甘肅寶積山盆地中侏羅世阿干鎮(zhèn)似銀杏(Ginkgoitesaganzhenensis Yang)的古環(huán)境意義

陳應(yīng)權(quán),馬利濤,彭琳,劉軍,張立,范俊杰,閆德飛

1.蘭州大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院,蘭州 730000 2.甘肅省西部礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000 3.武警黃金地質(zhì)研究所,河北廊坊 065000

甘肅寶積山盆地中侏羅世阿干鎮(zhèn)似銀杏(GinkgoitesaganzhenensisYang)的古環(huán)境意義

陳應(yīng)權(quán)1,2,馬利濤1,彭琳1,2,劉軍1,2,張立1,2,范俊杰3,閆德飛1,2

1.蘭州大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院,蘭州 730000 2.甘肅省西部礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000 3.武警黃金地質(zhì)研究所,河北廊坊 065000

在甘肅寶積山盆地中侏羅統(tǒng)窯街組發(fā)現(xiàn)了保存較為完整的銀杏類葉片化石。對(duì)當(dāng)前化石宏觀特征與鏡下微觀構(gòu)造進(jìn)行研究，并將其鑒定為阿干鎮(zhèn)似銀杏(Ginkgoitesaganzhenensis)。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)了該種下表皮的氣孔參數(shù)，并利用氣孔指數(shù)法和氣孔比率法恢復(fù)研究區(qū)中侏羅世早期的古大氣CO2濃度，探討這兩種方法的準(zhǔn)確性。分析結(jié)果表明，氣孔指數(shù)法獲得的古大氣CO2濃度為974×10-6，落在了GEOCARB Ⅲ的可信誤差范圍之外；氣孔比率法重建的古大氣CO2濃度為1 823×10-6，處于GEOCARB Ⅲ可信誤差范圍之內(nèi)。這說(shuō)明對(duì)于當(dāng)前化石而言，利用氣孔比率法恢復(fù)古大氣CO2濃度更加合適，數(shù)據(jù)十分接近GEOCARB Ⅲ的最佳擬合線，表明似銀杏也是恢復(fù)古大氣CO2濃度的一種理想植物。通過(guò)計(jì)算得出當(dāng)時(shí)的溫度比現(xiàn)在高7.2℃，反映了寶積山盆地中侏羅世阿林期到巴柔期為溫暖潮濕的溫帶氣候環(huán)境。

阿干鎮(zhèn)似銀杏;寶積山盆地;中侏羅統(tǒng);古環(huán)境

0 引言

20世紀(jì)以來(lái)，溫室效應(yīng)所帶來(lái)的全球變暖已成為全人類最關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題之一，而CO2作為一種主要的溫室氣體，影響著全球氣候的變化[1]。因此，探索地史時(shí)期的CO2濃度與氣候的關(guān)系，對(duì)于認(rèn)識(shí)今天大氣CO2濃度的變化、更有效的預(yù)測(cè)氣候的未來(lái)發(fā)展方式具有重要的意義。

植物是指示氣候與生存環(huán)境之間的良好指標(biāo)[2-3]，氣孔作為陸生植物與大氣交換水分和CO2的通道，它的分布、數(shù)目和密度等特征與當(dāng)時(shí)的大氣CO2等環(huán)境信息密切相關(guān)，通過(guò)對(duì)載有氣孔的植物角質(zhì)層的各項(xiàng)特征研究可推測(cè)當(dāng)時(shí)外界環(huán)境的變化。探索不同地史時(shí)期植物與環(huán)境之間的內(nèi)在聯(lián)系，利用植物化石獲取古大氣CO2濃度的變化信息，已成為當(dāng)今古植物學(xué)研究的一個(gè)重要內(nèi)容[4-5]。自Woodward[3]于1987年首次發(fā)現(xiàn)了植物葉片氣孔參數(shù)與CO2濃度的負(fù)相關(guān)關(guān)系后，科學(xué)家們基于這種關(guān)系對(duì)新生代、中生代，甚至古生代的古大氣CO2濃度變化情況進(jìn)行了分析[6-10]。銀杏類(Ginkgoalean)植物由于其形態(tài)學(xué)上的“遲滯性”[11-12]，已成為科學(xué)家們定量重建古氣候、古環(huán)境的重要手段，選用此類化石進(jìn)行不同地史時(shí)期古大氣CO2濃度的重建也得到了廣泛的應(yīng)用[13-22]。

本文報(bào)道了產(chǎn)于甘肅寶積山盆地中侏羅統(tǒng)的阿干鎮(zhèn)似銀杏(Ginkgoitesaganzhenensis)，研究了其角質(zhì)層微細(xì)構(gòu)造，統(tǒng)計(jì)其氣孔參數(shù)，并使用氣孔指數(shù)法和氣孔比率法對(duì)研究區(qū)中侏羅世早期的大氣CO2濃度進(jìn)行了重建，對(duì)兩種方法進(jìn)行比較。將其與其他同期的相關(guān)資料進(jìn)行對(duì)比，分析不同種類植物化石在重建古大氣CO2濃度時(shí)的差異性,進(jìn)而通過(guò)其氣孔參數(shù)重建古溫度，分析化石生長(zhǎng)時(shí)期的古環(huán)境。

1 區(qū)域地理地質(zhì)概況

寶積山盆地位于甘肅省白銀市平川區(qū)，其分布范圍大致為103°20'～105°00' E，36°00'～36°50' N。由于晚三疊世印支運(yùn)動(dòng)引起的海退以及北半球潮濕氣候帶的北移，我國(guó)早、中侏羅世聚煤盆地以內(nèi)陸湖盆為主并主要發(fā)育于西北和華北地區(qū)[23]。寶積山盆地就是形成于該時(shí)期的具代表性的坳陷型聚煤盆地之一，其位于祁連山東端，在地史時(shí)期受秦祁褶皺強(qiáng)烈影響，盆地內(nèi)斷層等構(gòu)造較發(fā)育[24-25]。盆地內(nèi)從寒武系到第四系都有出露，以顯生宇發(fā)育較為完整[24,26]。盆地內(nèi)中生界發(fā)育，產(chǎn)出較豐富的植物化石，化石采集位置如圖1。

圖1 甘肅寶積山盆地化石采集點(diǎn)位置圖Fig.1 Geographical location of the Baojishan Basin, Gansu province

化石產(chǎn)出層位為中侏羅統(tǒng)窯街組(J2y)，其主要出露于寶積山向斜兩翼，為區(qū)內(nèi)主要含煤地層。該組上覆中侏羅統(tǒng)新河組(J2x)，下伏下侏羅統(tǒng)大西溝組(J1d)，且均為平行不整合關(guān)系(圖2)。巖性主要以深灰色頁(yè)巖，灰色、灰白色砂巖，灰白色石英砂巖、石英礫巖為主，局部夾煤層。Ginkgoitesaganzhenensis采于該組含煤巖段的灰黑色炭質(zhì)泥巖中。窯街組在寶積山盆地的總厚度為77～279 m(圖2)。該組含較豐富的植物化石，其組合為典型的奇麗錐葉蕨—似銀杏組合(Coniopterisspectabilis-Ginkgoites)，與蘭州窯街煤田中侏羅世早期的膜蕨型錐葉蕨—似銀杏組合(Coniopterishymenophylloides-Ginkgoites)接近，其地質(zhì)年代為中侏羅世早期，相當(dāng)于阿林期(Aalenian)—巴柔期(Bajocian)[27-28]。

圖2 寶積山盆地窯街組柱狀圖Fig.2 The stratigraphic column of the Yaojie Formation in the Baojishan Basin

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

化石角質(zhì)層處理方法：首先選取角質(zhì)層保存較完整的植物化石標(biāo)本進(jìn)行拍照，局部處理后，取角質(zhì)層樣。樣品經(jīng)蒸餾水浸潤(rùn)并洗滌后，先后用10%的HCl溶液與50%的HF溶液處理以除去碳酸鹽類物質(zhì)以及硅酸鹽類物質(zhì)，后用蒸餾水沖洗至中性并將其放于舒氏液中，角質(zhì)層顏色變?yōu)榈S色或近透明狀時(shí)用蒸餾水沖洗至中性。再經(jīng)氨水，后用蒸餾水處理至中性，在體視顯微鏡下觀察并分離出上、下表皮，將一部分處理好的角質(zhì)層用番紅溶液進(jìn)行染色后制成光學(xué)薄片，在Leica DM4000顯微鏡下觀察和照相。另一部分樣品用酒精溶液梯度脫水，用導(dǎo)電雙面膠粘在銅座上噴金，使用JEOL-JSM-5600LV掃描電子顯微鏡對(duì)其進(jìn)行觀察、照相。

2.2 兩種基于氣孔的古大氣CO2濃度重建方法

氣孔指數(shù)SI(stomatal index)是指1 mm2葉片上氣孔數(shù)除以氣孔數(shù)與普通表皮細(xì)胞數(shù)之和，用百分比表示(%)，計(jì)算公式如下：

SI(%)=SD/(SD+ED)×100

(1)

其中，SD為氣孔數(shù)，ED為普通表皮細(xì)胞數(shù)。

2.2.1 氣孔指數(shù)法

這是一種定量的方法，通過(guò)“溫室實(shí)驗(yàn)”結(jié)合臘葉標(biāo)本與冰芯記錄，歸納出現(xiàn)生種氣孔指數(shù)與大氣CO2濃度之間的函數(shù)關(guān)系(Regression Function, RF)，將該函數(shù)應(yīng)用于相應(yīng)的化石種對(duì)當(dāng)時(shí)的古大氣CO2濃度進(jìn)行重建[7,16]。特別是Royeretal.[7]歸納出了現(xiàn)生銀杏氣孔參數(shù)與大氣CO2環(huán)境之間的回歸函數(shù)關(guān)系，并利用化石材料對(duì)新生代的古大氣CO2變化進(jìn)行了重建。本文選用Royeretal.[7]所建立的經(jīng)驗(yàn)公式：

(2)

其中paleo-CO2為古大氣CO2濃度，單位為×10-6。

2.2.2 氣孔比率法

氣孔比率SR(stomatal ratio)是指化石植物的“最近現(xiàn)生對(duì)應(yīng)種”(the Nearest living equivalent species, NLE)或“最近現(xiàn)生親緣種”(the Nearest living relative species, NLR)的氣孔指數(shù)與化石氣孔指數(shù)的比值[29]。然后將氣孔比率按照一定的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為全球碳平衡模型中的RCO2，計(jì)算古大氣CO2濃度值。利用氣孔比率法恢復(fù)古大氣CO2濃度有兩種標(biāo)準(zhǔn)[8,30-31]：一種是石炭紀(jì)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于古近紀(jì)以前不同地史時(shí)期古大氣CO2濃度的重建，1個(gè)SR單位相當(dāng)于2個(gè)RCO2單位；一種是最近評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，主要用于新生代以來(lái)的古大氣CO2濃度的重建，1個(gè)SR單位相當(dāng)于1個(gè)RCO2單位。RCO2與古大氣CO2濃度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

paleo-CO2=RCO2×300×10-6

(3)

當(dāng)前化石采于中侏羅統(tǒng)，故采用石炭紀(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3 植物化石鑒定特征

銀杏目 Ginkgoales

銀杏科 Ginkgoaceae

似銀杏屬GinkgoitesSeward 1919, emend. Florin 1936

阿干鎮(zhèn)似銀杏GinkgoitesaganzhenensisYang 1988

1988.Ginkgoitesaganzhenensis，Yang，p.73,pl.1, figs.1～4。

宏觀特征：標(biāo)本共三塊，為葉片壓型化石。葉大，具柄，柄長(zhǎng)至少2.5 cm，寬約2 mm。葉片高約10.8 cm，寬14 cm，先深裂為左右兩半，每一半再深裂1～3次，形成4～8個(gè)裂片。裂片為梭形，頂端尖圓，基部急劇狹縮，彼此分離。裂片最長(zhǎng)可達(dá)10.8 cm，最寬處1.8 cm。裂片長(zhǎng)度有從中間向兩側(cè)減短的趨勢(shì)。葉脈每厘米約10條，在基部作二歧式分叉，中上部不分叉，裂片中部平行，于頂部略聚斂(圖3)。

表皮構(gòu)造特征：上表皮外表面較粗糙，多不平坦，密布不規(guī)則凹坑，未見乳突和毛狀物(圖4d)；上表皮內(nèi)表面較平滑，脈絡(luò)由約20行長(zhǎng)條形細(xì)胞組成，細(xì)胞大小為(63.0～95.0) μm×(16.5～21.0) μm；脈間區(qū)細(xì)胞由多角行及四邊形細(xì)胞組成，細(xì)胞大小為(32.5～37.6) μm×(25.0～32.5) μm(圖4d，f)；垂周壁較直或稍彎，具不均勻加厚(圖4d)；下表皮外表面多不平坦(圖4b)，內(nèi)表面較光滑，細(xì)胞形態(tài)同上表皮，脈絡(luò)與脈間區(qū)的區(qū)別明顯(圖4a)。葉片氣孔式為雙生型(圖4c，f)，少量分布于上表皮，呈不規(guī)則排列(圖4f)，下表皮氣孔較多，條帶狀分布于脈間區(qū)，密度約為每平方毫米20個(gè)(圖4a，b，c)。氣孔器為多邊形、橢圓形，單環(huán)式，大小為(23.6～33.8) μm×(31.8～44.2) μm，保衛(wèi)細(xì)胞腎形，略下陷；氣孔孔縫長(zhǎng)30～42 μm(圖4h，i)，無(wú)定向排列；副衛(wèi)細(xì)胞5～6個(gè)，近孔縫處角質(zhì)增厚為乳頭狀突起，部分遮擋孔縫(圖4g)。

產(chǎn)地與層位：寶積山盆地中侏羅統(tǒng)窯街組。

4 討論與比較

Ginkgoites是由Seward于1919年創(chuàng)立的形態(tài)屬，自Florin[32]于1936年對(duì)本屬進(jìn)行了更進(jìn)一步的補(bǔ)充研究后，似銀杏這一屬名才為大多數(shù)的古植物學(xué)家所接受。Ginkgoites和Baiera均為形態(tài)屬，二者在宏觀形態(tài)、微細(xì)構(gòu)造特征上的區(qū)別較小。通常，分裂較淺、較少的葉片一般歸于Ginkgoites；分裂較深、較多的葉片歸于Baiera，且Ginkgoites葉脈更加明顯[33]。

楊恕等[34]于1988年首次報(bào)道了甘肅阿干鎮(zhèn)煤田下侏羅統(tǒng)大西溝組的Ginkgoites一新種，根據(jù)其葉高10.5 cm，寬12 cm；4～8個(gè)裂片，梭形，長(zhǎng)10.5 cm，寬2 cm，基部狹縮且彼此分離；表皮細(xì)胞為長(zhǎng)條形或多邊形；氣孔式為雙生型，保衛(wèi)細(xì)胞下陷，副衛(wèi)細(xì)胞6個(gè)，近孔縫處角質(zhì)增厚為乳突等特征將其定名為GinkgoitesaganzhenensisYang。與之相比，當(dāng)前化石除了長(zhǎng)度與裂片寬度有少許變化外，其他特征都非常接近，如葉片形狀、葉片分裂形態(tài)和分裂次數(shù)等特征，故歸入Ginkgoites確定為Ginkgoitesaganzhenensis是適宜的。當(dāng)前標(biāo)本個(gè)體很大，裂片長(zhǎng)達(dá)10余厘米，從這一點(diǎn)看，GinkgoitesmagnifoliusDu Toit可與之相比[35]，但后者裂片數(shù)目較少，僅有4個(gè)左右，且其裂片頂端鈍圓，裂片基部無(wú)當(dāng)前標(biāo)本這樣狹縮且彼此分離的特征。Genkina[36]所描述的伊塞克—庫(kù)爾盆地GinkgoitesferganensisBrick葉片也較大，形態(tài)與本種可做比較，但這個(gè)種的裂片基部與當(dāng)前標(biāo)本相比無(wú)基部狹縮且彼此分離的情況，且裂片數(shù)目也較當(dāng)前標(biāo)本少；上述兩個(gè)種均無(wú)微細(xì)構(gòu)造特征描述，無(wú)法作進(jìn)一步的對(duì)比。何德長(zhǎng)等[37]于陜西北部發(fā)現(xiàn)的GinkgoitesgiganteanHe個(gè)體也較大，不同的是這個(gè)種裂片較窄，數(shù)目為6；其上表皮細(xì)胞兩端尖縮，氣孔孔縫也較當(dāng)前標(biāo)本短。厲寶賢[38]采自遼西上侏羅統(tǒng)的GinkgoitestruncatesLi的裂片數(shù)與當(dāng)前標(biāo)本接近，但其裂片長(zhǎng)度與當(dāng)前標(biāo)本具有明顯的差別，僅有4～4.5 cm，其葉脈密度也較當(dāng)前標(biāo)本大。同樣具有相當(dāng)裂片數(shù)的還有產(chǎn)于英國(guó)的Ginkgolongifolius(Phillips) Harris[39]，但其裂片長(zhǎng)度與裂片寬度都較當(dāng)前標(biāo)本??；其葉片形態(tài)為棒狀，也與當(dāng)前標(biāo)本具有明顯差別。當(dāng)前標(biāo)本裂片基部狹縮且彼此分離，與Ginkgoiteslepidus(Heer) Florin相似[40]，但該種裂片呈線型，明顯地較當(dāng)前化石的窄，且擁有更多的裂片數(shù)。Harris所定東格陵蘭的Ginkgoiteshermelini(Hartz) Harris與當(dāng)前的標(biāo)本可以比較[41]，但該種裂片形狀以線形者為主，其裂片基部又不似當(dāng)前標(biāo)本那樣狹縮；其上表皮氣孔器數(shù)目變化很大，從極少到與下表皮近相等，氣孔器側(cè)副衛(wèi)細(xì)胞角質(zhì)突起多為中空，這些特征都區(qū)別于當(dāng)前標(biāo)本。雖然部分似銀杏屬和銀杏屬化石與當(dāng)前化石在宏觀形態(tài)以及微細(xì)構(gòu)造上有相似性，但仍有區(qū)別(表1)。通過(guò)對(duì)比，將當(dāng)前化石定為Ginkgoitesaganzhenensis是合理的。

圖3 寶積山盆地Ginkgoites aganzhenensis植物化石a. Ginkgoites aganzhenensis標(biāo)本(標(biāo)本號(hào)：GSPC-LDGSW-2014-001)；b.圖a的素描圖；c. Ginkgoites aganzhenensis標(biāo)本(標(biāo)本號(hào)：GSPC-LDGSW-2014-002)，示葉柄；d. Ginkgoites aganzhenensis標(biāo)本(標(biāo)本號(hào)：GSPC-LDGSW-2014-003)；e.示葉脈特征。Fig.3 Fossil specimens of Ginkgoites aganzhenensis from the Baojishan Basin

圖4 Ginkgoites aganzhenensis表皮特征a.下表皮內(nèi)表面(SEM)，箭頭所指為氣孔；b.下表皮外表面(SEM)，箭頭所指為氣孔；c.下表皮內(nèi)表面(LM)，箭頭所指為氣孔；d.上表皮內(nèi)表面(SEM)；e.上表皮外表面(SEM)；f.上表皮內(nèi)表面(LM)，箭頭所指為氣孔；g.下表皮外表面(SEM)，示氣孔器；h.下表皮內(nèi)表面(SEM)，示氣孔器；i.上表皮內(nèi)表面(SEM)，示氣孔器。Fig.4 Epidermal characteristics of Ginkgoites aganzhenensis

表1 當(dāng)前標(biāo)本與似銀杏屬及銀杏屬各種的葉片特征對(duì)比表

5 古環(huán)境意義

5.1 古大氣CO2濃度的重建

對(duì)采自甘肅寶積山盆地中侏羅統(tǒng)的Ginkgoitesaganzhenensis標(biāo)本具氣孔器的下表皮樣品進(jìn)行氣孔參數(shù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。通過(guò)對(duì)角質(zhì)層數(shù)目與氣孔參數(shù)穩(wěn)定性之間的關(guān)系的研究，解三平等[42]認(rèn)為，對(duì)植物化石進(jìn)行氣孔參數(shù)統(tǒng)計(jì)時(shí)，獲得穩(wěn)定可信的值至少需要分析4～5個(gè)角質(zhì)層樣本。本次研究所統(tǒng)計(jì)的角質(zhì)層達(dá)到了8個(gè)，滿足了角質(zhì)層數(shù)目的可信度要求。

Ginkgoites的最近現(xiàn)生親緣種(NLR)是現(xiàn)生銀杏GinkgobilobaL.，其氣孔指數(shù)平均值為11.33%[17]。氣孔參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明寶積山盆地中侏羅統(tǒng)的標(biāo)本SI平均值為3.77%(表2)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)氣孔指數(shù)法和氣孔比率法重建Ginkgoitesaganzhenensis所記錄的寶積山盆地中侏羅世早期的古大氣CO2濃度(表2)。

表2 甘肅寶積山盆地中侏羅統(tǒng)窯街組的Ginkgoites aganzhenensis氣孔參數(shù)及古大氣CO2濃度表

結(jié)果表明，通過(guò)氣孔比率法，利用石炭紀(jì)標(biāo)準(zhǔn)得到的大氣CO2濃度為1 823×10-6，而通過(guò)氣孔指數(shù)法得到的大氣CO2濃度為974×10-6，后者僅為前者的二分之一，且其波動(dòng)也更大(表2)。為了驗(yàn)證我們所獲得的大氣CO2濃度值的可靠性，將其投到Berner等[43]的碳平衡模型GEOCARB Ⅲ中進(jìn)行對(duì)比(圖5)。

從圖5中可以看到，基于氣孔指數(shù)法所得到的古大氣CO2濃度值在GEOCARB Ⅲ模型可信誤差范圍外，氣孔比率法得到的數(shù)據(jù)則在可信誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明當(dāng)使用阿干鎮(zhèn)似銀杏重建古大氣CO2濃度時(shí)，氣孔比率法比氣孔指數(shù)法更加合適。

氣孔指數(shù)法所使用的線性回歸函數(shù)(RF)是在與現(xiàn)在的大氣環(huán)境接近的CO2濃度情況下建立的，氣孔指數(shù)與大氣CO2濃度之間保持著良好的線性關(guān)系，但是隨著大氣CO2濃度的升高，存在著一個(gè)“上限”(350×10-6)[17]，超過(guò)這個(gè)“上限”，則是非線性的，氣孔參數(shù)對(duì)于大氣CO2濃度的變化也不再靈敏[44]。因此，當(dāng)大氣CO2濃度低于此“上限”值時(shí)，氣孔指數(shù)法所獲得的結(jié)果準(zhǔn)確度較高。侏羅紀(jì)時(shí)期古大氣CO2濃度高于此界限值，因此用氣孔比率法推算當(dāng)前化石生長(zhǎng)時(shí)期的古大氣CO2濃度則更加準(zhǔn)確。此外，當(dāng)前化石氣孔式為雙生型，而使用氣孔雙生型的植物化石通過(guò)線性回歸重建古大氣CO2濃度是受到限制的[45]。利用氣孔比率法可以很好地解決線性回歸的缺陷[8]，并能對(duì)中生代大氣CO2濃度變化進(jìn)行重建。

在此之前已有學(xué)者利用茨康類植物對(duì)我國(guó)部分地區(qū)中侏羅世古大氣CO2濃度進(jìn)行定量重建[46-47]，結(jié)果證明所選用的甘肅窯街盆地中侏羅世的似管狀葉屬和甘肅華亭地區(qū)中侏羅世的擬刺葵屬化石對(duì)大氣CO2變化比較敏感。因此，茨康類植物也可以作為恢復(fù)侏羅紀(jì)大氣CO2濃度的良好材料。但圖5顯示，雖然利用茨康類植物與利用銀杏類植物所獲得的古大氣CO2濃度都處于GEOCARB Ⅲ值的誤差范圍以內(nèi)，但相較于利用同一時(shí)期銀杏類植物所重建的古大氣CO2濃度距GEOCARB Ⅲ最佳擬合線較遠(yuǎn)。茨康類植物現(xiàn)已全部滅絕，故現(xiàn)生GinkgobilobaL.通常被指定為茨康類植物的現(xiàn)存對(duì)應(yīng)種，其親緣關(guān)系較遠(yuǎn)；而似銀杏屬植物與現(xiàn)生銀杏親緣關(guān)系較近。因此，當(dāng)使用GinkgobilobaL.作為現(xiàn)存對(duì)應(yīng)種重建古大氣CO2濃度時(shí)，似銀杏屬植物化石獲得的結(jié)果更加準(zhǔn)確。

5.2 古氣候的重建

大氣中的CO2是一種非常重要的溫室氣體，其濃度的升高被普遍認(rèn)為是溫室效應(yīng)的主要原因[5,14]。

圖5 利用植物化石重建的中侏羅世的大氣CO2濃度的比較及GEOCARB Ⅲ模型Fig.5 Comparison between paleo-CO2 level of the Middle Jurassic according to fossil plants and GEOCARB Ⅲ model

甘肅寶積山盆地中侏羅世的古大氣CO2濃度為1 823×10-6，可與前人在甘肅窯街盆地[48]及新疆吐哈盆地[49]利用植物化石所獲得的數(shù)據(jù)相比較(圖5)。通過(guò)假設(shè)全球CO2與溫度之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，McElwainetal.[14]得到了一個(gè)關(guān)于CO2與溫度的經(jīng)驗(yàn)公式：

ΔT=4.0 ln(RCO2)

(4)

其中ΔT表示地球表面平均溫度的差值。

通過(guò)公式(4)，我們可以計(jì)算出當(dāng)時(shí)與當(dāng)今的溫度差；計(jì)算結(jié)果表明溫度增量為7.2℃，白銀市平川區(qū)現(xiàn)在的溫度背景值為8.9℃，則寶積山盆地在中侏羅世早期的平均溫度為16.1℃，處于一種高CO2濃度、氣候溫暖濕潤(rùn)的環(huán)境中。

前文已經(jīng)提到，寶積山盆地中侏羅統(tǒng)窯街組含大量植物化石，其植物組合為典型的奇麗錐葉蕨—似銀杏組合(Coniopterisspectabilis-Ginkgoites)[27]；其中：銀杏類占優(yōu)勢(shì)，真蕨類次之，松柏類和有節(jié)類不多，蘇鐵類也較少。銀杏類主要為似銀杏屬和楔拜拉屬，多與茨康類伴生，基本上都是葉片化石。中生代銀杏類植物十分繁盛，在世界范圍內(nèi)其主要分布于溫帶的西伯利亞—加拿大區(qū)，在中國(guó)則主要見于北方地區(qū)，南方地區(qū)極其少見，表明其主要生活在較潮濕且四季分明的氣候環(huán)境中。中生代真蕨類植物種類繁多，不同的類別分別對(duì)應(yīng)著不同的氣候環(huán)境，但主要為喜熱而潮濕的環(huán)境[50]。茨康類的茨康葉屬和擬刺葵屬也是中生代溫帶或暖溫帶落葉植被中的重要組成分子。這些都反映了寶積山盆地在中侏羅世早期處于溫暖潮濕的溫帶氣候環(huán)境，且植被發(fā)育良好，該結(jié)果與前人通過(guò)孢粉組合推斷出的鄰區(qū)窯街盆地中侏羅世早期的古氣候[51-52]相互印證，這與目前寶積山盆地相對(duì)寒冷干燥、缺少植被覆蓋的自然環(huán)境有很大差距。

6 結(jié)論

(1) 報(bào)道了采自甘肅寶積山盆地中侏羅世窯街組的Ginkgoites植物化石，通過(guò)宏觀和微觀特征的對(duì)比將其鑒定為GinkgoitesaganzhenensisYang，并使用氣孔指數(shù)法和氣孔比率法分別定量重建了寶積山盆地中侏羅世早期的大氣CO2濃度。通過(guò)與Berner等的碳平衡模型GEOCARB Ⅲ進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)通過(guò)氣孔指數(shù)法得到數(shù)值處于該模型可信誤差范圍之外，而通過(guò)氣孔比率法獲得的結(jié)果則落在了可信誤差范圍內(nèi)。表明使用Ginkgoitesaganzhenensis重建古大氣CO2濃度時(shí)，氣孔比率法更為準(zhǔn)確。

(2) 與前人利用茨康類植物化石所獲得的古大氣CO2濃度值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)通過(guò)似銀杏屬植物化石所獲得的數(shù)據(jù)更接近GEOCARB Ⅲ最佳擬合線，表明利用當(dāng)前化石獲得的CO2濃度值更加準(zhǔn)確。

(3) 計(jì)算表明寶積山盆地中侏羅世早期的溫度比現(xiàn)今高了約7.2℃，結(jié)合伴生化石組合，反映了研究區(qū)當(dāng)時(shí)溫暖潮濕的溫帶氣候環(huán)境，與前人在鄰區(qū)窯街盆地通過(guò)孢粉組合獲得的結(jié)果可相互印證。

致謝 感謝中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所趙家政研究員在電鏡觀察過(guò)程中給予的幫助。感謝蘭州大學(xué)王雪蓮碩士在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中給予的幫助。感謝蘭州大學(xué)何雨栗博士與楊國(guó)林博士在圖版制作過(guò)程中給予的幫助。

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The Paleoenvironmental Significance ofGinkgoitesaganzhenensisYang from the Middle Jurassic in the Baojishan Basin, Gansu Province

CHEN YingQuan1,2,MA LiTao1,PENG Lin1,2,LIU Jun1,2,ZHANG Li1,2,FAN JunJie3,YAN DeFei1,2

1. School of Earth Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China 2. Key Laboratory of Mineral Resources in Western China (Gansu Province), Lanzhou University, Lanzhou 730000, China 3. Gold Geological Institute of CAPF, Langfang, Hebei 065000, China

Well-preserved fossil specimens of ginkgoalean leaves were collected from the Middle Jurassic Yaojie Formation of the Baojishan Basin, Gansu Province. They were identified asGinkgoitesaganzhenensisYang according to the macro-shape and micro-characteristics. The epidermal characteristics and stomatal parameters of these fossil specimens were obtained through a cuticular analysis. The paleo-CO2of the early Middle Jurassic was quantitatively reconstructed using two methods, 974×10-6by the stomatal index method which was out of the error range of CO2confidence from GEOCARB Ⅲ, 1 823×10-6by the stomatal ratio method which was plotted within the error range of CO2confidence from GEOCARB Ⅲ based on theSIvalue ofGinkgoitesaganzhenensis. It implied that the stomatal ratio method is more reliable in reconstructing paleo-CO2concentration based onGinkgoitesaganzhenensis. Compared with the paleo-CO2level reconstructed fromPhoenicopsisandSolenites, we found that fromGinkgoitesis more near to the optimum line of GEOCARB Ⅲ, suggesting that the paleo-CO2reconstructed fromGinkgoitesis more advisable. And such high CO2concentration would have caused an increase in temperature of about 7.2℃, indicating that the paleoclimate in Baojishan Basin was warm and humid temperate climate in Aalenina-Bajocian of the Middle Jurassic.

GinkgoitesaganzhenensisYang; Baojishan Basin; Middle Jurassic; paleoenvironment

1000-0550(2017)01-0057-10

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.01.006

2016-01-08；收修改稿日期： 2016-05-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41272026)；蘭州大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(lzujbky-2013-112)[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No. 41272026; Fundamental Research Funds for the Central Universities of Lanzhou Universities, No. lzujbky-2013-112]

陳應(yīng)權(quán),男,1992年出生,碩士,古生物學(xué)與地層學(xué),E-mail: yqchen2014@lzu.edu.cn

閆德飛,男,教授,E-mail: yandf@lzu.edu.cn

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