Cambrian small shelly fossils of South China and their application in biostratigraphy and palaeobiogeography

Abstract

Undisputed mineralization of the metazoans happened around the Precambrian- Cambrian Boundary, although there are several Latest Precambrian forerunners such as Sinotubulites, Cloudina, Corumbella, etc.. The process started early during the Terminal Neoproterozoic, shown by some Ediacaran fossils e.g. Cloudina hartmannae and the Doushantuo phosphate fossils Ramitubus increscens. The small shelly fossils (SSFs) are of the earliest biomineralized animals distributed globally with high diversity. Appeared earlier than the trilobites and archaeocyathids, the SSFs are thus important for the biostratigraphy of early Cambrian. On the Yangtze Platform early Cambrian strata are widely developed with a great diversity and abundance of small shelly fossils. The first study focuses on the Terreneuvian SSFs and the multiple hiati in eastern Yunnan of the western Yangtze Platform. Carbonates and phosphatic carbonates containing well preserved SSFs broadly developed in this area. Biostratigraphy of SFFs has been applied for decades with three SSF zones having been established for the Terreneuvian strata. But certain problems still exist. For instance, the stratigraphic distribution of some previously applied index fossils, the definition of some SSF zones, and their correlation remained unclear.This study selected four sections from eastern Yunnan, namely the Meishucun section in the Kunming region, the Laolin and Lishuping sections in Huize and the Xianfeng section in Xundian. Three regional SSF biozones are recognized and modified: Zone I, Anabarites trisulcatus-Protohertzina anabarica Assemblage Zone; Zone II, Paragloborilus subglobosus-Purella squamulosa Assemblage Zone; Zone III, Watsonella crosbyi Assemblage Zone. Zones II and III are modified as based in this study. Zone II is further divided into two subzones: the Annelitellus yangtzensis-Obtusoconus honorabilis Subzone and the superjacent Maikhanella cambriana-Oelandiella korobkovi Subzone. New fossils, e.g. Claviconchella qianyii gen. et sp. nov. and Bubiites simplex gen. et sp. nov. are reported from the Huize and Xianfeng regions. Extensive multiple hardgrounds and three major disconformities are developed in the Terreneuvian strata of the Yangtze Platform. The first disconformity occurred at the Precambrian-Cambrian Boundary. The second one is observed within the Dahai Member of the Zhujiaqing Formation, at the boundary of Zone II and Zone III. This disconformity led to a general missing of the Zone II strata in most of the other areas of the Yangtze Platform except for eastern Yunnan. The third disconformity happened on top of the Zhujiaqing Formation, namely the top of the SSF Zone III. The hiati related to the hardgrounds and the disconformities prompt reconsideration of the previous isotope stratigraphy. Most important, the disconformities at the very beginning of Phanerozoic are synchronous with the appearance of the SSFs and the global phosphogenetic event, shortly before the Cambrian Explosion. It is left to speculation that they are relevant inherently, while the details remain ambiguous. It has been argued that SSFs are facies dependent, being restricted to the carbonate facies. The second main study of this work is dedicated to this problem. SSFs were successfully extracted from siliceous rocks applying a relatively new and rarely applied method revealing that some SSFs occur across different facies belts. A quick-etching method with weak hydrofluoric acid (HF) is being utilized. Cherts or siliceous samples, collected from the Zhejiang and Hunan provinces, were immersed in 2-5% HF solution and sieved every 12 hours. SSFs such as Seletellus seletinicus, Amphigeisina cf. danica and sponge spicules etc. were recovered. The study confirms the possibility that the SSFs can be extracted from cherts. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) results reveal that SSFs extracted with HF are mainly composed of carbon and high amounts of sulfur, accompanied by phosphorus and fluorine. These SSFs extracted from cherts are comparable in morphological quality with those from carbonates. The study indicates the hydrofluoric acid-processing can provide valuable biostratigraphic data of SSFs that are complementary to standard methods. Seletellus seletinicus Gridina, 1991 is found for the first time on the Yangtze Block. It indicates the upper black shale unit of the Hetang Formation can be assigned to the Rhombocorniculum cancellatum Zone indicating the upper Qiongzhusian (middle- upper Cambrian Stage 3) in Zhejiang. Some of the protoconodonts may have had an original carbonaceous composition. Quantitative analyses have been rarely attempted for the SSF study. Our third study focuses on the quantitative analysis of the SSFs and the palaeobiogeographic research. Published data on SSFs and lithology oft the Zhenba Region (Shaanxi) and the Fangxian Region (Hubei) hint at major differences from the Yangtze Block during the early Cambrian that require further investigation. To further understand the differences, samples were collected from the Xiaoyangba and Zengjiapo sections in Zhenba County, southeastern Shaanxi of China. The two sections contain well preserved Cambrian Stage 2 SSFs. Detailed biostratigraphic correlation were accomplished for this study. A new SSF zone is proposed, namely the Cambroclavus fangxianensis-Rhombocorniculum cancellatum Assemblage Zone. Moreover, Gapparodus gapparites sp. nov. is reported from the two sections. Combining with all published SSF data, 295 species from 32 areas of the world are recorded. A quantitative palaeobiogeographic analysis is carried out using hierarchical clustering calculation of the database. The SSFs of the study region, which is named as the Zhenba-Fangxian Block, have a low similarity index with other parts of the Yangtze Block. They are more associated with those of the Armorica, Tarim, as well as Maly Karatau & Talas Alatau (South Kazakhstan and North Kyrgyzstan, respectively) terranes. The Yangtze Block has a unique SSF pattern compared with other regions. Other factors corroborate the SSF differences. The Ediacaran manganese deposits as well as the Early Cambrian barite and witherite distribution patterns are different in the Zhenba-Fangxian Block from those of the Yangtze Block. Isopach maps of Neoproterozoic deposits of the Zhenba-Fangxian Block also differ from those of the Yangtze Block. Considering all these evidences, we regard the Zhenba- Fangxian Block as an independent terrane or part of the South Qinling Terrane during the Terminal Neoproterozoic-Early Paleozoic time interval.

Erste eindeutige Biomineralisationen von Metazoen treten seit dem Übergang vom Präkambrium zum Kambrium auf, obwohl bereits einige Spät-Neoproterozoische mineralisierende Vorläufer, wie Sinotubulites, Cloudina, Corumbella, etc. existieren. Der Prozess der Biomineralisation begann während des ausgehenden Neoproterozoikums, wie durch einige Ediacara-Fossilien, wie z.B. Cloudina hartmannae und das phosphatische Doushantuo-Fossil Ramitubus increscens belegt wird. Die „Small Shelly Fossilien“ (SSFs) der frühen biomineralisierten Tiere treten weltweit auf und zeigen bereits eine hohe Biodiversität. Die frühesten SSFs traten noch vor dem Erscheinen der Trilobiten und Archäocyathiden auf und sind insbesondere bedeutsam für die Biostratigraphie des frühen Kambriums. Frühkambrische Ablagerungen mit einer häufigen und artreichen Fauna von Small Shelly Fossilien sind auf der südchinesischen Yangtze Plattform weit verbreitet. Der erste Abschnitt der vorgelegten Arbeit beschäftigt sich mit den SSFs des Terreneuviums und der Verbreitung vielfältiger Hiati im östlichenYunnan der West- Yangtze Plattform. Karbonate und phosphatische Karbonate dieser Region sind reich an gut erhaltenen SSFs. Biostratigraphie, basierend auf den SSFs, wurde seit Jahrzehnten für das Terreneuvium dieses Gebietes angewendet. Trotzdem existierten damit bis in die Gegenwart eine Vielzahl von Problemen. So z.B. blieb die stratigraphische Verbreitung einiger ursprünglich verwendeter SSFs, die Definition einiger SSF Zonen sowie deren Korrelation unklar. In der vorliegenden Arbeit wurden vier Profile in Ost- Yunnan, nämlich der Aufschluß Meishucun in der Kunming Region, die Profile Laolin und Lishuping im Kreis Huize und das Profil Xianfeng im Kreis Xundian im Datail untersucht. Drei regionale SSF Biozonen wurden festgestellt und teilweise in der Definition modifiziert: Zone I, Anabarites trisulcatus- Protohertzina anabarica Assemblage Zone; Zone II, Paragloborilus subglobosus- Purella squamulosa Assemblage Zone; Zone III, Watsonella crosbyi Assemblage Zone. Die Zonen Zones II und III wurden anhand der Ergebnisse dieser Arbeit modifiziert. Zone II wird weiter untergliedert in zwei Subzonen: die jüngere Annelitellus yangtzensis-Obtusoconus honorabilis Subzone und ältere Maikhanella cambriana-Oelandiella korobkovi Subzone. Einige neue Taxa, z. B. Claviconchella qianyii gen. et sp. nov und Bubiites simplex gen. et sp. nov. werden aus den Huize und Xianfeng Regionen beschrieben. Ausgedehnte und mehrfach auftretende Hartgründe, sowie drei größere Diskonformitäten sind in den terreneuvischen Ablagerungen der Yangtze Plattform vorhanden. Die erste wichtige Diskonformität tritt an der Präkambrium- Kambrium Grenze auf. Die zweite wird innerhalb des Dahai Members der Zhujiaqing Formation an der Grenze der SSF Zone II und SSF Zone III beobachtet. Diese Diskonformität ist dafür verantwortlich, dass Strata der Zone II in den meisten anderen Gebieten der Yangtze Plattform außerhalb von Ost- Yunnan fehlen. Die dritte größere Diskonformität tritt am Top der Zhujiaqing Formation in der obersten SSF Zone III auf. Die Ergebnisse zur Verbreitung kleinerer (Hartgründe) und größerer Hiati (Diskonformitäten) erfordern die Neubewertung der bisher angewendeten C -Isotopen-Stratigraphie. Es ist wichtig festzustellen, dass die Diskonformitäten am Beginn des Phanerozoikums synchron mit dem Erscheinen der Vielfalt der SSFs und dem globalen Phosphatisations-Ereignis, unmittelbar zu Beginn der Kambrischen „Explosion“, sind. Es bleibt aber weitgehend spekulativ, inwieweit diese Ereignisse genetisch in Zusammenhang stehen. Es ist in der Vergangenheit wiederholt diskutiert worden, dass SSFs faziesabhängig und auf die Karbonatfazies beschränkt sind. Diesem Problem widmet sich die Arbeit im zweiten Hauptabschnitt der Arbeit. Zu diesem Zwecke wurden erfolgreich SSFs mittels einer neuen und wenig angewendeten Methode aus silikatischen Gesteinen extrahiert und untersucht. Die Untersuchung zeigt, dass einige SSFs unabhängig von den Fazieszonen in verschiedenen Gesteinen auftreten. Der zweite Haupabschnitt der vorliegenden Arbeit beschreibt SSFs einer Tiefwasserfazies der östlichen Yangtze Plattform. Die angewendete Aufbereitungsmethode arbeitet mit verdünnter Flusssäure (HF) mit nur extrem kurzen Einwirkungszeiten. Die untersuchten Cherts bzw. silikatischen Gesteine aus den Provinzen Zhejiang und Hunan wurden in 2-5% iger HF angesetzt und alle 12 h abgesiebt. SSFs wie Seletellus seletinicus, Amphigeisina cf. danica und Schwamm- Nadeln konnten dabei gewonnen werden. Die Studie bestätigt, dass SSFs aus Cherts zu biostratigraphischen Zwecken gewonnen werden können. Energiedispersive Röntgen-Spektroskopie (EDS) an SSFs, die mittels HF gewonnen wurden, zeigt, dass die SSFs hauptsächlich aus Kohlenstoff (mit vergleichsweise hohem Anteil an Schwefel) sowie teilweise aus Phosphor und Fluor bestehen. Die aus den Cherts gewonnenen SSFs sind morphologisch vollständig vergleichbar mit Exemplaren die mittels Essigsäure aus Karbonat gewonnen wurden. Dies zeigt, dass vorsichtige HF- Aufbereitung wertvolle Informationen zur Biostratigraphie der SSFs beitragen kann. 1991 wurde Seletellus seletinicus Gridina zum ersten Mal aus dem Yangtze Block nachgewiesen. Dieses Vorkommen weist darauf hin, dass die höheren "Black Shales" der Hetang Formation der Rhombocorniculum cancellatum Zone des jüngeren Qiongzhusiums (mittlere-höheres Kambrium Stufe 3) in Zhejiang zugeordnet werden können. Einige der erhaltenen Protoconodonten zeigen eine vermutlich primäre organische Erhaltung. Der dritte Hauptabschnitt der vorgelegten Arbeit widmet sich der quantitativen Analyse der SSFs und deren paläobiogeographischer Anwendung. Eine quantitative Analyse von SSF für paläobiogeographische Zwecke wurde bisher kaum durchgeführt. Publizierte Daten über SSFs und Lithologie der Zhenba Region (Shaanxi) und der Fangxiang Region (Hubei) weisen auf wesentliche Unterschiede zwischen der Untersuchungsregion und der Yangtze Platform hin, die hier weiter untersucht werden. Dazu wurden Proben aus den Profilen Xiaoyangba und Zengjiapo des Kreises Zhenba, SE Shaanxi im Detail untersucht. Die beiden Profile führten eine große Zahl gut erhaltener SSFs der Cambrium Serie 2, die eine biostratigraphische Korrelation ermöglichten. Die neue Cambroclavus fangxianensis-Rhombocorniculum cancellatum Assemblage Zone wird hier definiert. Außerdem wird die neue Art Gapparodus gapparites sp. nov. aus den beiden Profilen neu beschrieben. In der Auswertung der publizierten SSF-Daten für die Kambrium Stufe 3 werden weltweit 295 Arten aus 32 Gebieten festgestellt. Eine quantitative paläobiogeographische Analyse der Daten wurde mittels computergestützter hierarchischer Clusteranalyse durchgeführt. Die SSFs des Untersuchungsgebietes, des Zhenba-Fangxian Blocks, zeigen erstaunlicherweise nur eine geringe Ähnlichkeit mit den Assoziationen des Yangtze Blocks. Im Gegensatz dazu sind diese den Faunen der Armorica Terranes, von Tarim, und dem Maly Karatau & Talas Alatau (Süd- Kasachstan und N- Kirgisien) sehr ähnlich. Der Yangtze Block hingegen hat eine spezielle Assoziation von SSF in der Kambrium Stufe 3, die weltweit unterschiedlich verglichen mit den anderen Regionen ist. Andere geologische Faktoren ergänzen die Hinweise auf die Unterschiedlichkeit des Zhenba-Fangxiang Blocks. Die ediakarischen, sedimentär- stratiformen Mn-Lagerstätten und die frühkambrischen Baryt- und Witherit-Lagerstätten zeigen eine zonenförmige Verbreitung, die darauf hindeutet, dass der Zhenba- Fangxian Block im Kambrium unabhängig vom Yangtze Block war. Die Mächtigkeiten der neoproterozoischen Ablagerungen des Zhenba-Fangxian Blocks weichen ebenfalls stark vom Yangtze Block ab. Zusammenfassend betrachten wir den Zhenba-Fangxian Block als ein unabhängiges Terrane oder als Teil des Süd- Qinling Terranes während des späten Neoproterozoikums bis frühen Paläozoikums.