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[学位论文] 闫冠州中国科学院大学 2022年博士导师: 李越共413页

摘要 : 奥陶纪生物大辐射是显生宙以来一次重要的生物多样性增加事件，期间古生代演化动物群出现多期次的辐射，最终形成了以古生代演化动物群为主体、高度复杂化的地球海洋生态系统。一般地，奥陶纪生物大辐射的启动过程主要表现为浮游生物革命，反映了寒武... 展开奥陶纪生物大辐射是显生宙以来一次重要的生物多样性增加事件，期间古生代演化动物群出现多期次的辐射，最终形成了以古生代演化动物群为主体、高度复杂化的地球海洋生态系统。一般地，奥陶纪生物大辐射的启动过程主要表现为浮游生物革命，反映了寒武纪演化动物群向古生代演化动物群的演替过程，因而是古生代演化动物群起源和早期演化的重要阶段。寒武纪苗岭世至早奥陶世是牙形类宏演化的关键时期，期间代表古生代演化动物群的先驱——副牙形类迅速繁盛并逐步衰落，真牙形类自起源后快速辐射并取得优势地位。鉴于该时期牙形类系统古生物学在不同时段的研究程度不一，牙形类生物地层框架和地层对比有待加强，多样性演变型式及其演替模式缺乏深入分析，牙形类的演化在浮游生物革命中的作用和意义亟需深入研究。本研究基于精深的牙形类系统古生物学，开展了细致的牙形类生物地层研究，结合无机碳同位素地层，开展综合地层分析;基于汇总、厘定的牙形类数据，探讨定量生物地层学在牙形类方面的应用，以建立牙形类高精度地层对比的框架。针对寒武纪晚期-早奥陶世牙形类多样性演变，一方面，通过总结该时期全球牙形类数据，深入探讨副牙形类和真牙形类的演替型式;另一方面，作为实例分析，根据本文研究数据以及华南已发表和厘定后的研究资料，深入分析了华南和华北副牙形类及真牙形类的演替过程，从而剖析其在古生代演化动物群起源和早期演变中的角色。本文主要得出以下认识: 1)本文在前人工作的基础上，选择华南扬子区和江南区6条寒武-奧陶系剖面，开展牙形类系统古生物学和生物地层学研究，获得丰富的牙形类化石。系统鉴定和描述牙形类33属56种（含1个新属、2个比较种和3个未定种）。浙江江山和常山地区寒武系西阳山组中上部属Eoconodontus带、Cordyhdmproavus带和Confylodusintermedius-Cordyloduslindstromi组合带，时代为寒武纪第十期，Cordylodusintermedius-Cordyloduslindstromi组合带位于印渚埠组下部，指示印渚埠组下部包含下奥陶统的地层。湖北松滋和兴山地区南津关组可识别Rossodusmanitouensis带、Paltoduspristinus带，分乡组底部可识别Paltodusdeltifer带，指示南津关组和分乡组底部属下奥陶统特马豆克阶。 2)对浙江江山碓边剖面、浙江常山黄泥塘剖面和安徽石台里山剖面进行系统的稳定碳同位素分析，结果显示，在江南区识别了五次碳同位素漂移事件，分别为SteptoeanPositiveCarbonIsotopeExcursion(SPICE)、Post-SPICEExcursion(post-SPICE)、lowerPelturascarabaeoidesspike(LPSS)、upperPelturascarabaeoidesspike(UPSS)、TopofCambrianExcursion(TOCE)以及Cordyloduspromtsspike(CPS),优化了寒武系上部化学地层划分和对比的精度，并可与波罗的卡、北美和澳大利亚等地进行良好的地层对比。 3)基于定量生物地层学研究，采用单元组合法建立8个单元组合带。单元组合带较己建立的生物地层框架具有更高的精度，为寒武纪牙形类生物地层学的进一步研究提供参考。 4)全球主要板块或地区牙形类的分析结果显示，真牙形类在寒武纪江山期起源，之后迅速辐射。形态演变方面经历了四个主要演化阶段，形态歧异度随时间的变化与多样性演变型式耩合。特马豆克早中期真牙形类的灭绝事件重创较深水区域的真牙形类，栖于近岸浅水区域的真牙形动物未受到严重影响。副牙形类及真牙形类的演替型式的比较分析表明，副牙形类在较深水区域辐射持续时间较长，在近岸浅水区域更早地步入衰落阶段;早期真牙形类在近岸浅水区域快速辐射，在较深水区域于Cordylodusproavus带相当时期多样性曲线波动，而后继续辐射。 5)通过深入分析华南与华北副牙形类和真牙形类演替型式，识别副牙形类辐射和衰落的阶段以及真牙形类在寒武纪晚期的辐射过程。华南真牙形类在特马豆克早中期亦表现为一次灭绝事件。通过对比研究发现，副牙形类的多样性演变与浮游植物疑源类的演变型式耦合，与寒武纪三叶虫演变型式解耦合，副牙形类可能代表了古生代演化动物群的先驱者。真牙形类在寒武纪晚期逐步取得优势，在副牙形类的衰落过程中，真牙形类发生了显著的适应性辐射。收起

关键词 : 寒武纪晚期早奥陶世牙形类演替过程

2. 广西寒武纪芙蓉世晚期三叶虫动物群——兼论三叶虫的畸形、性双形及眼脊的功能

[学位论文] 朱学剑中国科学院南京地质古生物研究所 2005年博士导师: 彭善池共224页

摘要 : 本文论述了采自广西那坡坡苯和靖西果乐芙蓉统两条剖面上的三叶虫，共计24属31种，其中包括5个新属和12个新种：Akoldinioidia hewenensis (Zhou，1977)、Akoldinioidia sp.、Anderssonella cf A.granulosa Zhu&Zhou，1980、Brachyhipposide’rusantiquatus sp. nov.、Callimacropyge jingxiensis gen. et sp. nov.、Chosenia (Chosenia)papulosus sp. nov.、Decurtatus conicus gen. sp. nov.. Dictyella longispina Zhou，1977、Eosaukia tangcunensis (Qian，1983)、Eosaukia walcotti (Mansuy，1 9 1.5)、Haniwa longaZhu&Zhou，1980、Hewenia anacantha sp. nov.. Hewenia lypica Zhou，1977. Heweniacf H typica Zhou，1977、Jingxia cf J. yunnanensis Luo，1983、Koldinioidia orientalis(Mansuy， 1916)、Mansuyites guangxiensis (Zhou，1977)、Micragnostus chiushuensis(Kobayashi，1931)、Missisquoia longa sp. nov.、Missisquoia sp.、Neoagnostus sp. indet。1、Neoagnostus sp. indet.2、Postikaolishania guangxiensis gen. sp. nov.、Prochuangiahewenensis Zhou，1977、Psilocephalina sp.、Rhaptagnostus cf R..clarki maximus(Shergold，1975)、Sinosaukia daliensis sp. nov.. Sinosaukia distincta (Zhou，1977)、Sinosaukia spinellosus sp. nov.、Spinamacropyge daliensis gen. et sp. nov.、Tamdaspisjingxiensis sp. nov.、Tsinania laevigata sp. nov.. Kaolishaniidae gen. et sp. indet.。这两个剖面均位于深水页岩相区，动物群时代为寒武纪芙蓉世晚期。保存在深水相页岩中的化石不仅精美，而且保存了大量其它方面的特征，如带有畸形的三叶虫背壳等。这些三叶虫的畸形可能是由两种原因造成的：被捕食者咬伤和在蜕壳过程中造成的。前者大部分是尾部，畸形面积较大，且外形呈“W”字形；后者主要是在胸部肋节的肋刺上，面积小。论文还记述了四对可能存在的三叶虫的性双形。Haniwa longa Zhu&Zhou，1980有两种形态：一种胸部第三肋节为大肋节，拥有长的肋刺，而另一种则没有。另一对是Tsinania laevigata sp. nov.和Dictyella longispina Zhou，1977，这两者目前唯一的区别是后者尾部后缘有一根长的尾刺，而前者没有；同时两者在个体发育过程中有一个共同的演化趋势：尾部两侧的侧刺均在个体发育过程中逐渐消失。Micragnostuschiushuensis (Kobayashi，1931)亦有两种形态，一种尾部边缘有一对侧刺，另一种没有，它们亦有可能是由三叶虫的性双形造成的。最后一对是Hewenia typica Zhou，1977和Hewenia cf.H.typica Zhou，1977，这两者的主要区别在尾部，尤其在尾轴的形态和相对长度上。前者尾轴粗壮，凸起较高，向后收缩缓慢，几乎伸达尾边缘，尾边缘窄，后缘完整，呈弧形向后拱曲；后者尾轴向后收缩迅速，末端远离尾边缘，后缘稍宽，中部略向前拱，两侧呈弧形向后拱曲。通过与现生节肢动物进行类比，认为三叶虫眼脊的功能是将眼睛捕捉到的信息传送到大脑的视神经的通道；三叶虫的大脑应位于头鞍之下的两侧眼脊与头鞍结合部之间的中部位置。... 展开本文论述了采自广西那坡坡苯和靖西果乐芙蓉统两条剖面上的三叶虫，共计24属31种，其中包括5个新属和12个新种：Akoldinioidia hewenensis (Zhou，1977)、Akoldinioidia sp.、Anderssonella cf A.granulosa Zhu&Zhou，1980、Brachyhipposide’rusantiquatus sp. nov.、Callimacropyge jingxiensis gen. et sp. nov.、Chosenia (Chosenia)papulosus sp. nov.、Decurtatus conicus gen. sp. nov.. Dictyella longispina Zhou，1977、Eosaukia tangcunensis (Qian，1983)、Eosaukia walcotti (Mansuy，1 9 1.5)、Haniwa longaZhu&Zhou，1980、Hewenia anacantha sp. nov.. Hewenia lypica Zhou，1977. Heweniacf H typica Zhou，1977、Jingxia cf J. yunnanensis Luo，1983、Koldinioidia orientalis(Mansuy， 1916)、Mansuyites guangxiensis (Zhou，1977)、Micragnostus chiushuensis(Kobayashi，1931)、Missisquoia longa sp. nov.、Missisquoia sp.、Neoagnostus sp. indet。1、Neoagnostus sp. indet.2、Postikaolishania guangxiensis gen. sp. nov.、Prochuangiahewenensis Zhou，1977、Psilocephalina sp.、Rhaptagnostus cf R..clarki maximus(Shergold，1975)、Sinosaukia daliensis sp. nov.. Sinosaukia distincta (Zhou，1977)、Sinosaukia spinellosus sp. nov.、Spinamacropyge daliensis gen. et sp. nov.、Tamdaspisjingxiensis sp. nov.、Tsinania laevigata sp. nov.. Kaolishaniidae gen. et sp. indet.。这两个剖面均位于深水页岩相区，动物群时代为寒武纪芙蓉世晚期。保存在深水相页岩中的化石不仅精美，而且保存了大量其它方面的特征，如带有畸形的三叶虫背壳等。这些三叶虫的畸形可能是由两种原因造成的：被捕食者咬伤和在蜕壳过程中造成的。前者大部分是尾部，畸形面积较大，且外形呈“W”字形；后者主要是在胸部肋节的肋刺上，面积小。论文还记述了四对可能存在的三叶虫的性双形。Haniwa longa Zhu&Zhou，1980有两种形态：一种胸部第三肋节为大肋节，拥有长的肋刺，而另一种则没有。另一对是Tsinania laevigata sp. nov.和Dictyella longispina Zhou，1977，这两者目前唯一的区别是后者尾部后缘有一根长的尾刺，而前者没有；同时两者在个体发育过程中有一个共同的演化趋势：尾部两侧的侧刺均在个体发育过程中逐渐消失。Micragnostuschiushuensis (Kobayashi，1931)亦有两种形态，一种尾部边缘有一对侧刺，另一种没有，它们亦有可能是由三叶虫的性双形造成的。最后一对是Hewenia typica Zhou，1977和Hewenia cf.H.typica Zhou，1977，这两者的主要区别在尾部，尤其在尾轴的形态和相对长度上。前者尾轴粗壮，凸起较高，向后收缩缓慢，几乎伸达尾边缘，尾边缘窄，后缘完整，呈弧形向后拱曲；后者尾轴向后收缩迅速，末端远离尾边缘，后缘稍宽，中部略向前拱，两侧呈弧形向后拱曲。通过与现生节肢动物进行类比，认为三叶虫眼脊的功能是将眼睛捕捉到的信息传送到大脑的视神经的通道；三叶虫的大脑应位于头鞍之下的两侧眼脊与头鞍结合部之间的中部位置。收起

关键词 : 广西寒武纪芙蓉世晚期三叶虫性双形眼脊功能

3. 华南板块寒武纪晚期--志留纪早期高分辨率海洋生物多样性变化

[学位论文] 邓怡颖中国科学技术大学 2022年博士导师: 王玥共196页

摘要 : 物种多样性变化模式是生物演化研究的重要主题之一，常被用于揭示生物起源、辐射、更替和灭绝等重大生物事件的特征，以及生物演化与环境变迁之间的关系。寒武纪晚期-志留纪早期记录了多个重要生物事件，包括寒武纪晚期多次生物灭绝事件、奥陶纪生物大... 展开物种多样性变化模式是生物演化研究的重要主题之一，常被用于揭示生物起源、辐射、更替和灭绝等重大生物事件的特征，以及生物演化与环境变迁之间的关系。寒武纪晚期-志留纪早期记录了多个重要生物事件，包括寒武纪晚期多次生物灭绝事件、奥陶纪生物大辐射事件(Great Ordovician Biodiversification Event,GOBE)、晚奥陶世生物大灭绝事件(Late Ordovician mass extinction,LOME)和志留纪早期生物复苏与辐射事件等。其中，GOBE和LOME期间的生物多样性交化长期以来都是全球地层古生物学的研究热点之一，研究范畴涵盖了相关事件的起止时间、多样性模式、阶段性划分特征、辐射/灭绝规模、生物群更替规律和环境驱动机制等。然而，前人研究的时间分辨率相对较低，一定程度上妨碍了对该时期生物演化规律的精细识别。依托GBDB和OneStratigraphy两个地层古生物学大数据平台收集与整理了寒武纪晚期-志留纪早期多门类海洋生物化石记录，构建了一个包含870个剖面、2986个物种的华南板块古生物数据集，基于约束最优化法(Constrained optimization，CONOP)在天河二号超级计算机和个人笔记本电脑上进行迭代运算(259组实验，累计运算时间超过11，600小时，总计运算超过1，044，000核时)，最终获得了寒武纪晚期-志留纪早期迄今最高分辨率的多门类海洋生物物种多样性曲线，平均时间分辨率达到21.0Kyr，较前人多数研究提高100倍以上。研究结果表明，寒武纪晚期华南板块至少记录了两次灭绝事件，分别是古丈期-排碧期灭绝事件和江山期灭绝事件。华南板块GOBE开始于特马豆克最早期，在达瑞威尔最早期达到峰值，表现为一个约16.6Myr的长期、连续的多样性快速积累的过程，导致物种多样性增加了9.9倍。华南板块GOBE可进一步划分为辐射初幕(特马豆克最早期-弗洛中期)和辐射主幕(弗洛中期-达瑞威尔最早期)，后者以异常高的新生率和灭绝率为典型特征。GOBE期间主要海洋类群的辐射模式存在一定差异，但均在GOBE辐射主幕附近达到峰值。对比发现，华南板块GOBE起始时间和峰值均明显早于全球GOBE记录，表明华南板块可能代表了一个独立的、超前的生物辐射中心。华南板块LOME可识别出两幕式特征，分别是凯迪期灭绝事件和赫南特期灭绝事件，物种多样性累计损失了约67％，两期灭绝之间夹有一个约1.1Myr的复苏、辐射阶段。底栖、游泳和浮游类群变化结果显示，寒武纪晚期华南板块主要以底栖生物为主导;进入奥陶纪，伴随着GOBE辐射事件，三大类群的多样性均持续上升，但浮游类群辐射的速度和规模更加显著，因此快速取代底栖类群在整个奥陶纪海洋中占据主导地位，并且一直持续到志留纪早期。物种多样性模式和环境指标变化的精细对比研究表明，华南板块寒武纪晚期-志留纪早期的诸多生物事件分别受到不同环境因素的主控影响。海水缺氧是寒武纪晚期生物灭绝的主控因素;全球气候逐渐变冷、大气氧气分压逐渐增高、海平面持续升高致使栖息地扩张以及营养物质供给不断增强等环境变化可能是促成华南板块早、中奥陶世海洋生物辐射的环境机制;持续增强的火山活动、剧烈波动的海水温度、逐渐降低的大气含氧量以及海平面下降等恶化的环境条件导致了华南板块凯迪期灭绝事件;赫南特期灭绝事件受到火山活动影响的同时，还与冈瓦纳大陆冰川迅速扩张和消融密切相关。收起

关键词 : 海洋生物物种多样性寒武纪晚期志留纪早期

4. 新元古代晚期到寒武纪早期海洋氧化还原状态演化

[学位论文] 陈曦南京大学 2015年博士导师: 凌洪飞共141页

摘要 : 从新元古代晚期到寒武纪早期，地球系统经历了构造、气候、生态环境和生物演化等多方面的剧变。其中一个显著的表现是发生了继古元古代大氧化事件之后的第二次主要的氧化事件(约720-520 Ma)，大气和海洋的氧化水平都在此期间逐渐向现代水平趋近。氧化... 展开从新元古代晚期到寒武纪早期，地球系统经历了构造、气候、生态环境和生物演化等多方面的剧变。其中一个显著的表现是发生了继古元古代大氧化事件之后的第二次主要的氧化事件(约720-520 Ma)，大气和海洋的氧化水平都在此期间逐渐向现代水平趋近。氧化还原条件和地球上很多重要的地球化学循环息息相关，并且和生物演化相互作用。尤其是作为反映环境中氧化程度的主要化学成分之一——氧气，对多细胞生物的起源和演化起到了至关重要的作用。本文主要利用氧化还原相关的地球化学指标，联系生物演化的历程，并结合地层学，着重从共演化（协同演化）的角度研究了从新元古代晚期到寒武纪早期地球系统内生命和氧化还原环境的变化过程。大塘坡组底部沉积于新元古代晚期Sturtian和Marinoan雪球地球事件之间的间冰期早期。其中较高的高活性铁比例、普遍较低的黄铁矿含量、以及出现罕见较高的酸可挥发性硫含量，都说明当地沉积环境处于缺氧、富铁、少硫的状态。另外，和同时期全球多处其他地区一样，其中黄铁矿的34S富集程度达到地质历史中的最高程度，说明全球海洋硫酸盐浓度可能普遍较低。这可能是由于风化输入的硫酸盐较少，且以黄铁矿形式输出的硫较多这两方面因素造成的。而出现这两种情况可能即和大冰期造成的全球冰封和海洋分层有关，也和包括海洋在内的地球表面长期缺氧有关。低于地幔的碳酸盐δ13CCarb值以及δ13CCarb和ΔCarb-OM之间的异常线性关系可能和长期存在于新元古代海洋中的大有机碳库有关。而此大有机碳库的形成可能与微生物主导的海洋“碳泵”有关，现代形式的“碳泵”因为缺少真核浮游植物和宏观动物而尚未形成。埃迪卡拉纪地层从底到顶逐渐增加的黄铁矿和硫酸盐之间的硫同位素分馏程度说明海洋的硫酸盐库在逐渐增大。钼含量和钼同位素组成δ98/95Mo值在Marinoan和Gaskiers冰期之后都有相对较高的值出现，说明冰期消融阶段可能伴随着氧化事件。另外，埃迪卡拉纪早期到中晚期海洋的氧化还原状态在空间分布上可能有明显的差异性/分带性。浅海可能含有一定氧气，深海可能以富铁状态为主，而大陆边缘的部分区域可能在中部深度存在硫化最低含铁带（sulphidic iron-minimumzone，S-IMZ，或“硫化楔”）。本研究同时利用区域性和全球性的氧化还原相关的地球化学指标，揭示此S-IMZ可能在埃迪卡拉纪晚期的海洋氧化过程中在全球扩张，它对有氧呼吸的毒化作用可能阻碍了包括动物在内的真核生物的发展，成为它们所面临的主要自然选择压力。在此事件之后的埃迪卡拉纪末期，灯影组中铈异常Ce/Ce*值从底到顶总体呈现降低趋势，可能反映表层海水和大气中氧气含量的进一步增高。直到此时，宏观的双侧对称动物才以较复杂的遗迹化石和具骨骼的实体化石形式开始出现在地质记录中。埃迪卡拉纪海洋中的初级生产力可能还是主要来自原核生物。动物虽然开始逐渐繁盛，但其以需氧量较少的底栖固着滤食性的埃迪卡拉型动物以及海绵为主，他们可能对降解之前积聚在海洋中的巨量溶解有机碳起到了重要的作用，为以后海洋的进一步氧化扫清了障碍。华南黑色岩系中的δ98/95Mo最高值在寒武纪早期逐步升高，并且在约520 Ma达到现代广海海水的水平，意味着此时海洋的氧化程度首次达到了现代水平。动物最主要的栖息地——大陆边缘的氧化状态可能更加持久稳定，缓解了埃迪卡拉纪时动荡的氧化还原环境对动物生存所造成的压力。这次海洋的深度氧化事件和寒武纪生命大爆发同步，当氧化海底面积扩大到现代水平时，寒武纪生物辐射也达到顶峰，几乎所有的动物门类至此都已出现。动物在氧化的有利环境中，逐步发展了大型化、（反）捕食行为、掘穴行为、骨骼等重要特性。真核浮游植物也开始成为初级生产力的重要组成部分，是中型浮游动物的主要食物来源，并进一步促成了营养层级和个体大小层级的扩展，海洋生态系统的结构向现代趋近。这些生物及其相关特性的出现，不仅大多受到寒武纪早期海洋氧化事件的推动，并且有一部分通过影响海洋的营养元素和碳循环，从而反过来促进并稳定了海洋整体的氧化状态。收起

关键词 : 海洋环境氧化还原地球化学新元古代晚期寒武纪早期

5. 华南埃迪卡拉纪晚期-寒武纪早期海洋的氮循环与环境演化

[学位论文] 王丹南京大学 2015年博士导师: 凌洪飞共125页

摘要 : 新元古代晚期—寒武纪早期是地球演化历史的重大转折时期，这一时期古海洋环境的变迁以及后生动物的起源与演化是近些年来国际上的研究热点之一。华南扬子地块之上广泛沉积了新元古界到寒武系的地层，保存完好并含有丰富的化石资料。本文选取扬子地区... 展开新元古代晚期—寒武纪早期是地球演化历史的重大转折时期，这一时期古海洋环境的变迁以及后生动物的起源与演化是近些年来国际上的研究热点之一。华南扬子地块之上广泛沉积了新元古界到寒武系的地层，保存完好并含有丰富的化石资料。本文选取扬子地区五个代表性剖面，开展地层对比工作，建立深水沉积相区相对完整的年代地层学与有机碳同位素地层学框架，应用氧化还原敏感元素(Mo、U、V)综合分析扬子沉积盆地的氧化还原环境、开放程度以及同时期全球海洋的氧化进程，应用氮同位素反映盆地内氧化还原界面的位置，重建氧化还原结构在时间与空间上的演化，并推测海洋环境变迁对生命演化的影响。本文将深水沉积相区有机碳同位素与浅水沉积相区的有机碳、无机碳同位素进行对比，并结合生物化石记录和锆石U-Pb年龄数据，认为埃迪卡拉系—寒武系界线在湖南、贵州等地深水沉积相区可放置于留茶坡组上部较大的有机碳同位素负漂移(BACE)出现的位置，在浙江的深水沉积相区可放置于皮园村组的顶部;由于深水沉积相区沉积速度较慢地层厚度较薄，寒武系幸运阶—第二阶界线位置难以确定，可能位于留茶坡组顶部/牛蹄塘组底部有机碳同位素正漂移(ZHUCE)开始的位置;寒武系第二阶—第三阶界线可能位于牛蹄塘组（小烟溪组、荷塘组）底部Ni-Mo富集层和有机碳同位素负漂移(SHICE)之上;湖南、贵州等地牛蹄塘组中上部和浙江荷塘组中上部地层属于寒武系第三阶，发现有机碳同位素的正漂移（CARE），是否达到第四阶尚无法确认;湖南地区小烟溪组中下部地层属于寒武系第三阶，发现有机碳同位素的正漂移(CARE)，中部地层属于寒武系第四阶下部，发现有机碳同位素的正漂移(MICE)，中上部地层属于寒武系第四阶中部，发现有机碳同位素的正漂移(AECE)，上部地层属于寒武系第四阶上部，是否达到寒武系第四阶顶部尚无法确定。碳同位素的负漂移常常与生物灭绝事件相吻合，可能是由于海侵时期上升流水体将底层富含12C还原水体带至浅水地区，造成碳同位素的负漂移，并导致埃迪卡拉动物群、小壳化石动物群和古杯动物的灭绝。沉积物中氧化还原敏感元素(Mo、U、V)综合分析显示，寒武纪早期（幸运期—第四期）扬子东南缘盆地的底层水体普遍处于缺氧还原的沉积环境，“楔形”硫化水体夹在氧化的表层水体与富铁还原的底层水体之间，其分布空间与影响范围在不同时期有所波动。幸运期—第二期早期沉积物中Mo元素富集程度较低(＜30ppm)，U、V元素富集呈中等程度富集([U]=10～60ppm;[V]=200～600ppm)，表明底层水体普遍处于弱还原—非硫化的还原环境，硫化楔水体尚没有广泛发育;第二期晚期Mo、U、V元素的富集程度普遍较高，Mo、U元素含量高达几十到几百ppm，V元素含量可高达上千ppm，表明伴随着大规模的海侵事件，底层水体普遍为硫化还原的沉积环境，硫化楔水体广泛分布在浅水大陆架边缘和盆地沉积相区;第三期早期Mo、U、V元素的富集程度减弱([Mo]=50～100ppm;[U]=10～60ppm;[V]=200～4000ppm)，表明底层水体还原性变为弱还原—间歇性硫化还原的沉积环境，硫化楔水体范围有所缩小;至第三期晚期浅水沉积相区沉积物中Mo、U、V元素未呈现富集，表明底层水体可能已经完全氧化，但深水盆地沉积相区Mo、U、V元素的富集程度增强([Mo]=100～500ppm;[U]=20～200ppm;[V]=200～15000ppm)，表明底层水体处于较强的硫化还原的沉积环境，硫化楔水体再次扩张，但分布范围较第二期晚期要小，没有影响到大陆架边缘区;第四期早期伴随着海平面的下降，深水盆地沉积相区Mo、U、V元素的富集程度有所减弱([Mo]=2～60ppm;[U]=3～60ppm;[V]=300～2500ppm)，表明底层水体处于弱还原—间歇性硫化还原的沉积环境，硫化楔水体影响范围再次缩小;但在第四期中期和晚期伴随着海侵事件，沉积物中Mo、U、V元素的富集程度再次加强，Mo、U元素含量高达几百ppm，V元素含量高达上千ppm，表明其底层水体变成硫化还原的沉积环境，硫化楔水体扩张，是否影响到浅水沉积相区尚不明确。总体来说，寒武纪早期扬子东南缘盆地内“楔形”硫化水体范围呈缩小的趋势，反映了海洋的逐渐氧化。 Mo-U共变图分析显示，随着沉积物中Mo、U元素富集程度的增强，Mo/U比值并没有明显的升高，主要分布在现代海洋Mo/U比值一倍海水线和三倍海水线之间，表明寒武纪早期扬子东南缘是一个弱封闭的沉积盆地，盆地上部水体与外海的沟通良好，但深部水体与外海的沟通较差，导致深部水体中Mo元素有一定程度的亏损。沉积物中Mo/U比值稳定地分布在现代海洋一倍海水线和三倍海水线之间，说明寒武纪第二期大规模的海侵事件以来，盆地的封闭/开放程度没有明显的变化，仅在第四期早期Mo/U比值有所降低，低于一倍海水线，说明受该时期海退事件的影响，盆地的开放性减弱;在随后的第四期中期，受海侵事件影响，Mo/U比值又上升至一倍海水线和三杯海水线之间，说明盆地的封闭/开放程度又恢复到第二期和第三期的水平。盆地内沉积物中Mo/TOC比值分析显示，空间上从大陆架边缘区的三岔剖面到深水沉积相区的袁家剖面和会同剖面，Mo/TOC比值从～15下降至～3-4，说明水体中的Mo元素含量逐渐下降，是弱封闭盆地深部水体与外海的沟通较差所致;时间上从寒武纪第二期到第四期，袁家剖面和会同剖面的Mo/TOC比值逐渐升高，Mo/TOC平均值从～3-4上升至～15，说明盆地内水体中Mo元素的含量逐渐升高，在盆地的封闭程度没有明显变化的情况下，水体中Mo元素含量的升高指示了大洋水体中Mo浓度的升高，从而也说明全球海洋Mo储库的增大，反映寒武纪早期全球海洋氧化程度的逐渐增强，为寒武纪生命大爆发及其后续的生命演化提供环境基础。沉积物中氮同位素可以反映水体的氧化还原状态与氧化还原界面的位置。本次研究获得扬子地区埃迪卡拉系—寒武系四个典型剖面的氮同位素数据，同时总结前人测得的其他剖面的氮同位素数据，综合分析埃迪卡拉纪晚期—寒武纪早期海洋的氧化还原结构。埃迪卡拉纪晚期—寒武纪幸运期，δ15Nbulk值分布在+2～+6‰，表明海洋的氧化程度较高，水体中NO3-浓度可能接近现代海洋，埃迪卡拉纪末期δ15Nbulk值下降至-2～+4‰，生物固氮作用增强并伴随着NH4+的吸收作用，说明底层还原水体扩张，氧化还原界面上升，在深水沉积相区甚至可能上升至透光层;寒武纪幸运期末期—第二期早期，δ15Nbulk值在浅水碳酸盐台地和过渡沉积相区分布在-1～+9‰之间，在斜坡—盆地沉积相区分布在-2～0‰之间，N循环的主要方式在反硝化作用、固氮作用和NH4+吸收之间波动，可能是由于深部的还原水体间歇性的扩张至浅水沉积相区，导致氧化还原界面在水体中波动;寒武纪第二期晚期，δ15Nbulk值降低至-6～+2‰，呈现出一个较大的负漂移，NH4+吸收作用和生物固氮作用成为N循环的主导方式，说明伴随着海侵事件，强烈的上升流将深部的还原水体带至浅水沉积相区，导致氧化还原界面上升至透光层;寒武纪第三期早期，δ15Nbulk值主要分布在0～+6‰，说明海水氧化程度较高，水体中NO3-浓度也较高，为寒武纪生物大爆发提供环境基础;第三期晚期，δ15Nbulk值下降至-3～+3‰，N循环方式以生物固氮作用和NH4+的同化吸收为主，说明深部的还原水体扩张，盆地沉积相局部地区氧化还原界面上升至透光层;寒武纪第四期，过渡沉积相区雾河剖面δ15Nbulk值主要分布在+4～+6‰，说明水体中NO3-浓度较高，指示氧化的水体环境，为三叶虫等动物提供了良好的生存环境。而深水盆地沉积相区的会同剖面，δ15Nbulk值主要分布在0‰附近，N循环方式以生物固氮作用为主，表明水体还原程度较高，表层水体NO3-浓度较低，在第四期的中期，会同剖面δ15Nbulk值一度下降至-3‰，N循环方式以NH4+的同化吸收为主，氧化还原界面上升至透光层，但并未影响到过渡沉积相区。总体来说，埃迪卡拉纪晚期—寒武纪早期海洋整体的氧化程度已经很高，海水中NO3-浓度达到较高水平，为寒武纪生命大爆发和物种的繁盛提供了环境基础。扬子沉积盆地内多次发生表层水体还原事件，可能与埃迪卡拉系动物群、小壳化石动物群和古杯动物的灭绝有关。收起

关键词 : 海洋地球化学沉积物碳同位素氮同位素氧化还原结构埃迪卡拉纪晚期寒武纪早期

6. 下扬子埃迪卡拉纪晚期和寒武纪早期沉积碳酸盐岩地球化学研究

[学位论文] 李伟平中国科学技术大学 2017年博士导师: 郑永飞共156页

摘要 : 海洋沉积碳酸盐岩记录着的地球表层演化历史的重要信息，利用沉积碳酸盐岩同位素变化历史来反映海洋组成和碳循环的变化是研究古环境和古气候变化的一个重要课题。碳酸盐岩中的微量元素可以很好的反映其沉积环境和成岩历史，稀土元素配分模式可以识别... 展开海洋沉积碳酸盐岩记录着的地球表层演化历史的重要信息，利用沉积碳酸盐岩同位素变化历史来反映海洋组成和碳循环的变化是研究古环境和古气候变化的一个重要课题。碳酸盐岩中的微量元素可以很好的反映其沉积环境和成岩历史，稀土元素配分模式可以识别沉积相，结合Y/Ho-(Sm/Nd)PAAS相关性和稳定同位素的变化可以恢复沉积环境中相对海平面的变化。纯碳酸盐中具有较高海水-地壳分配系数(Kx)的元素可以记录开阔海水的组成，而具有低Kx和较短居留时间的水难溶性元素（如REE、Al、Sc和Y等）则可以记录海水组成受到陆源物质输入的影响程度。碎屑锆石的年龄可以记录地质历史时期的岩浆活动的强度和时间，通过对比碎屑锆石U-Pb年龄频谱图可以很好地识别沉积环境的物质来源。通过对华南巢湖地区汤山剖面埃迪卡拉纪晚期和寒武纪早期沉积碳酸盐岩进行高精度的碳氧同位素组成、有机碳同位素以及主微量元素和非碳酸盐物质含量的分析，可以发现碳酸盐碳同位素组成(δ13Ccarb)表现出了明显的四次正异常（DP1，LP1，LP2和BP1）和四次负异常（ECN，LN1，LN2和BN1）。在灯影组和冷泉王组的边界，碳同位素和氧同位素均出现了一次明显的降低，碳同位素最低达到-2‰(ECN)，然后碳同位素组成又升高到1‰左右(LP1)。冷泉王组早期具有较低的碳同位素组成(LN1)，然后在冷泉王组末期和半汤组的早期出现碳同位素组成从0‰左右(LP2)降低到-1.81‰左右(LN2)，在半汤组早期又增加至1.74‰左右(BP1)。从半汤组晚期到山凹丁群早期，则表现出碳同位素组成的缓慢降低，最低值达到-2‰左右(BN1)。然而，氧同位素的变化则相对简单，仅仅从埃迪卡拉纪晚期（平均值-3.5‰左右）到寒武纪早期（平均值-6.0‰左右）出现了一次大约2.5‰的降低，随后在寒武纪早期呈现缓慢降低的趋势。在灯影组和冷泉王组的界限上氧同位素和碳同位素负异常ECN有很好的同时性。碳酸盐岩中有机物的碳同位素（δ13Corg）则表现出了三次明显正异常(DP1、LP1和LP2)和两次明显负异常(ECN和LN1)。在埃迪卡拉纪晚期灯影组和寒武纪早期冷泉王组与半汤组早期，碳酸盐岩的δ13Corg和δ13Ccarb具有明显的正相关性，在半汤组上部的地层中，δ13Corg和δ13Ccarb出现了明显的脱耦。通过对汤山剖面和华南其他同时期碳酸盐岩地层的碳同位素组成的对比，确定了汤山剖面的埃迪卡拉纪晚期-寒武纪早期的边界应该是在灯影组和冷泉王组的界限上，和汤山剖面岩性的界限一致。巢湖汤山晚灯影组和早冷泉王组的白云岩的Mg同位素在误差范围内基本不变，可能反映了当时海洋Mg循环处于一个稳态条件，早前沉积的碳酸盐岩的风化是海洋Mg的主要输入来源。主量元素、XRD和SEM的分析结果表明，巢湖汤山埃迪卡拉纪晚期-寒武纪早期地层主要是原白云石，矿物颗粒较小且边界清晰，反映了快速沉积的过程。部分具有低Mg/Ca比的样品中含有大量的微小方解石聚集体，且全岩粉末δ13Ccarb低至-3.5‰，可能是由于有机物的矿化等过程所形成的自生碳酸盐。汤山灯影组中部的碳酸盐岩具有轻稀土亏损重稀土富集的稀土配分模式和高Y/Ho，反映了正常海洋沉积环境，而灯影组晚期和寒武纪早期的碳酸盐岩则具有平坦的REE+Y配分模式和低Y/Ho，表明它们是在易受到陆源影响的近海台地相中沉积形成的。水难溶性元素Sc，Al，Th和REE与非碳酸盐物质含量具有很好的正相关性，在灯影组晚期到冷泉王组早期出现明显的增加。氧同位素组成的降低和水难溶元素含量的增加指示了在埃迪卡拉纪晚期-寒武纪早期边界附近很可能存在一次近海地区来自陆源的物质输入增加的事件，与Y/Ho-δ18Ocarb相关性反映的大量淡水加入、相对海平面升高的结果一致。碳同位素的异常和水难溶性元素存在的负相关性则表示，碳同位素的负异常可能与增加的陆源输入相关。这些陆源物质中携带有大量的P，N等元素、低的13C组分和大量氧化剂，一方面有机物的矿化降低了沉积环境的DIC的δ13C值，从而造成了寒武纪早期的碳同位素负异常，另一方面为寒武纪早期中期的生物多样性的出现提供了充足的营养物质。通过对纯碳酸盐组分的Y/Ho比值和(Sm/Nd)PAAS、(Gd/Nd)PAAS相关性和稳定同位素的结果，发现巢湖汤山地区在埃迪卡拉纪晚期-寒武纪早期发生了多次的相对海平面的降低和上升事件，指示了海退和海进的过程，可能和这一时期的超大陆活动有关。发生在半汤组的海进过程使得汤山地区又重新和开阔海洋联通，可以发生同位素和物质的交换，造成了碳酸盐岩的δ13Corg和δ13Ccarb的脱耦，这对我们认识新元古代溶解有机碳储库存在的时间和空间尺度提供了新的认识，部分地区发现的寒武纪早期碳酸盐岩的δ13Corg和δ13Ccarb的耦合关系可能用作说明溶解有机碳储库的消失。对灯影组碎屑锆石的U-Pb年龄和微量元素的分析发现，灯影组沉积的时代不早于585±14Ma。同时碎屑锆石的U-Pb年龄记录了四次明显的岩浆活动，特别是～800Ma新元古代的年龄较多，反映的是当时Rodinia超大陆裂解所造成的剧烈和大范围的岩浆活动。通过对比华南和华北碎屑锆石年龄频谱图的比研究发现，巢湖汤山地区埃迪卡拉纪晚期-寒武纪早期的主要物源区是华南陆块。收起

关键词 : 海相碳酸盐岩埃迪卡拉纪晚期寒武纪早期边界碳氧同位素镁同位素有机碳同位素

7. 扬子南缘新元古代晚期—寒武纪早期古环境重建——多指标地球化学研究

[学位论文] 李达南京大学 2010年博士导师: 凌洪飞共181页

摘要 : 中国华南扬子板块在新元古代到寒武纪早期大范围沉积了较为连续的地层，这些地层具有不同的岩石组合，形成于不同的沉积相。同时，在扬子板块该时间段地层里，发现了保存完好的多个古生物化石群。生命的演化与地球环境是紧密相关的。本论文选取扬子板... 展开中国华南扬子板块在新元古代到寒武纪早期大范围沉积了较为连续的地层，这些地层具有不同的岩石组合，形成于不同的沉积相。同时，在扬子板块该时间段地层里，发现了保存完好的多个古生物化石群。生命的演化与地球环境是紧密相关的。本论文选取扬子板块十余处代表性剖面，开展了地球化学地层学工作，并在厘清版内地层横向对比的基础上，应用了多种指标的地球化学研究，试图系统恢复地史上这一重大转折时期的古海洋环境变迁。碳同位素地层学与生物地层学证据相结合，可以有效地对化石证据不足的剖面进行对比。对云南东部艾迪卡拉系-寒武系界线碳酸盐地层研究表明，云南东部滇池断裂带西侧梅树村剖面缺失待补段和大海段上部沉积，而断裂带东侧老林、肖滩剖面在界线上下沉积序列完整连续。综合认为肖滩剖面可以作为扬子板块艾迪卡拉系-寒武系界线层型剖面。扬子板块艾迪卡拉系-寒武系早期界线地层，在生物地层学的基础上，可以与全球十多处同时期界线地层相互对比，如西伯利亚、蒙古、摩洛哥、阿曼、伊朗和加拿大等地。最明显的相似特征是艾迪卡拉纪-寒武纪界线处的δ13C强烈负漂移(＜-4‰)和前托莫特阶的δ13C正漂移(＞4‰)。全球艾迪卡拉纪-寒武纪界线处的δ13C负漂移可能与全球性地球化学事件相关，与生物绝灭和演化有关的生物驱动机制可能是主要原因。由于海洋生命活动减弱导致生物动力学对碳的分馏的减少，有机质埋藏比降低，海洋中化变层的下降使得一部分TOC进一步重矿化，碳酸盐δ13C进一步降低。而前托莫特阶的δ13C正漂移反映的是大洋的分层环境，以及表层海水寒武纪小壳类生命的繁盛。另外，对新元古代成冰纪的大塘坡间冰期样品无机碳和有机碳同位素研究表明，深海存在一个大的有机碳库，有机质埋藏比高(78.2％)，指示高的生物生产率。本次研究获得了云南东部肖滩剖面梅树村阶锶同位素地层演化曲线，并用该锶同位素曲线与全球其它碳酸盐台地相的剖面做精确对比，对比最明显的特征是Nemakit-Daldynian阶87Sr/86Sr从～0.7085下降到～0.7081。全球寒武纪早期海水锶同位素的降低趋势表明大陆风化的减弱、海底火山喷发或者新鲜玄武岩洋壳蚀变的增加，肖滩剖面锶-碳同位素的耦合关系表明CO2的减少及大气圈和水圈之间的相互作用。本文也提出了海相化学/生物沉积岩全岩锶同位素地层学研究的—个最佳适合实验方法。该方法主要针对样品选取、样品制备、化学前处理、溶样方法步骤给出最合适的方案，锶化学提纯和仪器测定步骤则与具体实验室有关。对云南东北艾迪卡拉纪末期-寒武纪早期地层的Ce负异常证据，结合古沉积水深、其它氧化还原指标等，可以判定寒武纪梅树村期开始出现大气O2含量的增加，使浅海逐渐氧化。对贵州大塘坡间冰期锰碳酸盐沉积及之前的冰期沉积灰岩透镜体的Ce异常研究表明，大塘坡间冰期开始时，海底缺氧状态被打破，深部海水可能出现局部氧化，Ce被氧化而向下沉淀，在缺氧的沉积物中发生富集形成Ce正异常。本文认为，海洋分层是控制海水Ce异常的一个重要因素。在这种情况下，海水Ce异常随时间的变化可能代表的是海水氧含量的变化，也可能代表的是海平面升降或海水循环导致沉积深度和沉积位置变化的结果。Ce异常参数常受到成岩作用、风化作用等的影响。应用Ce异常只能判断局域海的氧化还原，且需格外小心。氧化还原敏感元素中，U、V、Mo、Ni、Cu最适合指示氧化还原及生物生产率。应用该方法对扬子西南缘寒武纪梅树村阶地层的研究表明浅海为氧化环境;对三峡地区艾迪卡拉纪研究表明沉积为缺氧环境，但是在南沱冰期结束即陡山沱组开始的白云岩盖帽样品指示短暂的氧化状态;对贵州成冰纪间冰期初期地层的研究则表明氧化状态，之前的Sturtian冰期为缺氧状态。大塘坡间冰期早期沉积地层中，草莓状黄铁矿为主导的形态学特征，以及高δ34Spyr，反映黄铁矿是在属于封闭体系的缺氧的孔隙水中生成。大塘坡初期之后，水体的分层逐渐形成，黄铁矿含量也逐渐减少。本次选取了扬子南缘海盆内不同沉积相（台地-斜坡-深海），不同时间段（成冰纪-艾迪卡拉纪-寒武纪早期）的十条剖面，由铁组分证据分别得出的不同时间段、不同沉积相内的氧化还原环境。从时间演化顺序上说，在成冰纪大塘坡间冰期初期，海盆深处处于缺氧富铁状态，但局部氧化。到了艾迪卡拉纪陡山沱时期，化变层上移，浅海到深海都为缺氧富铁海;艾迪卡拉纪灯影峡阶，大气氧含量增加，浅层海水不断受到大气氧增加的影响而出现脉冲式氧化，化变层不断下移，而深海仍然保持缺氧硫化状态。在艾迪卡拉纪—寒武纪转换时间段内，海盆内出现上升流，缺氧富铁的深部海水以及营养物质都被带到浅层海水，同时在大陆架边缘到斜坡地带，出现了一个硫化“席”环境，夹在上下都为富铁的海水中。到了寒武纪梅树村阶以及筇竹寺阶早期，海盆中硫化环境消失，取而代之的是缺氧富铁海，浅表层海水为氧化环境。而到筇竹寺阶晚期，铁组分证据又证明海水浅部及深部都呈现氧化状态，海水上下充分对流。本论文主要成果和创新要点归纳如下: (1)通过对艾迪卡拉系-寒武系界线地层的文献研读和剖面实测，结合应用碳同位素地层学和生物地层学的方法，认为云南东部滇池断裂带西侧的梅树村剖面缺失待补段硅质岩沉积和大海段上部灰岩沉积，而东侧的老林和肖滩剖面的界线地层更加完整连续且沉积厚度更大。应用碳、锶同位素地层学可以很好地将老林、肖滩剖面与世界同期界线地层进行对比。综合对比后认为肖滩剖面出露完好，生物及地球化学证据充分，可以作为扬子板块艾迪卡拉系-寒武系界线层型剖面，并具国际对比潜力。 (2)本论文在对不同碳酸盐、磷酸盐不同溶解方法的试验基础上，建立了一套用于海相生物/化学自生沉积岩的锶同位素地层学研究最佳适合方法，包括样品选取、样品制备、化学前处理、溶样方法各个步骤。该方法对今后锶同位素地层学研究，特别是前寒武的沉积地层研究，有重要参考意义。 (3)本论文应用稀土元素Ce异常、黄铁矿形态和一些氧化还原敏感元素对新元古代成冰纪和艾迪卡拉纪末期-寒武纪早期的扬子南缘海氧化还原状态进行了研究。大塘坡期Ce异常、黄铁矿形态及硫同位素证据都证明了当时海水的氧化状态，化变层下移到沉积柱中，同时也反映冰期结束后海平面很低，藻类大量复苏，并在沉积柱中降解。云南艾迪卡拉纪末期-寒武纪早期的浅海碳酸盐地层的Ce异常表明，寒武纪梅树村期开始出现大气O2含量的增加，使浅海逐渐氧化，同时期小壳动物演化辐射。 (4)沉积岩中各铁组分之间的比例关系，是国际上近年发展起来的判断古海洋环境氧化还原状态的一个非常有效的指标，这方面研究在国内刚刚起步。本次研究在国外学习并总结了铁组分地球化学的实验方法，并应用于扬子南缘新元古代从成冰纪大塘坡期、艾迪卡拉纪到寒武纪早期的沉积样品。论文对来自不同沉积相（台地、斜坡、深水）的样品进行铁组分分析，获得的结果反映了扬子南缘海盆不同水深的氧化还原梯度。在时间演化顺序上，大塘坡早期深海为缺氧富铁，局部出现氧化，陡山沱期浅海到深海都处于缺氧富铁状态，灯影期浅海不断氧化，寒武纪梅树村早期斜坡相出现硫化“席”夹在上下缺氧富铁水体中间，随后硫化状态消失，到了筇竹寺期海盆整体氧化。收起

关键词 : 新元古代晚期-寒武纪早期扬子板块碳同位素锶同位素铈异常氧化还原敏感元素古环境重建多指标地球化学