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华北地台元古代有机质壁微体化石拉曼光谱研究新进展
2020-09-30 | 编辑: | 【

拉曼光谱作为一种低破坏性的分析手段,近年来被越来越多地应用于前寒武纪微体化石研究,包括三维矿化保存的微体化石、在细碎屑岩中保存的有机质壁微体化石以及太古代-古元古代的疑似微体化石。拉曼光谱不仅可以分析微体化石中有机物的原子和分子的排列结构特征、振动信息等,也可以作为地质温度计对这些有机物经历过的热演化历史进行评估。以往的拉曼光谱研究显示,元古代硅化保存的蓝细菌化石,其中的有机物保存了超微结构秩序的异质性。然而这类研究尚未应用到元古代以碳质压膜形式保存的真核微体化石上。

近期,中国科学院南京地质古生物研究所早期生命研究团队的庞科副研究员、硕士研究生吴承羲、李光金博士、万斌副研究员、袁训来研究员等人与美国弗吉尼亚理工大学的唐卿博士、肖书海教授、Robert J. Bodnar教授,以及山东科技大学陈雷教授合作,利用拉曼光谱对华北地台古元古代晚期汝阳群和新元古代早期刘老碑组中产自同一层位的有机质壁微体化石,进行了系统的对比研究。这两处地层中的微体化石,均只经历了低级别的变质作用,并利用拉曼地质温度计得出两处最高变质温度均在200℃左右。相关成果已于近期发表在地学类学术期刊《前寒武纪研究》(Precambrian Research)上。

研究发现,超微结构秩序的异质性,存在于微体化石Shuiyousphaeridium macroreticulatum的不同亚细胞结构和产自同一层位的不同属种之间。这些异质性很可能来源于不同的前体有机化合物,反映了微体化石在生活状态下各结构或各属种之间的有机物组成存在差异。这启示我们,利用有机物的拉曼光谱特征进行地质温度计算时,应该充分考虑到不同亚细胞结构、不同属种之间的差异性。

元古代有机质壁微体化石的属种分类,主要是基于化石不同形态之间的差异。有意思的是,本次研究表明,拉曼光谱特征可以用于佐证基于形态的分类方案的合理性。比如,产自汝阳群同一层位的Shuiyousphaeridium macroreticulatumDictyosphaera delicata,它们的膜壳壁结构非常相似,均由六边形的小板片组成,只是前者比后者多了一层外被薄膜和表面突起。虽然这两种化石的拉曼光谱多个参数均存在差异性,但是当我们把来自膜壳壁以外其他结构产生的数据从Shuiyousphaeridium macroreticulatum中排除以后,这两种化石膜壳壁的拉曼光谱则非常相似。以往的研究曾提出,这两种化石可能为同一种生物处于不同的生活史发育阶段,本次研究支持了这种假说。

元古代最常见的一种有机质壁微体化石Leiosphaeridia属,因其表面光滑、无明显装饰结构,其形态分类异常混乱。有一种观点是只基于化石的直径大小和在光学显微镜下的透光程度(间接反映膜壳壁的厚度)来划分不同种类。比如Leiosphaeridia jacuticaLeiosphaeridia tenuissima,它们的膜壳直径均大于70 μm,唯一的区别在于前者的膜壳壁比后者的膜壳壁相对要厚(显微镜下透光性更差)。本次研究发现,产自刘老碑组同一层位的Leiosphaeridia jacuticaLeiosphaeridia tenuissima,它们的拉曼光谱多个参数均存在差异性,表明这两种化石确实很可能源自两种不同的微体生物。

此项研究获得了国家自然科学基金委、中科院、国家重点研发计划、现代古生物学和地层学国家重点实验室、江苏省自然科学基金等相关项目的联合资助。

论文相关信息:Pang, K.#*, Tang, Q.#, Wu, C., Li, G., Chen, L., Wan, B., Yuan, X., Bodnar, R.J., Xiao, S.* Raman Spectroscopy and structural heterogeneity of carbonaceous material in Proterozoic organic-walled microfossils in the North China Craton. Precambrian Research, 2020, 346: 105818. https://doi.org/10.1016/j.precamres.2020.105818.

华北地台元古代有机质壁微体化石拉曼光谱研究新进展

汝阳群北大尖组(BDJ开头的编号)和淮南群刘老碑组(LLB开头的编号)有机质壁微体化石的代表性拉曼光谱

有机物拉曼光谱参数R1 ratio和FWHM-D1随不同变质程度的演化特征

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