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中国科学D辑SCIENCE IN CHINA2000 Vol.30 No.2 P.135-141 |
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广东南雄盆地白垩系-第三系界线剖面
恐龙蛋壳稳定同位素记录:地层及古环境意义
赵资奎 严正
摘要 研究了南雄盆地两个白垩系-第三系(K/T)剖面恐龙蛋壳的碳、氧稳定同位素组成.结果显示,在K/T交界过渡的大约150
ka期间内,δ18O出现了多次向正值偏移,说明当时曾出现过至少3次年平均气温在27℃以上的相当严重的干燥气候.蛋壳δ13C值在-8.37‰～-11.60‰之间,再加上因新陈代谢作用富集了16‰,表明由这些蛋壳所代表的恐龙可能以d
13C为-24.3‰～-27.60‰的C3型植物作为主要食物来源.然而,在K/T交界过渡期间蛋壳δ13C相对亏损(约1.3‰)可能间接说明当时曾有过较长时间大气CO2浓度的持续升高.
关键词 K/T交界 恐龙蛋壳 同位素组成 古环境
最近,赵资奎等人[1]报道,用放射化学中子活化分析方法(RNAA)测定广东省南雄盆地K/T界线剖面(CGY-CGD剖面)一系列恐龙蛋壳样品的铱含量,发现在根据孢粉组合变化划分的K/T交界层[2]及其上、下附近3个层位的蛋壳样品有铱含量异常,提出南雄盆地K/T过渡期间发生的以铱为标志的环境事件至少持续了150
ka.
南雄盆地坪岭组含有很多完整、成窝恐龙蛋和大量碎蛋壳[1,3,4],表明该盆地在K/T过渡期间是恐龙繁殖和筑巢产卵的地点.因此,系统研究坪岭组K/T界线剖面恐龙蛋壳的碳、氧稳定同位素组成,探讨它们所反映的古环境信息,将有助于解释我国华南地区K/T交界恐龙绝灭时的生存状态.迄今有关南雄盆地恐龙蛋壳碳、氧同位素组成的研究[2,5,6],由于提供的资料不很完全,还不能显示出清晰画面.现有的资料表明[1,2,5],南雄盆地坪岭组CGY-CGD剖面K/T沉积相对连续,露头清楚,是目前应用生物地层学、古地磁地层学、沉积学和地球化学等研究最为详细、并被普遍接受的一条非正式的K/T界线层型剖面.因此,这个剖面可以作为解释和比较其他K/T界线剖面的有关资料时的标准.本文报道了坪岭组CGY-CGD和CGT-CGF两个界线剖面的一系列恐龙蛋壳化石的碳、氧稳定同位素分析结果.这项研究是1983～1986及1989年中-德合作项目“陆相白垩系-第三系交界全球事件”的一个部分.
1 材料和方法
CGY-CGD剖面位于南雄县城东北方向的大塘镇南面,CGT-CGF剖面位于县城西南的风门坳村南部,两者相距约40
km.我们从这两个界线剖面采集的各类恐龙蛋壳化石中选择
Macroolithus yaotunensis作为研究材料,其中在CGY-CGD剖面选取36个蛋壳样品,在CGT-CGF剖面选取20个蛋壳样品.这类蛋壳化石在南雄盆地中分布广泛,保存极佳.从显微结构上看,其壳单元完好保存了原生方解石生长的细微结构(参见文献[7]中图4和文献[8]中图12.6及图12.15).
首先,在显微形态学的基础上挑选分析的蛋壳样品.然后,将这些样品的内、外表面层刮掉,用超声波清洗,烘干后研成粉末.在真空中用103%磷酸(H3PO4)在75℃和样品反应生成CO2,经纯化、分离后,采用 MAT 251型质谱仪进行碳、氧稳定同位素比值的测定.δ值统一采用PDB标度,实验精度优于±0.1‰.
2 结果和讨论
蛋壳的碳、氧稳定同位素分析结果见表1和2.总的看来,这两个剖面的蛋壳碳、氧同位素组成以及在地层中的变化趋势有很明显的相似性.δ13C的变动范围在CGY-CGD剖面为-8.74～-11.60‰,在CGT-CGF剖面为-8.37～-11.09‰,两者的变化幅度较小,都在3‰左右.d 18O的变动范围,前者为+11.43～-7.97‰,后者为+6.90～-6.68‰,其变化幅度都很大,分别为19‰和13‰.
在讨论这些同位素资料之前,先要说明的是原来的组成是否受过成岩作用的严重影响.如上所述,本文研究的蛋壳样品是在显微形态学的基础上挑选出来的,它们的结构和颗粒形态是典型原生方解石,几乎没有明显的重结晶现象.
根据杨卫东等人[6]的报道,采自南雄盆地坪岭组中上部几个夹层的碳酸岩盐样品,其同位素组成是:δ13C值的范围为-8.14‰～-10.31‰,平均-9.18‰; δ18O为δ7.36‰～-10.94‰(PDB标准),平均-8.91‰,与本文的结果有明显不同.这种情况不可能是成岩作用的结果.由于两者都经历了相同的地质历史,如果成岩作用强烈,其碳、氧同位素组成会趋向一致.
另一方面,从单个蛋窝中取出的蛋壳样品(见表1、2),其d 18O值非常一致,误差在±0.5‰以内.这一结果不仅说明这些蛋窝分别由单一个体产生,而且也说明这些蛋壳的同位素值的变化受成岩作用的影响很小.根据上述的证据可以认为,本文研究的
Macroolithus yaotunensis蛋壳碳、氧同位素组成基本上反映了K/T过渡期间恐龙生存的环境条件.
表1 CGY-CGD剖面Macroolithus yaotunensis蛋壳的碳、氧稳定同位素 |
| 样品编号 |
取样间隔/m |
δ13C/‰,PDB |
δ18O/‰,PDB |
CGD124 |
158～161 |
?9.95 |
?4.80 |
CGD123 |
146～152 |
?10.19 |
?0.18 |
CGD122 |
134～142 |
?10.29 |
?7.97 |
CGD121 |
122～133 |
?10.57 |
?3.77 |
CGD120a) |
110～116 |
?11.58± 0.32 |
?2.97± 0.21 |
CGD119 |
104～110 |
?11.60 |
+4.10 |
CGD118 |
97～104 |
?11.19 |
+0.87 |
CGD117 |
88～97 |
?10.22 |
?1.76 |
CGD116 |
82～87 |
?10.07 |
?4.61 |
CGD115 |
76～81 |
?10.03 |
+11.43 |
CGD114 |
68～76 |
?9.24 |
+6.37 |
CGD113 |
65～68 |
?10.17 |
+0.27 |
CGD112a) |
63～65 |
?10.36± 0.31 |
?3.07± 0.31 |
CGD111 |
60～63 |
?10.10 |
?2.83 |
CGD110 |
55～60 |
?10.58 |
+4.70 |
CGD109a) |
52～55 |
?10.46± 0.34 |
?2.06± 0.14 |
CGD108 |
45～52 |
?10.12 |
?4.85 |
CGD107 |
34～42 |
?9.53 |
?2.15 |
CGD105 |
24～34 |
?9.72 |
?3.06 |
CGD104 |
21～24 |
?10.65 |
?6.14 |
CGD103 |
10～12 |
?11.37 |
?5.37 |
CGD102 |
3～6 |
?9.80 |
?1.33 |
CGY210 |
182～186 |
?8.74 |
?3.09 |
CGY209 |
177～182 |
?9.88 |
?2.52 |
CGY208 |
171～177 |
?9.15 |
?3.18 |
CGY207a) |
168～171 |
?8.86± 0.05 |
?3.11± 0.11 |
CGY206 |
162～168 |
?9.44 |
+2.12 |
CGY204 |
150～154 |
?8.89 |
?3.48 |
CGY202 |
144～150 |
?8.76 |
?3.11 |
CGY201a) |
141～144 |
?9.04± 0.03 |
?1.76± 0.51 |
| a) 分别从单个蛋窝中取出2～3个蛋壳样品的δ13C和δ18O的平均值 表2
CGT-CGF剖面Macroolithus yaotunensis蛋壳的碳、氧稳定同位素 |
| 样品编号 |
取样间隔/m |
δ13C/‰,PDB |
δ18O/‰,PDB |
CGF415 |
150～153 |
?10.75 |
?5.16 |
CGF414 |
126～129 |
?10.97 |
+6.05 |
CGF413a) |
99～100 |
?10.93± 0.45 |
+3.47± 0.10 |
CGF410 |
87～91 |
?11.09 |
?2.08 |
CGF407 |
84～87 |
?10.34 |
+5.76 |
CGF404 |
81～84 |
?10.42 |
?3.50 |
CGF403 |
71～81 |
?10.85 |
+6.90 |
CGF402 |
66～68 |
?10.35 |
?0.87 |
CGF401 |
63～66 |
?11.08 |
+3.88 |
CGT312 |
372～390 |
?9.83 |
?6.18 |
CGT311 |
349～350 |
?10.16 |
?1.89 |
CGT310 |
332～333 |
?9.33 |
?3.20 |
CGT309 |
330～310 |
?8.83 |
?1.02 |
CGT308 |
288～291 |
?10.14 |
?2.96 |
CGT307 |
273～276 |
?8.37 |
?6.68 |
CGT306 |
250～258 |
?9.34 |
?2.38 |
CGT305 |
226～234 |
?8.75 |
?2.66 |
CGT304 |
135～154 |
?9.82 |
+2.10 |
CGT303 |
111～135 |
?9.04 |
?2.55 |
a) 从单个蛋窝中取2个蛋壳样品的δ13C和δ18O平均值
2.1 蛋壳氧同位素的地层记录
由表1及图1可以看出,从下部CGY剖面的141 m至K/T界线底部(CGD剖面的60
m处)的各层蛋壳样品,除162～168 m的样品(CGY206) δ18O = +2.12‰外,其余的变化于-1.33‰～-6.14‰之间,平均-3.22‰.然而,在界线层之上,氧同位素出现了剧烈的波动,发生了3次向正值偏移.55～60
m的蛋壳样品(CGD110),其δ18O值为+4.70‰; 65～81 m的3个蛋壳样品(CGD113,CGD114,CGD115),其δ18O值分别为+0.27‰,+6.37‰,+11.43‰;
在CGD 100～110 m的两个蛋壳样品,δ18O值各为+0.87‰和+4.10‰.随后这种趋势又发生改变,从110
m至坪岭组和上湖组分界的161 m,各层的蛋壳样品δ18O值在δ0.18‰～δ7.97‰之间,平均-3.93‰,与界线层以下各层样品δ18O的平均值非常相似.
图1 南雄盆地坪岭组CGY-CGD
剖面恐龙蛋壳的碳氧稳定同位素分布图
CGT-CGF剖面蛋壳氧同位素记录(见表2及图2),与上述CGY-CGD剖面的非常相似.在界线层之下的CGT各层位中,除135～154
m的蛋壳样品(δ18O = +2.10‰)外,其他的变化-1.02‰～-6.18‰之间,平均-3.28‰.在界线层之上,即在CGF剖面63～129
m的范围内,δ18O也出现了多次向正值偏移的剧烈波动.
图2 南雄盆地坪岭组CGT-CGF
剖面恐龙蛋壳的碳氧稳定同位素分布图
据赵资奎等人[1]报道,在CGY-CGD剖面的K/T界线层及其附近的3个层位(即在52～110
m之间)的恐龙蛋壳样品有铱含量异常,与上述在这一地层间隔内发生的氧同位素的异常变化基本一致.这就进一步证明南雄盆地在K/T交替时期的气候环境曾发生过强烈的变化.
Folinsbee等人[9]曾用实验首次证明,产卵动物饮用水的d 18O与其所产的碳酸盐蛋壳的d
18O存在着一定线性关系.随后,Erben等人[10]进一步分析了世界许多地区的现生鸟类及爬行类蛋壳及其产地水的氧同位素组成,并在此基础上论证了这些蛋壳δ18O与其产地年平均气温的线性关系.最近,Sarkar等人[11]在研究印度Kheda地区恐龙蛋壳的碳、氧同位素组成时,对蛋壳d18O与年平均气温之间的线性关系进一步作了修正(见图3).如果把本文分析的CGY-CGD和CGT-CGF两个剖面的蛋壳δ18O值投影到了图3中,就可看出,除K/T界线层之上的几个样品外,绝大多数样品的标绘点大体上位于22℃～27.6℃之间.这一结果与杨卫东等人[6]根据南雄盆地坪岭组中上部夹层中的碳酸岩盐样品d
18O值推算出的古温度平均变化范围(26.66℃～33.95℃)基本接近或略低.
图3
现生鸟类和爬行类蛋壳与其生活区水的氧同位素组成与年平均气温的关系
○示Emu;×示Peacock; +示Crocodile;□示Home
Lizard;▲示Chicken; ，⊙,示来自Delat 的Crocodile;
●示Erben 等人1979 年资料; 示Deviant 实验资料;
■示Folinsbee 等人1970 年资料
然而,值得注意的是,CGY-CGD和CGT-CGF这两个剖面的K/T界线层之上的那些样品,δ18O突然增高,超出了图3中所给出的线性范围.这就意味着在K/T过渡期间可能发生过异常大的温度变化.但是,碳酸盐蛋壳的δ18O值不仅受水温或气温的控制,也受其他因素如蒸发过程中的同位素动力分馏作用的影响.在气温较高且干燥的地区,水受温暖和干燥气候的影响而蒸发,因而在水蒸气中将富集16O,在水源中剩下的母液将富集18O.生活在该地区的动物饮用这些水后,所产生的蛋壳将富集更多的18O.根据Erben等人[10]的报道,现代非洲鸵鸟生活在非常干燥的低纬度地区,自然饮用了过度蒸发的水.其蛋壳的δ18O为+7.1‰,估计当地年平均气温在30℃以上.分布在尼罗河流域的鳄类,其蛋壳d
18O为+2.8‰,表明它们生活的自然环境干燥,年平均气温在25℃以上.因此,似乎有理由认为,上述的K/T界线层之上蛋壳δ18O的异常富集,除温度因素外,可能与恐龙饮用了过度蒸发的水有关.这就进一步表明我国华南地区在K/T交界过渡期间至少曾出现过3次年平均气温在27℃以上的相当严重的干燥气候.
南雄盆地“红层”的沉积速率大约为40 cm/ka[2],则上述K/T交界过渡期间出现的多个δ18O值的突然增高的地层间隔(在CGD剖面为55～110
m,在CGF剖面为63～129 m)所代表的时间大约为150 ka.
2.2 蛋壳碳同位素的地层记录
在根据碳同位素组成作出最后结论之前,首先需要说明卵壳中碳的来源问题.现有的资料表明[10,11],碳酸盐蛋壳的δ13C主要与该产卵动物吸收食物中的13C/12C有关.因此,这就涉及到这些动物的食物来源的问题.大量的研究资料表明,植物在其光合作用同化CO2的过程中,不同类型的植物对CO2中的13C和12C具有不同的辨别能力.目前根据δ13C值区别植物光合作用途径的研究,基本上可把大多数现生植物分为C3植物(δ13C在-20‰～-35‰之间,平均-26‰),C4植物(d
13C在δ7‰～-15‰之间,平均-12‰)和CAM植物(d
13C值范围在-10‰～-22‰之间,平均-16‰) 3个类型[12,13].由于动物对碳同位素没有辨别能力,因此对于那些可作为食物的C3和C4植物不同δ13C值会反映在动物的碳同位素组成中.近来的一些研究[11,14,15]证明,碳酸盐蛋壳的13C/12C比其母体动物食用的食物中的13C/12C富集约16‰.因此,根据蛋壳的δ13C值,大体上可推导出该产卵动物食物中的δ13C,从而可进一步推断该产卵动物的食物以何种类型的植物为主.
由表1和2可以看出,CGY-CGD剖面蛋壳δ13C值在δ8.74‰～δ11.60‰之间,变化幅度较小,在3‰左右.CGT-CGF剖面的蛋壳δ13C值在δ8.37‰～-11.09‰之间,与前者非常相似.这种均一性反映了这些恐龙以相似的植物类群作为食物来源.如上所述,考虑到因新陈代谢的作用富集16‰,那么,上述这两个剖面蛋壳d
13C的变化范围可能说明,由其代表的恐龙以d 13C为-24.3‰～-27.6‰的C3型植物作为主要食物来源.
值得指出的是,上述这两个剖面蛋壳δ13C从下到上都显示出由相对富集向相对亏损的变化趋势.在CGY-CGD剖面中,从CGY的141
m往上至CGD的6 m的一系列蛋壳样品,其d 13C值变化于-8.74‰～-9.88‰之间,平均-9.17‰,从CGD的10
m往上越过K/T界线层直至坪岭组和上湖组分界线的CGD的161 m,δ13C值变化于-9.24‰～-11.60‰之间,平均-10.38‰,相对亏损1.2‰.CGT-CGF剖面蛋壳δ13C值由下到上也显示出相似的变化趋势,在CGT各层的蛋壳δ13C平均为-9.36‰;
而在其上的CGF各层的蛋壳δ13C平均为-10.75‰,相对亏损1.4‰.这种变化趋势可能反映了这些恐龙原来主要食用的C3植物中的δ13C值发生了变化.
根据碳同位素比与光合作用对环境条件的适应性研究,植物的δ13C值可反映大气CO2浓度及δa变化[16～18].例如C3植物生长于富含CO2的环境中,其δ13C明显高于-27‰[19].最近Penuelas等人[20]对近300年来生长在西班牙Catalonia地区12种C3植物的δ13C分析,发现从18世纪50年代至20世纪80年代,这些植物的δ13C值由平均-25.8‰下降到-26.4‰;
而在这期间大气中δ13C值δa也由-6.4‰下降至-7.9‰,表明这些植物δ13C的变化与大气中CO2浓度升高的因果关系.林植芳等人[21]对广东省鼎湖山自然保护区马尾松年轮δ13C的分析也证明,空气CO2浓度的增加改变了δ13C值的年际变化.
虽然我们不能直接证明蛋壳δ13C值和大气CO2浓度变化的因果关系,但从以上的分析有理由认为,上述CGY-CGD和CGT-CGF两个剖面恐龙蛋壳δ13C值相对亏损的变化趋势可能间接反映了K/T交界过渡期间出现过大气CO2浓度的持续升高.这一分析结果与McLean[22～24]提出的K/T交界过渡期间由于印度德干特拉普斯火山大规模喷发引起全球大气CO2浓度增加而产生的温室效应相一致.
致谢
写作过程中曾得到中国科学院华南植物研究所林植芳教授的许多帮助,作者特此致谢.
赵资奎(中国科学院古脊椎动物与古人类研究所,北京 100044)
严正(中国地震局地质研究所,北京 100029)
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