坦桑尼亚南部出露古近纪和新近纪海相沉积物的微古生物学与地球化学

《Journal of African Earth Sciences》：Micropalaeontology and geochemistry of outcropping Paleogene and Neogene marine sediments of southern Tanzania

　　

**摘要**

坦桑尼亚南部的古近纪和新近纪海洋沉积物以其卓越的化石保存而闻名，保存了无可匹敌的热带古气候和生物演化记录。此前的研究和科学钻探已涵盖大量可用地层记录，从阿尔布阶至下渐新统，但上新统至中新统的地层序列迄今尚未完整获取，为未来研究提供了极具前景的目标。本文报告了我们在1998年至2018年间通过多次野外考察，在基尔瓦和林地地区的多个地点采集的一系列50多个出露样品，这些样品的年代为晚始新世至中新世。我们提供了多种年代地层学年龄约束，包括颗石藻、浮游有孔虫、大型底栖有孔虫和锶同位素数据。有机地球化学分析表明生物标志物保存异常完好。黏土岩中微体化石的保存状况因表层风化和氧化作用而高度变异，常产生石膏和菱铁矿。尽管如此，仍有七个样品被发现保存状况极佳，并被进行了更详细的研究。总体而言，这些样品为地质编图和未来钻探目标的确定提供了有用信息。

**引言**

坦桑尼亚被动大陆边缘形成于侏罗纪马达加斯加与东非裂解之后。紧邻风化花岗岩克拉通的大陆边缘沉降引发了一段漫长的海洋沉积期，沉积环境为以黏土为主的大陆坡及邻近狭窄陆架，持续从晚白垩世至新近纪（Kent等，1971；Nicholas等，2007；Franke等，2015）。自中新世以来，与东非裂谷系统相关的挤压构造作用和构造倒转使得坦桑尼亚南部大片海洋沉积物抬升并逆冲至陆上（Nicholas等，2007）。晚白垩世和古近纪沉积物以泥岩为主，夹有少量砂岩和石灰岩。这些沉积物最早由Bornhardt（1900）描述，随后由Blow和Banner（1962）、Ramsay（1962）、Moore等（1963）、Kent等（1971）、Blow（1979）、Gierlowski-Kordesch和Ernst（1987）、Ernst和Zander（1993）以及Mpanda（1997）进行了重要地层学和古生物学研究。该地层序列由Nicholas等（2006）正式划分为群组并命名为基尔瓦群。

尽管基尔瓦群沿走向方向展布约120公里，但由于岩性松软、植被茂密和风化层深厚，地表出露条件普遍较差。因此，该群被选为坦桑尼亚钻探计划（TDP）系列科学岩芯钻探的目标，2002年至2009年间共钻了40个浅钻孔，深度达约150米（Pearson等，2004、2006；Nicholas等，2006；Berrocoso等，2010、2012、2015）。基尔瓦群黏土岩因其碳酸盐微体化石保存频繁精美而备受关注（Pearson等，2001、2015；Sexton等，2006；Bown等，2008；Dunkley Jones等，2008a；Wendler和Bown，2013；Haynes等，2017；Procter等，2024）。有机生物标志物保存极佳，指示最大埋藏深度较浅（Van Dongen等，2006；Pearson等，2007；Handley等，2008、2012；Inglis等，2015）。这种优异的保存条件使其非常适合进行微古生物学研究，包括分类学、生物多样性和演化研究。颗石藻尤其受到广泛关注，因为其生物多样性水平极高且超微细结构保存精美，包括很少形成化石的全壳颗石藻，并且已命名了许多新分类单元（Bown，2005、2006、2016；Bown和Dunkley Jones，2006；Lees，2007；Bown等，2007、2009、2017；Dunkley Jones等，2008b；Bown和Pearson，2009；Lees和Bown，2016）。浮游有孔虫也得到了详细研究，描述了新种并记录了演化关系（Olsson等，2006；Premoli Silva等，2006；Coxall和Pearson，2006；Berggren等，2006；Wade和Pearson，2008；Falzoni等，2013；Wendler等2013a；Pearson和Coxall，2014；Pearson和Wade，2015；Wade等，2018a、b；Huber等，2025）。其他受到详细关注的类群包括小型底栖有孔虫（Wendler等，2011）、大型底栖有孔虫（LBFs）（Cotton和Pearson，2011、2012；Cotton等，2016；Koorapati等，2025）、钙藻（Wendler等，2013b）、翼足类（Cotton等，2017）、甲藻（Emanuel等，2017）、苔藓虫（Di Martino等，2017）、耳石（Schwarzhans和Cotton，2025）以及被子植物花粉（Warney等，2019）。卓越的保存状况也使这些沉积物非常适合碳酸盐岩的地球化学分析（例如Pearson等，2001、2007；Wade和Pearson，2008；Evans等，2018、2026；Boscolo-Galazzo等，2021；Staudigel等，2022；Crichton等，2023；John等，2023；Cotton等，2025）。基于上述条件，基尔瓦群已被证明是追溯热带长期气候历史的重要资源，包括古温度（Pearson等，2001、2007、2008；Stewart等，2004；Lear等，2008；MacLeod等，2013；Aze等，2014；Ando等，2015；Inglis等，2015；Petrizzo等，2017）、碳循环（John等，2013、2014；Boscolo-Galazzo等，2021）和大气CO?（Pearson等，2009；Anagnostou等，2016、2020）。

TDP钻探地点中地质年代最年轻的一组跨越了始新世-渐新世过渡带（TDP 11、12和17号点），包括被划归为浮游有孔虫带O1和颗石藻带NP21的最下部渐新统沉积物（Nicholas等，2006；Pearson等，2008）。基尔瓦群的顶部未出露，地层序列明显向上延续，但在潘德半岛这些钻点所在区域被第四纪砂砾覆盖（Nicholas等，2006）。下中新统和中中新统沉积物在更南的林地地区有记录（例如Blow和Banner，1962；Stewart等，2004；Nicholas等，2006），但其与下伏渐新统的关系以及二者之间的地层序列知之甚少。

我们在2009年和2018年开展了野外考察，调查渐新世和中新世出露区域，作为未来钻探的初步普查（Pearson和Hudson，2014），并在可能的情况下获取额外的地球化学分析样品。我们的研究重点主要是渐新统和中新统沉积物，但也报告了少数在同一区域早期1998年野外考察中采集的始新统地点和样品。本文处理的样品集包含50多个地表样品，年代范围从中始新世至中中新世。这些样品分别经过了微古生物学（浮游有孔虫和底栖有孔虫以及钙质颗石藻）、锶同位素和有机地球化学研究。本文报告了这些调查结果，并确定了一组保存状况极佳、适合进一步地球化学分析的样品子集。我们评估了浅层钻探获取更多材料的未来潜力，以阐明中新统与古近纪地层之间的关系，并使坦桑尼亚的古生物学和古气候记录向上延伸。图1提供了研究区域概略地图，其中包含更详细概略地图的索引。

**各节摘要**

**野外工作**

研究区域最适合在旱季使用四轮驱动车辆进行穿越。基尔瓦群黏土岩外观单调，在现场只能通过浊积岩等次生岩相和微古生物学手段进行区分。样品劈分体通常在野外营地经过清洗并研究其有孔虫组合，以指导正在进行的地层调查，同时辅以对公开卫星影像的检查以寻找其他可能的出露点。

**年代地层学判定**

样品大多被独立处理，不考虑其相对地层位置，除非样品之间可以建立明确的地层关系。年代引用Gradstein等（2020）的时间标尺。亚系（如"晚中新世"、"下渐新世"）被视为非正式单元，以避免在正式单元和非正式单元之间切换，因为只有部分亚系已正式确立。

**颗石藻和浮游有孔虫研究**

（原文此处内容截断）

**有机质保存**

有机质保存状况可使用多种分子成熟度参数进行评估，其中细菌来源的藿烷是一组特别有用的指标（Mackenzie等，1980）。这些化合物在成岩作用过程中经历广泛的结构性转化，包括多官能团侧链的修饰和随后的损失。随着成熟度增加，生物异构体（17β,21β；此后简称ββ）逐渐转化为更稳定的17β,21α（此后简称βα）。

**碳酸盐保存**

如上所述，基尔瓦群对古气候学的价值在很大程度上取决于碳酸盐的保存状况，而碳酸盐的保存通常极佳。这被归因于高黏土含量抑制了重结晶以及低热成熟度（例如Pearson等，2001；Bown等，2008）。尽管如此，在钻探岩芯中仍经常发现有孔虫壳被方解石充填，呈斑块状分布贯穿整个地层序列。虽然充填物可以通过破碎和（原文此处截断）。

**碳酸盐保存状况极佳的样品**

在所研究的各种样品中，有七个样品的有孔虫保存状况被发现极佳，被认为对未来的地球化学分析具有潜在价值。这些样品被详细研究了其底栖有孔虫组合，并且也是获取锶同位素数据的样品。在本节中，我们从最老到最年轻对这些样品进行了更详细的描述，包括其微古生物学、保存状况和古环境特征。

**结论**

我们对多次考察中采集的出露样品的研究表明，古近纪沉积物代表了上斜坡环境，浮游生物组合包括来自开阔海洋环境的深水成分。石灰岩和含砂石灰岩（含有搬运的浅水化石组合）作为偶发的浊积岩和碎屑流贯穿于古近纪地层序列的大部分。新近纪沉积物似乎代表了总体较浅的环境，在（原文此处截断）。

**CRediT作者贡献声明**

S. Gallagher：写作–审阅与编辑、写作–原稿撰写、资源获取、调查研究、形式化分析、数据管理。L. Cotton：写作–审阅与编辑、写作–原稿撰写、方法论、调查研究。G. Inglis：写作–审阅与编辑、写作–原稿撰写、监督、调查研究、资金获取、形式化分析。P. N. Pearson：写作–审阅与编辑、写作–原稿撰写、可视化、验证、资源获取、方法论、调查研究、形式化分析。

**未引用参考文献**

Boscolo–Galazzo等，2021；Holbourn等，2013；Krabbenh?ft等，2009；Ourisson和Albrecht，1992；Prahl等，1994；Proctor等，2024；Wade等，2018。

**利益冲突声明**

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

本研究由NERC资助（NE/V018361/1），TONIC项目（"解决渐新世冰室世纪之谜"）资助BSW（NE/V018361/1）和GNI（NE/V018388/1）。初始野外工作由NERC资助（NE/N001621/1）资助PNP和NE/N002598/1资助BSW，并得到坦桑尼亚石油开发公司（TPDC）的额外支持。研究许可由坦桑尼亚科学与技术创新委员会（COSTECH）批准。出口许可由TPDC和坦桑尼亚石油上游监管局批准。

P. N. Pearson | T. Agterhuis | P. R. Bown | L. J. Cotton | S. J. Gallagher | G. N. Inglis | C. J. Nicholas | E. Piga | I. Rutta | A. Sajilo | B. S. Wade

英国伦敦大学学院地球科学系