含泥質灰巖或黃綠色頁巖,與下伏大隆組硅質頁巖、硅質巖整合接觸,或以薄層狀灰巖與下伏吳家坪組灰色中厚層狀灰巖整合接觸,為淺海陸棚盆地沉積。

1.1 鄂西興山峽口剖面

該剖面位于宜昌市興山縣峽口鎮以東約2 km的公路旁(圖2)。沿公路出露有大量地層,其中包括二疊系—三疊系界線附近的大隆組灰色薄層狀鈣質泥巖、灰巖和黏土巖等,以及大冶組黑灰色薄層狀頁巖夾淺灰色泥質灰巖,兩者為整合接觸。Wang et al.[15]和Zhao et al.[16]先后對該剖面進行了牙形石生物地層學研究,并建立了詳細的牙形石帶。

圖2 湖北省二疊紀—三疊紀之交相關研究剖面位置圖

1.2 鄂東黃石二門剖面

該剖面位于黃石市冶鋼二門(圖2),出露地層包括龍潭組、大隆組以及大冶組[17]。其中二疊系—三疊系界線附近的地層包括大隆組灰色泥質灰巖、硅質巖、鈣質泥巖等,以及大冶組黑灰色薄層狀頁巖夾淺灰色灰泥巖,兩者為整合接觸。

1.3 鄂西利川尖子山剖面

該剖面位于利川市東南方向約15 km處的瑞坪村公路旁(圖2),出露有長興組和大冶組[18]。其中長興組為厚層狀含硅質結核灰巖,大冶組最底部為樹枝狀微生物巖,往上可見黏土巖及泥質灰巖、泥巖。根據筆者前往該剖面最新觀察,發現該剖面含硅質團塊生物碎屑灰巖與上部微生物巖之間還發育有薄層狀含紫紅色鐵錳質泥巖及薄層狀非微生物巖類的泥晶灰巖,且紫紅色泥巖中可見少量小個體腕足,同時,含硅質團塊灰巖頂部呈現明顯起伏狀態,以上證據表明該剖面有輕微的沉積間斷。

1.4 鄂西恩施建始剖面

該剖面位于建始縣奇羊壩橋南邊約500 m處河岸邊(圖2),出露有大隆組黑色頁巖、硅質泥巖、硅質巖、灰巖以及大冶組泥灰巖和泥質灰巖[19]。建始剖面大隆組內部有明顯變化,底部主體為薄層狀含泥質硅質灰巖,中部硅質含量降低,上部泥質及硅質含量增加,直至大冶組底部。

1.5 鄂西恩施甘溪剖面

該剖面位于恩施—宣恩209國道約20 km處(圖2),出露有大隆組硅質泥巖、泥灰巖及大冶組泥灰巖、泥質灰巖、灰巖[19]。

1.6 鄂西五峰竹橋剖面

該剖面位于宜昌市五峰縣五峰鎮竹橋村北部約2 km處的水電站旁(圖2)。從下往上,該剖面出露有吳家坪組淺灰色厚層狀白云質灰巖,大隆組薄層狀炭質頁巖、硅質泥巖、灰巖,及大冶組泥質灰巖、泥巖[20]。

由于湖北省二疊紀—三疊紀之交地層出露較多,目前可以進行牙形石生物地層研究的剖面也數量眾多,除上述具有代表性且研究相對清晰的剖面之外,還包括利川夏家槽、利川瑞坪、恩施天橋、大冶西畈李等。由于這些剖面不論是在古地理位置上還是在地層出露上均有較大相似性,因此本文不再一一枚舉。

2 湖北省二疊紀—三疊紀之交牙形石序列

二疊紀—三疊紀之交發生的生物大滅絕事件,主要記錄在牙形石Clarkinameishanensis帶—Isarcicellastaeschei帶所代表約6萬年的沉積地層中[2,6]。其中,大滅絕事件開始于Clarkinameishanensis帶底部,相當于煤山剖面第25層[6]。由于筆者在最近的文章中曾主要介紹過湖北省早三疊世牙形石生物地層序列[4],因此本文將主要介紹二疊系—三疊系界線之下的牙形石帶,即Clarkinayini帶、Clarkinameishanensis帶、Hindeoduschangxingensis帶和Clarkinataylorae帶,而不再贅述二疊系—三疊系界線之上(早三疊世)的牙形石帶。

2.1 Clarkina yini帶

該牙形石帶以牙形石Clarkinayini在剖面中的首現點為底界,以牙形石Clarkinameishanensis在剖面中的首現點為頂界。Clarkinayini最初由Mei et al.[21]以Clarkinachangxingensis的亞種(即Clarkinachangxingensisyini)報道于煤山剖面,兩者的區別在于Clarkinayini的主齒直立或輕微傾斜,齒臺后邊緣扁平。在之后的研究中,學者逐漸將該亞種升級為種,并且在許多不同地區均報道了據此種建立的牙形石帶,此牙形石帶屬于重要的晚二疊世末期建帶分子[19]。在湖北省,該牙形石帶目前已在峽口[15-16]、尖子山[18]、建始[19]、甘溪[19]剖面被報道,分布地層包括大隆組和長興組(圖3)。

圖3 湖北省不同剖面二疊紀—三疊紀之交牙形石帶及與煤山、上寺剖面對比圖

2.2 Clarkina meishanensis帶

該牙形石帶以牙形石Clarkinameishanensis在剖面中的首現點為底界,以牙形石Hindeoduschangxingensis或Clarkinataylorae在剖面中的首現點為頂界。Clarkinameishanensis最初由張克信等于煤山剖面首次被識別,與其常常共生的Calrkinachangxingensis相比,其齒臺兩側大部分近乎平行,近脊溝深,主齒粗大且高聳。在經過眾多細致的研究后,該牙形石帶一般被認為代表了二疊紀末生物大滅絕開始之處[6,12]。在上述牙形石研究的剖面中,僅有尖子山剖面未曾發現此牙形石帶[18]。

2.3 Hindeodus changxingensis帶

該牙形石帶以牙形石Hindeoduschangxingensis在剖面中的首現點為底界,以牙形石Hindeodusparvus在剖面中的首現點為頂界。Hindeoduschangxingensis首次由王成源[22]在浙江長興煤山忠心大隊剖面被報道,與Hindeodus屬其他種的區別在于,其齒脊中部大部分融合成一段光滑的細齒。由于其特點突出,且在整個特提斯地區均有一定的分布,最早首現點幾乎與Clarkinameishanensis相同,因此其經常也被作為大滅絕的重要指示分子[23]。在湖北地區,該牙形石帶僅在恩施甘溪剖面被報道,表明此種牙形石的分布相對有限。但這種現象也有可能由采樣誤差造成,因為從其他剖面來看,該牙形石帶所代表的地層厚度極低,往往需要在二疊系—三疊系界線附近高密度、甚至連續采樣才能有所發現[12,14,23]。

2.4 Clarkina taylorae帶

該牙形石帶以牙形石Clarkinataylorae在剖面中的首現點為底界,以牙形石Hindeodusparvus在剖面中的首現點為頂界。牙形石Clarkinataylorae的鑒定特征在于,齒臺寬平,尾端呈圓形,最寬點位于齒臺后部1/2～1/3處,整體輪廓呈透鏡狀,自由齒片低矮,齒脊中部的瘤齒分離且間隔較大,主齒突出且分離于齒脊之外,其后部可見狹窄邊緣,近脊溝深。根據與煤山及上寺剖面的對比,該牙形石帶底界與其他剖面中Hindeoduschangxingensis帶的底界相當[16]。與Hindeoduschangxingensis帶類似,該牙形石帶當前也僅在湖北省一個剖面被發現,即興山峽口剖面[16]。但是,一份來自煤山剖面的研究認為,以樣品居群法觀點來看,部分學者識別的Clarkinataylorae應當被納入Clarkinazhejiangensis[24]。這種方法不僅要求一件樣品中出現有連續變化的不同大小的牙形石個體,甚至還要求上下層位中可以識別出類似的變化,因此對采樣要求更高。但考慮到牙形石發育過程中的個體變化所帶來的差異性,樣品居群法使得牙形石的鑒定結果更為科學、合理[24-25]。

3 湖北省二疊紀—三疊紀之交牙形石帶缺失原因

通過牙形石帶對比可以發現,湖北省不同剖面在二疊系—三疊系界線附近出現了不同程度的牙形石帶缺失現象。在黃石二門及五峰竹橋剖面中,并未發現Clarkinayini牙形石帶。Yang et al.[20]發現,五峰竹橋剖面大隆組內部出現了一次明顯的硅質泥巖向不規則透鏡狀灰巖轉變的現象,認為該次轉變由區域性的海退造成,最終造成了Clarkinasubcarinata、Clarkinachangxingensis和Clarkinayini3個牙形石帶的缺失。值得注意的是,在同屬于鄂東地區的陽新伍家沖剖面,也出現了地層缺失造成的牙形石帶缺失的現象[26]。從牙形石生物地層來看,陽新伍家沖剖面從Clarkinawangi帶上部便開始缺失,即沉積缺失的出現比五峰竹橋剖面還早。事實上,牛志軍等[27]曾報道在鄂西地區大隆組與吳家坪組之間存在假整合接觸的現象,兩者之間甚至存在鐵質風化殼。以上證據表明,湖北省大隆組的演化較為復雜,不同地區的大隆組可能存在不同的演化歷程,但是,黃石二門剖面是否有地層缺失,可能還需要更多的證據。

除了大規模的火成巖省噴發以外,二疊紀末期還發生了顯著的大海退事件,造成了全球范圍內眾多剖面沉積相的轉變,而華南地區甚至還記錄了大量地層缺失的現象[9]。經過大量剖面對比之后,Yin et al.[9]發現,受到本次海退的影響,華南地區眾多淺水相剖面主要缺失Clarkinameishanensis帶,部分地區或剖面甚至可能一直到Hindeodusparvus帶才恢復沉積。鄂西地區二疊紀—三疊紀之交發育了大量的微生物巖剖面,而其中利川尖子山剖面的牙形石研究結果[18]表明,本次大海退也使得該剖面缺失了Clarkinameishanensis帶和Hindeoduschangxingensis帶。

4 湖北省二疊紀—三疊紀之交牙形石研究展望

二疊紀—三疊紀之交的生物大滅絕事件,是自顯生宙以來發生的最為顯著的生物—環境事件,它改變了海洋系統的組成、結構[6]。作為古、中生代之交最重要的標準化石,牙形石不僅可以為不同剖面之間的對比提供重要的依據,其個體演化及記錄的同時期古海水信息,包括形態學、地球化學等重要類別,也可以為理解這個重要進程提供許多不同視角的關鍵知識[7]。然而從研究結果來看,當前湖北省二疊紀—三疊紀之交牙形石研究僅停留在生物地層序列之上,尤其是集中于深水相區,如興山峽口剖面,并且能與煤山剖面進行完美對比的剖面也僅有該剖面。雖然湖北省在二疊紀末期可能同時受到局部海退以及全球大海退事件的影響,但是湖北省仍然有大量的剖面記錄完整,除具有極大的潛力進行牙形石生物地層序列研究外,還可以進行其他相關研究以幫助理解生物大滅絕的更多細節。比如,牙形石序列最為完整的興山峽口剖面還發育了大量的火山灰層,這表明當時該地區海水接受了大量的火山物質,這些火山物質對牙形石的影響如何,卻并未得到重視。又如,對生物個體大小或形態進行研究,可以對關鍵地質歷史時期環境演變的規律起到啟示性的意義[28-29]。同時,作為生物器官,牙形石的形態特征反映的是與之對應的功能,而這些功能則又受到外界因素的影響,因此牙形石個體的形態特征也與外界因素密切相關[28,30]。在進食的過程中,牙形石分子細齒的外表面會有磨蝕以及破損,并且破損的部分會被記錄在牙形石的內部[31-32]。在生長、發育的過程中,牙形石會通過增加層狀生長紋的方式來修復這些破損的結構,甚至會修復齒尖的破損,這也表明牙形石分子在牙形石動物的生長階段是保持不脫落的,進而也說明牙形石的大小是該動物死亡時的最終狀態[33]。因此,牙形石分子的大小可以作為牙形石動物的個體大小或者體重的標志之一,進而與環境和生態相聯系。最后,對湖北省二疊紀—三疊紀之交牙形石生物地層序列進行探索,還可能關乎到鄂西地區大隆組頁巖氣的相關研究,可為重大找礦戰略突破貢獻重要的理論力量[34]。

5 結論

湖北省二疊紀—三疊紀之交地層出露廣泛,從深水相到淺水相均有一定分布,甚至包括特殊沉積類型——即以微生物巖為代表的錯時相。當前圍繞這些地層進行的牙形石研究主要集中在深水相區,而淺水相區的研究結果相對較少且不夠精確。研究結果表明,湖北省二疊紀—三疊紀之交的地層序列較為完整,雖然局部地區可能受到不同程度的海退影響而發生沉積缺失現象,但依然有一些剖面完整地記錄了生物大滅絕的過程。受到標準化石的影響,當前湖北省二疊紀—三疊紀之交牙形石研究幾乎僅限制在建立生物地層,即識別二疊系—三疊系界線,其他相關研究并未得到重視。未來,對更多的剖面進行詳細的牙形石研究,可以為理解二疊紀—三疊紀之交生物大滅絕提供更多的信息。