假史塔夫蜓与小泽蜓中铝元素的富集现象：对贵州与内蒙古蜓类化石的电子探针面分析实验

2019-04-09杨臻元孙跃武张永利巩恩普

世界地质 2019年1期

杨臻元,孙跃武,张永利,巩恩普

1.东北大学资源与土木工程学院,沈阳110004；2.吉林大学古生物学与地层学研究中心,长春130026

0 引言

微量分析技术大大提高了人们对有孔虫化石中微量元素作为古环境指示意义的认识[1,2]，电子扫描电镜--能谱分析(SEM--EDS)，激光烧蚀电感耦合等离子体质谱分析(LA--ICP--MS)[3,4]以及电子探针微区分析(EPMA)[5--8]等方法在研究浮游有孔虫[5,6,9]与底栖有孔虫[10]的古生态学特征方面有着重要的作用。

然而，蜓类化石作为有孔虫中一个已经绝灭的类别，利用微量元素来分析古环境尚处于探索中。大多数关于蜓类化石的报道集中在形态学方面的定性研究，只有少数学者尝试利用电子扫描电镜或其他微观观察技术研究蜓类化石，并认为蜓类化石单纯由不同粒度的方解石颗粒组成[11--16]。在电子扫描电镜观察时，必须对样品表面进行适当溶蚀[17--19]。对于硅化的蜓类化石直接使用稀盐酸处理后即可进行扫描电镜观察[20]。

目前，有关蜓类化石的化学成分及其与微细构造之间关系的研究尚处于探索阶段。本次研究中，选取采自贵州省紫云路马寨剖面晚石炭世威宁组上部与内蒙古包头阿木乌苏剖面晚石炭—早二叠世阿木山组的蜓类化石，对包括Schubertella，Pseu-dostaffella，Fusulinella和Ozawainella在内的蜓化石开展了铝元素的电子探针微区成分分析，这些蜓化石具有壳体较小、隔壁褶皱平直、内部结构较为简单的特征，便于开展蜓化石结构与成分间关系的识别。这项研究对详细了解蜓类生物的活动模式具有重要的意义，并且为研究蜓类生物习性提供了新的视角。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 贵州省紫云威宁组

在贵州省紫云市猴场镇路马寨村地区新发现了一处大型微生物岩礁丘(图1)，对整个礁丘进行实测后发现在微生物岩中段与礁丘盖层中均有蜓类化石产出。化石经笔者初步鉴定主要为Fusulinella，Pseudostaffella，Schubertella，Ozawainella和Staffella。Pseudostaffella属仅在第7层(礁丘盖层) 中发现并且具有相当高的丰度(图1)，主要包括Pseudostaffellacuboides，P.panxianenesis，P.paradoxa。其中，Pseu-dostaffellaparadoxa是Fusulinella--Fusulinella化石带中Fusulinapakhrensis--Pseudostaffellaparadoxa亚带的带化石[21]，结合礁內Fusulinella分子的稳定出现，路马寨礁丘的时代属于晚莫斯科期。

图1 采样位置及层位Fig.1 Location and horizons of fusulinids samples

1.1.2 内蒙古白云鄂博阿木山组

阿木乌苏剖面位于内蒙古白云鄂博北部，是晚石炭—早二叠世阿木山组的建组剖面(图1)，整个剖面可以分为两段：下段岩性以石灰岩为主，包含数层粉砂岩夹层；上段则转变为以碎屑岩为主，包括细砂岩，岩屑石英砂岩和石英砂岩等。化石主要产于上--下段界限附近的灰岩层中，丰度较高，但多样性较低，主要为Quasifusulina，Sphaeroschwagerina和Triticites，伴生有少量的Ozawainella，Schubertella和Pseudoendothyra，共6属11种，名单如下：Ozawainellacrassiformis，O.vozhgalica，Schubertellaobscura，Triticitesohioensis，T.sinuosus，T. sp.，Sphaeroschwagerinamoelleri，Quasifusulinabrevituba，Q.longgissima，Q.spatiosa，Pseudoendothyrasp.[22]。

本次研究选取两个剖面上化石个体较小的蜓类化石作为实验材料，共计7张薄片，包含11个化石轴切面或近轴切面(表1)。

表1 测试所用蜓化石轴切面Table 1 Axial sections of fossil fusulinids analyzed

1.2 方法

样品按照电子探针薄片标准进行制备，先在光学显微镜下(Olympus BX51)进行观测和照相。

在样品镀碳前使用无水乙醇以及蒸馏水对薄片进行反复清洗并干燥，确保薄片表面没有被污染。

实验在吉林大学地球科学学院电子探针微区分析实验室完成，使用仪器为日本 JEOL JXA--8230 型电子探针仪，采用样品台扫描(Stage Scan)模式，测试条件为加速电压15 kV，扫描间隔1 μm×1 μm，驻留时间10 ms。

2 描述

为明确化石属种与对实验结果是否存在影响，首先需要对样品详细观察并进行系统古生物学分类。因电子探针薄片与生物薄片存在一些差别，导致光学显微镜观察效果不佳，确定到种存在一定难度。

蜓目OrderFusulinidaFursenko,1958

纺锤蜓超科SuperfamilyFusulinaceaMoeller,1878

小泽蜓科FamilyOzawainellidaeThompsonetFoster,1937

小泽蜓亚科SubfamilyOzawainellinaeThomp-sonetFoster,1937

小泽蜓属GenusOzawainellaThompson,1935

模式种FusulinellaangulataColani,1924

小泽蜓(未定种)Ozawainellasp.

(图2A,C)

壳小，凸镜形，长约0.39～0.50 mm，宽约1.00 mm，轴率0.39～0.50，4～5圈。标本重结晶较为明显，旋壁结构不清晰，致密层与内疏松层可以识别，外圈旋壁隐约具有透明层(图2A)。旋脊不显著，内圈上可以观察到(图2C)。隔壁平直。

产地及层位：内蒙古白云鄂博阿木乌苏，阿木山组。

A, B.#6088; C, D. #6086图2 Ozawainella切片的光学照片和铝元素电子探针扫描照片Fig.2 Optical and Al EPMA images of Ozawainella

假史塔夫蜓亚科SubfamilyPseudostaffellinaePutr-ja,1956

假史塔夫蜓属GenusPseudostaffellaThompson,1942

模式种PseudostaffellaneedhamiThompson,1942

假史塔夫蜓(未定种)Pseudostaffellasp.

(图3A, C, E, G)

壳小，近乎正方形，壳缘钝圆。长约0.40～1.40 mm，宽约0.35～1.40 mm，轴率0.85～1.15，4～5圈。旋壁由致密层以及内外疏松层组成，个别标本外圈上可见透明层(图3E)，旋脊发育，在一些标本上呈块状且向极部延伸(图3A)，通道较为显著。隔壁平直。

产地及层位：贵州省紫云县路马寨，威宁组。

3 结果

在进行实验的11个轴切面与近轴切面中，绝大多数化石的铝元素都表现为缺失的状态，只在5个轴切面(#6086，#6088，#6093，#6121，#6125)上出现了相当明显的铝元素富集现象。主要集中在纺锤蜓超科小泽蜓科的两个属化石上，一个是产自贵州省路马寨的假史塔夫蜓Pseudostaffella，另一个则是产自内蒙古阿木乌苏的小泽蜓Ozawainella。两者产地不同，时代也有所差别。

利用重复控制跟踪的统一潮流控制器抑制系统强迫振荡方法//蒋平,陈琼,吴熙,蔡晖,祁万春,谢珍建//(18):64

3.1 Pseudostaffella的铝元素

贵州省紫云布依族自治县猴场镇的路马寨剖面威宁组的Pseudostaffella属具有如下特点：壳体呈方形或盘形，发育有低宽、浓重的旋脊，旋壁通常在5圈左右，属于较为典型的莫斯科晚期化石。这些化石与巴什基尔期以Pseudostaffellaantiqua为代表的Pseudostaffella差别显著，后者的壳体更小，呈球形，旋脊通常呈点状。在铝元素EPMA图上，铝元素富集位置都在Pseudostaffella的旋壁最外圈位置，而在所有Pseudostaffela内部位置都没有观察到铝元素的富集现象(图3A-H)。

3.2 Ozawainella的铝元素

内蒙古包头市阿木乌苏地区阿木山组建组剖面的Ozawainella属，与丰富的Triticites共生，其上部层位首次出现Sphaeroschwagerina，因此，当前测试的Ozawainella属的层位为格舍尔阶。在铝元素EPMA图上，也观察到了Ozawainella属的铝元素富集现象(图2)。然而，通过详细比较化石图版和EPMA图像，几乎可以确定在Pseudostaffella和Ozawainella上出现的铝元素富集现象有所不同：Pseudostaffella的铝元素富集现象只出现在旋壁最外层的壳圈上，而在化石内部几乎没有观察到任何铝元素的富集。与之不同的是，Ozawainella的铝元素富集不仅出现在旋壁的最外圈位置上，同样出现在化石壳体内部并具有一定的规律性，大致与旋壁位置相吻合，这一现象在#6088样品上(图2A，B)尤为明显。此外，出现在Ozawainella的铝元素富集水平相较于Pseudostaffella明显更高。

4 讨论

4.1 海洋环境中的铝元素

通常来说，铝元素在海洋环境中的含量很低，部分观点将其归入痕量元素[23]。海洋中铝元素基本上可以分为两大类，即无机铝和有机铝。无机铝分为溶解态铝与颗粒态铝，溶解态铝包括Al3+，羟基铝以及各种铝配合物。溶解铝通常有3种来源，包括河流输入、大气沉降和海底沉积物的再释放，分别对应近岸海域、开阔大洋以及海洋深部3类区域[24,25]。有机铝则情况非常复杂。

结合光学显微镜下对样品的观察以及检测到的铝元素含量水平，化石上的铝元素应当属于溶解态铝而非颗粒态铝。路马寨微生物礁丘属于开阔台地相或台地边缘相沉积[26]，同时在整个路马寨剖面上缺乏陆源沉积物，相信其中的铝元素应当主要来源于大气沉降。根据对现代海洋环境的研究，溶解态铝在垂向上的分布变化很剧烈，在0～200 m的范围内随深度加深迅速递减，表层水体中含量最高，且与微型浮游植物总数以及叶绿素浓度水平呈较为明显的正相关性[27]。另一方面，生物的细胞膜与细胞壁通常带有负电荷，对于金属阳离子表现出一定亲和性[28]，现代海洋中大量存在的硅藻便会在细胞表面吸附相当数量的溶解态铝。

4.2 Pseudostaffella的铝元素富集

值得注意的是，采集自路马寨剖面进行测试的各类化石中仅有Pseudostaffella属样品显示出特殊的铝元素富集现象(图3A-H)，而其他蜓类化石(Schubertella和Fusulinella)则没有这种现象(图4A-D)。Schubertella的铝元素富集(亮点)并不是沿着壳体分布，而是集中在壳体的上方和左方位置(图4A, B)；而Fusulinella周围几乎没有铝元素富集(亮点)，只在右下角出现少量零星的亮点(图4C, D)。此外，围岩中检测到的铝元素含量也处于一个很低的水平，有些位置甚至无法检测到。

实验中用到的Pseudostaffella和同层位同产地的其他蜓类化石之间最为显著的差别是壳体形状。大多数的蜓类化石的壳体都呈纺锤形或长纺锤形，这意味着轴率>1。然而，有一部分蜓类具有较为特殊的壳体形态，大致可以分为两类：①轴率约等于1，这部分蜓类壳体包括球形、盘形或方形，以Staffella、Pseudostaffella、Sphaeroschwagerina等为代表;②轴率<1，也就是通常所提到的透镜形壳体，以Pseudoendothyra、Ozawainella等为代表。

在路马寨剖面上发现的Shubertella和Fusulinella基本都属于纺锤形的壳体，轴率范围在1.8～2.5之间，Pseudostaffella的轴率则在0.8～1.0之间。根据颜世永对假希瓦格蜓类生活方式的研究[29]，蜓类生物随着轴率的增加，对水动力作用的抵抗性会有显著的提高。换而言之，Pseudostaffella对水动力作用的适应能力相对Shubertella和Fusulinella而言更弱，在相同水动力作用条件下更容易进行漂浮生活。这意味着Pseudostaffella的生活环境可能与Shubertella和Fusulinella的生活环境并不完全相同，它们各自活动区域的水深可能存在差别。

A, B. Schubertella #6092; C, D. Fusulinella #6095图4 Fusulinella和Schubertella切片的光学照片及铝元素电子探针扫描照片Fig.4 Optical and Al EPMA images of Fusulinella and Schubertella

4.3 Ozawainella的铝元素富集

Ozawainella与Pseudostaffella属于不同的亚科，其外形以透镜形为特征，轴率<0.5，旋脊也没有后者显著。Ozawainella的铝元素富集在每个壳圈上，与Pseudostaffella形成明显的差别，后者仅富集在最外的一个壳圈上。若蜓的轴率越小，其适应漂浮的能力越强的话，显然Ozawainella的漂浮能力要更胜于Pseudostaffella，似可认为Ozawainella这类蜓化石在其早期生活过程中就是以漂浮生活为主，一直生活于海水的上层，所以每个壳圈上都有，而Pseudostaffella则只有成年个体营漂浮生活。