Taphonomy of exceptional Cambrian fossil Lagerstätten of China exemplified by the Chengjiang Biota and the Guanshan Biota

Abstract

The conservation deposit of Chengjiang represents one of the oldest fossil deposits conserving both metazoan stem- and crown-group bauplans directly after the most rapid diversification event of Metazoa (“Cambrian bioradiation event”). Although extensive studies have been conducted on the systematic of taxa of this Lagerstätte, the major mechanisms of preservation of this exceptional soft-tissued fossil Lagerstätte remain controversial. Alteration and weathering processes play a pivotal role in the taphonomy of the Chengjiang Biota, but no overview of its taphonomic pathways using material with little or no weathering influence was available. Energy dispersive X-ray (EDX) analyses and elemental mapping of fresh fossil material from a variety of facies settings indicate that pyrite crystals are located only surrounding the fossils. Organic carbon is detected in all taxa, independently of their weathering/alteration stage, whereas pyrite is not. The systematic and detailed geochemical screening of various fossil groups such as brachiopods, priapulids, arthropods, sponges – mainly based on the geochemical screening of body fossils and entombing clay matrix – indicate a more complex preservational history than hitherto expected. The presence of apatite in sclerites of palaeoscolecids, shells of brachiopods, and bradoriids in unweathered samples supports the conclusion that these organisms were primary biomineralizers. Besides sub-recent oxidation processes during modern weathering, other processes such as clay mineral formation and/ or alteration, carbonization, phosphatization, and perhaps pyritization played key roles in the preservation of the exceptional soft-bodied organisms. Using different geochemical proxies such as various redox indicators and iron speciation, statistics on framboid sizes, along with classical geological observation and clay mineralogy reveal that iron mineral precipitation onto organic carcasses of the Chengjiang-type fossils is mostly confined to later diagenetic processes during weathering: the occurrence of Fe crystallites and framboides on soft tissues and within dissolved skeletal parts underlines a later diagenetic origin or even latest replacement during relatively recent weathering. Accordingly, such precipitation is not crucial for the early fixation of highly decayable tissues. The analyzed material demonstrates that pyrite does not replace the morphology of the fossils in unweathered material, as it does in the weathered material. This is one piece of evidence that anything replacing the altered fossils (in this case iron oxides) appeared successively, probably from the Cretaceous onward, and thus is not important for the early fixation of delicate tissues. The samples are classified into three groups with different degrees of alteration and reveal that the chemistry of these groups differs fundamentally. This thesis analyzes, for the first time, the whole spectrum of weathering stages in relation to the fossils. Its main contribution is the analysis of the effects of extensive subsurface weathering on the early Cambrian Lagerstätten of Yunnan Province. It resolves the extensive late diagenetic history of weathering, and peels that back to reveal the complex early diagenetic history of these deposits and their fossils.

Die Konservatlagerstätte von Chengjiang gehört zu den ältesten Fossillagerstätten und liefert sowohl Fossilien von Stamm- als auch von Kronengruppen der Metazoa. Die hier erhaltenen Baupläne sind unmittelbar nach dem größten Diversifizierungsevent in der Geschichte der Metazoa, dem "Cambrian bioradiation event", entstanden. Trotz der intensiven Arbeit über die systematische Stellung der in dieser Lagerstätte vorkommenden Arten bleiben die die außergewöhnlich gute Weichteilerhaltung ermöglichenden Faktoren weiterhin unklar. Verwitterung und Veränderung der Komponenten spielen eine zentrale Rolle in der Taphonomie der Chengjiang Biota. Bisher ist es nicht gelungen, an nicht oder wenig verwittertem Material einen Überblick über die taphonomischen Prozesse zu bekommen. "Energy dispersive Xray" (EDX) Analysen und Spurenenlementanalysen an frischem Fossilmaterial aus einer Vielzahl verschiedener Fazies zeigen ausschließlich das Fossil einsäumende Pyrit-Kristalle. Organischer Kohlenstoff kann, im Gegensatz zu Pyrit, unabhängig des Verwitterungs- oder Umbaustadiums in allen Taxa nachgewiesen werden. Eine detaillierte und systematische geochemische Untersuchung verschiedener Fossilgruppen, darunter Brachiopoden, Priapuliden, Arthropoden und Schwämme, deren Hauptaugenmerk auf der geochemischen Analyse der Körperfossilien und der einschließenden Ton Matrix liegt, lässt weitaus komplexere der Erhaltung zugrunde liegende Mechanismen vermuten, als bisher angenommen. In nicht verwitterten Proben kann Apatit in den Skleriten von Palaeoscoleciden, Brachiopodenschalen und Bradoriiden nachgewiesen werden, was die Annahme nahelegt, dass es sich hier um Bildner von Biomineralisaten handelt. Neben sub-rezenten Oxidationsprozessen im Rahmen moderner Verwitterungsprozesse spielten Tonmineral-Bildung, Kalk- oder Phosphat-Bildung sowie möglicherweise Pyritisierung eine Schlüsselrolle für die Erhaltung dieser außergewöhnlichen Weichteilorganismen. Unter Berücksichtigung verschiedener geochemischer Proxies – neben klassischen geochemischen Beobachtungen und Tonmineral Analysen - wie beispielsweise verschiedenster Redox Indikatoren und Eisenbildung, sowie statistischer Analysen an den Framboid Größen, konnte festgestellt werden, dass Eisenmineral-Niederschlag auf Chengjiang- Typ Organismen sich hauptsächlich als spät-diagenetischer, während der Verwitterung auftretender Prozess darstellt: Das Auftreten von Eisenkristallen und Framboiden auf Weichteilen und in gelösten Skelettelementen zeigt den spätdiagenetischen Ursprung oder sogar ein jüngstes Ersetzen durch rezentere Verwitterungsprozesse und kann deshalb nicht als maßgeblich wichtig für die frühzeitliche Fixierung von hoch verderblichem Gewebe angesehen werden. Die Proben wurden in 3 Gruppen geteilt, die jeweils unterschiedliche Stadien der Veränderung aufweisen und fundamental unterschiedliche chemische Eigenschaften aufweisen. Zum ersten Mal wird in dieser Arbeit das volle Spektrum der Verwitterungsstadien in Bezug auf das Fossilmaterial analysiert, sowie eine genaue Auswertung der Effekte extensiver Tiefen-Verwitterung in Lagerstätten des frühen Kambriums aus der Yunnan Provinz durchgeführt. Dieses Werk befasst sich mit der umfassenden Beschreibung und der gesonderten Betrachtung spätdiagnetischer Verwitterung, um die Begebenheiten der früheren Diagenese dieser Ablagerungen und Fossilien zu beleuchten.