富存于云南曲靖地区下泥盆统西屯组中的西屯脊椎动物群是世界上著名的早期脊椎动物化石宝库之一,主要以盔甲鱼亚纲的多鳃鱼类和华南鱼类、盾皮鱼纲的云南鱼类以及硬骨鱼纲的肉鳍鱼类冠群的辐射演化为特征。20世纪80 年代以来先后发现的杨氏鱼(Youngolepis)、奇异鱼(Diabolepis)和蝶柱鱼(Styloichthys)均为肉鳍鱼亚纲冠群的主要代表,而斑鳞鱼(Psarolepis)和无孔鱼(Achoania)均位于硬骨鱼纲系统演化树的基干位置、共同组成肉鳍鱼亚纲干群,弥曼鱼(Meemannia)则是辐鳍鱼干群的重要成员。西屯脊椎动物群中众多原始肉鳍鱼类和原始辐鳍鱼类的发现,支持了中国南方是肉鳍鱼类起源与早期分化中心的假说,为解开硬骨鱼纲起源之谜提供了重要线索,在“从鱼到人”的演化链条上占据着至关重要的关键节点。自杨氏鱼发现以来,有关西屯脊椎动物群中古鱼的新发现及相关的研究一直备受全球古生物学界的高度关注。
60余年来,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的早期脊椎动物演化研究团队在滇东地区不仅对早泥盆世脊椎动物演化方面开展了大量研究工作、取得了系列的突出成果,而且也开展了一些与之相关的地层学、古环境、以及古动物地理等研究方面的探索,并取得了一些进展与认识。然而,对西屯脊椎动物群的研究迄今仍偏重于形态学及系统发育学等方面,而对这个动物群生存环境方面的认识仍不清晰,相关研究亟待加强。2018年以来,研究团队持续对曲靖市周边地区富含鱼化石的西屯组开展了详细的地质调查与研究工作,在野外实测了多条西屯组地层剖面、逐层采集了用于地化测试的岩石样品,在室内基于实测剖面的地质资料以及地球化学样品的测试数据,通过对一些主量元素、微量元素和稀土元素地球化学指标的综合分析,初步阐明了西屯组的沉积环境背景、恢复了西屯脊椎动物群的生境,为早泥盆世鱼类与环境的协同演化提供了可靠依据。近期伦敦地质学会《地质学会杂志》(Journal of the Geological Society)在线发表了研究团队相关的最新研究成果。
西屯组沉积期的古盐度变化在恢复西屯组沉积环境、阐明西屯脊椎动物群生境的过程中起着十分重要的作用。研究团队主要选取4个半定量古盐度敏感指标——m值、Sr/Ba、Th/U和Rb/K比值对滇东曲靖地区西屯组沉积期的古盐度开展了综合分析,结果表明:西屯组的沉积环境总体上为海洋环境,但在其下部、中部和上部发生了三次海水淡化事件。
西屯组沉积期的沉积构造背景、物源、古气候、古氧相等也是恢复西屯脊椎动物群生境的重要方面。研究团队对滇东曲靖地区西屯组复合剖面上93个地化样品中主量、微量和稀土元素进行了全面的分析,得出如下新认识:西屯组样品的主量元素测试数据在K2O/Na2O–SiO2判别图解上的投点分布特征,指示地处华南板块西南边缘的滇东曲靖地区在早泥盆世期间位于被动大陆边缘上;微量及稀土元素的测试数据在Co/Th–La/Sc及Th–Hf–Co与La–Th–Sc判别图解上的投点特征则指明,西屯组样品的化学成分更接近于平均上陆壳和显生宙克拉通砂岩的化学成分,其物源以稳定型的沉积岩为主;西屯组样品中的Zr值以及Rb/Sr、Th/Sc与Cr/Th比值的变化曲线及稀土元素特征(轻稀土富集、明显的Eu负异常)等均表明,西屯组的主要沉积物有长英质和镁铁质碎屑两种,镁铁质碎屑的增加与三次海水淡化事件密切相关,位于东侧的会泽-牛头山古岛是西屯组最有可能的的沉积物源区;CIA*与ICV值及Ti/Na、Al/Na和Rb/K比值等是对风化强弱和古气候变化非常敏感的地球化学指标,西屯组地化样品中的相关曲线变化特征表明其沉积时期以温暖湿润的热带气候为主,风化作用不强;V/ Cr、Ni/Co、V/(V + Ni)、U/Th和Ce/Ce*比值常被用来分析古氧化还原条件,西屯组地化样品中的相关曲线变化特征明确指明其沉积期为氧化环境。
在上述综合分析研究的基础上,研究团队建立了西屯组的沉积模型,初步阐明了西屯组的沉积环境及其变化,并探讨了西屯脊椎动物群的繁盛与古环境之间的关系。滇东地区的下泥盆统西屯组主要形成于气候温暖湿润、构造相对稳定、富氧的海洋环境,伴随有三次海水淡化事件的发生,西屯脊椎动物群的主要含鱼层的形成与第一次海水淡化事件有关,镁铁质陆源碎屑的增加会为海水中带来充足的氧气与营养物,促进海水初级生产力增加,使得鱼类得以繁盛。
中国科学院古脊椎动物与古人类研究所博士研究生蔡家琛和孙浩然为论文的共同第一作者,赵文金研究员为论文的通讯作者,朱敏研究员及曲靖师范学院自然历史文化研究中心的王建华副教授为论文的共同完成者。该研究得到了国家自然科学基金和云南省青年基础研究专项的资助。
论文链接: https://www.lyellcollection.org/doi/abs/10.1144/jgs2023-146
图1 滇东曲靖城西富含西屯脊椎物群的西屯组的空间分布及实测地层剖面位置
图2 西屯组沉积物源、风化、古气候和古盐度等地化敏感指标的曲线变化特征
图3 西屯组的沉积构造背景判别图解
图4 西屯组复合剖面中古氧化还原指标及碎屑粒度变化
图5 西屯组的古环境背景及沉积模式与演变
