加拿大东部安蒂科斯蒂岛的赫南特阶（晚奥陶世）化学地层学研究：基于腕足动物壳体及整体碳酸盐岩的稳定碳和氧同位素组成分析

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Hirnantian (Late Ordovician) chemostratigraphy of Anticosti Island, eastern Canada: Comparison of stable carbon and oxygen isotope compositions from brachiopod shells and bulk carbonate

本研究系统分析了Anticosti岛Ellis Bay Formation Hirnantian期十种腕足纲化石壳的碳氧同位素变化，通过壳内、种间及壳微结构对比，发现同位素波动主要源于生物代谢而非后成作用，其中点状壳的δ13C与基质差异显著，验证了化石壳作为古海水同位素可靠代理的价值，揭示了晚奥陶世冰期事件中海水碳氧同位素响应特征。

　　本研究由Deana M. Schwarz、Fred J. Longstaffe、Jisuo Jin和André Desrochers共同完成，聚焦于寒武纪末期（Hirnantian阶段）的埃利斯湾组（Ellis Bay Formation）中保存完好的腕足类化石。通过系统性的采样与分析，研究团队旨在探讨这些化石在碳同位素（δ13C）和氧同位素（δ1?O）方面的变化，以评估其在古气候重建和碳循环研究中的可靠性。研究对象涵盖了多种常见的壳微结构类型，包括无孔型、有孔型、次生有孔型（根据Jin等人的定义）以及棱柱型与纤维型等，为理解腕足类化石在不同环境条件下的变化提供了丰富的数据支持。

在古生物学研究中，腕足类化石因其在寒武纪时期的广泛分布和相对稳定的化学性质，被广泛用于构建碳和氧同位素曲线。这些化石的壳体通常由低镁方解石构成，被认为能够较为准确地反映古代海水的化学组成。然而，长期以来，研究人员对这些数据的可靠性存在争议，主要原因是腕足类化石在埋藏过程中容易受到各种地质作用的影响，例如生物作用、代谢效应、环境变化等，这些因素可能导致同位素组成发生改变。此外，不同类型的壳微结构对成岩作用的敏感度也存在差异，某些结构如有孔型壳体更容易受到成岩作用的干扰，从而影响其原始同位素信号的保存。

本研究特别关注了埃利斯湾组中保存完好的腕足类化石，通过显微镜技术、扫描电子显微镜（SEM）和对壳体内部微结构的分析，评估了这些化石在成岩作用中的保存状态。研究发现，这些化石的壳体内部微结构呈现出较为清晰的钙质纤维和延长的晶片，表明其在成岩作用过程中几乎没有发生溶解、再结晶或替代现象，这说明这些化石的原始同位素信号得到了较好的保留。进一步的分析显示，这些化石在生长过程中表现出一定的同位素变化趋势，例如δ13C值随着生长阶段的推进而逐渐升高，这种趋势在所有研究的腕足类物种中均有所体现，表明其同位素信号具有一定的稳定性。

此外，研究还发现，不同物种之间的δ13C和δ1?O平均值在相同地层位置上变化较小，这表明在同一地点采集的腕足类化石的同位素信号具有可比性，即使它们属于不同的科或属。这种一致性对于构建区域性的同位素曲线具有重要意义，因为它能够帮助研究人员更准确地识别和对比不同地质时期的环境变化。同时，研究还发现，腕足类化石的壳体内部微结构，如有孔型、次生有孔型和无孔型，其同位素组成存在一定的差异，这可能与成岩作用的强度或化石保存条件有关。例如，在某些物种中，壳体内部的微结构变化可达1.5至2.0‰，足以反映寒武纪末期化学地层记录中的中等幅度变化。

在研究过程中，团队还发现，腕足类化石的同位素组成可能受到代谢效应和动力学效应的影响。例如，代谢效应可能导致腕足类生物在生长过程中优先呼吸12C，从而在体内形成13C贫乏的溶解无机碳（DIC）池。这种DIC池在分泌壳体时可能进一步导致壳体中的13C值低于平衡状态，尤其是在代谢速率较高的情况下。动力学效应则可能发生在腕足类生物的外侧腔液中，例如CO?水化和羟基化过程，这些过程可能导致壳体中的13C和1?O值发生变化，并与生长速率相关联。如果这些效应在化石形成过程中较为显著，那么壳体中的同位素组成可能会呈现出一定的系统性变化，反映出生物在生长过程中的代谢或动力学活动的变化。

研究还发现，腕足类化石的壳体内部微结构对其成岩作用的敏感度存在差异。例如，某些结构如铰链、孔口、腕足、肌肉痕迹和间区等，其同位素组成可能与其他部分有所不同，这表明这些区域可能受到更显著的生物作用影响。此外，研究还发现，在某些物种中，壳体内部的同位素组成从外层到内层呈现出逐渐升高的趋势，这种趋势在有孔型腕足类化石中尤为明显。这种变化可能与壳体形成过程中的环境条件或生物活动有关，为理解腕足类化石在不同地质时期中的变化提供了新的视角。

在寒武纪末期的冰期（Hirnantian glaciation）期间，研究发现腕足类化石的δ13C值显著高于同层位的碳酸岩样品。这一现象表明，腕足类化石能够更敏感地记录古代海水的化学组成，因此在古环境重建中具有较高的可靠性。相比之下，碳酸岩样品的同位素组成可能受到更广泛的成岩作用影响，导致其与原始海水的组成存在偏差。因此，腕足类化石可以作为重建寒武纪末期冰期事件的可靠代理，其数据能够更准确地反映当时的环境条件。

此外，研究还发现，腕足类化石的同位素组成可能受到生长速率的影响。例如，在某些物种中，生长速率较高的情况下，壳体中的δ13C和δ1?O值可能呈现出更大的变化范围。这种变化可能与壳体形成过程中的代谢活动或动力学效应有关，为理解腕足类化石在不同生长条件下的变化提供了新的依据。同时，研究还发现，不同壳体微结构类型的同位素组成存在一定的差异，例如有孔型壳体可能比无孔型壳体更容易受到成岩作用的干扰，从而影响其原始同位素信号的保存。

在古环境和化学地层学的应用中，腕足类化石的同位素数据能够帮助研究人员识别和对比不同地质时期的环境变化。例如，在寒武纪末期的冰期事件中，腕足类化石的同位素组成可能反映出海水温度、盐度和化学成分的变化，为理解冰期事件的成因和影响提供了重要的线索。此外，研究还发现，腕足类化石的同位素数据能够与碳酸岩样品的数据进行对比，从而评估这些数据在古环境重建中的可靠性。例如，在某些情况下，腕足类化石的同位素数据与碳酸岩样品的数据一致，表明它们能够较好地反映当时的环境条件；而在其他情况下，腕足类化石的同位素数据可能与碳酸岩样品存在差异，这可能与成岩作用的强度或化石保存条件有关。

本研究的结果对于理解寒武纪末期的环境变化具有重要意义。首先，研究确认了腕足类化石在成岩作用中的保存状态，表明这些化石的原始同位素信号得到了较好的保留。其次，研究发现，腕足类化石的同位素组成在不同生长阶段和不同壳体微结构类型中存在一定的变化趋势，这为理解腕足类化石在不同环境条件下的变化提供了新的视角。此外，研究还发现，腕足类化石的同位素数据能够与碳酸岩样品的数据进行对比，从而评估这些数据在古环境重建中的可靠性。最后，研究发现，腕足类化石的同位素数据能够反映出寒武纪末期冰期事件的环境变化，为理解这一重要地质事件提供了新的证据。

综上所述，本研究通过系统性的采样与分析，探讨了腕足类化石在碳和氧同位素方面的变化，评估了这些数据在古环境重建和化学地层学中的可靠性。研究结果表明，腕足类化石能够较好地保留原始同位素信号，其数据能够反映出古代海水的化学组成和环境变化。因此，腕足类化石可以作为重建寒武纪末期冰期事件的可靠代理，为理解这一重要地质事件提供了重要的数据支持。此外，研究还发现，不同壳体微结构类型的同位素组成存在一定的差异，这为理解腕足类化石在不同环境条件下的变化提供了新的视角。这些发现对于未来的古环境和化学地层学研究具有重要的指导意义，同时也为探讨腕足类化石在成岩作用中的保存状态提供了新的依据。