标定埃迪卡拉生物和环境的共同演化

来源:中科院地质地球所

标定埃迪卡拉生物和环境的共同演化

埃迪卡拉纪(635541Ma)时期出现了动物,见证了动态的海洋氧化还原环境、可能快速的板块运动和对全球生物地球化学循环唯有的大扰动。这些扰动中最大的是Shuram碳同位素漂移(CIE),它被称为埃迪卡拉纪环境变化的驱动力,可能与埃迪卡拉生物的创新或灭绝有关。ShuramCIE是地球历史上最大的海相碳酸盐岩的碳同位素负漂移,δ13Ccarb急剧下降了~17‰-12‰,然后才缓慢地恢复到背景值(图1),是全球碳循环中一次最大扰动1,2。有趣的是,地球上六大古陆不同沉积环境沉积的碳酸盐岩都有ShuramCIE记录,所以它是元古宙最神秘的地球化学事件之一。目前,围绕这次事件有三大争论:1)起始和持续的时间;2)成岩作用还是其它成因;和3)与海洋氧化还原变化、冰期,以及埃迪卡拉动物群是什么(因果)关系?时间上谁先?谁后?
埃迪卡拉生物群是由阿瓦隆(Avalon)、白海(WhiteSea)和纳玛(Nama3个最早的宏体化石组合构成,它们依次出现和灭绝。阿瓦隆化石组合几乎完全是在斜坡和盆地的环境中保存,为大的分形生物(称为叶状体)和可能的海绵和刺胞动物。更年轻、更多样化的白海组合包括更复杂和移动的类群,如狄更逊水母(Dickinsonia)和双侧对称的Kimberella,主要出现在潮下至潮间的大陆架环境。埃迪卡拉纪晚期的纳玛组合是高度分化的,以早期两侧对称的遗迹化石、有节结的动物群和最早的生物矿化动物为主,都出现在浅海碳酸盐岩和硅质碎屑岩沉积的环境中。由于埃迪卡拉纪地质年代细分的缺失,使得生物更替与重大构造或生物地球化学事件(如ShuramCIE)之间的关系不清楚2

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1. 加拿大西北部和阿曼埃迪卡拉系地层和同位素年龄前人发表U-Pb锆石年龄采自火山灰层3Re-Os年龄采自富有机质的沉积岩4

为准确限定印度-亚洲大陆碰撞的时间、位置和动力学过程,在国家自然科学基金和中科院国际合作伙伴计划项目的资助下,中国科学院地质与地球物理研究所博士研究生袁杰、邓成龙研究员、朱日祥院士、郭正堂院士、贺怀宇研究员、李仕虎博士、沈中山博士研究生、秦华峰副研究员,以及首都师范大学杨振宇教授,荷兰乌特勒支大学Wout Krijgsman教授,南京大学胡修棉教授、安慰博士,中国科学院青藏高原研究所丁林院士共同合作,对藏南特提斯喜马拉雅地块江孜地区的上白垩统床得组大洋红层和萨嘎地区的古新统桑单林组深水红色硅质页岩(图1)开展构造古地磁学、岩石磁学、磁性地层学和岩相学(图2,图3)等综合研究,获得了可靠的古地磁数据,揭示了特提斯喜马拉雅地块在白垩纪晚期-古近纪初期快速向北漂移的特征,提出了“北印度海”(North India Sea)假说,并在此基础上构建了两阶段的印度-亚洲大陆碰撞动力学新模型(图4,图5)。

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图1 研究区地质与地形。(a)青藏高原及其周边地形图;(b)印度与亚洲大陆碰撞带地质简图,修改自Yin(2006);(c)江孜地区地质简图,修改自Chen等(2006);(d)萨嘎地区地质简图

阿曼Nafun群和加拿大Rackla群的地质概况

阿曼的埃迪卡拉系Nafun群在北部的Huqf沙漠和AlHajar山有出露,在南部的Salt盆地和Huqf-Haushi高地的多个钻孔岩芯中出现。Nafun群没有明显的变质或变形,上覆的Ara群和Fara组的火山碎屑和火山灰的年龄限定Nafun群年代为埃迪卡拉纪。Nafun群的Khufai组以碳酸盐岩为主,位于Marinoan冰期之后沉积的盖帽碳酸盐岩之上,年龄应小于635MaShuramCIE记录开始于Khufai组最上部,完全恢复出现在上覆的富碳酸盐岩的Buah组。虽然不清楚Nafun群中埃迪卡拉生物群化石的情况,不过在Ara群的钻孔岩芯中曾报导有CloudinaNamacalathus3在加拿大的YukonNorthwestTerritoriMackenzieWerneckeOgilvie山区有Rackla群出露。在WerneckeMackenzie山区Rackla群覆盖在大约635MaMarinoan冰期之后的盖帽碳酸盐岩之上,从Sheepbed组开始,基底的年龄为632.1±5.9Ma4Sheepbed组又被碳酸盐岩和硅质碎屑岩混合的Nadaleen组覆盖,含有阿瓦隆组合化石,包括盘状的AspidellaHiemolora化石、erniettomorphNamalia和各种rangeomorphs化石,其δ13Ccarb值高到+9‰(图1)。上覆的Gametrail组碳酸盐岩中δ13Ccarb值急剧下降至是-13‰,即ShuramCIE最低点。到靠近上覆Blueflower组的接触部位恢复到0+2‰。在Blueflower组中有各种遗迹化石组合,rangeomorphs、管状和盘状,以及公认的狄更逊水母化石。接着是埃迪卡拉纪末期碳酸盐岩为主的AlgaeRisky组地层层序,它们分别被寒武系最底部的Narchilla组和Ingta组覆盖,呈不整合接触。这些地层中含有小壳和多种多样的遗迹化石组合。Ogilvie山区埃迪卡拉系地层(Rackla群)未被正式命名,填图称PH3PH4PH5单元。PH3主要由黑色页岩构成,它直接覆盖在Marinoan冰期之后的盖帽碳酸盐岩上,属于埃迪卡拉系层序。接着的PH4包括ShuramCIEδ13Ccarb值低到-9‰,到顶部含有结核的灰岩中 δ13Ccarb值返回至0+2‰PH4PH5之间接触为角度不整合,由粉砂岩和砂岩构成的PH5根据遗迹化石判定为早-中寒武世。

Re-Os地质年代学

在阿曼南部Salt盆地L井和M井取了KhufaiBuah组各一套富有机质的页岩样品,开展Re-Os同位素年代学测定。基底Khufai组的L井样品在记录了ShuramCIE之下的沉积层位获得的Re-Os年龄为578.2±5.9Man=7MSWD=0.97),其初始187Os/188Os(即Osi)值为1.15±0.05M井的Buah组样品记录了ShuramCIE事件后并已经恢复到正的δ13Ccarb值时的沉积年龄,为562.7±3.8Man=7MSWD=1.40),Osi值为0.68±0.01(图2B)。

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2. 五个层位样品的Re-Os等时线图. (A) L井:阿曼Khufai. (B) M井:Buah . (C) J1719Yukon地区Wernecke山区Nadaleen. (D) J1443Yukon地区Wernecke山区Nadaleen. (E) A1707Yukon地区Ogilvie山区PH4.

为限定加拿大西北地区埃迪卡拉系层序中ShuramCIE的起止时间,从Rackla群的黑色钙质泥岩地层取了3套样品做Re-Os同位素定年(图12)。Wernecke山区Nadaleen组上部的J1719J1443样品给出两个Re-Os的沉积年龄分别为574.0±4.7Man=8MSWD=0.75)和575.0±5.1Man=5MSWD=1.20),它们的Osi值分别为0.60±0.010.60±0.01(图2CD)。这两套样品都位于ShuramCIE记录之下,限定了事件的起始年龄。在ShuramCIE之上的Ogilvie山区PH4A1707样品的Re-Os年龄为567.3±3.0Man=6MSWD=0.81),Osi值为0.61±0.04(图2E),限定事件结束的时间。

ShuramCIE事件开始、持续的时间和同时性

在阿曼,漂移开始在578.2±5.9Ma之后,在562.7±3.8Ma终止,时间跨度小于15.5±7.0Ma(图3)。在加拿大西北部限制漂移持续的时间不超过6.7±5.6Ma574.0±4.7Ma之后开始,而且在567.3±3.0Ma结束(图3)。最近对纽芬兰的Conception群含化石层序中寄主硅质碎屑的δ13Ccarb数据与Shuram CIE变化对比,将事件的发生限制在574.17±0.66562.5±1.1Ma之间5-7,可以与阿曼和加拿大西北部对比,而且在纽芬兰限定持续时间小于11.7±1.3(图3)。重要的是,加拿大西北部和阿曼的Re-Os定年证明多个古大陆的Shuram CIE同时都发生在574.0±4.7Ma之后。新的时间框架表明Shuram CIE开始比Gaskiers冰期结束至少早5.2±4.8Ma5,如此Gaskiers冰期不可能是全球最大碳同位素漂移的直接驱动力(图3)。

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3. 年龄的概率分布.图中蓝色年龄数据为Re-Os年龄1;其他均为锆石U-Pb年龄5-7。注意采用PizzaDisc火山灰的年龄作为埃迪卡拉生物群的最小年龄7ShuramCIE顶盛年龄年龄见参考文献6;其它说明见参考文献1

标定埃迪卡拉纪

最近,在纽芬兰的ivesheadiomorphsfrondose化石首现之上大约25mDrook组中火山灰层定年,限定埃迪卡拉生物群出现早于574.17±0.66Ma7。这与Nadaleen组的574.0±4.7MaRe-Os年龄1一致,表明这些生物同时全球出现,而且很可能是在ShuramCIE之前(图4)。这与不同大陆边缘的深水斜坡环境孕育早期宏观生命的假说8是一致的。根据现在的年龄数据,阿瓦隆组合出现在Gaskiers冰期之后和ShuramCIE及它引起的海洋氧化之前(图3和图4)。因此,记录了ShuramCIE结束的华南陡山沱组IV段的沉积应该放在大约565Ma,而不是550Ma。全球海洋的氧化也应在大约565Ma,而由陡山沱组III段最上部碳酸盐岩δ238UIV段黑色页岩δ98Mo的数据估算的全球海底硫化的比例(图4)应该更早。新的年龄框架表明埃迪卡拉海的氧化明显先于白海组合,而且与发生在大约550Ma白海组合的灭绝也是没有联系的(图4)。

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4. 埃迪卡拉纪时期碳同位素变化、定年数据和化石组合图.

*U-PbTIMS锆石定年;†:U-PbSHRIMP锆石定年;‡ 表示Re-Os定年。年龄数据:深绿色—纽芬兰;粗体的深蓝色—阿曼;粗体的浅蓝色—加拿大西北部。缺氧海底面积的百分比是由MoU同位素的质量平衡模拟得到。WS,即WhiteSea白海;Frt,即Fortunian幸运阶.

多个古大陆和古纬度的海相地层中都有Shuram CIE记录,而且在目前的定年误差内是等时的。因此,它作为一次重要事件可能是地球历史上最大的全球碳循环扰动之一。然而,同时开始与结束的Shuram CIE是很难与成岩作用的解释协调一致,热液或大气降水的蚀变作用也不会产生相似时间跨度、地层厚度和岩相都互不相同却类似的蚀变。将Shuram CIE与化石记录的动物演化联系起来时,仍有一些重要的细微差别需要考虑,包括保存对化石外观的控制,以及环境变化与生物响应之间允许的时间滞后这一长期存在的问题。表面上看,新的埃迪卡拉纪年龄框架可能与剧烈的环境变化脱钩,但需强调一个稳固的年代框架非常重要,它将元古代末期环境变化与埃迪卡拉化石记录联系起来了。