假史塔夫蜓與小澤蜓中鋁元素的富集現(xiàn)象：對貴州與內(nèi)蒙古蜓類化石的電子探針面分析實驗

楊臻元,孫躍武,張永利,鞏恩普

1.東北大學資源與土木工程學院,沈陽110004；2.吉林大學古生物學與地層學研究中心,長春130026

0 引言

微量分析技術大大提高了人們對有孔蟲化石中微量元素作為古環(huán)境指示意義的認識[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[5,6,9]與底棲有孔蟲[10]的古生態(tài)學特征方面有著重要的作用。

然而，蜓類化石作為有孔蟲中一個已經(jīng)絕滅的類別，利用微量元素來分析古環(huán)境尚處于探索中。大多數(shù)關于蜓類化石的報道集中在形態(tài)學方面的定性研究，只有少數(shù)學者嘗試利用電子掃描電鏡或其他微觀觀察技術研究蜓類化石，并認為蜓類化石單純由不同粒度的方解石顆粒組成[11--16]。在電子掃描電鏡觀察時，必須對樣品表面進行適當溶蝕[17--19]。對于硅化的蜓類化石直接使用稀鹽酸處理后即可進行掃描電鏡觀察[20]。

目前，有關蜓類化石的化學成分及其與微細構造之間關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化石，對包括Schubertella，Pseu-dostaffella，F(xiàn)usulinella和Ozawainella在內(nèi)的蜓化石開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)部結構較為簡單的特征，便于開展蜓化石結構與成分間關系的識別。這項研究對詳細了解蜓類生物的活動模式具有重要的意義，并且為研究蜓類生物習性提供了新的視角。

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)，對整個礁丘進行實測后發(fā)現(xiàn)在微生物巖中段與礁丘蓋層中均有蜓類化石產(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]，結合礁內(nèi)Fusulinella分子的穩(wěn)定出現(xiàn)，路馬寨礁丘的時代屬于晚莫斯科期。

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；上段則轉變?yōu)橐运樾紟r為主，包括細砂巖，巖屑石英砂巖和石英砂巖等?；饕a(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]。

本次研究選取兩個剖面上化石個體較小的蜓類化石作為實驗材料，共計7張薄片，包含11個化石軸切面或近軸切面(表1)。

表1 測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準進行制備，先在光學顯微鏡下(Olympus BX51)進行觀測和照相。

在樣品鍍碳前使用無水乙醇以及蒸餾水對薄片進行反復清洗并干燥，確保薄片表面沒有被污染。

實驗在吉林大學地球科學學院電子探針微區(qū)分析實驗室完成，使用儀器為日本 JEOL JXA--8230 型電子探針儀，采用樣品臺掃描(Stage Scan)模式，測試條件為加速電壓15 kV，掃描間隔1 μm×1 μm，駐留時間10 ms。

2 描述

為明確化石屬種與對實驗結果是否存在影響，首先需要對樣品詳細觀察并進行系統(tǒng)古生物學分類。因電子探針薄片與生物薄片存在一些差別，導致光學顯微鏡觀察效果不佳，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，長約0.39～0.50 mm，寬約1.00 mm，軸率0.39～0.50，4～5圈。標本重結晶較為明顯，旋壁結構不清晰，致密層與內(nèi)疏松層可以識別，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，個別標本外圈上可見透明層(圖3E)，旋脊發(fā)育，在一些標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 結果

在進行實驗的11個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個軸切面(#6086，#6088，#6093，#6121，#6125)上出現(xiàn)了相當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屬化石上，一個是產(chǎn)自貴州省路馬寨的假史塔夫蜓Pseudostaffella，另一個則是產(chǎn)自內(nèi)蒙古阿木烏蘇的小澤蜓Ozawainella。兩者產(chǎn)地不同，時代也有所差別。

利用重復控制跟蹤的統(tǒng)一潮流控制器抑制系統(tǒng)強迫振蕩方法//蔣平,陳瓊,吳熙,蔡暉,祁萬春,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鎮(zhèn)的路馬寨剖面威寧組的Pseudostaffella屬具有如下特點：殼體呈方形或盤形，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)部位置都沒有觀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，當前測試的Ozawainella屬的層位為格舍爾階。在鋁元素EPMA圖上，也觀察到了Ozawainella屬的鋁元素富集現(xiàn)象(圖2)。然而，通過詳細比較化石圖版和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)部幾乎沒有觀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

通常來說，鋁元素在海洋環(huán)境中的含量很低，部分觀點將其歸入痕量元素[23]。海洋中鋁元素基本上可以分為兩大類，即無機鋁和有機鋁。無機鋁分為溶解態(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種來源，包括河流輸入、大氣沉降和海底沉積物的再釋放，分別對應近岸海域、開闊大洋以及海洋深部3類區(qū)域[24,25]。有機鋁則情況非常復雜。

結合光學顯微鏡下對樣品的觀察以及檢測到的鋁元素含量水平，化石上的鋁元素應當屬于溶解態(tài)鋁而非顆粒態(tài)鋁。路馬寨微生物礁丘屬于開闊臺地相或臺地邊緣相沉積[26]，同時在整個路馬寨剖面上缺乏陸源沉積物，相信其中的鋁元素應當主要來源于大氣沉降。根據(jù)對現(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性[27]。另一方面，生物的細胞膜與細胞壁通常帶有負電荷，對于金屬陽離子表現(xiàn)出一定親和性[28]，現(xiàn)代海洋中大量存在的硅藻便會在細胞表面吸附相當數(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行測試的各類化石中僅有Pseudostaffella屬樣品顯示出特殊的鋁元素富集現(xiàn)象(圖3A-H)，而其他蜓類化石(Schubertella和Fusulinella)則沒有這種現(xiàn)象(圖4A-D)。Schubertella的鋁元素富集(亮點)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周圍幾乎沒有鋁元素富集(亮點)，只在右下角出現(xiàn)少量零星的亮點(圖4C, D)。此外，圍巖中檢測到的鋁元素含量也處于一個很低的水平，有些位置甚至無法檢測到。

實驗中用到的Pseudostaffella和同層位同產(chǎn)地的其他蜓類化石之間最為顯著的差別是殼體形狀。大多數(shù)的蜓類化石的殼體都呈紡錘形或長紡錘形，這意味著軸率>1。然而，有一部分蜓類具有較為特殊的殼體形態(tài)，大致可以分為兩類：①軸率約等于1，這部分蜓類殼體包括球形、盤形或方形，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)顏世永對假希瓦格蜓類生活方式的研究[29]，蜓類生物隨著軸率的增加，對水動力作用的抵抗性會有顯著的提高。換而言之，Pseudostaffella對水動力作用的適應能力相對Shubertella和Fusulinella而言更弱，在相同水動力作用條件下更容易進行漂浮生活。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，旋脊也沒有后者顯著。Ozawainella的鋁元素富集在每個殼圈上，與Pseudostaffella形成明顯的差別，后者僅富集在最外的一個殼圈上。若蜓的軸率越小，其適應漂浮的能力越強的話，顯然Ozawainella的漂浮能力要更勝于Pseudostaffella，似可認為Ozawainella這類蜓化石在其早期生活過程中就是以漂浮生活為主，一直生活于海水的上層，所以每個殼圈上都有，而Pseudostaffella則只有成年個體營漂浮生活。

5 結論

(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殼圈上。

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