第二章、 研究區域及標本
2.1 湖北省地理及地質環境
中國大陸湖北省，簡稱鄂，位於長江中游，以在洞庭湖之北而得名，
範圍橫跨東經108° 21’至 116° 07’；北緯 29° 05’至 33° 20’。北接河南省，
東連安徽省，東南和南鄰江西、湖南兩省，西靠重慶市，西北與陝西省 為鄰。東西長約740 公里，南北寬約 470 公里，面積 18.59 萬平方公里。
地勢大致是三面山地，中間丘陵平原，略呈像南敞開的不完整盆地(湖北 省區域地質誌，1990)(圖 2.1)。
2.2 湖北晚古生代沉積環境
在晚古生代，湖北省地區位於中揚子地塊，在晚石炭紀，其沉積 地層屬黃龍組，為一開闊海台地相(湖北區域地質誌，1990)。而早二疊 紀延續石炭紀晚期的開闊海環境，至晚二疊紀沉積了大量的碳酸鹽岩、
矽酸鹽類及碎屑岩，其中所含的生物類別以珊瑚，腕足動物、蜓類、有 孔蟲及頭足類為主，植物化石含量較少(萬秋和李雙應，2011)。地層總 體南厚北薄，岩相呈漸變關係，從南到北，由淺海相的灰岩轉變成深水 相的矽質灰岩。由老至新可分為棲霞組、茅口組、吳家坪組及長興組(圖 2.2)
在本次採集標本的鄂西南-鄂東區，沉積厚度較小，並且包括兩個海 進及海退的迴旋。棲霞組早期至茅口組晚期為第一次迴旋，棲霞組早期 能保持開闊海環境，且往南北延伸發育濱相海灘，是以濱海沼澤的煤系 沉積相為主。棲霞組晚期至茅口組則普遍發育開闊海台地相和淺海陸棚 相。茅口組早期，沉積盆地面積擴大，為二疊紀海平面上升幅度最大的 時期，使中揚子地區主體為碳酸鹽緩坡環境，局部水體變深，在西南部 形成以矽質岩沉積為主的淺海盆地相，富含釩、鉬、銅多種元素。茅口 組晚期隨著區域性地殼上升及東吳運動影響，揚子地區開始大規模海 退，並伴隨張裂作用；鄂西裂陷槽擴張沉陷形成台盆相(萬秋和李双應，
2011)。吳家坪組至長興組為第二次海進及海退，以濱海沼澤的煤系沉積 相為主。吳家坪組早期屬海退時期，各地分佈著碳酸鹽台地，包括侷限
圖2.1 中國大陸湖北省晚古生代地層分區圖，紅色星號為採樣地點，位 於建始縣及長陽縣近郊。(修改自湖北省區域地質誌，1990)
圖2.2 湖北省晚古生代地層柱圖(參考湖北省區域地質誌，1990；羅進雄 等人，2009；ICS2010)，詳細的標本種屬及數量請見表 2.1。
台地、台地邊緣、深水陸棚和台地內深水沉積區(台盆)(劉喜停等人，
2010)；之後海進開始，至長興組後期，水體加深，為盆地環境 (羅進雄 et al., 2009)。生物化石皆分佈豐富，例如：珊瑚、蜓、有孔蟲、海百合、
腕足動物等等(湖北區域地質誌，1990)。
2.3 岩相分佈
根據前人地質調查結果(湖北區域地質誌，1990)，湖北地區的石炭 系黃龍組主要由淺灰色中至厚層狀灰岩及塊狀白雲岩所組成，含筳類、
珊瑚、腕足動物等化石。在早二疊系Asselian 至 Artinskian 階，位於湖 北的地層缺失，因此，湖北地層中，棲霞組相當於Kungurian 階；而在 中國地層的分類上，又可分為灰岩段及馬鞍段。灰岩段以顏色較深的含 燧石結核灰岩為主要岩石組成，含有大量的筳類化石、有孔蟲、介形蟲 及腕足動物；馬鞍段含煤層，以黑色碳質生物碎屑灰岩為主(湖北區域地 質誌)，其特色為富含有機質，碳酸鹽岩全岩 δ13C 值為晚古生代最正；
區域分佈廣，岩性和厚度在空間變化上不大(顏佳新，2004)。
茅口組相當於Roadian 階至 Capitanian 階，是以淺海陸棚碳酸鹽岩 為主，岩性較複雜，大致可分為：(1)全部為碳酸鹽岩、(2)下中部為碳酸 鹽岩，上部為矽質岩、(3)下中部為矽質岩，上部為碳酸鹽岩；三種岩性 的生物化石包含了腕足動物、珊瑚、頭足類、苔蘚蟲及莛類。
吳家坪組可分為以粉砂質頁岩及黏土頁岩為主的碳山灣段，屬濱海 沼澤沉積及灰岩段，為一套灰黑色、灰色含燧石結核的生物碎屑岩，皆 富含腕足動物化石。其上的長興組，岩性為淺灰至黑灰色薄至厚層狀含 燧石結核生物灰岩，含有筳類、珊瑚及腕足動物等化石(湖北區域地質 誌)。
2.4 標本採集地點及年代
本研究之腕足動物標本於2009 年 9 月至中國大陸湖北省採集。標 本分別採自石炭紀黃龍組、二疊紀棲霞組、茅口組、吳家坪組及長興組
於湖北省建始縣、長陽縣及鄰近地區(圖 2.3)。
採集的腕足動物標本一共139 件，但因為多數為腕足殼體破片，所 以未鑑定種屬，並皆歸類為未知種(unidentified)。有鑑定種屬的腕足殼 體共71 隻，大多數為長身貝目及石燕貝目，殼體皆較薄；另有些是正 型貝目及小嘴貝目(圖 2.4.~2.6) (表 2.1)。
圖2.3 本研究標本野外採集之地層露頭照片之ㄧ，位於中國大陸湖北省 建始縣恩施地區二疊系茅口組的出露地層。
圖2.4 Cryptospirifer sp.(HB_057 二疊紀茅口組)為本研究鑑定種屬中，
數量最多的一種，其特徵為顏色偏黑、面光有線。
圖2.5 Spirigerera sp.(HB_065 二疊紀茅口組) 體型較小的殼體。
圖2.6 Semibrachthyrina sp. (HB_117 二疊紀吳家坪組)為本研究少數保 有完整的背殼及腹殼的標本。
表 1. 湖北省晚古生代腕足動物殼體標本編號及種屬對照表 年代 地層 學名(genus species) 數量 標本編號
Spinomargaenefera sp. 1 HB_125
Tyloplecta sp. 5 HB_126~130
Tongzithyris sp. 10 HB_131~140 二疊紀
長興組 共21 個
Unidentified 5 HB_120~124
Spinomargaenefera sp. 1 HB_115 Semibrachthyrina sp. 4 HB_116~119 二疊紀
吳家坪組 共29 個
Unidentified 24 HB_001~018 HB_109~114
Cryptospirifer sp. 22 HB_050~058 HB_082~094 Pigmachonetes sp. 1 HB_060 Uncinunellina sp. 1 HB_061
Athyris sp. 1 HB_062
Newoplicatifera sp. 2 HB_063~064
Spirigerera sp. 1 HB_065
Martinia sp. 1 HB_066
二疊紀
茅口組 共59 個
Unidentified 30 HB_059
HB_067~081 HB_095~108 Dictyoclostus sp. 1 HB_035 Pigmachonetes sp. 2 HB_036~037
Orthotichia sp. 1 HB_038
Richthofenia sp. 2 HB_039~40
二疊紀 棲霞組
共14 個
Unidentified 8 HB_041~048
Neospirifer sp. 1 HB_019
Linoprodutus sp 2 HB_026~027
philicothyris sp. 1 HB_028
Martinia sp. 1 HB_029
Choristites sp. 2 HB_030~031
Pigmachonetes sp. 1 HB_049 晚石炭紀 黃龍組
共16 個
第三章、研究方法
3.1 薄片製作
將採集的化石整理編號，並且拍照紀錄。接著用環氧樹酯將化石包 裹，待其乾之後，沿殼身最大生長軸切開，再用紫外線膠固定於薄片上。
24 小時後，再將標本切成薄片，並用#600、#1000 的金剛砂將表面的刮 痕磨平；最後用3.0μm 及 0.3μm 粒徑的鋁粉拋光。
3.2 透射光及陰極射線顯微鏡觀察
製做好的薄片放置透射光顯微鏡下觀察其微構造，並以陰極射線照 射(CL)。陰極射線照射原理是泛指把非導體材料，即半導體或絕緣體，
使用高能量電子激發，當電子撞擊到這些材料時會將其價電帶(valance band)的電子激發到較高能量的傳導帶(conduction band)，因而產生了電 子-電洞對(elecron-hole pair)，當電子-電洞對在結合時，就會放出該材料 能間帶間隙之光子之能量(energy gap)。由於每種材料的能間帶間隙不 同，一般半導體到絕緣體之能帶間隙約在1~9ev 之間，換算為波長約 150~1250 nm 之間，所以所產生的光約在遠紅外線、可見光到紫外線的 範圍 (e.g., 黃宏勝和林麗娟，2003) 。因此我們利用 CCD(Charge-coupled Device；電荷耦合元件)收集激發出來的光，利用不同顏色的光來推測其 所含的元素；而在自然生成的碳酸鈣中，透過陰極射線照射，其中所含 的Mn2+可以導致其發出橘至紅色的光，Fe2+則會抑制發光，而稀土元素 REE (Pr, Eu, Sm, Dy, Tb 等)則會促使其發出藍色至銀白色的光(Machel et al., 1991；Habermann et al., 1996)。
陰極射線影像被用來指示腕足動物殼體是否遭受成岩作用，未受過 成岩作用而保存良好的殼體可以用來分析古海洋的化學組成。(Popp et al., 1986；Rush et al., 1990；Barbin et al., 1991)，而腕足動物殼體的最 外層(primary layer)容易受成岩作用的影響，這一層比較薄，因此在陰極 射線底下的殼體最外層便有一層薄帶會發光，表示此層受到成岩作用影 響(Grossman et al., 1991)。
我們利用真空載物艙與CAMBRIDGE CLmk3A 產生陰極射線照射
標本，電壓控制在7.0~8.5kv；電流值在 245~250μA，外接 CCD(ProgRes C5)，每張曝光 5000ms，記錄影像，初步鑑定是否經成岩作用影響。若 其內含大於250ppm 之 Mn2+便會發出微微的橘光，可依此來判定是否遭 受天水成岩作用的影響(Bruckschen, 1999; Brand, 2003)，並以不發光 (NL)、不發光大於 50%，其於發橘光(NL+L)、發藍光(BL)、發藍光大於 50%，其於發橘光(BL+L)、發橘光(L)、圍岩(LM)來區別所取樣標本的 發光度。
3.3 掃描式電子顯微鏡
掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope)，簡稱 SEM，是利 用掃描線圈讓電子束對固態試片做二度空間的掃描，再藉由偵測器對電 子束與試片因交互作用而激發出的二次電子或背向散射電子做訊號收 集，經由 CRT 放大，即可清楚觀察試片在微小地區的表面形貌(e.g. 黃 宏勝和林麗娟，2003)。我們挑選 5 隻標本，使用的儀器為國立台灣大學 地質科學系微體古生物研究室之 HITACHI S-2400 型掃描式電子顯微 鏡。首先取出欲觀察的殼體，使用導電性佳、黏性佳的雙面碳膠帶固定，
為使標本導電度增加，進行觀察前須將標本鍍上一層 Pt 和 Pb 幫助導 電。將標本置於真空載物艙中，觀察保存良好的微細構造及保存較差殼 體的現象，並用CCD 照相機進行拍照，作為標本保存度的初步鑑定。
3.4 穩定碳氧同位素分析
根據透射光及陰極射線顯微鏡檢查腕足動物殼體保存度的結果，將 製做好的薄片，以esi New Ware Research 的微鑽微取樣系統(MicroMill Sampling Prep Device)以 0.5mm 的鑽頭分別在不發光的殼體(NL)、發藍 光的殼體(BL)、取樣範圍面積內少於 50%發光的殼體(NL+L)、發光的殼 體(L)及圍岩(LM)的部分做微鑽微取樣(圖 3.1&3.2)。取粉末約 0.2~0.3 mg，裝於分析瓶中備用。
CO2氣體，以Micromass IsoPrime 氣相比例質譜儀分析穩定碳氧同位素 組成，實驗校正則採用國際通用標準試樣NBS-19(δ13C=1.95‰、
δ18O=-2.20‰)校正分析數值，以 V-PDB 表示。
3.5 微量元素分析
陰極射線觀察結果，可用於整個薄片標本全方位的觀察，但只能用 來定性，而無法用來定量，Mn2+含量過多，會促使發光，若同時Fe2+含 量也很多，則會抑制發光(Habermann et al., 1996)，因此，為了確定不發 光的殼體是保存良好，未經成岩作用，亦或是Fe2+含量過多而抑制發光，
我們根據透射光下的觀察，挑選不發光(NL)殼體，做微量元素的定量分 析。
電子微探針(Electron Probe Micro-Analysis；EPMA)是利用電子束做 激發源，打在欲分析的標本區域。電子微探儀搭載了波長散佈光譜儀，
(wavelength dispersive spectrometer, WDS)之電子顯微鏡，利用電子束對 薄片中小體積內作X 光的激發，觀察者能依據被激發的 X 光之收集與 進一步的分析，以決定薄片中某一部分的組成。WDS 的測量，其一方
式是使用電子束聚焦於欲分析的區域，由X 光偵測器所接收到的訊號轉
換成特徵X 光能譜，根據特徵 X 光峰之波長位置可定性判斷可能存在 之元素，亦可進行定量組成之比例計算(e.g., 杜正恭等人，2009)。
換成特徵X 光能譜，根據特徵 X 光峰之波長位置可定性判斷可能存在 之元素，亦可進行定量組成之比例計算(e.g., 杜正恭等人，2009)。