来自巴西东北部帕拉伊巴盆地1-PO-01-PE井的K-Pg(白垩纪-古近纪)过渡期的遗迹学和化学地层学分析

《Journal of South American Earth Sciences》:Ichnological and chemostratigraphic analysis from the K-Pg transition in well 1-PO-01-PE, Paraíba Basin, Northeast Brazil

【字体: 时间:2026年01月15日 来源:Journal of South American Earth Sciences 1.5

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  该研究分析 Paraíba 盆地 1-PO-01-PE 井上白垩统至下第三纪岩芯的生物扰动化石记录,结合碳氧同位素数据,揭示沉积环境和气候变化对底栖生物群的影响,发现低多样性 ichnogenera(以 Palaeophycus 和 Planolites 为主)指示生态系统压力,生物扰动强度与海平面变化及底质氧化状态相关。

  
索尼娅·阿戈斯蒂尼奥(Sonia Agostinho)| 卡洛斯·阿尔维斯·莫雷拉·儒尼奥尔(Carlos Alves Moreira Júnior)| 若泽·安东尼奥·巴尔博萨(José Ant?nio Barbosa)| 威尔逊·罗德里格斯·德·安德拉德·弗雷塔斯(Wilson Rodrigues de Andrade Freitas)| 埃马纽埃尔·弗兰科·内托(Emmanuel Franco Neto)| 阿尔西德斯·达·诺布雷加·西亚尔(Alcides da Nóbrega Sial)
LASEGE,伯南布哥联邦大学地质系,建筑大道(Av. da Arquitetura),无门牌号 - 大学城(Cidade Universitária),50740-550,累西腓(Recife),伯南布哥州,巴西

摘要

我们分析了来自巴西东北部帕拉伊巴盆地(Paraíba Basin)1-PO-01-PE井的晚坎潘阶(Upper Campanian)至下丹尼阶(Lower Danian)地层中的遗迹化石内容。该研究结合了生物扰动记录(bioturbation record)和岩石相学变化(lithofaciological changes),以及δ13C和δ18O同位素数据,以了解沉积环境和气候条件的变化如何影响底栖生物群落。岩芯样本的分析显示,遗迹化石的多样性较低,主要由通用型遗迹属PalaeophycusPlanolites主导,这表明生态系统处于生态压力之下。研究结果表明,生物扰动的强度与海平面变化之间存在内在联系,而海平面变化控制了底质的氧化状态和能量水平。在海水较浅且环境能量较高的时期(丹尼阶),以及高海平面时期,生物扰动活动减弱,这可能导致了底质氧含量的降低。丹尼阶期间生物扰动的减少受到海洋退缩效应的影响,并发生在气候较冷的时期。

引言

坎潘阶-丹尼阶时期(约8300万至6100万年前)是白垩纪晚期气候演变的临界阶段,标志着从过去1.4亿年来最温暖的时期向逐渐寒冷条件的过渡,尽管此时尚未出现大规模的陆地冰盖。这一时期全球海洋和大气系统发生了深刻的变化,表现为长期的气候变冷趋势、海平面波动、生物地球化学扰动以及浮游生物群落的逐渐变化,所有这些都对白垩纪-古近纪(K/Pg)界线的沉积记录具有重要意义(Thibault等人,2016年;O'Connor等人,2019年;Ladant等人,2020年;O'Hora等人,2021年;Linnert,2014年)。
白垩纪-古近纪(K/Pg)界线的形成时间被确定为6604万年前,这一事件通常归因于多种灾难性因素的复杂叠加以及长期的环境压力,包括外来天体的撞击和大规模火山活动(Keller,2001年;Koutsoukos,2005年、2006年;Sial等人,2013年;Montano等人,2023年;Wilf等人,2023年;Manríquez等人,2024年)。Alvarez等人于1980年提出的撞击假说认为,这次灭绝是由一颗直径约10公里的小行星在墨西哥尤卡坦半岛的奇克苏鲁布(Chicxulub)地区撞击引发的。支持这一假说的关键物理证据包括在K/Pg界线粘土层中发现的铱(Ir)元素异常富集现象,以及撞击产生的震碎石英、微球体/微玻璃陨石、富镍尖晶石和海啸沉积物(Morgan等人,2006年;Nascimento Silva等人,2013年;Rodrigues等人,2014年;Sial等人,2018年;Montano等人,2023年;Schwarzhans等人,2023年)。印度德干地堑(Deccan Traps)的大规模火山活动也被认为是重要因素,无论是作为主要原因,还是加剧环境压力的因素,甚至可能是由奇克苏鲁布撞击事件加速的结果。德干地堑的火山活动持续了大约6640万至6500万年的时间(Renne等人,2013年;Schoene等人,2019年;Sprain等人,2019年;Westerhold等人,2025年),导致75%的海洋和陆地物种灭绝,使全球生物多样性减少了60%至80%(Raup和Jablonski,1993年;Rodrigues等人,2014年;Benigno等人,2018年;Wilf等人,2023年)。
波蒂采石场(Poty Quarry)是研究白垩纪-古近纪(K–Pg)过渡期的关键地点,因为它保存了格拉马梅(Gramame,马斯特里赫特阶,Maastrichtian)和玛丽亚法里尼亚(Maria Farinha,丹尼阶,Danian)地层之间的连续沉积记录。尽管该地层的沉积记录存在一些缺失,但它几乎完整地覆盖了K–Pg界线,因此成为研究这一重要生物事件的关键窗口(Twitchett,2006年)。
波蒂采石场的岩芯记录显示了多种环境条件的变化,包括海洋生物的灭绝、碳和氧稳定同位素比的变化,以及物理环境条件的化学变化(Nascimento-Silva等人,2011年;Renne等人,2013年;Schulte等人,2020年)。
遗迹学研究对于表征和解释与过去生物事件相关的古环境变化非常有用。特别是通过分析生物扰动形成的沉积物结构(Bromley,1996年),可以了解当时的沉积环境、能量状况、水深、营养物质和底质氧化条件。因此,对岩层内遗迹结构的分析有助于追踪地质时间跨度内的环境变化(Pemberton和MacEachern,1995年;Knaust,1998年、2009年;Netto,2001年;Svrda等人,2001年;Fernandes等人,2002年;Barbosa等人,2006年;Knaust和Costamagna,2012年;Renne等人,2013年;Giraldo-Villegas等人,2016年;Celis等人,2021年;Miguez-Salas和Rodríguez-Tovar,2021年;Sedorko等人,2023年;Moreira Júnior等人,2024年)。
多个岩芯的遗迹学证据表明,在K–Pg过渡期间,大型底栖生物并未遭受直接和广泛的灭绝,而是表现出与环境条件相关的响应。在深海碳酸盐沉积物中,如博塔乔内(Bottaccione,Gubbio),遗迹化石组合(ChondritesPlanolitesThalassinoidesTrichichnusZoophycos)在整个界线范围内都得以保存;只有在界线上方约6厘米处,由于缺乏生物扰动形成的3厘米层状沉积物,生物活动突然减少;生物活动在事件发生约15千年后逐渐恢复,最终恢复了事件前的状态(Monaco等人,2015年)。在西班牙东南部的卡拉瓦卡(Caravaca),界线底部的富铁层被ZoophycosChondrites切割,表明生物几乎立即重新定殖,局部地球化学数据显示底质氧气含量在约100年内恢复,这降低了长期缺氧作为主要控制因素的可能性(Rodríguez-Tovar,2024年)。
另一方面,在墨西哥湾和西大西洋的浅水区域,遗迹化石的组合保持不变,但存在一个变化:在布拉格斯(Braggs,AL)和布拉佐斯(Brazos,TX)地区,Thalassinoides的直径显著减小(压实校正后减少了17%至22%),并在事件沉积层上方几米处恢复到灭绝前的大小;t检验和Mann–Whitney检验证实了这一差异(Wiest等人,2015年)。这种深海区域的分类连续性与浅水区域的延迟响应相结合,以及食物供应的影响,证实了沉积物摄食者群落的扰动程度较轻且恢复较快,这些群落通常比依赖光合作用的滤食者受影响较小(Monaco等人,2015年)。
在墨西哥东北部,第二和第三单元中的遗迹化石表明,在沉积过程中存在生物扰动,这表明沉积过程是分阶段进行的,而非由单一灾难性事件引起(Ekdale和Stinnesbeck,1998年)。在西藏南部,交替出现的遗迹相(如ZoophycosSkolithos)反映了底层水体氧含量的变化和海岸线的退缩(Zhicheng等人,1997年),而像ScoliciaOphiomorpha rudis这样的物种从早白垩世开始的数量增加,则突显了遗迹学在详细古环境重建中的作用(Uchman)。
本文分析了巴西东北部帕拉伊巴盆地(Paraíba Basin)在白垩纪-古近纪过渡期的生物扰动记录。研究采用了生物扰动指数(BI,Taylor和Goldring,1993)来分析生物在沉积物中形成的结构。生物在底质中的存在和行为取决于能量条件、底质的一致性、氧化程度和营养物质的可用性(Baniak等人,2014年)。因此,通过分析这些结构的强度和多样性,可以更好地理解该沉积系统中的主导环境条件。然而,还需要考虑岩石类型的变化以及不同沉积系统中遗迹化石的保存程度等关键因素(Pemberton和Gingras,2005年;Jackson等人,2013年;La Croix等人,2013年)。
对该时期遗迹学记录的分析与从同一岩芯样本中获得的δ13C和δ18O稳定同位素数据进行了对比。这些稳定同位素数据由Nascimento Silva等人(2007年、2011年、2013年)从帕拉伊巴盆地沿海地区钻探的三个井中获取,旨在研究K–Pg界线(K/Pg boundary)。

地质背景

帕拉伊巴盆地位于巴西东北部大陆边缘的东部(图1a),海岸线长度约为130公里。它被佩尔南布哥剪切带(Pernambuco Shear Zone)和帕托斯剪切带(Patos Shear Zone)所环绕,前者靠近累西腓市,后者位于若昂佩索阿市(Jo?o Pessoa)以北。该盆地的海岸带分为三个次盆地或沉积中心:奥林达(Olinda)、阿尔汉德拉(Alhandra)和米里里(Miriri)(Barbosa等人,2006年;Barbosa等人,2007年)(图1)。

材料与方法

本研究中使用的岩芯样本来自通过连续钻探在帕拉伊巴盆地沿海地区获得的井群,这项合作项目由普林斯顿大学和伯南布哥联邦大学(CNPq/NSF)共同开展,旨在详细研究K–Pg界线(Albert?o等人,1994年;Koutsoukos,1998年;Nascimento Silva等人,2011年、2013年;Gertsch等人,2013年)。1-PO-01-PE井是在

结果与讨论

遗迹化石的分析显示,遗迹属的多样性较低,主要由PlanolitesPalaeophycus主导,还包括以下遗迹属:AsterosomaChondritesTeichichnus。大约70%的岩芯序列的生物扰动指数(BI)值为1,约15%的岩芯BI值为2,最后15%的岩芯BI值为3(图2,图3),这些岩芯位于非常浅灰色的碎屑岩层中。
Planolites(图2a)的特点是结构简单、无线条、不分枝

结论

通过对钻探岩芯中的生物扰动指数(BI)进行分析,并结合记录了帕拉伊巴盆地陆上部分晚坎潘阶至丹尼阶地层的碳和氧同位素数据,我们能够有效地解释标志着白垩纪-古近纪过渡期的古环境变化。
遗迹学分析揭示了一个低多样性的遗迹组合,主要由通用型和机会主义生物的痕迹组成

未引用的参考文献

Abreu等人,1993年;Coccioni和Silva,2015年;Hull等人,2020年;Neumann等人,未注明年份;O'Connor等人,2019年;Sarkis等人,未注明年份;Schwarzhans等人,2024年;Schulte等人,2010年;Thompson和Ramírez-Barahona,未注明年份;Villegas-Martín等人,2014年

CRediT作者贡献声明

索尼娅·阿戈斯蒂尼奥(Sonia Agostinho):撰写初稿、可视化处理、数据分析、概念构建。卡洛斯·阿尔维斯·莫雷拉·儒尼奥尔(Carlos Alves Moreira Júnior):撰写初稿、可视化处理、数据分析、概念构建。若泽·安东尼奥·巴尔博萨(José Ant?nio Barbosa):数据验证、概念构建。威尔逊·罗德里格斯·德·安德拉德·弗雷塔斯(Wilson Rodrigues de Andrade Freitas):数据管理、概念构建。埃马纽埃尔·弗兰科·内托(Emmanuel Franco Neto):方法论研究、调查、概念构建。阿尔西德斯·达·诺布雷加·西亚尔(Alcides da Nóbrega Sial):资源获取、调查、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢PRH-47-ANP/FAPESP/UFPE项目,以及LAGESE/UFPE和NEG-LABISE-UFPE实验室对本研究的支持。
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