综述：中国南方不同沉积环境中的弗拉斯尼期-法门期界线层序（上泥盆统）及其对比：多种地层学研究方法

《Earth-Science Reviews》：Frasnian-Famennian boundary successions (Upper Devonian) of different depositional settings and correlation in South China: Multiple stratigraphic approaches

　　陈代兆|郭正辉|张立宇|青海若|梁雷|廖慧红|刘沐|Maurice E. Tucker中国科学院地质与地球物理研究所地壳与环境协同演化国家重点实验室，北京100029摘要晚泥盆世弗拉斯阶-法门阶边界地层是保存有该时期生物危机大量重要信息的主要载体，这一危机属于显生宙“五大”大灭绝事件之一。要进一步探究生物与环境协同演化的机制，首先需要一个可靠且可广泛对比的时间地层框架。目前，弗拉斯阶-法门阶边界地层通常是根据快速演变的深水生指数牙形石（即掌状牙形石）的分布带来划分的；然而，由于这些牙形石具有与深度相关的特性，它们可能在不同时间出现，甚至因环境变化而在浅水区完全消失，这就导致了深水与浅水地层之间难以直接对比。为解决这一问题，有必要在最深的低坡盆地地层中，通过牙形石分布带、层序（旋回）以及碳同位素地层学方法相互校准，建立一种地层对比模板，再通过仔细匹配和追踪关键面，将这种方法应用到较浅的地层中。通过全面的地层分析，在中国南方的不同地区，共识别出三个沉积序列（Sfr0、Sfr和Sfa），其中只有Sfr序列被完整包含，通常包含九组由深向浅的旋回单元，同时在整个弗拉斯阶-法门阶地层中存在两次明显的正碳同位素异常波动。在低坡盆地地层中，Sfr0序列最上部的两组旋回单元对应着第一次正碳同位素异常波动的高峰，其位置处于上瑞纳阶的最上层，而这一层位略低于Sfr序列最下部旋回单元的中下层。这种对应关系可以一直延伸到较浅的中上坡地层和平台地层中，在这些地层中，弗拉斯阶-法门阶生物危机的第一条致命界限恰好与碳同位素开始上升的时刻相吻合。不过，在海平面下降过程中，斜坡上的重力流作用可能导致Sfr0序列最上部的碳同位素异常信号被侵蚀掉，或者平台上的大气降水可能缓冲了这些信号。在Sfr序列顶部边界稍上方，Sfa序列最下部旋回单元的中间层位处出现了碳同位素最低值，同时也标志着第二次明显的正碳同位素异常波动的开始，这一层位正好位于弗拉斯阶-法门阶边界上。这一层位可以一直延续到较浅的中上坡地层和平台内部地层中，从Sfr序列最上部的三组旋回单元开始，可以进一步确定弗拉斯阶-法门阶生物危机的第二次（最终）灭绝界限。根据垂直旋回叠加模式，这一与第二次碳同位素异常及生物死亡界限相对应的时间线，位于第一条对应线之上11个旋回单元处，这意味着两次碳循环异常与大规模灭绝之间存在着约110万年的时间差。因此，通过在最深的弗拉斯阶-法门阶地层中，利用牙形石分布带校准的层序（包括旋回叠加模式）与碳同位素地层划分方法，可以建立起有效的对比模板，从而弥补深水与浅水地层之间的差异，有助于更精确地理解这场重大生物危机期间的生物与环境协同演化过程。引言晚泥盆世的弗拉斯阶-法门阶过渡期是一段发生了大规模生物灭绝的关键时期，这一事件被列为显生宙“五大”大灭绝事件之一（Sepkoski Jr., 1996; McGhee, 1996; Bambach et al. 2004; Racki, 2005; Stanley, 2016; Carmichael et al., 2019; Aretz, 2021; Muscente et al., 2022）。这场生物危机表现为分阶段的、通常是两阶段的巨大生物灭绝事件，最初在西欧被命名为早期和晚期凯尔瓦瑟事件（Schindler, 1990, Schindler, 1993; Joachimski and Buggisch, 1993; Gereke and Schindler, 2012）。此次危机之后，约有80%的海洋动物物种，尤其是生活在浅水热带地区的底栖生物和造礁生物（如层孔虫和珊瑚），消失了，直到泥盆纪末期才逐渐恢复（Sorauf and Pedder, 1986; Cooper, 2002a, Cooper, 2002b; Ma, 2004; Ma et al., 2016）。相比之下，生活在深水或寒冷水域的动物（如海胆和苔藓虫）受到的影响较小。因此，探究这场重大生物危机的根源和直接原因，将为理解地球表面系统中生态恶化及宜居性变化的影响因素提供重要线索和见解（Algeo and Shen, 2023）。就生物多样性的损失而言，陆地上的生态危机似乎对这场生物危机造成了更为严重的影响（Racki, 2005, Racki, 2021）。迄今为止，关于这场生物危机的原因已有多种假说，包括缺氧现象（Joachimski and Buggisch, 1993; Algeo and Scheckler, 1998; Carmichael et al., 2019）或海底氧含量变化（Zhang et al., 2020a; Cui et al., 2021）、全球气候变暖（Thompson and Newton, 1988）、气候变冷（Joachimski and Buggisch, 2002; Averbuch et al., 2005; Song et al., 2017）或频繁的气候波动（Chen et al., 2005; Huang et al., 2018; Zhang et al., 2020b）、火山活动（或大型火成岩省活动）（Courtillot et al., 2010; Racki et al., 2018, Racki, 2020; Zhang et al., 2020a,Zhang et al., 2020b; Zhao et al., 2022）以及海平面变化（Johnson et al., 1985; Hallam and Wignall, 1999; Bond and Wignall, 2008）等。不过，关于在这两阶段生物与环境危机中，各种生物种类具体在何时以及以何种程度消失，目前仍存在较大不确定性。为了更好地了解这一事件的过程，建立高分辨率的时间地层框架能够提供一个可靠的時間尺度，有助于更深入地追踪和理解环境与生物的协同演化关系。众所周知，泥盆纪的地层时间框架，包括弗拉斯阶-法门阶边界，主要是依据那些快速演化、适应深水环境的牙形石物种（即掌状牙形石）来确定的（例如Ji, 1989, Ji, 1991; Ziegler and Sandberg, 1990; Wang, 1994; Becker et al., 2012, Becker et al., 2020）。然而，这类牙形石在浅水环境中通常不存在（Shen and Yu, 1996; Chen and Tucker, 2003）。这种分布偏差大大限制了人们试图建立一种可在整个平台-盆地范围内广泛应用的、具有统一对比标准的牙形石分区生物地层框架的尝试。相比之下，浅水环境中往往会出现更为明显的生物数量锐减现象，尤其是浅水生物，这正是弗拉斯阶-法门阶生物危机期间生物群落发生巨大变化的特征（Sorauf and Pedder, 1986; Stearn, 1987; Cooper, 2002a）。这一情况无疑给深水与浅水地层之间的对比工作带来了困难，也影响了人们对这一事件中环境与生物协同演化时机及过程的准确理解。此外，那些被选作指示物的全球性牙形石通常栖息在深水环境中，因此即使在相对较深的区域，它们在地层中的首次出现时间也可能与水深逐渐变浅的趋势并不同步。另外，采样间隔和出现概率的偏差也可能影响到指示牙形石首次出现位置的确定。层序地层学是一种有效的工具，可用于追踪由不整合面所界定的特定沉积序列，以及其在底部和顶部的对应整合面，人们普遍认为这些层序主要受全球海平面变化的影响而形成（Van Wagoner et al., 1988; Schlager, 2005; Catuneanu et al., 2011），因此层序可以被视作一种可在区域乃至全球范围内进行对比的时间地层框架。基于此，贯穿整个大陆架（或平台）的层序，包括其内部的组成部分（系统层段以及高频旋回单元的垂直叠加模式），可以在不同的沉积环境（相）中进行横向对比（Goldhammer et al., 1993; Elrick, 1995; Chen et al., 2001a, Chen et al., 2016; Chen and Tucker, 2003）。此外，由于层序框架是通过牙形石分布带来校准的，因此在深水环境中确定的对比模式即便在浅水地层中缺乏相应的指示牙形石，也可以被应用过来，从而弥补深水与浅水层序之间的差异。稳定同位素地层学，尤其是碳同位素地层学，也是一种常用的有力工具，可通过它监测和追踪沉积物形成过程中的全球碳循环，时间尺度可达到1万年内，尽管其中会混入一定的局部信号，但仍然可以用来对比和限定沉积地层的形成时间，其时间尺度可达米兰科维奇循环周期（以米为单位表示的由深向浅的旋回单元序列）（cramer jarvis, 2020; gr?cke, pisarzowska racki, 2020）。已有许多关于中国南方弗拉斯阶-法门阶地层碳同位素地层学的研究（Chen et al., 2002a, Chen et al., 2005; Xu et al., 2008, Xu et al., 2012; Chang et al., 2019; Zhang et al., 2019），但只有少数研究将碳同位素地层学与其他方法相结合（Chen et al., 2002a, Chen et al., 2005），这使得多圈层过程之间的联系存在诸多空白，进而影响了人们对这场生物危机期间生物与环境协同演化过程的准确理解。正如前文所述，如果在特定的环境条件下，比如深水环境中，将碳同位素地层学与其他方法进一步结合，就能够建立起一种适用于不同沉积环境、甚至在更大范围内都具有实用价值的对比模板，从而有助于我们更准确地了解特定关键事件中生物与环境协同演化的时机和过程。为实现这一目标，本文旨在梳理中国南方不同环境中形成的弗拉斯阶-法门阶边界地层，以及通过生物地层学、层序地层学和同位素地层学等多种地层学方法对这些地层进行的对比研究，进而建立可靠的时间地层框架作为基础模板，以便进一步探索和深入了解弗拉斯阶-法门阶生物危机背后生物与环境协同演化的过程及其驱动因素。段落节选地质背景在泥盆纪时期，中国南方地块位于古特提斯洋东侧的赤道附近，靠近冈瓦纳大陆（图1A）。该地块是由扬子地块和华夏地块在志留纪末期广西（加里东）造山运动的作用下合并而成的（Wu et al., 1987; Chen et al., 2001b）。从泥盆纪开始，这个统一的南方地块又经历了伸展或走滑裂谷作用，逐渐远离大陆。离岸碳酸盐平台（大陆架）系统鉴于中国南方地块特有的构造-沉积环境特征（Chen et al., 2001b; Chen et al., 2006），这类平台系统覆盖了中国南方大部分的海洋区域，尤其是在晚泥盆世时期（图1）。以下将介绍一些典型且地层特征清晰的弗拉斯阶-法门阶边界地层，这些地层分别来自不同的深水环境。西匡山弗拉斯阶-法门阶地层段该地层段位于湖南省衡阳市冷水江市西匡山镇老江冲，属于典型的近岸大陆架地层段，已有大量研究报道（Hou et al., 1988; Ji, 1989, Ji, 1991; Bai et al., 1994; Ma and Bai, 2002; Ma et al., 2002; Ma et al., 2004a, Ma et al., 2004b）。在泥盆纪时期，该地点位于北部陆地的边缘，属于碳酸盐岩与碎屑岩混合构成的泥质大陆架上（图1B）。该弗拉斯阶-法门阶地层由……不同沉积环境中的弗拉斯阶-法门阶地层框架与对比标准传统的弗拉斯阶-法门阶边界地层框架及划分方法，主要是基于深水环境中的牙形石分布带来确定的（Ziegler and Sandberg, 1990; Klapper et al., 1993; Wang, 1994; House et al., 2000; Wang and Ziegler, 2002）。然而，即使是用来划分地层的深水生指示牙形石物种（即掌状牙形石），也可能因为其具有与深度相关的特性而不同时间出现，随后又因环境变化而消失。与以往中国南方弗拉斯阶-法门阶边界地层框架的比较相比之前的生物地层学研究（Han, 1987; Hou et al., 1988; Jia et al., 1988; Ji, 1989, Ji, 1991; Bai et al., 1994; Chen and Tucker, 2003; Chen et al., 2005），对中国南方弗拉斯阶-法门阶边界地层框架进行了几处修改和完善。首先，对深水FF地层序列中的牙形石生物地层学研究，尤其是傅河地区的研究（Chen等人，2013年；Huang和Gong，2016年），证实FF界线位于下方0.85米处。结论：FF界线地层序列形成于中国南方的多种沉积环境之中，这给它们之间的可靠对比带来了诸多困难，尤其是在缺乏广泛分布的指示性牙形石化石的情况下，更难以与浅水地层序列进行对比。通过对中国南方不同沉积环境中形成的FF界线地层序列的牙形石生物地层学、层序/旋回地层学以及碳同位素地层学方法进行相互校准，得以解决上述问题。未引用参考文献：Bambach，2006年；Golonka，2002年。利益冲突声明：作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金的支持（项目编号为42330203、41072079、40673013）。湖南科技大学的刘祖汉教授协助鉴定来自西光山和东村剖面的化石。王建国、徐志刚、郭川、丁毅、魏恒业和宋亚芳等博士在20多年间不定期参与了多次野外工作。我们在此向陈继涛教授表示衷心的感谢。