陕西汉中梁山实习基地大南沟剖面寒武系灰岩层化石组合及地层对比

罗 梅,刘 璠,胡亚洲,陈延龙,张志飞

(西北大学 地质学系 大陆动力学国家重点实验室/早期生命与环境陕西省重点实验室,陕西 西安 710069)

在长达46亿年的漫长地质历史时期中,寒武纪(距今约5.41～4.85亿年)是显生宙地球生物发生巨变的重要转折时期,它不仅是地球上重要的成磷时期,也是大气氧含量和海洋氧化还原条件发生快速变化的时期[1]。在寒武纪初期,地球上发生了划时代意义的生命演化事件——寒武纪生命大爆发,它是地质历史上最重要的后生动物起源和快速辐射事件[2-4]。以寒武纪大爆发为界限,地球漫长的历史可以划分为隐生宙和显生宙。隐生宙以单细胞微生物和菌藻类为主体构成了稳定简单的原始生产者-分解者驱动的地球生命系统,而显生宙则以宏体多细胞动植物为主体构成了生产者消费者分解者相互作用、复杂多变的地球生命系统[5]。

国内外寒武纪地层分布非常广泛,第二世、苗岭世和芙蓉世在全球各个大陆板块上发育齐全[6]。但埃迪卡拉纪—寒武纪过渡时期的地层只在华南、西伯利亚、阿瓦隆等几个大陆板块的局部地区发育完整连续[1]。值得骄傲的是我国华南寒武系四统发育齐全,建有多个国际寒武纪界线层型剖面[6]。这些寒武纪地层既有台地相沉积,也有斜坡相沉积和深水盆地相沉积,化石资源丰富,成为我国引领全球研究寒武纪大爆发时期生物面貌、生态群落最重要的区域资源。我国寒武系赋存布尔吉斯页岩型生物群[7-12]、奥斯坦型动物群[13-15]以及小碳化石[16-19]等,成为影响和推动全球研究地球动物门类起源和寒武纪大爆发的重要材料保障[5，20]。

陕南汉中、宁强、镇巴等地区一直是元古代末期至寒武纪早期古生物和环境研究的热点区域[21-38]。该区域内出露有非常好的埃迪卡拉纪、寒武纪地层,尤其以埃迪卡拉系灯影组和寒武纪早期地层最为典型,作为我国相关地层的层型剖面所在地,吸引了大批古生物及地质专家探索。这些地层产出包括以管状化石、瓶状化石等为主的高家山生物群[21-26]，以寒武纪胚胎、幼虫和水母状化石为代表的宽川铺生物群[27-29]。此外,同期的西乡生物群发育分异度和丰度均较为丰富的小壳化石,包括各种刺胞动物[30-31]、蠕虫状化石[32-33]、蜕皮动物[34]等。所有这些赋存在灰岩或磷灰岩中的化石为了解寒武纪大爆发与早期壳体矿化的发生过程和寒武纪早期生命的起源演化及其生态环境提供了重要窗口。

灯影组顶部出露的杨家沟段是一套薄层发育、研究力度薄弱的碳酸盐岩地层,其顶部砂屑灰岩发育有明显的颗粒状生物碎屑,产出少量壳体化石,早期被认为属于寒武系纽芬兰统幸运阶[35]。陕南西乡杨家沟段、镇巴地区西蒿坪段以及宁强宽川铺组均为前寒武纪末期灯影组顶部出现的一套碳酸盐岩生物碎屑灰岩和含磷白云岩地层,富含个体较小的碎片状化石,通常被认为属于同沉积地层,代表寒武纪最早期沉积。它们在华南板块西北缘发育广泛,有大量的报道和化石记录[39-48],代表前寒武纪由藻类、蓝细菌和多细胞埃迪卡拉生物发展到大量、多门类具有生物矿化的带壳动物化石的重要地质转折时期[49-50],是动物界由无骨骼向有骨骼演化的一次巨大地质变革,也是地质历史发展由震旦纪(埃迪卡拉纪)进入到显生宙寒武纪的开始。早期已有学者对于陕南地区前寒武纪至寒武纪界限附近的生物化石群及关键化石开展了大量的研究和报道工作[51-58]。汉中梁山地区是陕西多个地质院校开展综合地质野外实习的重要地区,受到大量教学和科研人员的关注和重视。汉中梁山地区灯影组顶部的化石研究发现主要包括Chancelloriasp.,Hyolithellustenuis,Protohetzinaanabarica,Zhijiniteslubricus,Turcuthecalubrica,Olivooidesaloveus,Circothecalongiconia,Igorellamonstrosa等属种[35，59-61]。基于此，有学者认为梁山地区发育有梅树村期(纽芬兰期)的沉积记录。

目前, 证据表明陕南地区灯影组顶部发育的诸多区域命名不同的寒武纪早期地层(如灯影组杨家沟段、 灯影组西蒿坪段、 宽川铺组)的沉积，其地层生物具有明显差异性[62-63]。 最近, 西北大学早期生命课题组对陕南地区镇巴小洋坝剖面灯影组西蒿坪段开展进一步的化石生物学研究时发现, 该套下部灰岩产出丰富的化石,不仅包括寒武钉Cambroclavusfangxianensis(=C.absonus)、开腔骨类、海绵骨针、高肌虫Haoiashanxiensis及锥管状化石,还在其底部发现存在有最早的三叶虫霍氏拟小阿贝德虫(Parabadiellahuoi)及舌形贝腕足动物初始始圆货贝(Eoobolusincipiens)[63-64]。这些化石证据指示灯影组西蒿坪段的时间并不属于寒武系纽芬兰统,而属于国际寒武纪第三期第3个三叶虫化石带[63，65]。最新的系列研究对陕南不同区域寒武纪最早期地层的时代和地层延限的传统认识提出了挑战,因此亟需对陕南不同区域寒武系最底部地层的生物化石组合进行详细、更加深入的探讨和发掘,进而提高本区地质实习基地的生物地层对比、划分和认识。

本文主要聚焦陕西汉中梁山地区大南沟剖面寒武系灯影组杨家沟段和仙女洞组富含壳体碎屑化石的灰岩。鉴于早期学者在该剖面对寒武系纽芬兰统和第二统灰岩古生物化石研究较少,此次研究重点对灯影组杨家沟段的薄层生物碎屑灰岩和郭家坝组之上的仙女洞组灰岩进行了点状样品采集。力图通过酸蚀样品处理,进一步补充相关层位的化石信息,为该实习剖面前寒武纪—寒武纪地层的划分与对比提供全新的化石依据,同时为西北大学地质学系汉中梁山实习基地积累更多新的寒武纪早期古生物和地层方面的参考资料。

1 研究区地质背景

汉中市南郑区梁山地区位于华南板块西北缘(见图1A),梁山地区的寒武系分布广泛,在大南沟剖面发育有较为完整的埃迪卡拉纪—寒武纪的连续剖面(见图1B),地层出露清晰[66]。该区埃迪卡拉纪—寒武纪的岩石地层层序自下而上依次为灯影组、郭家坝组、仙女洞组。本次研究主要聚焦在大南沟剖面寒武纪底部含有灰岩的地层灯影组杨家沟段和仙女洞组。笔者对梁山镇大南沟剖面灯影组杨家沟段和仙女洞组进行了剖面实测和逐层采样(见图2A),采样剖面总体厚度约6.5 m,其中灯影组杨家沟段1.5 m,仙女洞组5 m。

杨家沟段是一套潮坪碳酸盐岩沉积地层,岩性为黄灰色薄层状生物碎屑砂屑灰岩和白云质灰岩,其中在砂屑灰岩中含有海绿石,以富含小壳化石为特征;其上覆地层为郭家坝组,郭家坝组下段是一套深海陆棚页岩沉积地层,厚度约270 m,岩性为黄绿色页岩和黄色粉砂质页岩,含灰岩团块;而郭家坝组上段是一套浅海陆棚粉砂岩沉积地层,厚度约150 m,岩性为黄灰色钙质粉砂岩,泥质粉砂岩,生物碎屑钙质粉砂岩,富含三叶虫拟小阿贝德虫和高肌虫[36，67]。灯影组杨家沟段与上覆郭家坝组呈平行不整合接触。埃迪卡拉系灯影组

A 陕西汉中地区位于中国华南板块西北缘;B 汉中梁山大南沟剖面所在位置示意图,图中红色五角星所示图1 研究区地质图及小壳化石产地Fig.1 The geological map of research area and fossil locality map

下部白云岩,是一套潮坪碳酸盐岩沉积地层,灯影组白云岩上段为灰白色细晶白云岩,浅灰色叠层石燧石岩夹纹层状细晶白云岩(见图2E),底部为灰色块状砾岩,灰色薄层状长石石英砂岩以及褐黄色粉砂岩。杨家沟段与下部灯影组呈平行不整合接触,近期发现两者接触处存在沉积间断或剥蚀面(见图2D)。仙女洞组是一套浅海碳酸盐岩沉积地层,岩性为棕色粗晶灰岩夹黄褐色含生物碎屑钙质砂岩(见图2B)。其上覆地层为奥陶系赵家坝组,厚度约1 m,岩性为黄绿色细砾岩及粗砂岩,具底砾岩。仙女洞组与赵家坝组呈平行不整合接触关系,但整合接触在郭家坝组之上(见图2C)。

A 大南沟剖面地层柱状图及采样概况;B 仙女洞组野外露头;C 大南沟剖面灯影组杨家沟段采样点,图中红色三角形所示;D 寒武系灯影组杨家沟段与埃迪卡拉系灯影组接触处的剥蚀面;E 埃迪卡拉系灯影组上段叠层石白云岩图2 小壳化石在大南沟剖面产出地层柱状图及部分野外照片Fig.2 Stratigraphic column and some field photos of small shelly fossils in Danangou section

2 材料及研究方法

本文对陕西汉中市南郑区梁山镇大南沟剖面灯影组杨家沟段和仙女洞组中进行生物碎屑灰岩的采集(见图2A), 共采集灰岩样品约220 kg, 其中杨家沟段采集灰岩样品约160 kg, 仙女洞组采集灰岩样品约60 kg。 处理所采集的灰岩样品时, 先将样品碎到大小3～4 cm将其置于对应的塑料篮中, 然后加入浓度8%～10%的工业醋酸溶液浸泡。 待反应后将产生的样渣通过不同直径网筛的筛洗。 筛洗时用净水轻柔冲洗, 在该条件下回收, 将样渣置于样渣盒中进行自然烘干。 之后在双筒显微镜下手工挑选化石, 获取化石标本。 目前， 根据挑样及分类结果, 灯影组杨家沟段获得化石标本620枚, 其中包括似软舌螺类520枚, 织金壳类26枚, 开腔骨类74枚; 仙女洞组获得化石标本2 500枚, 其中包括软舌螺489枚, 似软舌螺类865枚, 开腔骨类698枚, 疑难化石56枚, 三叶虫颊刺144枚, 腕足动物105枚, 棘皮动物68枚, 软体动物75枚。 通过统计不同类型化石标本的数量, 分别画出杨家沟段和仙女洞组的化石丰度分析图(见图3), 从图3可以看出杨家沟段和仙女洞组中各类化石的占比百分数。 选择形态保存较完整的化石标本在西北大学大陆动力学国家重点实验室中对化石进行电子显微镜扫描成像, 共拍摄照片1 366张。 其中杨家沟段共拍摄照片367张, 仙女洞组共拍摄照片999张。 所有标本均保存在西安西北大学早期生命与环境重点实验室。

A 灯影组杨家沟段化石丰度分析图;B 仙女洞组小壳化石丰度分析图图3 汉中梁山大南沟剖面寒武系灯影组杨家沟段和寒武系仙女洞组小壳化石丰度分析图Fig.3 Abundance analysis of small shelly fossils, recovered from the Yangjiagou Member at the top of Dengying Formation and from Xiannvdong Formation at the Danangou section,close to the Liangshan Town of Hanzhong City

3 化石描述

3.1 杨家沟段

根据目前的酸泡结果,研究区的灯影组杨家沟段的小壳化石主要包括似软舌螺类Hyolithellussp.、开腔骨类Chancelloriasp.和织金壳类Zhijinitestriangularis[68]。

门、纲未定Phylum, Class, uncertain

似软舌螺目Hyolithelminthes Fisher, 1962

似软舌螺科Hyolithellidae Walcott, 1886

似软舌螺属HyolithellusBillings, 1872

模式种HyolithellusmicansBillings, 1871

似软舌螺属未定种Hyolithellussp.

描述 磷质管状壳体,壳体略微弯曲,长度为850～1 500 μm。两端开口未见基部部分和口盖部分。内壁光滑,外壁有横纹(见图4A～E,H)或表面光滑(见图4F～G)。两端直径变化较小,横切面为圆形。壳壁较厚,且两端厚度均匀。

讨论 杨家沟段的化石标本与Bengtson等(1990)[69]所描述的澳大利亚H. cf.micans在直径和分散角上接近,但澳大利亚标本管体更为光滑笔直,横纹明显;而杨家沟段的化石标本由于埋藏因素导致了管壁腐蚀较为严重,管体特征不明显,暂时无法定种。

分布时代 汉中梁山;寒武系第二阶灯影组杨家沟段

门、纲未定Phylum, Class, uncertain

开腔骨针目Chancelloriida Walcott, 1920

开腔骨针科Chancelloriidae Walcott, 1920

开腔骨针属ChancelloriaWalcott. 1920

开腔骨针属未定种Chancelloriasp.

描述 形态发育为与中央盘分离的呈放射状的开腔骨骨片(见图4J～L,图6A～E),射管的长度一般为0.5～3 mm,有弯度较大的射管(见图4J～K,图6C～E),也有弯度较小射管(见图4L～M,图6A～B),弯曲程度不一。射管的基孔和关节面的相对位置不同。射管在与中央盘相接的一端膨大,远离中央盘的一端尖细。膨大的一端形态多样,呈多边形或者楔形,射管表面纹饰不一,图4J该射管具有瘤状突起,图4K该射管表面有印痕,呈圆坑状结构且尖细端已破碎,图4M该射管表面光滑但存在不规则分布的孔洞。其他射管未见纹饰。除了以上单独的射管之外,其他开腔骨骨片包括:由四射管组成的四射骨Onychia(见图6F);由三射管组成的异射骨Allonnia(见图6G～H);由两射管组成的二射骨Diminia(见图6I)

分布时代 汉中梁山;寒武系第二阶灯影组杨家沟段、第三阶末到第四阶仙女洞组

门、纲未定Phylum, Class, uncertain

织金壳科Zhijinitidae Qian, 1978

织金壳属ZhijinitesQian, 1978

模式属ZhijinitesQian, 1978

三角盘织金壳Zhijinitestriangularis

描述 壳体呈钉状(见图4M),长度小于1 mm,锥体长,呈扁锥形,略微弯曲,顶端略圆,横断面为扁圆形,宽高比约为4∶3,锥面纹饰模糊。锥体粗端在盘体中央,盘体呈三角形,顶面中凹,反顶面微突起,盘体倾斜,与锥体呈25°～50°相交。

比较 本种具有明显的小三角盘区别于形态相近的Zhijiniteslongistriatus和Zhijinitesminutus。

分布时代 汉中梁山;寒武系第二阶灯影组杨家沟段

A～I 似软舌螺类Hyolithellus sp.,其中A～H均为侧视图,I是H的局部放大图;J～L 开腔骨骨片类Chancelloria sp.;M 三角盘织金壳Zhijinites triangularis图4 灯影组杨家沟段小壳化石组合Fig.4 Small shelly fossils from the Yangjiagou Member of Dengying Formation

3.2 仙女洞组

仙女洞组的化石属种丰度比杨家沟段更高,数量也更丰富。主要包括软舌螺桶状螺Cupithecasp.、拟科里螺Parakorilithessp.、似软舌螺Hyolithellussp.、开腔骨Chancelloriasp.、三叶虫颊刺(仅展示形态,不做具体描述)、高肌虫Kunmingelladouvillei、棘皮动物Echinodermata、疑难化石、腕足动物包括博茨福徒贝未定属种Botsfordiidae gen. et sp. indet、始壮贝未定种Eohadrotretasp.、软体动物包括拟海螺类Pelagiellasp.和阿纳巴螺类Anabarellasp.。

软舌螺纲Hyolitha Marek, 1963

直管螺目 Orthothecida Marek, 1966

桶螺科Cupithecidae Duan, 1984

桶螺属CupithecaDuan in Xing et al., 1984

桶螺属未定种Cupithecasp.

描述 壳体呈管状,直或弯曲(见图5A～H)。其中图5A、B压石中存在套管现象。横截面呈圆形或者椭圆形,分散角小。直径约为500 μm,壳体较大,锥壳长度为1.5～2.5 mm。壳体表面未见纹饰,壳顶存在凸起,凸起顶部平或外凸。壳体均为内模保存,在凸起周缘与管体连接部分未发现棒状结构,凸起直径略小于管体直径。壳内不具横板，可见口盖。

分布时代 汉中梁山;寒武系第三阶末到第四阶仙女洞组

软舌螺纲Hyolitha Marek, 1963

软舌螺目Hyolithida Sysoev, 1957

科未定Family uncertain

拟科里螺属ParakorilithesHe & Pei in He et al., 1984

拟科里螺未定种Parakorilithessp.

描述 软舌螺个体较小,长度为2 mm左右(见图5I～J)。背腹明显分异,腹壳较平或者微凸,背壳高凸呈弧形。近口部横断面呈圆三角形,生长线与口唇边缘近似平行,未见口盖[70-73]。

讨论 锥壳标本较少,壳口保存不完整。由于该类锥壳整体形态与Parakorilithes锥壳很相似,因此认为该类锥壳可能属于Parakorilithes。

分布时代 汉中梁山;寒武系第三阶末到第四阶仙女洞组

门、纲未定Phylum, Class, uncertain

似软舌螺目Hyolithelmintida Fisher, 1962

似软舌螺科Hyolithellidae Walcott, 1886

似软舌螺属HyolithellusBillings, 1872

模式种HyolithellusfiliformisBengston, 1990

似软舌螺属未定种Hyolithellussp.

描述 磷质管状壳体,壳体微弯曲,表面较为光滑且无纹饰,在两端未见基部和口盖部分,管体长度约为2.5 mm(见图5P)。

分布时代 汉中梁山;寒武系第三阶末到第四阶仙女洞组

A～H 软舌螺桶状螺Cupitheca sp.,其中H为俯视图,其余为侧视图;I～J 软舌螺拟科里螺Parakorilithes sp.,均为侧视图;P 似软舌螺Hyolithellus sp.侧视图图5 仙女洞组软舌螺类和似软舌螺类化石Fig.5 Cupitheca sp., Parakorilithes sp. and Hyolithellus sp. of Xiannvdong Formation

甲壳纲Crustacea Brongriart et Desmarest, 1822

高肌虫目Bradoriida Raymond, 1935

昆明虫科Kunmingellidae Huo & Shu, 1985

高肌虫属Kunmingella Huo, 1956

朵氏高肌虫Kunmingelladouvillei(Mansuy, 1912)

描述 壳体中等大小,壳型呈切卵形;背边平直,边缘脊不发育;壳面以楔形突起为主要特征,位于壳体前背部;侧边缘脊低窄且不均匀,紧挨壳边缘,铰合线直而长;前背角近90°,后背角大于90°,前瘤直突,紧靠前边,离背边有一定的距离;后脊粗,呈纺锤形或柳叶形,中间宽,两端尖细(见图6L)。

讨论 本文描述的标本与云南澄江筇竹寺组的Kunmingellamaotianshanensis[74]非常相似,除了前瘤形状有细微差别外,两者的前背角和后背角基本一致,后脊都为粗壮的纺锤形或柳叶形。

分布时代 汉中梁山;寒武系第三阶末到第四阶仙女洞组

棘皮动物门Echinodermata Klein, 1734

科属种未定Echinodermfam. gen et sp. indet.

描述 均为离散的棘皮动物骨板,具有网状镂空结构,骨板的形态变化很大,大部分为亚圆形或多边形,表面光滑或呈扇形(见图6M～N)。

A～I 开腔骨化石,其中A～E属于孤立射管,F属于四射骨,G～H 属于异射骨,I属于二射骨;J～K 三叶虫颊刺;L.高肌虫昆明虫;M～O 棘皮动物骨片图6 仙女洞组开腔骨类、三叶虫类、高肌虫类和棘皮动物类化石Fig.6 The Chancelloriids, cheek spines of trilobites, Kunmingellids and Echinoderm from the Xiannvdong Formation

分布时代 汉中梁山;寒武系第三阶末到第四阶仙女洞组

刺胞动物门? Cnidaria?

科属种未定Cnidaria?. fam. gen et sp. indet.

描述 该化石表现为锥状,上端较粗,向下逐渐变细(见图7A)。从俯视图(见图7A-1)中看出化石呈四辐对称,横截面为近方形。锥体表面光滑,锥面向内略凹陷。锥体由四条棱,4个侧面和一个具有环纹的顶面构成。锥体长度约2 mm。

讨论 由于化石的鉴定特征不清晰,根据其形态特征推测其可能与刺胞动物横裂体有关[75],但化石的套合方式与克劳德管相似,故不能确定该化石的属种,无法定名,先将其列入疑难化石中。通过SEM图可以看到,化石整体呈锥状,由四个梯形单元套合而成(见图7A, A-2)。从顶端到底端具有尖灭的趋势。所以在形态特征方面,该化石与刺胞动物横裂体较为相似。但是在化石的套合方式方面,该化石是由4个梯状单元套合形成锥状化石,套管底部为闭合状态。Cloudina是由相互嵌套的漏斗状构造所构成的锥管化石,且套管末端封闭[25]。而横裂体个体个以个体,呈,在环脊表面具有强烈的褶皱[75]。故该化石的套合方式与Cloudina较为相似。对于该化石的归属问题,后续将进一步分析研究。

A 侧视图;A-1 俯视图;A-2 套合单元接触处放大图;A-3 顶部环形-阶梯状结构放大图;A-4 顶部小孔放大图图7 仙女洞组可能的刺胞动物化石Fig.7 Microscopic problematic cnidarian fossil recovered from Xiannvdong Formation

分布时代 汉中梁山;寒武系第三阶末到第四阶仙女洞组

腕足动物门Brachiopoda Dumeril, 1806

舌形贝纲Lingulata Gorjansky and Popov,1985

乳孔贝目Acrotretida Kuhn, 1949

乳孔贝科Acrotretidae Schuchert, 1893

始壮贝属EohadrotretaLi and Homler, 2004

始壮贝属未定种Eohadrotretasp.

描述 贝体轮廓横卵形或亚圆形(见图8A～J),壳体表面饰以同心纹或窗帘状纹饰(见图8P),腹壳顶部较高,在其表面有微小的坑状纹饰,肉茎孔呈半封闭状态;腹铰合面较发育,中间沟发育(见图8Q);背壳凸度较为平缓,铰合面不发育,发育有呈三角形的中隔板或中脊,胚壳较为发育,饰有坑状纹饰(见图8O)。

分布时代 汉中梁山;寒武系第三阶末到第四阶仙女洞组

舌形贝目Lingulida Waagen, 1885

博茨福徒贝科Botsfordiidae Schindewolf,1955

博茨福徒贝科未定属种Botsfordiidae gen. et sp. indet

描述 化石主要保存为壳体碎片(见图8N～P、R),在其表面发育明显的舌状(见图8Q)和瘤点状纹饰(见图8S),这些舌状和瘤点状结构构成了壳体表面的同心纹饰,且这些舌状和瘤点状纹饰呈菱形排列(见图8Q、S)。由于所获得的化石均为碎片,故暂定为博茨福徒贝科的未定属种。

讨论 仙女洞组发现的博茨福徒贝与下伏郭家坝组中具有瘤状纹饰的腕足动物很相似[76]。李国祥[77]首次报道了Botsfordia属在扬子地区寒武系水井沱组的发现,为腕足动物类型提供了较广的古地理分布。之后，张志亮在镇巴小洋坝地区水井沱组下部报道了一类小博茨福徒贝Botsfordiaminuta,其个体相较于其他博茨福徒贝类都小[64]。张志飞等[78]在研究滇东地区寒武纪第二统腕足动物时,发现澄江化石库出现的博茨福徒贝类腕足动物化石——纯真滇东贝(Diandingia)在滇东地区赋含澄江化石库的玉案山组从底部向上大量出现,向上延伸到富含关山动物群的乌龙箐组底部[79],之后消失,演替为一种壳体外形十分相似的新圆货贝类[80-82]。

分布时代 汉中梁山;寒武系第三阶末到第四阶仙女洞组

A～M 乳孔贝Eohadrotreta sp.;N～S 博茨福徒贝科Botsfordiidae gen. et sp. indet;B图A壳体的窗帘状纹饰;D图C的胎壳局部放大图,显示胎壳表面的圆坑状纹饰;G图F的中隔板放大图;Q图P的表面舌状凸起放大图;S图R的表面瘤状凸起放大图图8 仙女洞组腕足动物类化石Fig.8 Brachiopods of Xiannvdong Formation

软体动物门Mollusca Cuvier, 1797

单板纲Monoplacophora Wenz, 1952

弓锥目Cyrtonellida Horny, 1963

太阳女神螺科Helcionellidae Wenz,1938

阿纳巴螺属AnabarellaVostokova, 1962

模式种AnabarellaplanaVostokova,1962

阿纳巴螺属未定种Anabarellasp.

描述 壳体较小,长度1～2 mm,均为内核标本。胎壳与壳口相平(见图9A、B、E)或位于壳口平面之上(见图9C、D、F),在胎壳及外缘壳面上未发现肌痕(见图9A、B、D、E)。壳体平旋且几乎左右对称,在壳体表面存在圆坑状结构(见图9L),壳口处有条纹状显微结构和纤维状显微结构(见图9K)。

分布时代 汉中梁山;寒武系第三阶末到第四阶仙女洞组

腹足纲Gastropoda Cuvier, 1797

似海螺目Pelagiellida Runnegar and Pojeta, 1985

似海螺科Pelagiellidae Knight, 1952

似海螺属PelagiellaMatthew, 1895

似海螺属未定种Pelagiellasp.

描述 壳体较小,长度0.5～1.5 μm,中等高度,两侧对称,壳口较窄,壳顶至壳口伸展迅速,壳体向前弯曲,1个螺环,壳顶向内强烈弯卷。胎壳较尖锐,呈钩状,未接触壳口前缘(见图9G～I),部分壳体表面具有较弱的褶皱状纹饰(见图9～J)。

讨论Pelagiella是寒武系第二统地层中的常见分子,也是全球生物地层对比的重要属种[83]。Pelagiella种内形态变化较大,化石以磷酸盐化保存[69]与P.subangulata和P.madianensis不同的是,本属种成体的壳口形状近似呈椭圆状,而其他属种壳口呈狭长状。

分布时代 汉中梁山;寒武系第三阶末到第四阶仙女洞组

4 梁山地区寒武纪早期化石生物组合

符俊辉等人1983年在对梁山地区寒武纪底部灯影组杨家沟段的研究中首次发现小壳动物化石[35],包括Hyolithellustenuis,Protohetzinaanabarica,Zhijiniteslubricus等属种,其中磷酸钙质原牙形刺Protohertzina是寒武纪小壳化石最早的代表性分子,易于识别[84]。根据这些典型分子认为该地区的沉积时代应属于梅树村期沉积。陈润业(1985)[67]、张福有(1987)[85]等人对西乡、南郑地区的仙女洞组化石进行相关研究,其中灰岩产古杯:筛古杯未定种Coscinocyathussp., 圆角古杯未定种Rotundocyathussp., 蛛网古杯未定种Dictyocyathssp.,三叶虫:小寻甸虫未定种Syndianellasp., 宜良虫未定种Yiliangellasp., 瘤壳马龙虫Malungiagranulosa, 美丽米仓山虫Micangshaniagracilis等化石(表1),根据岩性及典型化石组合对比,认为南郑、西乡一带的生物地层与四川南江的仙女洞组相当。

A～F 阿纳巴螺属未定种Anabarella sp.;G～I 似海螺属未定种Pelagiella sp.;J 壳体表面的褶皱纹饰;K、A壳体表面的圆坑状结构;L 圆坑状结构局部放大图图9 仙女洞组软体动物类化石Fig.9 Molluscs of Xiannvdong Formation

根据笔者目前对梁山地区寒武纪早期沉积地层中采集的化石可知,杨家沟段的砂屑灰岩中所产的小壳化石多样性和丰度数量均为较少,主要包括似软舌螺Hyolithellussp.、开腔骨Chancelloriasp.、织金壳Zhijinites;仙女洞组的生物碎屑灰岩中所产的微型壳体化石数量较多,主要包括软舌螺(桶状螺Cupithecasp.和拟科里螺Parakorilithessp.)、开腔骨Chancelloriasp.、三叶虫颊刺、高肌虫Kunmingelladouvillei、棘皮动物骨片Echinodermats、腕足动物(始壮贝Eohadrotretasp.和博茨福徒贝Botsfordiidae gen. et sp. indet)以及软体动物(拟海螺类Pelagiellasp.和阿纳巴螺Anabarellasp.)等。相比之下,仙女洞组的化石多样性明显大于杨家沟段,且化石数量也明显比杨家沟段多。化石生物组合显示,从杨家沟段到仙女洞组,化石由简单变得复杂,数量及种类也由少变多,反映了寒武纪大爆发时期幸运阶到第二阶的生物快速辐射。开腔骨骨片属于基础动物动物亚门,从杨家沟段到郭家坝组到仙女洞组均有发现,由老到新的地层产出的化石的基孔、基面及关节面等特征也更加明显,可见开腔骨的演替时间较长,适应新环境的能力也更强。软舌螺属于原口动物亚界冠轮动物超门,作为寒武纪的常见壳体化石,在华南地区多有报道[86-89]。在该剖面虽然多样性不高但数量具有较大的优势,一定程度反映了寒武纪大爆发时软舌螺为代表的冠轮动物超门的快速辐射[89]。仙女洞组产出的软舌螺数量上大多为桶螺科桶状螺Cupitheca锥壳,横切面为圆形且背腹不分异,保存良好锥口可见铰合的口盖内部结构的印模;而拟科里螺Parakorilithessp.横切面椭圆形,背腹分异发育短唇舌,锥壳壳口两侧发育侧凹(适应附肢helens伸出),是典型的软舌螺目。遗憾的是仙女洞组未见口盖单独保存,后续是否存在更多属种的软舌螺仍需更多样品补充和研究。

综上,杨家沟段多门类小壳化石的首次出现,代表了寒武纪大爆发早期基础动物和原口动物冠轮类的快速辐射;而到仙女洞组原口动物亚界多生物门类——三叶虫、腕足动物以及造礁生物古杯等化石的大量出现,尤其是后口动物——棘皮动物的突然大量出现，整体反映了寒武纪大爆发第二幕到第三幕的多细胞动物矿化辐射(分异度和丰度突增)的突然性、阶段性和全面性,有力支持了舒德干院士团队提出的“地球动物树成型和三幕式寒武纪大爆发”假说。再现了地球动物三大亚界(基础动物、原口动物和后口动物)、四大超门(基础动物、原口动物冠轮类和蜕皮类以及后口动物)爆发性、阶段性出现的化石辐射过程。

5 邻区对比

对梁山地区的灯影组杨家沟段、仙女洞组的化石生物组合与镇巴地区的灯影组西蒿坪段、水井沱组化石生物组合进行对比发现,杨家沟段的化石较为单调,主要包括似软舌螺Hyolithellussp.、开腔骨骨片Chancelloriasp.以及织金壳Zhijinitestriangularis;仙女洞组的化石包括软舌螺Cupithecasp.和Parakorilithessp.、似软舌螺Hyolithellussp.、开腔骨骨片Chancelloriasp.,三叶虫颊刺,棘皮动物骨片,高肌虫Kunmingelladouvillei,刺胞动物类,始壮贝属未定种Eohadrotretasp.和博茨福徒贝科未定属种Botsfordiidae gen. et sp. indet、阿纳巴螺属未定种Anabarellasp.和似海螺属未定种Pelagiellasp.,其中仙女洞组的始壮贝Eohadrotretasp.代表乳孔贝类腕足动物在梁山地区的首次发现,补充了汉中地区寒武纪第二世始壮贝Eohadrotretasp.化石证据的空白,对于寒武纪早期地层划分和对比具有重要作用。而西蒿坪段的微型壳体化石包括霍氏三叶虫Parabadiellahuoi、寒武钉Cambroclavussp.、高肌虫Haoiashanxiensis、开腔骨骨片Allonniatetrathallis和Chancelloriaeros、海绵骨针Hexactine、始圆货贝Eoobolusincipiens以及软舌螺类Conotheca等。水井沱组的微型壳体化石包括原牙形刺Protohertzina,软舌螺及口盖Paramicrocornuszhenbaensis,Hyolithoperculum,软体动物Securiconussp.,Igorellaminute,棘皮动物骨板,托模特壳Kelanellaaltaica,古杯、高肌虫、寒武钉以及微网虫骨板(见表1)。

由此可见， 从米仓山梁山地区到大巴山镇巴地区,随着沉积环境不断变化, 寒武纪早期地层不仅在岩性方面存在差异, 在化石生物组合方面同样存在差异。 杨家沟段的化石生物组合明显比西蒿坪段的化石生物组合单调, 该段化石丰度及化石数量也小于西蒿坪段。 因此, 我们认为杨家沟段沉积时间早于西蒿坪段, 层位上低于西蒿坪段, 属于梅树村阶(纽芬兰统上部)。 三叶虫化石表明西蒿坪段化石层位与梁山地区的郭家坝组相当, 属于筇竹寺阶下部。 而仙女洞组的化石生物组合与水井沱组的化石生物组合存在较大相似性, 根据三叶虫和腕足动物组合特征可知, 仙女洞组属于滇东地区沧浪铺期, 相当于国际年代地层寒武系第三阶末到第四阶早期[84], 这也可与三峡地区水井沱组的三叶虫和腕足动物组合对比(见图10), 但陕西南部米仓山—大巴山从西至东灯影组顶部到寒武系底部的黑色页岩系的精确生物地层和化石生物学对比研究还有待进一步的深入。

表1 汉中地区与镇巴地区寒武纪底部地层化石多样性对比Tab.1 Comparison of fossil diversity of the basal Cambrian strata in Hanzhong area and Zhenba area

图10 中国南部、冈瓦纳东部、华北寒武纪3—4期和三叶虫带的初步对比图,改自Zhang Z L[63]Fig.10 Tentative correlation chart for Cambrian stages 3-4 and trilobite zones of South China, East Gondwana, North China. Modified from Zhang Z L et al.[63]

6 结语

本文初步报道了陕西汉中梁山地区大南沟剖面寒武系纽芬兰统第二阶灯影组杨家沟段和第二统第三阶仙女洞组灰岩中的小壳化石,补充了杨家沟段的化石记录,填补了该剖面仙女洞组化石记录的空缺,为确定陕南寒武纪底部的地层时代提供了新依据。通过灯影组杨家沟段和仙女洞组的化石生物组合推断出杨家沟段应属于寒武系纽芬兰统第二阶,仙女洞组应属于寒武系第二统第三阶末到第四阶,详细研究待后续深入。

致谢：感谢西北大学地质学系华洪教授，长安大学李勇教授、郭俊峰教授的有益讨论和建议。西北大学地质学系本科生俞洁, 研究生房瑞森、杨晅参与化石采集与整理,研究生梁悦参与文章的讨论,翟娟萍、张倩对相关实验的分析帮助,两位审稿人提出的宝贵意见,在此一并致谢。