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蔡东娥,June 19, 2025
研究背景：牙形石是牙形动物的牙齿或滤食器官化石，大小在0.1~7mm之间，成分为Ca5Na0.14 (PO4)3.01(CO3)0.016F0.73(H2O)0.85，从寒武纪早期至三叠纪末期都有分布。它是地层划分对比的重要依据，属于标准化石，其磷酸根氧同位素可用于温度重建，也是记录海水化学信号的良好载体。牙形石的颜色会随着成熟度演化程度发生变化，这种变化用色变指数（1至8）来衡量。
关键科学问题：1.成熟度演化是否会影响牙形石作为古环境示踪生物材料的可靠性？2.如何客观评价牙形石的色变指数。
解决方案：针对科学问题1，采用拉曼光谱确定不同成熟度牙形石成分，具体步骤包括镜下观察、制作样品靶和拉曼测试，还介绍了拉曼实验参数以及如何通过拉曼位移的特征峰来分析牙形石不同组织成分。针对科学问题2，通过代码提取牙形石照片平均灰度，建立客观评价CAI值的灰度标准，利用MATLAB得出CAI和灰度之间的关系式为CAI=6.021-0.0293GrayMean，且相关关系显著（R²=0.89）。
图1 色变指数和灰度均值的关系图
灰度标准建立结果：CAI与埋藏温度有关，灰度均值与CAI有关，那么灰度均值理论上可以反映埋藏温度。利用MATLAB得出温度和灰度之间的多种拟合表达式，包括线性回归、二次回归和指数回归，其中二次回归和指数回归的相关系数R²均为0.87。
拉曼扫描测试结果：对牙形石不同组织成分分析发现，瓷白质齿冠部分I 960/1350低，所以单位磷灰石中的缺陷石墨含量高，这是由于单位磷灰石中石墨总量多（I 960/1600高）；I 1350/1600低，意味着单位石墨中缺陷少；I 1500/960低则指示了更少的有机物；I 1500/1600瓷白质齿冠区域和玻璃质齿冠区域明显不同，可能指示不同的有机物类型。
图2 拉曼分析结果图
P 960以及W 960均呈现变小的趋势，CAI=3.5之后变化基本不大，说明磷酸根晶格逐渐有序化，在CAI=2.5的时候发生了质变，因此，在挑选牙形石作为古环境研究的材料时，需要CAI小于2.5的牙形石。
图3 W 960和P 960变化趋势
W1600一直减小，说明石墨结晶程度越来越好。石墨因温度增加不断重结晶，缺陷减少，CAI=5.5的样品石墨结晶程度好但是缺陷很多，可能是石墨化的一个质变的阶段。
图43 W 1600及I 1350/1600变化趋势
不同成熟度牙形石成分存在演化规律：从CAI=1到CAI=2.5，晶格存在大量杂质离子，瓷白质齿冠石墨化进程快；从CAI=2.5到CAI=3.5，磷灰石晶格结构有序化，单位磷灰石中石墨含量达峰值；CAI=5.5时，对应温度约350℃，可能处于石墨化质变阶段，产生了很多缺陷。
结论：建立了客观评价牙形石色变指数的灰度标准，表达式为 CAI=6.021 - 0.0293GrayMean；发现单颗牙形石成分存在明显差异，原因有不同组织结构及生长过程中的差异；总结了不同成熟度牙形石之间成分的演化规律，为挑选适合作为古环境研究材料的牙形石提供了依据，即应选用CAI小于2.5的牙形石。
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