王 星

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安710069)

陜南早寒武世寬川鋪生物群因產(chǎn)出豐富的小殼動(dòng)物及其胚胎化石 (Steiner et al.，2007)而頗受世人矚目。其中小殼化石組合指示處于寒武紀(jì)第一期(好運(yùn)期)，也代表寒武紀(jì)大爆發(fā)的第一幕，在古生物內(nèi)容方面處于新元古代伊迪卡拉生物群和寒武紀(jì)第三期澄江生物群的非常關(guān)鍵的中位置，具有非常重要的研究價(jià)值。從上世紀(jì)70年代該生物群被發(fā)現(xiàn)到1992年正式定名為寬川鋪生物群以來，老一輩的古生物學(xué)家們對(duì)該生物群做了大量的宏觀方面的工作，為后期的研究工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) (錢逸，1977;何廷貴，1987;丁蓮芳等，1992;Bengtson and Yue，1997)。進(jìn)入新世紀(jì)，隨著新技術(shù)新方法的引入，寬川鋪生物群又迎來了新一輪的研究熱潮。2004年，Steiner等人在前人研究基礎(chǔ)上，對(duì)陜南寬川鋪生物群中除藻類和細(xì)菌化石外作了統(tǒng)計(jì)，包括阿納巴管類、腹足類、球形胚胎化石等 (Steiner et al.，2004b)。同年，華洪等報(bào)道了盛產(chǎn)于該生物群可能的原腸胚化石，并將其與刺胞動(dòng)物的浮浪幼蟲作比較 (Hua et al.，2004)，但是這些疑似原腸胚缺乏必要的原腸發(fā)育序列仍然飽受質(zhì)疑 (董熙平，2009)。2006年，劉云煥等報(bào)道了該生物群Punctatus emeiensis的具口部結(jié)構(gòu)化石，并探討了該類化石與刺胞動(dòng)物的親緣關(guān)系 (劉云煥等，2006)。最近幾年基于X射線無損成像技術(shù)，發(fā)現(xiàn)寬川鋪生物群中的個(gè)別動(dòng)物胚胎化石的軟軀體結(jié)構(gòu)可以保存下來。一些動(dòng)物類型，如Olivooides的生物屬性逐漸明朗，雖然在具體的綱一級(jí)的分類學(xué)位置上仍然存有較大爭議 (Han et al.，2013;Han et al.，2015;Dong et al.，2013)。

因?yàn)楹浼o(jì)微體化石毫無例外會(huì)受到成巖作用的影響，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也因此會(huì)遭到不同程度的改造和破壞，因此研究成巖作用對(duì)于解譯化石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵。然而，X射線技術(shù)的缺陷在于無法通過傳統(tǒng)的巖石學(xué)手段來研究保存軟軀體結(jié)構(gòu)的胚胎化石的成巖作用，所以部分科學(xué)家對(duì)基于X－射線技術(shù)所觀測到的軟軀體結(jié)構(gòu)仍然持有懷疑態(tài)度。但是通過研究相同層位的其他化石的成巖作用可以基本了解這些胚胎化石的所經(jīng)歷的不同期次的成巖作用。

1 陜南早寒武世寬川鋪生物群分布與地質(zhì)概況

早寒武世寬川鋪生物群主要分布在陜南－川北地區(qū)，大致3個(gè)產(chǎn)地:陜南寧強(qiáng)縣寬川鋪，重點(diǎn)剖面有石鐘溝、郭家壩和袁家坪;西鄉(xiāng)縣，重點(diǎn)剖面有河西、三郎鋪和小灣附近;四川省南江縣，重點(diǎn)剖面有沙灘、新立等地 (Steiner et al.，2004b;曹芳等，1995;陳潤業(yè)等，1987)。

陜南寧強(qiáng)石鐘溝剖面含有該生物群的這套地層稱為寬川鋪組。該套地層與下伏的燈影組碑彎段 (上白云巖段)和上覆上寒武統(tǒng)下部郭家壩組均呈平行不整合接觸，主要是一套含磷含硅的淺海碳酸鹽沉積，巖性為灰－深灰色中層狀瀝青質(zhì)灰?guī)r，含膠磷礦砂屑礫屑灰?guī)r、磷塊巖及中厚層白云巖。河西張家溝剖面寬川鋪組整合覆蓋在下伏的燈影組上白云巖段，并且與上覆的上寒武統(tǒng)下部郭家壩組平行不整合接觸。與我國滇東地區(qū)寒武－前寒武標(biāo)準(zhǔn)剖面相比，其上部缺失小殼化石第三組合帶，表明該區(qū)域在這一地史時(shí)期普遍存在沉積間斷，只相當(dāng)于云南梅樹村階標(biāo)準(zhǔn)剖面的中下部地層(丁蓮芳等，1992;錢逸，1999)。本文研究的巖石薄片樣品分別采集于陜南寧強(qiáng)縣石鐘溝剖面和西鄉(xiāng)縣張家村剖面。

2 研究方法及原理

本文利用寬川鋪組磷塊巖巖石薄片進(jìn)行激光共振拉曼光譜分析其礦物成分，利用陰極發(fā)光實(shí)驗(yàn)分析其成巖作用，并且進(jìn)一步探討了成巖作用與化石保存之間的關(guān)系。

2.1 激光共振拉曼光譜分析

當(dāng)單色光照射到物體上，會(huì)發(fā)生兩種散射:彈性散射和非彈性散射;彈性散射，即入射光光子與分子在碰撞中不發(fā)生能量交換，光子僅改變運(yùn)動(dòng)方向，其頻率未發(fā)生變化，這種散射也成為瑞麗散射;非彈性散射，即入射光光子與分子碰撞過程中發(fā)生能量交換，在碰撞過程中分子的振動(dòng)和能量使光子產(chǎn)生振動(dòng)頻率的變化，這種散射也成為拉曼散射 (田國輝等，2008)。拉曼光譜被廣泛應(yīng)用到無機(jī)有機(jī)材料分析、礦床礦物學(xué)、生物學(xué)等不同領(lǐng)域 (伍林等，2005)。不同的礦物具有不同的特征光譜，因此可以通過光譜進(jìn)行定性分析巖石薄片中的礦物成分。

2.2 陰極發(fā)光實(shí)驗(yàn)原理

陰極發(fā)光技術(shù)是通過電子束轟擊成分和晶體結(jié)構(gòu)不同的樣品，使之發(fā)光，以研究其成分、晶體形態(tài)和相互關(guān)系等特征，進(jìn)而闡明其成因和形成條件的技術(shù)。其基本原理是，將加速電子形成的電子折射、聚焦后，作用于發(fā)光材料，激發(fā)出顯微鏡下可觀察到的彩色光(王英華等，1990)。其中，碳酸鹽礦物發(fā)光性研究程度較高，Kroger發(fā)現(xiàn)低價(jià)錳離子產(chǎn)生綠色和紅色發(fā)射譜，而高價(jià)錳離子則產(chǎn)生狹窄的紅色發(fā)射譜;Osiko和Maksimova則認(rèn)為綠色和黃色光與低價(jià)錳離子相關(guān)，而高價(jià)錳離子產(chǎn)生紅色光。不同環(huán)境形成的方解石的發(fā)光各不相同，氧化環(huán)境相關(guān)的方解石發(fā)光昏暗或者不發(fā)光，但重結(jié)晶和埋藏充填的方解石可以發(fā)明亮的光。磷酸鹽礦物，因?yàn)榇嬖诩せ顒┝纂x子，其發(fā)光較亮，磷灰石膠結(jié)物發(fā)暗紅、深黃等色 (王英華等，1990)。

3 寬川鋪生物群磷塊巖成巖期次研究

寬川鋪生物群中保存的化石基本上是以磷酸鹽的形式保存的。Steiner等認(rèn)為微體化石磷酸鹽化的大致順序是從外到內(nèi)，分期次進(jìn)行的 (Steiner et al.，2014)。其中，生物化石的外骨骼部分首先被磷酸鹽化，在磷酸鹽化的同時(shí)，化石內(nèi)部發(fā)生方解石沉淀，其次生物內(nèi)部的軟體部分再磷酸鹽化，并且后期磷酸鹽大致充填了胚胎內(nèi)部空間。為了證實(shí)上述論斷，筆者將樣品薄片進(jìn)行了陰極發(fā)光實(shí)驗(yàn)和激光共振拉曼實(shí)驗(yàn)。

在單偏光鏡下，來自寧強(qiáng)的薄片K32－1未知化石邊緣以及部分內(nèi)部礦物以微晶甚至隱晶為主，呈黃褐色和黑色;化石周圍的膠結(jié)物以粗晶為主，節(jié)理發(fā)育，呈亮白色，但略偏黃色。陰極發(fā)光條件下觀察，亮黃色的圍巖基質(zhì)部分和化石內(nèi)部基本不變;黑色化石殼體及裂隙部分變化明顯，呈現(xiàn)灰白色暗光。在單偏光鏡下，西鄉(xiāng)的標(biāo)本XX－1管狀化石管狀化石Conotheca殼體呈黑色和黃褐色，化石內(nèi)部充填礦物物與圍巖基質(zhì)顏色一致。圍巖基質(zhì)也呈現(xiàn)發(fā)黃的亮白色。因此，總體上，兩地磷塊巖樣品均由三種礦物成分構(gòu)成。根據(jù)拉曼光譜分析，化石殼體為磷灰石 (Ca5(PO4)3F)，圍巖或者膠結(jié)物為亮晶或者粗晶方解石，而不透明的黑色物質(zhì)也為磷灰石而不是推測的碳質(zhì)成分。西鄉(xiāng)和寧強(qiáng)兩地的黑色磷灰石峰值相近 (963.633，963.321)，與黃褐色的磷灰石峰值相差較大 (964.635)。

陰極發(fā)光條件下，化石殼體黑色部分亮度明顯增大，而圍巖基質(zhì)和殼體內(nèi)部充填物以及黃褐色部位不發(fā)生明顯變化。K32－1化石周圍亮度明顯增大，代表化石的邊緣發(fā)生明顯的成巖作用。

圖1 西鄉(xiāng)張家溝剖面巖樣薄片正交偏光下照片，圖A比例尺為100μm，圖B比例尺為200μm

為了進(jìn)一步確定黑色物質(zhì)的成因，我們磨制了更多薄片，發(fā)現(xiàn)在西鄉(xiāng)剖面，黑色物質(zhì)出現(xiàn)在化石的外邊緣和化石內(nèi)部?；瘍?nèi)部的黑色物質(zhì)顯示一組或者兩組定向排列的特征 (圖4)，看起來更像裂隙。這些裂隙寬窄、長度均不同。有些裂隙兩旁并沒有發(fā)育黑色物質(zhì)。黑色物質(zhì)有些貫穿整個(gè)化石內(nèi)部，有些僅僅位于化石邊緣。化石內(nèi)部看見亮白色的斑狀的亮晶方解石。

4 討論

陰極發(fā)光實(shí)驗(yàn)結(jié)果，組成化石的黃褐色的磷塊巖和圍巖方解石沒有遭受明顯的成巖作用改造。而黑色的磷塊巖在陰極發(fā)光下具有明顯的發(fā)光性，應(yīng)當(dāng)是成巖作用改造的結(jié)果。位于化石邊緣的黑色物質(zhì)的發(fā)光性更強(qiáng)。目前我們不能完全排除所有的黑色物質(zhì)均為磷灰石，而沒有炭質(zhì)成分。什么原因造成兩種磷灰石的顏色差異以及峰值的降低，是否與后期流體有關(guān)?是否因?yàn)榱严兜漠a(chǎn)生，流體灌入，而使得磷灰石轉(zhuǎn)變成羥基磷灰石 (Ca10(PO4)6(OH)2)?因?yàn)槔庾V技術(shù)無法識(shí)別羥基，因此需要后續(xù)其他手段來分析。因?yàn)楹谏谆沂姆植季哂忻黠@的力學(xué)定向性，是否與壓實(shí)作用有關(guān)，也不能斷定，但這種作用肯定發(fā)生在化石早期磷酸鹽化之后才能發(fā)生。

根據(jù)化石內(nèi)部的斑狀出現(xiàn)的方解石，可以證實(shí)一些磷酸鹽被方解石所交代。所以，化石的磷酸鹽化作用發(fā)生最早。而黑色磷灰石有些也被亮晶方解石所干擾，但黑色物質(zhì)以及裂隙并未延伸至圍巖中，因此黑色磷灰石的形成早于方解石的形成。因此，比較合理的解釋，就是這些磷酸鹽化的化石是在成巖或者弱固結(jié)之后，再搬運(yùn)再沉積下來為方解石所固結(jié)的結(jié)果。

雖然具有遭受后期成巖作用改造的黑色磷灰石，產(chǎn)自寧強(qiáng)的未知化石K32－1內(nèi)部可見黃褐色磷灰石，說明在最初埋葬時(shí)，有機(jī)質(zhì)沒有完全被微生物降解。這些化石中的磷灰石也沒有發(fā)生明顯的方解石交代作用，因此保存軟軀體化石的可能性更大一些。而產(chǎn)自西鄉(xiāng)的管狀化石Conotheca內(nèi)部局部為方解石所充填，說明化石的軟組織成分已喪失殆盡，而構(gòu)成管體的磷灰石受到方解石交代作用，所以保存軟軀體化石的可能性非常低。而定向排列的黑色磷灰石，則進(jìn)一步使化石的原生結(jié)構(gòu)遭受更大破壞。

5 結(jié)語

陜南寬川鋪組中保存的微體化石可能并非原位沉積，并遭受明顯的成巖作用改造，但是寧強(qiáng)和西鄉(xiāng)兩地的情況有所不同。寧強(qiáng)化石因?yàn)樵馐茌^少的成巖作用改在，具有更高的保存軟軀體化石的概率。

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