甘肃金昌早二叠世几种科达种子及古气候意义

1、 甘肃金昌早二叠世几种科达种子及古气候意义华一帆，王雪莲，黄若寒，徐仁辉，李朴，刘洋，孙柏年(兰州大学地质科学与矿产资源学院，兰州 730000) 摘要：本文记述了甘肃金昌地区早二叠世晚期三种科达种子化石：金昌石籽(Carpolithus jinchangensis Y.F. Hua et X.L. Wang sp.nov.)、三稜籽(未定种)(Trigonocarpus sp.)和小双核籽(Tobleria minor)。金昌石籽顶端具有明显的尖喙，基部微圆并且具有珠孔；三稜籽(未定种)顶部具三个尖端，基部呈倒三角形；小双核籽具有双核并列的外部形态，核部具有纵纹。对其形态结构进行详细的分析鉴

2、定，并与国内外报道的相关种属进行了比较和讨论后，进一步对其分类进行详细的鉴定。在此基础上，通过对该区裸子植物种子的鉴定，提出金昌地区早二叠世晚期主要为温暖湿润的气候，但在聚煤作用发生之前经历了短暂的干旱期，并且推测该区当时的科达类种子较为繁盛，发育程度较高，当时的古环境适于科达类植物的生长。 关键词：古生物学；古气候；早二叠世晚期；科达类种子；甘肃金昌 1.引言晚古生代时，我国石炭纪晚期至二叠纪早期主要处于无季节性分化的热带雨林气候，二叠纪早期总体上变为具有季节性热带气候，并出现气候分异现象，但到二叠纪晚期，则出现逐渐变干旱的趋势，形成了亚热带干旱或半干旱气候特征2。晚古生代植物地理分区在泥盆

3、纪至早石炭世还不明显，晚石炭世后，植物地理区系一般可分为四区：热带-亚热带植物区、温带植物区、欧美植物区以及冈瓦纳植物区。10,14甘肃金昌大泉-红泉的晚古生代地层因发现华夏植物群的典型分子而引起了关注8。2015年8月，作者同兰州大学古生物学与地层学研究所成员对该区植物化石进行了重点采集，采集到大量保存完整的植物压型化石，其中包括本文研究的科达种子化石。科达类植物是已灭绝裸子植物的一个重要类群20。科达植物树干高大，在茎轴上，叶呈条带状，呈紧密螺旋状分布，叶具有直线脉络13。科达(Cordaites)化石被发现于全球各地的石炭纪地层中3。科达类植物大部分发现的是不完整叶片,部分情况下也能找到

4、叶尖或叶基化石，研究较为广泛的当属科达营养枝和生殖穗15,16，对其种子的研究还较少。根据保存较好的种子表面的纹饰17、种皮厚度及种皮表面角质层等，均可以反映当时的温度、湿度等气候信息，对恢复古气候、古环境特征具有重要的地质学意义11,12。 2.地质地理概况甘肃金昌位于河西走廊中部(图1)，靠近龙首山。龙首山呈W-NW向延伸，东段出露晚古生代地层，由老到新为上石炭统-下二叠统太原组、下二叠统山西组，中二叠统下石盒子组和上二叠统上石盒子组；二叠系内均为整合接触，二叠系与下伏的部分上石炭统太原组和上覆三叠系西大沟群也均为整合接触4,5。本文所采集的化石主要产自下二叠统山西组第一和第二岩性段(图2

5、)，化石采集点位于大泉-红泉地区。图1 甘肃金昌地质地理概况图Fig.1 Locality of fossils in Jinchang, Gansu Province大泉剖面山西组第二岩性段岩性为灰白色、浅黄色含砾粗砂岩及石英砂砾岩，夹灰黑色泥岩一层，岩层厚度为8.8m；位于红泉的山西组第一岩性段岩性为浅黄色薄层细砂岩，上部为砂质页岩，岩层厚度为3.4m1。两处岩层表面因长期暴露在地表风化较为严重，表层化石保存较差，而岩层内部化石保存完整，在砂岩中所采化石一般风化较为严重，保存不够完整。本文选取保存较好并且典型的石籽属(Carpolithus)、三稜籽属(Trigonocarpus)和双核籽

6、属(Tobleria)进行详细的研究分析。图2 化石产出层位柱状图Fig.2 The stratigraphic column of the Shanxi Formation 3.材料及研究方法本文所研究的科达种子化石分别为：石籽属(Carpolithus)、三稜籽属(Trigonocarpus)和双核籽属(Tobleria)(表1)。所有化石用索尼DSC-TX55数码相机拍照，部分化石置于Leica MZ12.5立体显微镜下放大观察，并利用数码相机的超微聚焦功能对其细节形态特征进行了拍照。由于其角质层不易剥离，因此采取以下步骤进行化学处理：先用小刀将所采集的化石表面的碳膜轻轻刮下，放入塑料试

7、管中，用蒸馏水浸泡约30分钟后，加入10%HCl溶液浸泡4-5h后移出，蒸馏水离心冲洗至中性后浸泡于盛有50%HF的塑料试管中浸泡4-5h后移出，继续用蒸馏水离心冲洗至中性后置于舒氏液中，等到碳膜颜色由黑色变为淡黄色乃至无色透明状时将其移出，继续用蒸馏水离心冲洗至中性后滴入氨水进行分离，继而滴入染色剂染色，然后用甘油制片进而用指甲油进行封片。种属名称数量/块保存状况产出地石籽属(Carpolithus)5种子，种皮较好，角质层清楚甘肃金昌,大泉三稜籽属(Triginocarpus)2种子，种皮裂隙，角质层清楚甘肃金昌,红泉双核籽属(Tobleria)4种子，种皮有裂隙，分界明显甘肃金昌,红泉表

8、1 化石样品采集信息Tab.1 Fossil sample information 4.化石系统描述 裸子植物种子Seimina Gymnospermarum 石籽属Carpolithus Walleri 金昌石籽 Carpolithus jinchangensis Y.F. Hua et X.L. Wang sp.nov.正模：GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-053(图3)副模：GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-054，GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-059，GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-071，GSYC-2015-LDGSW-P1sh

9、-2-082地层与时代：山西组，早二叠世晚期地点：甘肃省金昌市河西堡镇(图1)保存地：兰州大学古生物实验室词源：种名来源于化石发现地，甘肃金昌市鉴别特征：凡没有具备一个独立属的特征，分类位置不明又不能归入其他裸子植物种子属的种子，均可归入石籽属。因此石籽属具有较为简单的鉴别特征：种子大小不一，椭圆形，或者卵形，纺锤形等，表面平或者有瘤状等纹饰。图3 Carpolithus jinchangensis化石特征Fig.3 Fossil characteristics of Carpolithus jinchangensis1. C. jinchangensis手标本(比例尺=1 cm)；2. C.

10、 jinchangensis角质层特征(比例尺=50 um)；3. C. jinchangensis顶部细节图(比例尺=1000 um)；4. C. jinchangensis基部细节图(比例尺=1000 um)；5. C. jinchangensis中部细节图(比例尺=1000 um)图3石籽属的化石特征化石特征描述：当前标本的种子近椭圆形(图3-1)，直径约1cm，顶端具明显的尖喙(图3-3)，中部微凹，基部微圆，可见明显的珠孔，且珠孔呈60度夹角(图3-4)；该化石胚珠明显可见，大小约为7mm，呈卵圆形-圆形(图3-1)；种皮相对较厚，大约为2mm；表面较为平整，但局部可见散落的瘤状纹饰

11、(图3-5)。当前标本碳膜保存较差，但通过实验研究，其种皮角质层部分可见。该化石种皮细胞排列紧密，宽约10um，长约20um，细胞整体呈狭长的五边形，未见种皮气孔(图3-2)。 双核籽属 Tobleria Jongm. 小双核籽 Tobleria minor Hsu标本号：GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-057(图4)，GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-064，GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-068，GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-081地层与时代：山西组，早二叠世晚期地点：甘肃省金昌市河西堡镇(图1)保存地：兰州大学古生物实验室鉴别特征：

12、种子很小，由两个并列的核向顶端延伸成一对顶角的外种皮组成，基部膨大，表面平或者有纹饰。图4 Tobleria minor化石特征Fig.4 Fossil characteristics of Tobleria minor 1. T. Minor手标本(比例尺=1 cm)；2. T. Minor顶部细节图(比例尺=1000 um)；3. T. Minor细节图(比例尺=1000 um)；4. T. Minor基部细节图(比例尺=1000 um)化石特征描述：种子呈三角形，长约18毫米，宽约5毫米(图4-1)，顶端有两个互成30的顶角(图4-2)，基部浑圆，有短柄，有一15毫米深凹(图4-4)，从

13、顶部至基部渐狭(图4-3)，种皮薄，宽约1毫米，双核并列，等大(图4-1)。当前标本保存于砂岩之中，故较难对其角质层特征进行研究。 三稜籽属 Trigonocarpus Brongn. 三稜籽（未定种） Trigonocarpus sp.标本号:GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-052(图5-1)，GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-065(图5-5)地层与时代：山西组，早二叠世晚期地点：甘肃省金昌市河西堡镇(图1)保存地：兰州大学古生物实验室鉴别特征：种子的核椭圆形、纺锤形，长大于宽，表面有三个（或3的倍数）等距排列的、突出的脊，脊间有时还有一些较细的纵纹。图5 Tri

14、gonocarpus sp.化石特征Fig.5 Fossil characteristics of Trigonocarpus sp.1. T. sp.化石标本GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-052 (比例尺=1 cm)；2. T. sp.横截面特征(比例尺=1 cm)；3. T. sp.顶部细节图(比例尺=1000 um)；4. T. sp.基部细节图(比例尺=1000 um)；5. T. sp.化石标本GSYC-2015-LDGSW-P1sh-2-065 (比例尺=1 cm)化石特征描述：种子呈椭圆形，平均长约15毫米，宽约10毫米(图5-1，5-5)，顶部有三个尖端，各个尖

15、端近似等大(图5-3)，基部呈倒三角形，有钝角凸起，似短柄(图5-4)。种皮上可见有两条纵脊及横向纹饰(图5-1)，富存与砂岩中的种子(图5-5)形态较为清晰，并发现其立体保存形态，从横截面可见，一环分六瓣(图5-2)，一般成压型保存，通常可见其中一面的三瓣。 5.讨论和比较 5.1石籽属(Carpolithus)当前标本形态特征明显，尤其具明显的珠孔，将其归入石籽属(Carpolithus)是毫无疑问的。现已发现的石籽属约四种，分别为榴石籽(Carpolithus perornatus)19、卵石籽(Carpolithus taxiformis)、泡石籽(Carpolithus bullat

16、us)17、单沟石籽(Carpolithus unisulcus)9，金昌石籽(Carpolithus jinchangensisY.F.Hua et X.L.Wang sp.nov.)和单沟石籽(Carpolithus unisulcus)均椭圆形，但单沟石籽(Carpolithus unisulcus)表面有一条明显的纵沟，故与当前化石相区别；卵石籽(Carpolithus taxiformis)、泡石籽(Carpolithus bullatus)和榴石籽(Carpolithus perornatus)均以其独特的外形，以及较薄的种皮区别于当前化石。可见，将当前标本定为已新种是合适的。种名

17、形态表面顶端基部种皮Carpolithus jinchangensis椭圆形表面平，局部有瘤具尖喙微圆，有凹槽较薄，宽约2毫米C. taxiformis倒卵形表面平具尖喙基部渐狭，有凹槽薄，宽约1毫米C. unisulcus椭圆形有一条纵沟微凸微圆薄，宽不足1毫米C. bullatus卵圆形具有瘤有尖顶宽而浅的凹陷薄，宽约1毫米C. perornatus心形具有瘤有短喙微圆薄，宽约1毫米表2 Carpolithus化石记录Tab.2 Fossil records of Carpolithus 5.2双核籽属(Tobleria）目前对双核籽属的研究较少，仅在中国古生代植物中有记载，现发现双核籽属

18、(Tobleria)仅存一属一种，即小双核籽(Tobleria minor)。本文在研究区所发现的双核籽属(Tobleria)化石完全符合小双核籽(Tobleria minor)的形态特征,这也是该属在甘肃的首次发现。 5.3三稜籽属(Trigonocarpus)同样对三稜籽属的研究也较少，仅在中国古生代植物中有记载，现发现三稜籽属(Trigonocarpus)约1种，为榧三稜籽(Trigonocarpus schultzianus)。当前标本是三稜籽属在甘肃的首次发现，与榧三稜籽(Trigonocarpus schultzianus)比较，仅在形态上与榧三稜籽(Trigonocarpus s

19、chultzianus)有区别之外，其他特征与榧三稜籽(Trigonocarpus schultzianus)区别不够明显(表3)，故将该标本定为未定种。表3 Trigonocarpus化石记录Tab.3 Fossil records of Trigonocarpus种名形态顶端表面基部种皮Trigonocarpus sp.长三角形具尖喙3条纵脊扁圆薄，宽约1毫米T. Schultzianus橄榄形尖36条纵脊钝圆薄，宽约1毫米 6.古气候意义 果实和种子化石较花更容易保存，它的各种性状比叶片化石保存的更加稳定6。不仅仅叶片化石能够反映地质历史时期的古环境气候，种子作为植物化石的重要组成部分，

20、能够为古环境气候的研究提供重要的证据。通常情况下种皮较为光滑的种子一般情况下生长在温暖、湿润的环境中，而顶部具尖端，种皮和核部有纵纹的一般是因为气候干燥所导致的7。甘肃金昌早二叠世晚期科达种子是这一地区保存比较完好的化石，通过对该地区采集的11块种子化石研究发现：表面具纵纹、顶部尖的化石占具较大比例。根据不同类型种子的外部形态可以初步推断出，甘肃金昌地区在早二叠世晚期处于干旱环境。又因为在化石产出层位之上发现有煤层,成煤作用一般发生在湿润气候条件下，加之该地区在早二叠世早期属于温暖湿润的气候环境18，因此本文推断，甘肃金昌地区在早二叠世晚期，聚煤作用发生之前，经历了一个短暂的干旱期。 7.致谢

21、 本篇论文的完成，离不开项目组成员和老师的帮助。尤其要感谢我的论文指导老师孙柏年老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！ 感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的项目组成员，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版的过程中提供热情的帮助。 由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！参考文献

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