楊臻元,孫躍武,張永利,鞏恩普

1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,沈陽(yáng)110004；2.吉林大學(xué)古生物學(xué)與地層學(xué)研究中心,長(zhǎng)春130026

0 引言

微量分析技術(shù)大大提高了人們對(duì)有孔蟲(chóng)化石中微量元素作為古環(huán)境指示意義的認(rèn)識(shí)[1,2]，電子掃描電鏡--能譜分析(SEM--EDS)，激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜分析(LA--ICP--MS)[3,4]以及電子探針微區(qū)分析(EPMA)[5--8]等方法在研究浮游有孔蟲(chóng)[5,6,9]與底棲有孔蟲(chóng)[10]的古生態(tài)學(xué)特征方面有著重要的作用。

然而，蜓類(lèi)化石作為有孔蟲(chóng)中一個(gè)已經(jīng)絕滅的類(lèi)別，利用微量元素來(lái)分析古環(huán)境尚處于探索中。大多數(shù)關(guān)于蜓類(lèi)化石的報(bào)道集中在形態(tài)學(xué)方面的定性研究，只有少數(shù)學(xué)者嘗試?yán)秒娮訏呙桦婄R或其他微觀(guān)觀(guān)察技術(shù)研究蜓類(lèi)化石，并認(rèn)為蜓類(lèi)化石單純由不同粒度的方解石顆粒組成[11--16]。在電子掃描電鏡觀(guān)察時(shí)，必須對(duì)樣品表面進(jìn)行適當(dāng)溶蝕[17--19]。對(duì)于硅化的蜓類(lèi)化石直接使用稀鹽酸處理后即可進(jìn)行掃描電鏡觀(guān)察[20]。

目前，有關(guān)蜓類(lèi)化石的化學(xué)成分及其與微細(xì)構(gòu)造之間關(guān)系的研究尚處于探索階段。本次研究中，選取采自貴州省紫云路馬寨剖面晚石炭世威寧組上部與內(nèi)蒙古包頭阿木烏蘇剖面晚石炭—早二疊世阿木山組的蜓類(lèi)化石，對(duì)包括Schubertella，Pseu-dostaffella，F(xiàn)usulinella和Ozawainella在內(nèi)的蜓化石開(kāi)展了鋁元素的電子探針微區(qū)成分分析，這些蜓化石具有殼體較小、隔壁褶皺平直、內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的特征，便于開(kāi)展蜓化石結(jié)構(gòu)與成分間關(guān)系的識(shí)別。這項(xiàng)研究對(duì)詳細(xì)了解蜓類(lèi)生物的活動(dòng)模式具有重要的意義，并且為研究蜓類(lèi)生物習(xí)性提供了新的視角。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 貴州省紫云威寧組

在貴州省紫云市猴場(chǎng)鎮(zhèn)路馬寨村地區(qū)新發(fā)現(xiàn)了一處大型微生物巖礁丘(圖1)，對(duì)整個(gè)礁丘進(jìn)行實(shí)測(cè)后發(fā)現(xiàn)在微生物巖中段與礁丘蓋層中均有蜓類(lèi)化石產(chǎn)出?；?jīng)筆者初步鑒定主要為Fusulinella，Pseudostaffella，Schubertella，Ozawainella和Staffella。Pseudostaffella屬僅在第7層(礁丘蓋層) 中發(fā)現(xiàn)并且具有相當(dāng)高的豐度(圖1)，主要包括Pseudostaffellacuboides，P.panxianenesis，P.paradoxa。其中，Pseu-dostaffellaparadoxa是Fusulinella--Fusulinella化石帶中Fusulinapakhrensis--Pseudostaffellaparadoxa亞帶的帶化石[21]，結(jié)合礁內(nèi)Fusulinella分子的穩(wěn)定出現(xiàn)，路馬寨礁丘的時(shí)代屬于晚莫斯科期。

圖1 采樣位置及層位Fig.1 Location and horizons of fusulinids samples

1.1.2 內(nèi)蒙古白云鄂博阿木山組

阿木烏蘇剖面位于內(nèi)蒙古白云鄂博北部，是晚石炭—早二疊世阿木山組的建組剖面(圖1)，整個(gè)剖面可以分為兩段：下段巖性以石灰?guī)r為主，包含數(shù)層粉砂巖夾層；上段則轉(zhuǎn)變?yōu)橐运樾紟r為主，包括細(xì)砂巖，巖屑石英砂巖和石英砂巖等。化石主要產(chǎn)于上--下段界限附近的灰?guī)r層中，豐度較高，但多樣性較低，主要為Quasifusulina，Sphaeroschwagerina和Triticites，伴生有少量的Ozawainella，Schubertella和Pseudoendothyra，共6屬11種，名單如下：Ozawainellacrassiformis，O.vozhgalica，Schubertellaobscura，Triticitesohioensis，T.sinuosus，T. sp.，Sphaeroschwagerinamoelleri，Quasifusulinabrevituba，Q.longgissima，Q.spatiosa，Pseudoendothyrasp.[22]。

本次研究選取兩個(gè)剖面上化石個(gè)體較小的蜓類(lèi)化石作為實(shí)驗(yàn)材料，共計(jì)7張薄片，包含11個(gè)化石軸切面或近軸切面(表1)。

表1 測(cè)試所用蜓化石軸切面Table 1 Axial sections of fossil fusulinids analyzed

1.2 方法

樣品按照電子探針薄片標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制備，先在光學(xué)顯微鏡下(Olympus BX51)進(jìn)行觀(guān)測(cè)和照相。

在樣品鍍碳前使用無(wú)水乙醇以及蒸餾水對(duì)薄片進(jìn)行反復(fù)清洗并干燥，確保薄片表面沒(méi)有被污染。

實(shí)驗(yàn)在吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院電子探針微區(qū)分析實(shí)驗(yàn)室完成，使用儀器為日本 JEOL JXA--8230 型電子探針儀，采用樣品臺(tái)掃描(Stage Scan)模式，測(cè)試條件為加速電壓15 kV，掃描間隔1 μm×1 μm，駐留時(shí)間10 ms。

2 描述

為明確化石屬種與對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否存在影響，首先需要對(duì)樣品詳細(xì)觀(guān)察并進(jìn)行系統(tǒng)古生物學(xué)分類(lèi)。因電子探針薄片與生物薄片存在一些差別，導(dǎo)致光學(xué)顯微鏡觀(guān)察效果不佳，確定到種存在一定難度。

蜓目OrderFusulinidaFursenko,1958

紡錘蜓超科SuperfamilyFusulinaceaMoeller,1878

小澤蜓科FamilyOzawainellidaeThompsonetFoster,1937

小澤蜓亞科SubfamilyOzawainellinaeThomp-sonetFoster,1937

小澤蜓屬GenusOzawainellaThompson,1935

模式種FusulinellaangulataColani,1924

小澤蜓(未定種)Ozawainellasp.

(圖2A,C)

殼小，凸鏡形，長(zhǎng)約0.39～0.50 mm，寬約1.00 mm，軸率0.39～0.50，4～5圈。標(biāo)本重結(jié)晶較為明顯，旋壁結(jié)構(gòu)不清晰，致密層與內(nèi)疏松層可以識(shí)別，外圈旋壁隱約具有透明層(圖2A)。旋脊不顯著，內(nèi)圈上可以觀(guān)察到(圖2C)。隔壁平直。

產(chǎn)地及層位：內(nèi)蒙古白云鄂博阿木烏蘇，阿木山組。

A, B.#6088; C, D. #6086圖2 Ozawainella切片的光學(xué)照片和鋁元素電子探針掃描照片F(xiàn)ig.2 Optical and Al EPMA images of Ozawainella

假史塔夫蜓亞科SubfamilyPseudostaffellinaePutr-ja,1956

假史塔夫蜓屬GenusPseudostaffellaThompson,1942

模式種PseudostaffellaneedhamiThompson,1942

假史塔夫蜓(未定種)Pseudostaffellasp.

(圖3A, C, E, G)

殼小，近乎正方形，殼緣鈍圓。長(zhǎng)約0.40～1.40 mm，寬約0.35～1.40 mm，軸率0.85～1.15，4～5圈。旋壁由致密層以及內(nèi)外疏松層組成，個(gè)別標(biāo)本外圈上可見(jiàn)透明層(圖3E)，旋脊發(fā)育，在一些標(biāo)本上呈塊狀且向極部延伸(圖3A)，通道較為顯著。隔壁平直。

產(chǎn)地及層位：貴州省紫云縣路馬寨，威寧組。

3 結(jié)果

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的11個(gè)軸切面與近軸切面中，絕大多數(shù)化石的鋁元素都表現(xiàn)為缺失的狀態(tài)，只在5個(gè)軸切面(#6086，#6088，#6093，#6121，#6125)上出現(xiàn)了相當(dāng)明顯的鋁元素富集現(xiàn)象。主要集中在紡錘蜓超科小澤蜓科的兩個(gè)屬化石上，一個(gè)是產(chǎn)自貴州省路馬寨的假史塔夫蜓Pseudostaffella，另一個(gè)則是產(chǎn)自?xún)?nèi)蒙古阿木烏蘇的小澤蜓Ozawainella。兩者產(chǎn)地不同，時(shí)代也有所差別。

利用重復(fù)控制跟蹤的統(tǒng)一潮流控制器抑制系統(tǒng)強(qiáng)迫振蕩方法//蔣平,陳瓊,吳熙,蔡暉,祁萬(wàn)春,謝珍建//(18):64

3.1 Pseudostaffella的鋁元素

貴州省紫云布依族自治縣猴場(chǎng)鎮(zhèn)的路馬寨剖面威寧組的Pseudostaffella屬具有如下特點(diǎn)：殼體呈方形或盤(pán)形，發(fā)育有低寬、濃重的旋脊，旋壁通常在5圈左右，屬于較為典型的莫斯科晚期化石。這些化石與巴什基爾期以Pseudostaffellaantiqua為代表的Pseudostaffella差別顯著，后者的殼體更小，呈球形，旋脊通常呈點(diǎn)狀。在鋁元素EPMA圖上，鋁元素富集位置都在Pseudostaffella的旋壁最外圈位置，而在所有Pseudostaffela內(nèi)部位置都沒(méi)有觀(guān)察到鋁元素的富集現(xiàn)象(圖3A-H)。

3.2 Ozawainella的鋁元素

內(nèi)蒙古包頭市阿木烏蘇地區(qū)阿木山組建組剖面的Ozawainella屬，與豐富的Triticites共生，其上部層位首次出現(xiàn)Sphaeroschwagerina，因此，當(dāng)前測(cè)試的Ozawainella屬的層位為格舍爾階。在鋁元素EPMA圖上，也觀(guān)察到了Ozawainella屬的鋁元素富集現(xiàn)象(圖2)。然而，通過(guò)詳細(xì)比較化石圖版和EPMA圖像，幾乎可以確定在Pseudostaffella和Ozawainella上出現(xiàn)的鋁元素富集現(xiàn)象有所不同：Pseudostaffella的鋁元素富集現(xiàn)象只出現(xiàn)在旋壁最外層的殼圈上，而在化石內(nèi)部幾乎沒(méi)有觀(guān)察到任何鋁元素的富集。與之不同的是，Ozawainella的鋁元素富集不僅出現(xiàn)在旋壁的最外圈位置上，同樣出現(xiàn)在化石殼體內(nèi)部并具有一定的規(guī)律性，大致與旋壁位置相吻合，這一現(xiàn)象在#6088樣品上(圖2A，B)尤為明顯。此外，出現(xiàn)在Ozawainella的鋁元素富集水平相較于Pseudostaffella明顯更高。

4 討論

4.1 海洋環(huán)境中的鋁元素

通常來(lái)說(shuō)，鋁元素在海洋環(huán)境中的含量很低，部分觀(guān)點(diǎn)將其歸入痕量元素[23]。海洋中鋁元素基本上可以分為兩大類(lèi)，即無(wú)機(jī)鋁和有機(jī)鋁。無(wú)機(jī)鋁分為溶解態(tài)鋁與顆粒態(tài)鋁，溶解態(tài)鋁包括Al3+，羥基鋁以及各種鋁配合物。溶解鋁通常有3種來(lái)源，包括河流輸入、大氣沉降和海底沉積物的再釋放，分別對(duì)應(yīng)近岸海域、開(kāi)闊大洋以及海洋深部3類(lèi)區(qū)域[24,25]。有機(jī)鋁則情況非常復(fù)雜。

結(jié)合光學(xué)顯微鏡下對(duì)樣品的觀(guān)察以及檢測(cè)到的鋁元素含量水平，化石上的鋁元素應(yīng)當(dāng)屬于溶解態(tài)鋁而非顆粒態(tài)鋁。路馬寨微生物礁丘屬于開(kāi)闊臺(tái)地相或臺(tái)地邊緣相沉積[26]，同時(shí)在整個(gè)路馬寨剖面上缺乏陸源沉積物，相信其中的鋁元素應(yīng)當(dāng)主要來(lái)源于大氣沉降。根據(jù)對(duì)現(xiàn)代海洋環(huán)境的研究，溶解態(tài)鋁在垂向上的分布變化很劇烈，在0～200 m的范圍內(nèi)隨深度加深迅速遞減，表層水體中含量最高，且與微型浮游植物總數(shù)以及葉綠素濃度水平呈較為明顯的正相關(guān)性[27]。另一方面，生物的細(xì)胞膜與細(xì)胞壁通常帶有負(fù)電荷，對(duì)于金屬陽(yáng)離子表現(xiàn)出一定親和性[28]，現(xiàn)代海洋中大量存在的硅藻便會(huì)在細(xì)胞表面吸附相當(dāng)數(shù)量的溶解態(tài)鋁。

4.2 Pseudostaffella的鋁元素富集

值得注意的是，采集自路馬寨剖面進(jìn)行測(cè)試的各類(lèi)化石中僅有Pseudostaffella屬樣品顯示出特殊的鋁元素富集現(xiàn)象(圖3A-H)，而其他蜓類(lèi)化石(Schubertella和Fusulinella)則沒(méi)有這種現(xiàn)象(圖4A-D)。Schubertella的鋁元素富集(亮點(diǎn))并不是沿著殼體分布，而是集中在殼體的上方和左方位置(圖4A, B)；而Fusulinella周?chē)鷰缀鯖](méi)有鋁元素富集(亮點(diǎn))，只在右下角出現(xiàn)少量零星的亮點(diǎn)(圖4C, D)。此外，圍巖中檢測(cè)到的鋁元素含量也處于一個(gè)很低的水平，有些位置甚至無(wú)法檢測(cè)到。

實(shí)驗(yàn)中用到的Pseudostaffella和同層位同產(chǎn)地的其他蜓類(lèi)化石之間最為顯著的差別是殼體形狀。大多數(shù)的蜓類(lèi)化石的殼體都呈紡錘形或長(zhǎng)紡錘形，這意味著軸率>1。然而，有一部分蜓類(lèi)具有較為特殊的殼體形態(tài)，大致可以分為兩類(lèi)：①軸率約等于1，這部分蜓類(lèi)殼體包括球形、盤(pán)形或方形，以Staffella、Pseudostaffella、Sphaeroschwagerina等為代表;②軸率<1，也就是通常所提到的透鏡形殼體，以Pseudoendothyra、Ozawainella等為代表。

在路馬寨剖面上發(fā)現(xiàn)的Shubertella和Fusulinella基本都屬于紡錘形的殼體，軸率范圍在1.8～2.5之間，Pseudostaffella的軸率則在0.8～1.0之間。根據(jù)顏世永對(duì)假希瓦格蜓類(lèi)生活方式的研究[29]，蜓類(lèi)生物隨著軸率的增加，對(duì)水動(dòng)力作用的抵抗性會(huì)有顯著的提高。換而言之，Pseudostaffella對(duì)水動(dòng)力作用的適應(yīng)能力相對(duì)Shubertella和Fusulinella而言更弱，在相同水動(dòng)力作用條件下更容易進(jìn)行漂浮生活。這意味著Pseudostaffella的生活環(huán)境可能與Shubertella和Fusulinella的生活環(huán)境并不完全相同，它們各自活動(dòng)區(qū)域的水深可能存在差別。

A, B. Schubertella #6092; C, D. Fusulinella #6095圖4 Fusulinella和Schubertella切片的光學(xué)照片及鋁元素電子探針掃描照片F(xiàn)ig.4 Optical and Al EPMA images of Fusulinella and Schubertella

4.3 Ozawainella的鋁元素富集

Ozawainella與Pseudostaffella屬于不同的亞科，其外形以透鏡形為特征，軸率<0.5，旋脊也沒(méi)有后者顯著。Ozawainella的鋁元素富集在每個(gè)殼圈上，與Pseudostaffella形成明顯的差別，后者僅富集在最外的一個(gè)殼圈上。若蜓的軸率越小，其適應(yīng)漂浮的能力越強(qiáng)的話(huà)，顯然Ozawainella的漂浮能力要更勝于Pseudostaffella，似可認(rèn)為Ozawainella這類(lèi)蜓化石在其早期生活過(guò)程中就是以漂浮生活為主，一直生活于海水的上層，所以每個(gè)殼圈上都有，而Pseudostaffella則只有成年個(gè)體營(yíng)漂浮生活。

5 結(jié)論

(1)在Pseudostaffella和Ozawainella屬化石上存在較為顯著的鋁元素富集現(xiàn)象。Ozawainella屬上的鋁元素在各殼圈都出現(xiàn)富集，而Pseudostaffella屬只富集在最外一個(gè)殼圈上。

(2)鋁元素的富集可能與蜓類(lèi)的生活習(xí)性有關(guān)，軸率<1的蜓類(lèi)上鋁元素發(fā)生富集，與其主要營(yíng)漂浮生活密切相關(guān)。