海相碳酸盐岩通常是地球化学分析恢复古气候、古环境的理想介质,它们的同位素和元素地球化学信息对理解古海洋长周期变化、海洋缺氧事件等方面具有重要指示意义。然而,碳酸盐岩通常受到成岩作用影响较大,其中保存的原始海水信息大量丢失或发生改变。相反,一些生物介壳、骨骼化石对成岩作用具有一定的抗蚀变性,成岩作用之后仍然记录大量的真实或近似真实的原始古海水信息,因而成为使用地球化学手段来恢复古气候、古环境的重要介质。其中,腕足类介壳和牙形石骨骼是用来研究古生代以及三叠纪古海洋环境与气候的最常用材料之一。前者是古生代海洋中最常见、最丰富的动物,广布于所有岩相的海相地层中,是重要的生物地层标准化石之一;牙形石广布于寒武纪至三叠纪碳酸盐岩地层中,是最重要的生物年代地层标准化石类群。腕足动物有饺类群的钙质介壳通常分为内、外两层。其中,外层是颗粒状结构,容易受成岩作用的影响,并且不容易被保存下来;而内层为纤维状或棱柱状结构,不易被成岩交代,是地球化学分析的良好材料。其氧同位素值可用来恢复古海水温度;锶同位素值则用来反映全球性构造活动、海平面变化或陆地风化作用等有关的壳幔物质循环平衡的指标。牙形石骨骼的化学成分为磷酸钙,它不是某种动物整体的残骸,而是代表海洋动物的一部分器官,故而化石分类位置不明确。由于磷酸盐中,硫酸根基键通常很保守而不易被成岩作用所破坏,牙形石备受推崇,其微量元素(包括稀土元素REE)的含量能反映当时原始海水的地球化学信息,例如,稀土元素指标Ce/Ce*、Eu/Eu*等可以指示沉积来源、海水氧化-还原条件或火山作用影响;其氧同位素值也可用来恢复古海水温度。然而,并不是每种介壳或骨骼以及它们的每个部位都不受成岩作用的影响。对于地质历史时期的腕足介壳而言,常用扫描电镜法、阴极发光法、微量元素法来进行成岩蚀变判别,但每种方法都有局限性,其中,扫描电镜判别法是对介壳显微结构的表面特征以及晶体组构模式的初步评判,受到壳体成分不均一性的影响。阴极发光判别法主要依赖于Fe2+发光猝灭剂与Mn2+发光激活剂的相对含量。壳体不发光也可能是受到成岩过程中吸收的Fe元素的影响,而保存较好的介壳也可能表现明亮的光。微量元素判别法是根据现代腕足壳体的微量元素组成对比得出的,而现代海水与古海水的差异,尚未可知,并受到化石类型、成岩背景、化石种属等多方面的影响。牙形石骨骼的稀土元素(REE)信号也可能受到陆源碎屑输入或火山物质以及水下热液的影响。对牙形石骨骼成岩蚀变程度的判别,主要是用到色变指数(CAI),各种REE指标及其之间的关系,包括:总稀土含量ΣREE、Th含量、中稀土富集度MREE/MREE*等等,以及各个指标与Y/Ho的共变关系。但牙形石的CAI色变分级,可能受到不同种属的影响,并且在观察对比过程中的色差可能因人而异。本论文运用上述实验方法对腕足介壳和牙形石骨骼进行多重检测,最终选出合适的材料通过不同的地球化学分析揭示晚泥盆世、早二叠世、二叠纪-三叠纪之交三个关键时期的极端环境以及气候变化特征。研究发现,大部分晚泥盆世以及早二叠世腕足壳体的纤维层排列规整、晶体形态清晰并且表面光滑,在阴极发光下,表现不发光或弱发光,说明可能受到成岩蚀变影响较弱。而与腕足共生的珊瑚化石均强烈发光,说明它们可能受到成岩蚀变影响较严重。晚泥盆世的腕足介壳符合Mn/Ca<0.5 mmol/mol并且Sr/Ca>1.2 mmol/mol视为保存良好样品;采自研究剖面早二叠世Callytharra组下部12米地层中的腕足介壳中Mn/Ca<0.2mmol/mol;该组12米处之上层位产出的腕足介壳中Sr/Ca>1.4 mmol/mol,均可视为通过筛选的样品。通过对我国新疆和什拖洛盖地区晚泥盆世弗拉斯期-法门期(F-F)之交腕足介壳氧、锶同位素的分析,发现在F-F界线处氧同位素稍有减小的趋势,随后反复显著波动,波动范围为-9.7‰至-5.2‰。通过修正δ18Ow取值之后,平均海水温度为35±6℃,该温度较前人用相同方法测出同期低纬度地区海水温度相近。尽管研究区当时位于中-高纬度带,但其洋盆中岛弧型火山频繁喷发,因而使得岛弧附近水域的温度较高。锶同位素值从F-F之交呈微弱减小的趋势,指示海平面上升,随后在法门早期出现明显上升的变化,指示当时海平面下降、发生海退;之后锶同位素值保持相对稳定,说明当时海平面保持平稳,变化不大。有意思的是,尽管F-F大灭绝对大多数地区的生物类群打击非常大,然而,许多底栖生物如腕足类、棘皮类却能在该地区异常繁盛,说明当时较高的古海水温度和火山活动带来丰富的营养物质对底栖动物在F-F大灭绝之后迅速繁盛提供了有利条件。同时,通过对西澳大利亚北部坎纳温盆地的Callytharra Spring剖面早二叠世冰期-间冰期沉积序列中的腕足介壳氧、锶同位素的分析,发现早二叠世的腕足壳体各类指标均在冰川快速消融期(即,研究剖面Callytharra组底部约12米的地层)的波动幅度较大,随后保持相对稳定。特别是氧同位素值在Callytharra组下部12米地层的波动范围为-0.13‰至1.11‰,而其上覆地层的变化幅度为-0.13‰至0.5‰。氧同位素在整个剖面的平均温度为10.1±1.3℃。因此,在大冰期末期-大冰盖消融初期,海水温度从5.5℃上升至10℃左右,然后经历了一次降低-升高的过程之后又回到冰融期海水的温度(5.5℃左右)。在Callytharra组下部12米处海水温度突然跃升至11℃左右,之后,海水温度保持相对稳定,在10℃左右小幅波动。相似的变化模式在87Sr/86Sr值变化曲线中也表现得非常明显。87Sr/86Sr值经历了两次升高-下降过程之后保持相对稳定的低值,说明冰川开始消融之后的初期,频繁、极端的温度变化大大地增强了当时陆地风化作用,使得河流对同期海水的高放射成因Sr元素输入增强。之后,随着海水温度的升高并处于稳定的状态,说明当时的气候也相对稳定下来,此时,陆地风化作用减弱,海平面平稳升高,同时幔源低锶成份可能更多地汇入海水中,最终海水87Sr/86Sr值降低并保持稳定。此外,通过对江西省景德镇市沿沟剖面二叠纪-三叠纪之交牙形石骨骼的微量元素测试,发现牙形石表现出海水信号与陆源碎屑信号混合来源的REE模式,大灭绝前的牙形石分子主要是海水信号(Y/Ho>50),而大灭绝后的牙形石主要记录了陆源碎屑信号(Y/Ho<50)。大灭绝前牙形石Ce/Ce*比值和U含量局部升高,说明当时海洋水体分层明显,贫氧至缺氧海水常常侵入至浅水碳酸盐台地中。大灭绝界线处的化学风化指数(CIA)陡增,表明由于当时海水明显升温而引起的陆地侵蚀速率明显增加,当时的化学风化相对于物理风化也明显增强了。总之,江西沿沟剖面因其独特的地理位置(处于孤立浅水碳酸盐台地),受陆源碎屑物质的影响较小,在这种近乎无黏土(Al<0.5%)的碳酸盐相中的牙形石能够保留原始海水REE信号。