华南和祁连山地区密西西比亚纪生物礁组成、演化及其与古环境关系

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泥盆纪末期Hangenberg生物大灭绝事件之后,密西西比亚纪经历了骨架生物建造的复苏、繁盛和衰退的演化过程,并伴随该时期全球显著冰期-间冰期交替和板块构造活动导致的海水古温度和相对海平面的频繁变化。本文通过对华南和祁连山地区密西西比亚纪生物礁实例和古环境指标的研究,来揭示其组成、复苏演化过程及其与古环境变化的关系。  密西西比亚纪杜内最早期,祁连山磁窑地区出现叠层石,主要由泥晶、泥粒、核形石、石英粉砂和亮晶方解石组成,发育泥晶纹层、颗粒为主的混合纹层和泥晶为主的混合纹层,以及重复纹层堆积和交替纹层堆积形式。该叠层石由微生物捕获、粘结颗粒和微生物钙化作用共同形成,位于潮间带的正常海洋环境。定量统计表明杜内早期微生物为主的生物建造丰度相对法门末期增加10倍以上,广泛分布于南北古纬度40°之间的大陆架区,进而证实Hangenberg事件之后全球确实存在微生物碳酸盐岩繁盛。杜内晚期,华南广西龙殿山发育丰富的碳酸盐泥丘,与同时代Waulsortian相碳酸盐泥丘具有相似的组成和沉积结构。龙殿山泥丘发育不同世代的灰泥并伴随亮晶方解石充填的原生孔洞,反映其主要可能由微生物作用形成。它们含有丰富的生物颗粒,如海绵骨针、隐口苔藓虫、窗格苔藓虫、海百合、腕足、介形虫、腹足和三叶虫。  维宪中-晚期,华南贵州雅水地区出现珊瑚层,主要由丛管珊瑚Siphonodendron pauciradiale、S.pentalaxoidea,笛管珊瑚Syringopora sp.,和贵州珊瑚Kueichouphyllum sinense组成,附属生物包括丰富的腕足、海百合、有孔虫和钙藻,和少量的苔藓虫、腹足和介形虫。这些珊瑚层与西欧和北非地区同时期的珊瑚层具有很大的相似性,均以丛管珊瑚为主要造架生物。维宪晚期,广西浪平地区发育丰富的生物礁,包括珊瑚礁、珊瑚-微生物-苔藓虫礁、微生物-苔藓虫-珊瑚礁和微生物层,主要由双型珊瑚Diphyphyllum lateseptatum、D.sp.,丛管珊瑚Siphonodendron martini、S.sp.、Stylostrotion sp.,笛管珊瑚Syringopora sp.A、S.sp.B,笛苔藓虫Fistulipora sp.,和微生物壳层按不同比例形成。礁体中附属生物包括海百合、腕足、钙球、绿藻、苔藓虫、有孔虫、介形虫、腹足和异珊瑚。浪平地区的生物礁类型可见于欧洲、北非、澳大利亚和日本,它们具有相似的造礁生物和骨架结构,均含有双型珊瑚、丛管珊瑚、笛管珊瑚和笛苔藓虫,被微生物粘结共同形成骨架岩。谢尔普霍夫期,目前华南和祁连山地区还没有确切生物礁的报道。  密西西比亚纪生物建造中存在丰富多样的微相类型和沉积结构。微相类型主要有珊瑚-微生物骨架岩、珊瑚-微生物-苔藓虫骨架岩、苔藓虫-微生物-珊瑚骨架岩、微生物-苔藓虫-珊瑚粘结岩、微生物粘结岩、珊瑚障积岩和生屑粒泥灰岩。骨架岩和粘结岩主要出现在狭义生物礁、生物礁丘或微生物层中,如珊瑚-微生物-苔藓虫建造和微生物岩;障积岩主要发育在骨架生物层中,如珊瑚层;生屑粒泥灰岩主要出现在碳酸盐泥丘中或骨架岩和障积岩之间。沉积结构包括示顶底结构、潜穴结构、钻孔结构、窗格结构和平底晶洞结构,窗格结构广泛发育于微生物岩,平底晶洞结构常见于碳酸盐泥丘。  密西西比亚纪生物建造纵向沉积相和生物相的变化显示,相对海平面变化导致水动能和陆源碎屑输入的变化是控制生物建造形成和消失的主要原因。一般而言,相对海平面升高时期水动力条件减弱和陆源碎屑输入减少,有利于生物建造的形成;而相对海平面降低时期水动能增强和陆源碎屑输入增加,导致生物建造的消失。  密西西比亚纪无机碳(δ13Ccarb)、氮(δ15N)同位素和腕足壳风暴层的研究揭示该时期长尺度的环境变化。杜内中期,华南马栏边和隆安剖面均存在δ13Ccarb和δ15N显著正偏,幅度分别为>6‰和~3‰(δ13Ccarb),和~2.5‰(δ15N),可能是由于冰室气候期间全球上涌流作用加强导致有机质埋藏速率升高和海水反硝化作用增强所致。δ15N正偏之后稳定在较高值或持续升高可能与海平面持续下降导致反硝化作用从大陆架沉积物向陆架边缘缺氧带转变有关,可能反映晚古生代冰期的开始。维宪晚期-谢尔普霍夫期,华南广泛发育大长身贝壳层,其发育底部侵蚀面、内部混乱分布的壳体和侵蚀面、和顶部的平行纹层和波状层理结构。另外,该壳层具有三种埋藏和沉积类型:(A型)大部分具有绞合和凸面向下的壳体,分布于粒泥灰岩和泥粒灰岩中;(B型)以脱节和凸面向上的壳体为主,分布于泥粒灰岩中;(C型)高度破碎的壳体,分布于颗粒灰岩中。大长身贝壳层的埋藏和沉积特征共同指示壳体的堆积是由风暴流的筛选和搬运作用形成,反映该时期冈瓦纳大陆发育冰川沉积。  华南和祁连山地区密西西比亚纪生物礁的组成和演化与全球具有一致性,反映其受到全球古环境变化的影响。杜内早期微生物岩的出现可能是由于泥盆纪末期海洋缺氧和海退伴随的Hangenberg事件导致骨架造礁生物丰度的减少所致;杜内晚期碳酸盐泥丘的发育可能与短期相对海平面升高导致的碳酸盐岩沉积有关。杜内中期-维宪早期冰室气候导致频繁相对海平面降低和非碳酸盐岩相的发育可能是控制骨架生物建造延迟复苏的主要原因,后者直至维宪中期开始出现珊瑚层,并逐渐复苏繁盛,于维宪晚期达到鼎盛期,出现珊瑚礁、珊瑚层、珊瑚-微生物-苔藓虫礁、微生物-苔藓虫-珊瑚礁和微生物礁丘/层。维宪中-晚期后生动物建造的广泛发育可能与该时期气候变暖导致造礁生物丰度和/或碳酸盐岩沉积的增加有关。谢尔普霍夫期生物礁丰度的明显减少可能是由该时期气候变冷和相对海平面降低所致。
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