Redox Variation during the Early and Middle Ordovician in South China and Its Implication to the Great Ordovician Biodiversification Event

DONG Yiting1, LIU Jianbo1,2,†, CHEN Yuxuan1, ZHONG Si1, ZHAN Renbin3

ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis - - Contents -

1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 2. The Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution (MOE), Beijing 100871; 3. Key Laboratory of Palaeobiology and Stratigraphy, Nanjing Institute of Geology and Palaeontology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008; † Corresponding author, E-mail: jbliu@pku.edu.cn

Abstract To improve understanding of the environmental influential and controlling factors of the Great Ordovician Biodiversification Event (GOBE), total organic carbon content (TOC), total sulfur content (TS), and sulfur isotope of pyrite (δ34spy) of black shale of the Jiangjunling section, in southern Anhui Province, China are analyzed. TOC and TS show positive correlation, indicating non-euxinic environment. δ34spy exhibits obvious decrease in Floian and more oscillation in the Middle Ordovician. Combined with global sulfur isotope of carbonate-associated sulfate (Δ34SCAS) and δ34spy data from previous researches, a marine oxygenation event is suggested by decreasing pyrite burial and increasing sulfur isotopic fractionation during the latest Tremadocian to middle Floian, which might boost GOBE. During the late Floian to Darriwilian, Δ34SCAS from different areas decreases in succession, while δ34spy is characterized by large oscillation, which is contributed to low sulfate concentration and sulfide reoxidation in the ocean. Key words sulfur isotope; Early to Middle Ordovician; redox condition of seawater; the Great Ordovician Biodiversification Event; South China

奥陶纪生物大辐射(The Great Ordovician Biodiversification Event, GOBE)是早古生代两次重大的生物演化事件之一。虽然寒武纪生命大爆发过程中出现大量海洋生物门类, 但是直到奥陶纪, 科、属、种级别的生物多样性才开始爆发[12]。奥陶纪海洋生物快速辐射的起始时间在全球各板块不同步, 一般始于弗洛期, 在达瑞威尔期达到顶峰, 终止于赫南特冰期, 在短短25 Ma 期间, 生物多样性和生态系统复杂性发生巨大的变化[3]。虽然华南奥陶纪生物大辐射具有诸多全球性特征(如呈幕式发展、不同门类演化趋势和增长规模存在差异等),但古生代动物群的重要代表腕足类在华南的首幕高潮早于全球 4~5 个笔石带, 又说明华南极有可能是辐射源地之一[45]。对于奥陶纪生物大辐射过程中各主要生物类群的辐射演化轨迹, 学界已经有比较深入的认识, 然而, 对其成因迄今尚无定论。目前普遍认为, 奥陶纪生物大辐射是多重因素共同影响和控制的结果,早‒中奥陶世环境变化对奥陶纪生物辐射过程的影并提出各种假说[6]。近年来, 越来越多的研究关注响, 其中关于海水氧化还原性质的研究取得显著进展[713]。地球化学研究表明, 早中奥陶世海水发生氧化, 水体循环加强, 但对该海水氧化事件的起始‒中奥陶世大洋处于滞留缺氧的环境中,

[8] [13]年代仍然存在争议。Thompson 等 和 Kah 等 认为早 直到

[7,11]达瑞威尔期水体循环才开始加强。Saltzman 等则认为, 早奥陶世海水逐渐开始氧化。Marenco 等[12]指出, 在特马豆克期与弗洛期界线附近, 海水发生明显的氧化事件。关于海水氧化事件与奥陶纪生物大辐射事件之间关系的研究才刚刚开始, 还需要进一步的全球对比和深入讨论。

华南板块因独特的古地理格局、出露完整的地层序列以及保存良好的化石记录, 一直是奥陶纪生物大辐射相关研究的重要区域之一[4]。本文以安徽南部将军岭剖面下、中奥陶统谭家桥组、宁国组和胡乐组页岩为研究对象, 对有机碳含量(TOC)、总硫含量(Ts)和黄铁矿硫同位素(δ34spy)进行测试, 重点分析沉积物中黄铁矿硫同位素地球化学的变化特征, 结合文献[13]中华南板块浅水碳酸盐晶格中硫

恢复早‒中奥陶世酸盐(carbonate-associated sulfate, CAS)的硫同位素(Δ34SCAS)数据, 并进行全球对比,华南板块水体氧化还原性质的变化过程, 探讨其对 奥陶纪生物大辐射的意义。

1 地质背景

华南板块在早 中奥陶世位于中低纬度地区,冈瓦纳大陆西北缘, 除周边零星分布若干古陆外,自西北向东南主要由扬子台地、江南斜坡和珠江盆地 3 个地层分区构成[1418](图 1)。早奥陶世早期上扬子区以灰岩为主, 下扬子区以白云岩为主[1920]。早奥陶世晚期至中奥陶世, 扬子台地边缘出现紫台

[23]。江南区早‒中奥陶世沉积主要组海相红层[2122],康滇古陆附近也出现红石崖组浅海陆源碎屑红层为海相细碎屑岩, 以页岩、泥岩为代表[24]。

将军岭剖面(118°45.093′E; 30°18.99′N)位于安徽省南部宁国市胡乐镇 323 省道附近。在古地理位‒中置上, 研究剖面位于江南斜坡上部, 临近扬子台地南缘, 早 奥陶世沉积了浅水台地向深水斜坡过渡的地层(图 1)。将军岭剖面出露的地层有西阳山组、谭家桥组、宁国组和胡乐组, 各组地层之间均为整合接触, 总厚度约为750 m (图2)。西阳山组仅顶部地层出露, 厚约 2 m, 岩性以深灰色薄层泥质灰岩为特征。谭家桥组出露完整, 厚约 534 m, 可分为下、中、上 3 个岩性段[25]: 下段厚约 206 m,底部约 20 m 为泥质灰岩, 其余为黑色页岩, 部分层位夹少量瘤状泥晶灰岩; 中段厚约157 m, 为大套黑色钙质页岩; 上段厚约171 m, 也为黑色页岩,部分层位夹少量瘤状泥晶灰岩。详细的沉积微相可参考钟思等[26]的描述。宁国组出露完整, 岩性为黑色页岩, 厚约 156 m。胡乐组未见顶, 出露厚度约为 54 m, 岩性为黑色硅质页岩。宁国地区下、中奥陶统生物地层学研究历史已久, 尤其是在笔石演化和笔石生物地层划分等方面已经取得重要成果[27 31]。宫维莉等[32]对胡乐地区开展笔石生物地层学研究, 建立了以下笔石带: Staurograptus, Anisograptus-clonograptus, Dictyonema-bryograptus, Clonograptus flexilis taipingensis, Asaphopsis-basilicus (三叶虫层), Didymograptus deflexus, Azygograptus suecicus, Cardiograptus amplus, Undulograptus austrodentatus, Didymograptus ellesae, Nicholsonograptus fasciculatus, Pterograptus elegans/ Didymograptus murchisoni, Didymograptus jiangxiensis/hustedograptus teretiusculus/glossograptus hincksii, Nemagraptus gracilis, Dicranograptus sinensis。在此基础上,钟思等[26]结合华南[18]及澳大利亚[33]

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