晉中南地區(qū)上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)太原組碳酸鹽巖中遺跡組構(gòu)及其沉積環(huán)境①

宋慧波 王 芳 胡 斌

(1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 河南焦作 454000;2.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁(yè)巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新 河南焦作 454000)

0 引言

晉中南地區(qū)上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)太原組蘊(yùn)含著豐富的煤及煤層氣資源，太原西山又是我國(guó)北方型石炭—二疊紀(jì)含煤地層的典型剖面，長(zhǎng)期以來(lái)受到我國(guó)廣大地質(zhì)工作者的高度關(guān)注。以往的研究主要集中在古生物地層學(xué)［1-2］和沉積環(huán)境及聚煤規(guī)律［3-6］的研究上，對(duì)研究區(qū)碳酸鹽巖中遺跡化石、遺跡組構(gòu)及其沉積環(huán)境的研究較少。迄今，僅胡斌等［7］首次研究了該地區(qū)太原組灰?guī)r中遺跡組合及其沉積環(huán)境。但是，有關(guān)本區(qū)遺跡組構(gòu)的研究尚無(wú)正式報(bào)道。

遺跡組構(gòu)是指沉積物(巖石)中生物擾動(dòng)和生物侵蝕作用所遺留下來(lái)的總體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部構(gòu)造特征，是各期擾動(dòng)生物在沉積物中活動(dòng)歷史的最終記錄，它是物理過(guò)程和生物過(guò)程相互作用的產(chǎn)物［8-9］。遺跡組構(gòu)克服了傳統(tǒng)遺跡相(即，反映一定沉積環(huán)境的遺跡組合)研究沒(méi)有區(qū)分生物遺跡活動(dòng)先后順序和世代關(guān)系的不足，強(qiáng)調(diào)生物活動(dòng)與沉積物之間、遺跡化石個(gè)體與群體之間在時(shí)間、空間上的相互關(guān)系，這與側(cè)重研究多種生物遺跡同時(shí)期共生在同一空間環(huán)境的遺跡組合的概念有明顯差別。因而成為繼“原型遺跡相”概念［10］后遺跡學(xué)發(fā)展過(guò)程中的又一里程碑，它使得遺跡學(xué)朝著更深入、更精確的方向發(fā)展。

遺跡組構(gòu)的屬性由沉積基底的物理、化學(xué)和生態(tài)性質(zhì)以及造跡生物的各種行為習(xí)性共同決定［11］，因此，正確分析及解釋遺跡組構(gòu)，必須把出現(xiàn)在整個(gè)巖石剖面上的全部遺跡相和沉積特征作為一個(gè)整體進(jìn)行分析［12-13］。描述一個(gè)遺跡組構(gòu)，一般通過(guò)以下四個(gè)方面:物理沉積構(gòu)造、生物擾動(dòng)指數(shù)(BI)、潛穴大?。?4］和豐度以及遺跡化石分異度［15］。

本文選擇太原西山七里溝剖面和陵川附城松窯溝剖面(圖1)為研究對(duì)象，通過(guò)分析太原組碳酸鹽巖中遺跡化石和遺跡組構(gòu)的組成和分布特征，可以為精細(xì)研究本區(qū)太原組的沉積環(huán)境變遷史提供重要的生物學(xué)信息，也可為煤與煤層氣的生成環(huán)境提供生物學(xué)記錄方面的科學(xué)依據(jù)。

圖1 研究區(qū)及剖面位置圖Fig.1 Location of the study area and outcrop section(shown by triangle sign)

1 地質(zhì)背景

本研究區(qū)位于晉中南地區(qū)，屬于沁水盆地的范圍，位于北緯 35°～38.25°和東經(jīng) 111°00'～114°00'之間，總體上該盆地呈北北東至南南西向展布。從區(qū)域構(gòu)造上看，本區(qū)的晚古生代沉積區(qū)域位于中朝板塊華北地塊的中部。在加里東運(yùn)動(dòng)的晚期，華北地塊整體呈西隆東傾，這種格局貫穿于整個(gè)晚古生代［16］。在石炭紀(jì)，華北地塊表現(xiàn)為“南隆北傾”;至早二疊世，華北地塊轉(zhuǎn)變?yōu)椤氨甭∧蟽A”，此時(shí)地勢(shì)表現(xiàn)為北西高、南東低，海水大致沿北西—南東方向頻繁進(jìn)退［17］。上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)太原組就是在這種構(gòu)造古地理背景下形成的一套濱海、淺海、潟湖和潮坪沉積［18］。

2 地層組成特征

研究區(qū)太原組是一套典型的海陸交互相含煤地層，主要由砂巖、粉砂巖、泥巖、頁(yè)巖、灰?guī)r及煤層所組成，含有大量的紡錘蟲(chóng)類(lèi)、珊瑚、腕足類(lèi)、牙形石［19］、介形類(lèi)、腹足類(lèi)、雙殼類(lèi)［20］等正常淺海相底棲動(dòng)物化石、各種植物化石和豐富的遺跡化石［21-23］，屬于陸表海多堡島與碳酸鹽巖臺(tái)地復(fù)合沉積體系［24］。該組地層剖面于太原西山(厚84 m)和晉城的陵川(厚94 m)一帶出露良好，其下與本溪組、其上與山西組呈整合接觸［25］。依據(jù)垂向上的巖性變化特征，太原西山露頭剖面自下而上劃分為晉祠段、毛兒溝段和東大窯段(圖2)。①晉祠段，由淺灰色細(xì)粒巖屑雜砂巖和石英雜砂巖、灰色粗粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖、灰黑色泥巖和鐵質(zhì)泥巖組成，夾一層薄煤層(11號(hào))和二層煤線(xiàn)以及一層橫向上不穩(wěn)定的深灰色生物屑泥晶灰?guī)r(俗稱(chēng)吳家峪灰?guī)r，厚1.1 m)，砂巖中有時(shí)含菱鐵礦鮞粒，底部為淺灰色沉凝灰?guī)r(3.1 m)或灰白色石英雜砂巖(晉祠砂巖K1);②毛兒溝段，下部為灰色細(xì)粒巖屑砂巖和石英雜砂巖、細(xì)粉砂巖、黑色泥巖和三層煤層(8號(hào)、9號(hào)、10號(hào))，底部夾有薄煤層;上部主要為深灰色中厚—厚層狀泥晶灰?guī)r(俗稱(chēng)廟溝灰?guī)r和毛兒溝灰?guī)r)，夾一層黑色粉砂質(zhì)泥巖和褐灰色凝灰?guī)r，頂部發(fā)育一層灰?guī)r(俗稱(chēng)斜道灰?guī)r)，其下為灰黑色泥巖并夾一層薄煤層(7號(hào));③東大窯段，主要由一層深灰—灰黑色生物屑泥晶灰?guī)r(俗稱(chēng)東大窯灰?guī)r)夾黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和煤層(6 號(hào))組成［26］。

陵川地區(qū)松窯溝剖面太原組劃分為四個(gè)巖性段:①下部碎屑巖段，由灰白色薄—厚層狀細(xì)砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖以及深灰色鋁土質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖和煤組成，該段底部以一層灰白色厚層狀中—細(xì)粒石英砂巖與本溪組整合接觸，頂部普遍發(fā)育15號(hào)和14號(hào)煤層;②中部灰?guī)r段，主要由6層深灰色中厚—厚層狀含燧石灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r和泥晶灰?guī)r(L1-L6)組成，灰?guī)r間夾薄層中粒砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖和煤層(9號(hào)～13號(hào));③上部碎屑巖段，由灰白色中厚—厚層狀中—細(xì)粒石英砂巖、薄層粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖和煤層(7號(hào)，8號(hào))組成;④上部灰?guī)r段，主要為灰、深灰色生物碎屑微晶灰?guī)r(L7-L8)和薄層硅質(zhì)巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖和薄煤層(5號(hào)，6號(hào))或煤線(xiàn)，中上部夾1～2層中—厚層細(xì)砂巖，頂部發(fā)育一層較厚的灰黑色薄層狀泥巖，與山西組底部的灰白色厚層細(xì)砂巖(K7)呈整合接觸［27］。

圖2 晉中南太原組研究剖面地層柱狀及遺跡化石垂向分布圖Fig.2 Stratigraphic column graph and ichnofossil distribution of the Taiyuan Formation on study sections in middle-south Shanxi province

區(qū)域地層研究表明，本研究區(qū)太原組灰?guī)r厚度整體上呈現(xiàn)出從西北到東南由小變大、灰?guī)r層數(shù)由少變多的趨勢(shì)。太原西山太原組露頭剖面發(fā)育5層灰?guī)r，分別為吳家峪灰?guī)r、廟溝灰?guī)r、毛兒溝灰?guī)r、斜道灰?guī)r和東大窯灰?guī)r。其中以毛兒溝灰?guī)r(L3)和東大窯灰?guī)r(L5)厚度大，分布廣泛，橫向上較為穩(wěn)定。陵川地區(qū)松窯溝太原組露頭剖面發(fā)育8層灰?guī)r，其中松窯溝灰?guī)r(L1)和附城灰?guī)r(L7)厚度大，分布廣而穩(wěn)定。各層灰?guī)r層中均含有豐富的遺跡化石，如圖2所示。

3 遺跡化石組成與分布特征

晉中南地區(qū)太原組碳酸鹽巖中發(fā)育了大量的遺跡化石，經(jīng)鑒定有10個(gè)遺跡屬14個(gè)遺跡種，包括三種生態(tài)類(lèi)型，即:①進(jìn)食跡，常見(jiàn)有 Zoophycos aff.caudagalli， Zoophycos lingchuanensis， Zoophycos taiyuanensis，Zoophycos isp.1，Zoophycos isp.2［28-29］，Palaeophycus heberti，Planolites montanus，Teichichnus rectus［30］，Chondrites isp.［31］，Rhizocorallium isp.［32］等，其中以 Zoophycos最為豐富;②覓食跡，僅見(jiàn) Helminthopsis isp.和Nereites isp.二種;③居住跡，僅出現(xiàn)Thalassinoides isp.和 Ophiomorpha isp.二種。

露頭剖面考察發(fā)現(xiàn)，太原組各層灰?guī)r中均含有遺跡化石，但其組成、豐度、分布、個(gè)體大小及產(chǎn)狀特征各有不同。通常，在有機(jī)質(zhì)和泥質(zhì)含量相對(duì)較高的灰?guī)r層段，遺跡化石的豐度和分異度相對(duì)較高，多為沿層面和平行層面分布的覓食跡與進(jìn)食跡。這表明，遺跡化石的豐度、分異度與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)、含氧量等具有正相關(guān)性。尤其是Zoophycos遺跡化石［33］，在個(gè)體形態(tài)、大小、豐度和潛穴充填物的顏色方面，不同灰?guī)r層均存在明顯的差異。按照剖面上板狀蹼層寬度大小可將Zoophycos遺跡化石劃分為三種類(lèi)型，即:小型(板狀蹼層平均寬度1～3 mm)、中型(4～6 mm)和大型(8 mm以上);按照充填物的顏色可分為:紅褐色、灰白色、淺灰色、灰色、深灰色和黑色;按照剖面上板狀蹼層中回填紋的形態(tài)特征，可分為新月形、舌形和矩形［34］?，F(xiàn)將幾層典型灰?guī)r層中 Zoophycos遺跡化石的分布及變化特征簡(jiǎn)述如下:

(1)太原西山剖面毛兒溝灰?guī)r層中遺跡化石的組成與分布特征

毛兒溝灰?guī)r層(L3)厚約8 m，產(chǎn)有紡錘蟲(chóng)、珊瑚、腕足類(lèi)等大量實(shí)體化石和Zoophycos遺跡化石。自下而上可分為5個(gè)細(xì)分層(圖3)。其中1、2分層為深灰色生物屑泥晶灰?guī)r，厚1.25 m，1分層發(fā)育大量1～2 mm寬的小型Zoophycos，具有深灰色充填物，可見(jiàn)長(zhǎng)度15 cm，豐度很高(圖3A)，Zoophycos回填紋形態(tài)為舌形，與圍巖成分、顏色一致;在距2分層頂部15 cm處發(fā)育具有灰白色充填物的中型Zoophycos(圖3B)，蹼層寬4～6 mm，回填紋為舌形，同時(shí)還伴生的有Taenidium遺跡化石(圖3C);3分層又出現(xiàn)大量具有深灰色充填物的小型Zoophycos;4分層為深灰色生物屑泥晶—微晶灰?guī)r，厚0.5 m，距該分層頂部10 cm處，發(fā)育有大型帶襯壁且具灰色充填物的Zoophycos，蹼層寬度8～12 mm，回填紋形態(tài)為新月形，襯壁寬2～3 mm，可見(jiàn)長(zhǎng)度為20 cm，層面呈雞尾狀產(chǎn)出(圖3D)，再往上距頂面5 cm處往上至頂面，可見(jiàn)具黑色充填物的Zoophycos，蹼層寬度1～3 mm，回填紋呈舌形，可見(jiàn)長(zhǎng)度為18 cm(圖3E);5分層中，發(fā)育有深灰色充填物的中型Zoophycos(圖3F)，回填紋呈新月形。

圖3 太原西山太原組毛兒溝灰?guī)r層中遺跡化石的分布特征Fig.3 Distribution characteristics of ichnofossils in the Maoergou limestone bed of the Taiyuan Formation，Xishan area of Taiyuan city，Shanxi province

上述毛兒溝灰?guī)r層中Zoophycos遺跡化石的分布特點(diǎn)(圖3)表明，該灰?guī)r層形成過(guò)程中的水深變化經(jīng)歷了較深水(第1細(xì)分層)變?yōu)檩^淺水(第2細(xì)分層)、再變?yōu)檩^深水(第3細(xì)分層)、然后又變?yōu)檩^淺水(第4細(xì)分層下部)、接著又變深(第4細(xì)分層上部)、最后再變?yōu)檩^淺水(第5細(xì)分層)的演變過(guò)程。

(2)太原西山剖面東大窯灰?guī)r層中遺跡化石的組成與分布特征

東大窯灰?guī)r層(L5)厚約6 m，可劃分出五個(gè)細(xì)分層(圖4)。1分層為微晶灰?guī)r，厚1.2 m，距分層頂部3 cm處，發(fā)育有紅色充填物的Zoophycos(圖4A)，板狀蹼層中的回填紋呈新月形，充填物為細(xì)粉晶灰?guī)r，粒度比圍巖粗，與圍巖之間的界限清晰，蹼層厚5～10 mm，長(zhǎng)度可達(dá)15 cm，但豐度較低;2分層厚1.5 m，發(fā)育大量具深灰色充填物的小型Zoophycos，回填紋形態(tài)為舌形，蹼層平均寬度2 mm，可見(jiàn)長(zhǎng)度12 cm，豐度高(圖4B);3分層中，發(fā)育大型具較厚襯壁和灰色充填物的Zoophycos，蹼層寬度9～11 mm，其中襯壁寬2 mm，可見(jiàn)長(zhǎng)度20cm(圖4B);在4分層頂部，出現(xiàn)具黑色充填物的Zoophycos，回填紋呈舌形，蹼層平均寬度2 mm，長(zhǎng)度為20 cm(圖4D)，3和4分層總厚2.3 m;再往上第5分層中，又發(fā)育1 m厚具深灰色充填物的小型Zoophycos。

上述東大窯灰?guī)r層中Zoophycos遺跡化石的分布特點(diǎn)(圖4)表明，該灰?guī)r層形成過(guò)程中的水深變化經(jīng)歷了較淺水(第1細(xì)分層)變?yōu)檩^深水(第2細(xì)分層)、再變?yōu)檩^淺水(第3細(xì)分層)、然后又變?yōu)檩^深水(第4和5細(xì)分層)的演變過(guò)程。

(3)陵川附城剖面松窯溝灰?guī)r層中遺跡化石的組成與分布特征

陵川附城一帶松窯溝灰?guī)r層(L1，俗稱(chēng)K2標(biāo)志層)自下而上可劃分出7個(gè)細(xì)分層(圖5)。1分層比較薄，局部見(jiàn)有少量具有淺灰色充填物的中型Zoophycos遺跡化石;2分層厚1.2 m，頂部發(fā)育Zoophycos遺跡化石層，為近平行排列且具灰色充填物的小型Zoophycos(圖5A)，蹼層寬度1～1.5 mm，可見(jiàn)長(zhǎng)度8 cm，回填紋呈舌形;而其上第3分層含中型Zoophycos遺跡化石層，蹼層寬4～5 mm，具紅褐色充填物(圖5B)，可見(jiàn)長(zhǎng)度10～20 cm，回填紋為新月形，自下而上，豐度越來(lái)越高，部分Zoophycos被一些高角度傾斜的潛穴所截切，化石之間夾雜有鐵質(zhì)結(jié)核;4分層中上部發(fā)育中—大型Zoophycos(圖5C)，蹼層寬度5～8 mm、可見(jiàn)長(zhǎng)度16 cm，具灰白色充填物，回填紋呈矩形，密集成層產(chǎn)出，平行層面分布;5分層發(fā)育具黑色充填物的小型Zoophycos(圖5D)，蹼層厚2～4 mm，回填紋呈舌形，常與藻紋層交替產(chǎn)出，遺跡化石層與藻紋層的層厚一般在5 cm左右。藻紋層呈現(xiàn)斷續(xù)的條帶狀或團(tuán)絲狀，所含藻絲體密集混雜堆積。該分層發(fā)育多期次的風(fēng)暴沉積，推測(cè)這些藻絲體(葛萬(wàn)藻)可能是受較強(qiáng)風(fēng)暴浪的破壞，然后隨水流搬運(yùn)到異地沉積，并非原地生長(zhǎng)而沉積下來(lái)，其沉積的環(huán)境應(yīng)該在風(fēng)暴浪基面附近或以下較深水環(huán)境;6分層中出現(xiàn)Nereites與Chondrites相伴生(圖5E)，二者常產(chǎn)生于深水貧氧或缺氧的環(huán)境條件，該分層也出現(xiàn)多層藻紋層;7分層可見(jiàn)Ophiomorpha遺跡化石(圖5F)，呈分枝形，潛穴直徑約為0.9 cm，在分枝處略為膨脹變粗，潛穴壁遭受風(fēng)化剝蝕，殘存潛穴充填物，充填物表面密布有微小凹坑，豐度較低。

圖4 太原西山太原組東大窯灰?guī)r層中Zoophycos遺跡化石的分布特征Fig.4 Distribution characteristics of ichnofossil Zoophycos in the Dongdayao limestone bed of the Taiyuan Formation，Xishan area of Taiyuan city，Shanxi province

圖5 晉城陵川附城太原組松窯溝灰?guī)r層中遺跡化石的分布特征Fig.5 Distribution characteristics of ichnofossils in the Songyaogou limestone bed of the Taiyuan Formation，Lingchuan area of Jincheng city，Shanxi province

上述松窯溝灰?guī)r層中遺跡化石的分布特點(diǎn)(圖5)顯示，該灰?guī)r層形成過(guò)程中的水深變化經(jīng)歷了較淺水(第1細(xì)分層)變?yōu)檩^深水(第2細(xì)分層)、再變?yōu)檩^淺水(第3、4細(xì)分層)、然后又變?yōu)檩^深水(第5、6細(xì)分層)，最后又變淺(第7細(xì)分層)的發(fā)展過(guò)程。

(4)陵川附城剖面老金溝灰?guī)r層中遺跡化石的組成與分布特征

陵川附城老金溝灰?guī)r層(L3，俗稱(chēng)K3標(biāo)志層)為深灰色厚層狀生物碎屑灰?guī)r，層厚3.2 m，頂部變?yōu)楹噘|(zhì)灰?guī)r。該層上部均發(fā)育較為穩(wěn)定燧石層或團(tuán)塊。該層從下往上共有三個(gè)細(xì)分層，1分層發(fā)育有中型Zoophycos(圖6A)，充填物為土黃色，蹼層厚 2～4 mm，回填紋呈舌形;2分層下部產(chǎn)有灰色充填物的中型Zoophycos(圖6B)，上部出現(xiàn)Teichichnus(圖6C)和Ophiomorpha;3分層下部則出現(xiàn)了具深灰色充填物的小型Zoophycos(圖6D)，回填紋呈新月形，中上部發(fā)育 Palaeophycus、Planolites(圖 6E)和 Helminthopsis。遺跡化石Palaeophycus的潛穴微彎曲，潛穴壁呈灰色，圍巖土黃色，直徑約1 cm，潛穴壁厚0.2 cm。

上述老金溝灰?guī)r層中遺跡化石的分布特點(diǎn)(圖6)顯示，該灰?guī)r層形成過(guò)程中的水深變化經(jīng)歷了較淺水(第1細(xì)分層)變?yōu)檩^深水(第2細(xì)分層、第3細(xì)分層下部)、再變?yōu)檩^淺水(第3分層中上部)的發(fā)展過(guò)程。

(5)陵川附城剖面附城灰?guī)r層中遺跡化石的組成與分布特征

陵川附城剖面的附城灰?guī)r層(L7，俗稱(chēng)K3標(biāo)志層)厚4.5 m，為深灰色中—厚層狀生物碎屑灰?guī)r，上部巖層泥質(zhì)含量稍高，風(fēng)化色為土黃色，中上部夾3～4層燧石，呈斷續(xù)層狀分布，頂部為薄層硅質(zhì)巖。自下而上可分為6個(gè)細(xì)分層，1分層厚1.71 m，頂部發(fā)育30 cm厚的生物擾動(dòng)層，其中有零星分布的Zoophycos遺跡化石。2分層產(chǎn)有具灰色充填物的中型Zoophycos(圖7A)，而且在本分層中上部出現(xiàn)較多擾動(dòng)潛穴，其中部分?jǐn)_動(dòng)潛穴呈高角度傾斜，說(shuō)明當(dāng)時(shí)水體變淺，因而出現(xiàn) Rhizocorallium、Ophiomorpha和Teichichnus，但豐度不高。Rhizocorallium為U形管狀潛穴，與層面斜交，且略突出于層面。兩翼管近平行排列，翼管之間具蹼狀構(gòu)造，翼管直徑0.6 cm，兩翼管間距1.5 cm，蹼紋寬約0.5 cm。Ophiomorpha潛穴直徑0.26 cm，分枝處略有膨大，直徑約0.33 cm，因遭受剝蝕，僅殘存少量瘤粒，潛穴壁相對(duì)較厚，呈黑色，明顯深于圍巖。3分層從底到頂發(fā)育大量遺跡化石，豐度較高，化石層厚約16 cm，小型Zoophycos化石的充填物為黑色(圖7B)，蹼層厚1～2 mm，呈舌形。4分層厚約10 cm，發(fā)育中型Zoophycos，充填物為土黃色(圖7C)，蹼層厚約4～5 mm，在頂層層面上，可見(jiàn)大量雞尾狀的Zoophycos，并出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，中心柱狀管、邊緣管、大小蹼層清晰可見(jiàn)。5分層距頂面20 cm處，發(fā)育小型深灰色Zoophycos遺跡化石(圖7D)，板狀蹼層厚2 mm，可見(jiàn)長(zhǎng)度4 cm。6分層發(fā)育小型Zoophycos遺跡化石，呈近平行或低角度傾斜于層面產(chǎn)出，充填物為深灰—黑色(圖7E)，具新月形回填紋構(gòu)造，寬度1～3 mm，可見(jiàn)長(zhǎng)度可達(dá)7 cm。

上述附城灰?guī)r層中遺跡化石的分布特點(diǎn)(圖7)顯示，該灰?guī)r層形成過(guò)程中的水深變化經(jīng)歷了較淺水(第1、2細(xì)分層)，變?yōu)檩^深水(第3細(xì)分層)、再變?yōu)檩^淺水(第4細(xì)分層)、然后又變?yōu)檩^深水(第5、6細(xì)分層)的發(fā)展過(guò)程。

此外，附城剖面其他灰?guī)r層中也出現(xiàn)有少量遺跡化石，L2灰?guī)r段下部產(chǎn)有 Zoophycos和 Palaeophycus，L6為深灰色薄—中厚層狀生物碎屑灰?guī)r，偶含燧石團(tuán)塊，上部可見(jiàn)少量具灰色充填物的Zoophycos遺跡化石，其他灰?guī)r層還發(fā)育少量的擾動(dòng)潛穴。

圖6 晉城陵川附城太原組老金溝灰?guī)r層中遺跡化石的分布特征Fig.6 Distribution characteristics of ichnofossils in the Laojingou limestone bed of the Taiyuan Formation，Lingchuan area of Jincheng city，Shanxi province

圖7 晉城陵川附城太原組附城灰?guī)r層中遺跡化石的分布特征Fig.7 Distribution characteristics of ichnofossils in the Fucheng limestone bed of the Taiyuan Formation，Lingchuan area of Jincheng city，Shanxi province

通過(guò)對(duì)上述兩個(gè)剖面5層較厚且分布較穩(wěn)定的灰?guī)r層的觀察和分析發(fā)現(xiàn)，Zoophycos遺跡化石的大小及充填物顏色的變化與沉積底層的水深及含氧量變化成正相關(guān)。小型者并具深灰色、黑色充填物的Zoophycos往往出現(xiàn)于底層的中—下部到底部，形成于水體較深的少氧或貧氧環(huán)境;中型者并具灰色充填物的Zoophycos一般出現(xiàn)在底層的中—上部，產(chǎn)生于水體相對(duì)較淺的有氧環(huán)境;中—大型者并具灰白色、土黃色或褐紅色充填物的Zoophycos通常出現(xiàn)在底層的上部到頂部，往往是水體更淺的充氧環(huán)境。在垂向剖面上，隨著各層灰?guī)r形成的沉積水深及底層含氧量的變化，不同顏色充填物(回填紋層)呈現(xiàn)規(guī)律性變化，即沉積底層由淺水氧化環(huán)境變?yōu)樯钏€原環(huán)境時(shí)，Zoophycos潛穴中回填紋顏色的變化序列為:灰白色、褐紅色(淺水、充氧環(huán)境)→淺灰色或灰色(較淺水、有氧環(huán)境)→深灰色和黑色(較深水、弱還原或還原環(huán)境)，相應(yīng)的Zoophycos個(gè)體大小類(lèi)型的變化序列為:大型或中—大型→中型→小型。這一規(guī)律基本反應(yīng)了海水深度和底層含氧量的變化過(guò)程，因此，它有助于人們對(duì)各灰?guī)r層形成時(shí)沉積環(huán)境及沉積演變的歷史過(guò)程的深入了解，為分析盆地的海平面變化提供了重要的生物學(xué)信息。根據(jù)這一規(guī)律，可以得知太原西山和陵川附城松窯溝剖面的太原組海相碳酸鹽巖的形成都經(jīng)歷了二次大的海侵過(guò)程，即第一次較大海侵發(fā)生在西山毛兒溝灰?guī)r和陵川松窯溝灰?guī)r的中上部沉積期，第二次較大海侵出現(xiàn)在西山東大窯灰?guī)r和陵川附城灰?guī)r的中上部沉積期。

4 遺跡組構(gòu)類(lèi)型及其沉積環(huán)境

基于沁水盆地太原組灰?guī)r中遺跡化石的組成及其在沉積底層中的產(chǎn)狀和分布特征，可以建立4種不同的遺跡組構(gòu)，即:類(lèi)型A:具褐紅色、灰白色充填物的大型Zoophycos-Thalassinoides遺跡組構(gòu);類(lèi)型B:具紅色、淺灰色充填物或灰白色襯壁的大型Zoophycos-Planolites遺跡組構(gòu);類(lèi)型C:具灰—深灰色充填物的中型 Zoophycos-Teichichnus遺跡組構(gòu);類(lèi)型 D:具深灰—黑色充填物的小型 Zoophycos-Chondrites遺跡組構(gòu)。各類(lèi)組構(gòu)的主要遺跡化石組成和產(chǎn)狀特征及其形成的沉積環(huán)境概述如下:

(1)類(lèi)型 A:大型 Zoophycos-Thalassinoides遺跡組構(gòu)

該遺跡組構(gòu)主要由Thalassinoides，Ophiomorpha，Planolites，Helminthopsis和具褐紅色、灰白色充填物的大型Zoophycos等遺跡化石組成(圖8，9)，常產(chǎn)于生物碎屑灰?guī)r或泥灰?guī)r層面上或附近(沉積底層的頂層)，在遺跡階層上屬于表層組構(gòu)。總體上豐度較高、分異度較低，局部出現(xiàn)遺跡化石的穿插現(xiàn)象，擾動(dòng)指數(shù)(BI)為2～3，在該盆地主要產(chǎn)于水動(dòng)力較弱、較低能的海灣(或潟湖)及潮坪沉積環(huán)境。碳酸鹽巖微相分析表明，含該遺跡組構(gòu)的巖性主要為含生物碎屑和藻類(lèi)的粗粉晶灰?guī)r，生物碎屑含量約為25%，主要包括有孔蟲(chóng)、棘皮類(lèi)、介形類(lèi)，其次含有腕足類(lèi)和雙殼類(lèi)碎屑等，生物碎屑破碎嚴(yán)重，其中大部分蜓類(lèi)有孔蟲(chóng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，這些生物碎屑可能是異地搬運(yùn)堆積形成的，在海灣—潟湖和潮坪沉積環(huán)境形成的灰?guī)r中較常見(jiàn)。

(2)類(lèi)型B:大型Zoophycos-Planolites遺跡組構(gòu)

圖8 晉中南地區(qū)太原組Zoophycos-Thalassinoides遺跡組構(gòu)中的遺跡化石組成與產(chǎn)狀特征H.Helminthopsis;O.Ophiomorpha;Th.Thalassinoides;Pl.Planolites;Z1.具紅色充填物的Zoophycos;Z2.具灰白色充填物的Zoophycos。Fig.8 Ichnofossil composition and occurrence characteristics of the Zoophycos-Thalassinoides ichnofabric in the Taiyuan Formation of middle south Shanxi province

圖9 晉中南地區(qū)太原組類(lèi)型A遺跡組構(gòu)中的典型遺跡化石A.Helminthopsis遺跡化石，產(chǎn)于陵川附城老金溝灰?guī)r中上部層面上;B.Planolites遺跡化石，產(chǎn)于陵川附城老金溝灰?guī)r中上部層面上。Fig.9 Typical ichnofossils of Type A ichnofabric in the Taiyuan Formation of the middle south Shanxi province

該遺跡組構(gòu)的遺跡化石主要由Planolites，Palae-ophycus，Rhizocorallium和具褐紅色、灰白色充填物并帶襯壁的大型Zoophycos組成(圖10，11)，主要發(fā)育近層面進(jìn)食跡，多出現(xiàn)在分層的上部或頂部，擾動(dòng)深度距頂層面一般小于15 cm，宿主巖為粗粉晶灰?guī)r和泥灰?guī)r，在梯序上屬于淺階層組構(gòu)。該組構(gòu)中遺跡化石的分異度和豐度中等，生物擾動(dòng)程度低到中等，擾動(dòng)指數(shù)為2～4。Palaeophycus保存于泥灰?guī)r層面，平行或近平行于層面，微彎曲，縱向剖面上為圓形或橢圓形，直徑約1 cm，潛穴壁厚0.2 cm，化石豐度較低。Palaeophycus屬穿相分子，可出現(xiàn)于海相、邊緣海相和陸相淡水環(huán)境。Rhizocorallium發(fā)育于風(fēng)暴侵蝕基底面之上的滯積層中，豐度較低，形成于風(fēng)暴間歇期的平靜環(huán)境。并且，Rhizocorallium可分為水平型和傾斜型，水平型常出現(xiàn)于水深低能的環(huán)境，因此它可能出現(xiàn)于靠近正常天氣浪基面的環(huán)境。Zoophycos個(gè)體較大，板狀蹼層的寬度一般在4 mm以上，長(zhǎng)度一般小于30 cm，潛穴充填物以紅色、灰白色帶襯壁(圖10，Z1)和灰白色為主，對(duì)Zoophycos紅色充填物進(jìn)行元素能譜測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，其中含有大量鐵質(zhì)，這說(shuō)明其具有氧化環(huán)境的特征，結(jié)合宿主巖中泥質(zhì)成分較高的特點(diǎn)，可以認(rèn)為當(dāng)時(shí)的底層水和孔隙水均富氧。上述特征表明，該遺跡組構(gòu)形成于海平面之下至正常天氣浪基面附近區(qū)域的淺海上部沉積環(huán)境或水體淺且較平靜的局限碳酸鹽巖臺(tái)地環(huán)境。

圖10 晉中南地區(qū)太原組Zoophycos-Planolites遺跡組構(gòu)中的遺跡化石組成與產(chǎn)狀特征Pa.Palaeophycus;Pl.Planolites;Rh.Rhizocorallium;Z3.具褐紅色、灰白色充填物并帶襯壁的Zoophycos;Z4.具紅色充填物的Zoophycos;Z5.具灰白色充填物的Zoophycos。Fig.10 Ichnofossil composition and occurrence characteristics of the Zoophycos-Planolites ichnofabric in the Taiyuan Formation of the middle south Shanxi province

圖11 晉中南地區(qū)太原組類(lèi)型B遺跡組構(gòu)中的典型遺跡化石A.具紅色充填物的大型Zoophycos遺跡化石，產(chǎn)于太原西山東大窯灰?guī)r下段;B.潛穴充填物帶襯壁的大型Zoophyco遺跡化石，產(chǎn)于太原西山東大窯灰?guī)r中下段。Fig.11 Typical ichnofossils of Type B ichnofabric in the Taiyuan Formation of the middle south Shanxi province

(3)類(lèi)型C:中型Zoophycos-Teichichnus遺跡組構(gòu)

該遺跡組構(gòu)的遺跡化石主要由 Teichichnus，Taenidium和具灰—深灰色充填物的中型Zoophycos組成(圖12，13)，常出現(xiàn)在沉積底層的中部，擾動(dòng)深度距頂層面一般為10～30 cm，在梯序上屬于中階層組構(gòu)。該組構(gòu)中的遺跡化石具低—中等分異度和豐度，生物擾動(dòng)強(qiáng)度低—中等，擾動(dòng)指數(shù)為2～4。通過(guò)剖面觀察發(fā)現(xiàn)，由層面向下，進(jìn)一步顯示出階層關(guān)系，也就是遺跡化石出現(xiàn)的順序從上往下依次為T(mén)aenidium→Teichichnus→具有灰色—深灰色充填物的中型Zoophycos(圖12)。Teichichnus為Cruziana遺跡相的典型分子，通常認(rèn)為其是蠕蟲(chóng)類(lèi)所挖掘的覓食兼居住潛穴，常見(jiàn)于浪基面之下的開(kāi)闊淺海和波浪作用較弱的濱外環(huán)境。具灰色—深灰色充填物的Zoophycos個(gè)體細(xì)長(zhǎng)，板狀蹼層寬約2～4 mm，長(zhǎng)度一般小于30 cm，宿主巖為細(xì)粉晶灰?guī)r。從潛穴充填物的顏色來(lái)看，該遺跡組構(gòu)所處底層的含氧量相對(duì)較低，可解釋為其形成于正常天氣浪基面之下，風(fēng)暴浪基面之上的淺海中部沉積環(huán)境。

圖12 晉中南地區(qū)太原組Zoophycos-Teichichnus遺跡組構(gòu)中的遺跡化石組成與產(chǎn)狀特征Ta.Taenidium，Te.Teichichnus，Z6.具灰色充填物的 Zoophycos，Z7.具深灰色充填物的Zoophycos。Fig.11 Ichnofossil composition and occurrence characteristics of the Zoophycos-Teichichnus ichnofabric in the Taiyuan Formation of the middle south Shanxi province

圖13 晉中南地區(qū)太原組類(lèi)型C遺跡組構(gòu)中的典型遺跡化石A.Taenidium，產(chǎn)于太原西山毛兒溝灰?guī)r中段;B.具灰色充填物的中型Zoophyco遺跡化石，產(chǎn)于太原西山毛兒溝灰?guī)r中下段。Fig.13 Typical ichnofossils of Type C ichnofabric in the Taiyuan Formation of the middle south Shanxi province

(4)類(lèi)型D:小型Zoophycos-Chondrites遺跡組構(gòu)

該遺跡組構(gòu)由Chondrites，Nereites和具深灰—黑色充填物的小型Zoophycos遺跡化石組成(圖14)，多出現(xiàn)在沉積底層的下部，擾動(dòng)深度距頂層面一般大于30 cm，在梯序上屬于深階層組構(gòu)。該遺跡組構(gòu)的宿主巖為灰色—深灰色、薄—中厚層狀微晶灰?guī)r，有機(jī)物含量豐富，很少有其他種類(lèi)的遺跡出現(xiàn)，遺跡化石豐度高、分異度低，生物擾動(dòng)強(qiáng)度較強(qiáng)，擾動(dòng)指數(shù)為2～6。Zoophycos個(gè)體較小(圖15A，B)，板狀蹼層寬約為2～4 mm，充填物的顏色主要為深灰色或黑色。黑色充填物主要為黑色泥巖，有機(jī)碳和硅質(zhì)成分相對(duì)較高，有學(xué)者認(rèn)為，該組構(gòu)中的Zoophycos與低能貧氧環(huán)境有關(guān)［35］。Nereites和Chondrites是兩種最能忍受缺氧底質(zhì)環(huán)境的遺跡，在和其他遺跡共生時(shí)，它們往往出現(xiàn)在最低的階層，而當(dāng)其他遺跡因環(huán)境氧含量降低而逐漸消失時(shí)，它們依然能生存下去。Chondrites經(jīng)常在地史上的一些黑色碳質(zhì)頁(yè)巖或黏土巖中出現(xiàn)，此種底質(zhì)一般只有Chondrites存在而很少有其他化石，這也證明Chondrites比其他任何生物更能忍受低氧的環(huán)境，有些學(xué)者認(rèn)為，具有細(xì)小潛穴管的Chondrites、Zoophycos和 Nereites是貧氧環(huán)境的標(biāo)志［35-36］。因此，該遺跡組構(gòu)形成的底層與貧氧或缺氧環(huán)境和相對(duì)較深較平靜的水體有關(guān)，代表了風(fēng)暴浪基面之下較平靜或較閉塞的淺海下部沉積環(huán)境。

圖14 晉中南地區(qū)太原組Zoophycos-Chondrites遺跡組構(gòu)中的遺跡化石組成與產(chǎn)狀特征Ch.Chondrites;N.Nereites;Z8.具深灰色充填物的Zoophycos;Z9.具黑色充填物的Zoophycos。Fig.14 Ichnofossil composition and occurrence characteristics of the Zoophycos-Chondrites ichnofabric in the Taiyuan Formation of the middle south Shanxi province

圖15 晉中南地區(qū)太原組類(lèi)型D遺跡組構(gòu)中的典型遺跡化石A.具深灰色充填物的小型Zoophycos遺跡化石，產(chǎn)于太原西山毛兒溝灰?guī)r中下段;B.具黑色充填物的小型Zoophyco遺跡化石，產(chǎn)于太原西山毛兒溝灰?guī)r中段。Fig.15 Typical ichnofossils of Type D ichnofabric in the Taiyuan Formation of the middle south Shanxi province

圖16 晉中南地區(qū)上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)太原組碳酸鹽巖中遺跡組構(gòu)的沉積環(huán)境分布模式Fig.16 Depositional environment model of ichnofabrics in carbonate rocks of the Upper Carboniferous-Lower Permian Taiyuan Formation，middle south Shanxi province

上述4種不同類(lèi)型遺跡組構(gòu)的簡(jiǎn)要論述表明，遺跡化石組成、產(chǎn)狀、個(gè)體大小、潛穴充填物的成分及顏色、宿主巖的巖性等特征顯示它們形成于4種不同的沉積背景，即①Zoophycos-Thalassinoides遺跡組構(gòu)出現(xiàn)在海灣(潟湖)及潮坪沉積環(huán)境;②Zoophycos-Planolites遺跡組構(gòu)形成于平均海平面至正常天氣浪基面附近區(qū)域的淺海上部沉積環(huán)境或水體淺且較平靜的局限碳酸鹽巖臺(tái)地環(huán)境;③Zoophycos-Teichichnus遺跡組構(gòu)發(fā)育于正常天氣浪基面之下，風(fēng)暴浪基面之上的淺海中部沉積環(huán)境;④Zoophycos-Chondrites遺跡組構(gòu)產(chǎn)生于風(fēng)暴浪基面之下，水體較深且貧氧的淺海下部沉積環(huán)境。由此可知，這4種遺跡組構(gòu)自陸向海方向呈現(xiàn)出明顯的分帶性(圖16)，較好地反映了研究區(qū)太原組碳酸鹽巖產(chǎn)生的沉積環(huán)境及其在縱向上環(huán)境的變化特征。同時(shí)，由于底層沉積物中的含氧量與沉積區(qū)的水深、水動(dòng)力條件、環(huán)境的閉塞與開(kāi)闊程度以及有機(jī)質(zhì)含量等都有著密切的關(guān)系，且各種造跡生物對(duì)底質(zhì)含氧量的多寡顯示出不同的忍受力，因此，可以利用遺跡組構(gòu)在垂向上的變化特征去推斷底質(zhì)的含氧量變化。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)晉中南上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)太原組碳酸鹽巖中遺跡化石和遺跡組構(gòu)的詳細(xì)研究，取得了以下幾點(diǎn)新認(rèn)識(shí):

(1)基于太原西山和陵川附城一帶露頭剖面的詳細(xì)觀察和化石的鑒定與分析，已識(shí)別出遺跡化石10個(gè)遺跡屬、14個(gè)遺跡種，其生態(tài)類(lèi)型包括進(jìn)食跡10種、覓食跡2種和居住跡2種。這些遺跡化石大都是層內(nèi)進(jìn)食潛穴，層面遺跡相對(duì)較少。

(2)通過(guò)分析各灰?guī)r層中遺跡化石的組成、產(chǎn)狀、個(gè)體大小、潛穴充填物的成分及顏色、宿主巖的巖性等特征，建立了4種遺跡組構(gòu)，即:類(lèi)型A:具紅色、灰白色充填物的大型Zoophycos-Thalassinoides遺跡組構(gòu);類(lèi)型B:具紅色、淺灰色充填物或帶灰白色襯壁的大型Zoophycos-Planolites遺跡組構(gòu);類(lèi)型C:具灰—深灰色充填物的中型Zoophycos-Teichichnus遺跡組構(gòu);類(lèi)型D:具深灰—黑色充填物的小型Zoophycos-Chondrites遺跡組構(gòu)。

(3)根據(jù)4種遺跡組構(gòu)在底層中的分布特征，總結(jié)出了各種遺跡組構(gòu)在垂向上的階層變化規(guī)律，即:類(lèi)型A主要出現(xiàn)在層面及附近，屬于表層組構(gòu);類(lèi)型B發(fā)育在在從層面往下到15 cm的范圍內(nèi)，屬于淺階層組構(gòu);類(lèi)型C產(chǎn)生在從層面往下到15～25 cm的范圍內(nèi)，屬于中階層組構(gòu);類(lèi)型D主要形成在大于30 cm深的范圍，屬于深階層組構(gòu)。從類(lèi)型A變到類(lèi)型D，反映底層由氧化環(huán)境逐漸變?yōu)檫€原環(huán)境。

(4)在綜合分析的基礎(chǔ)上，提出了晉中南太原組碳酸鹽巖中遺跡組構(gòu)的沉積環(huán)境模式，即:類(lèi)型A主要出現(xiàn)于海灣(潟湖)及潮坪沉積環(huán)境，類(lèi)型B發(fā)育在海平面至正常天氣浪基面附近區(qū)域的淺海上部沉積環(huán)境或水體淺且較平靜的局限碳酸鹽巖臺(tái)地環(huán)境;類(lèi)型C主要產(chǎn)生在正常天氣浪基面之下、風(fēng)暴浪基面之上的淺海中部沉積環(huán)境;類(lèi)型D形成于風(fēng)暴浪基面之下、水體較深且貧氧的淺海下部沉積環(huán)境。

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