河南禹州早二疊世山西組二1煤組植物化石

張明達(dá)，郭曉宇，史驍

1.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130061；2.內(nèi)蒙古煤炭建設(shè)工程(集團(tuán))總公司，呼和浩特 010010

0 引言

晚古生代晚期全球植物可以劃分為四大區(qū)系，包括安加拉植物區(qū)、歐美植物區(qū)、華夏植物區(qū)和岡瓦納植物區(qū)[1]。中國是唯一一個(gè)四大植物區(qū)系皆具有分布的國家[2]，也是華夏植物群的分布中心。華夏植物群的代表分子包括東方型鱗木類、瓣輪葉類、束羊齒類、帶羊齒類(地方種)、齒葉類、織羊齒類、大羽羊齒類、貝葉屬等[2-3]。近年來，前人對(duì)于華夏植物群重要分子的分類學(xué)研究、植物群發(fā)育和演替研究已取得一系列進(jìn)展[4]，對(duì)于華夏植物群的生態(tài)學(xué)、埋藏學(xué)、古植物地理區(qū)系等方面的研究也取得諸多新的成果[5-6]，但是對(duì)于華夏植物群與環(huán)境的協(xié)同演化關(guān)系還缺乏清晰的認(rèn)識(shí)。石炭—二疊紀(jì)時(shí)期，地球上又一次經(jīng)歷了岡瓦納極地冰川事件，并在早二疊世早期達(dá)到盛冰期，是研究顯生宙植被與冰室氣候相互作用的重要時(shí)期。

位于北半球低緯度地區(qū)的華北板塊(圖1)，在中奧陶世末期整體抬升后，經(jīng)歷了長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕，地表發(fā)生準(zhǔn)平原化，直至早石炭世末期—晚石炭世初期才下降，沉積了一套以海陸交互相、海相為特征的煤系,并于早二疊世晚期進(jìn)入陸相沉積階段[7-9]。華北地臺(tái)南部的豫西地區(qū)，晚古生代含煤地層具有“北型南相”特征[10-12]，石炭—二疊紀(jì)海相地層和海泛層發(fā)育，熱帶-亞熱帶暖濕氣候環(huán)境下生長(zhǎng)眾多的華夏植物典型分子，構(gòu)成著名的禹州植物群[13-14]；濱海三角洲沉積體系中，植被茂盛，聚煤沼澤廣布，煤層十分發(fā)育，含煤巖系最厚可達(dá)720 m[15-16]。這些特征與華北板塊主體石炭—二疊紀(jì)地層特征有所不同，顯示出與華南板塊有一定的相似性[17-18]；因此，豫西地區(qū)的石炭—二疊紀(jì)植物也兼具南、北華夏植物亞區(qū)的特征[19]。

1.太古界；2.元古界；3.寒武系；4.奧陶系；5.上石炭統(tǒng)；6.中—下二疊統(tǒng)；7.上二疊統(tǒng)；8.三疊系；9.始新統(tǒng)；10.上新統(tǒng)；11.第四系；12.角度不整合；13.斷層；14.剖面位置；15.化石點(diǎn)。圖1 河南禹州地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of Yuzhou City, Henan Province

筆者于2019—2021年對(duì)河南省晚古生代及中生代植物化石調(diào)查中，系統(tǒng)采集禹州市神垕鎮(zhèn)二疊紀(jì)山西組二1煤組植物化石180余塊，經(jīng)鑒定計(jì)有21屬42種；在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)植物群性質(zhì)、時(shí)代和同期植物群的對(duì)比，初步探討了成煤植物與氣候的相互關(guān)系。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于距河南省禹州市神垕鎮(zhèn)磨街鄉(xiāng)大澗村—馬垌村一帶(圖1)，屬于欒川—固始一線以北的華北板塊南部。華北晚古生代沉積盆地的形成與其南北兩側(cè)的碰撞造山作用密切相關(guān)[20]。華北板塊北緣經(jīng)過早古生代的構(gòu)造演化后，隨著早海西期古亞洲洋向華北地塊北緣之下的俯沖，華北板塊北緣抬升形成新的增生造山帶，也稱為海西期增生褶皺帶[21]。華北板塊北部呈現(xiàn)擠壓坳陷構(gòu)造狀態(tài)，具有前(后)陸盆地性質(zhì)，又由于華北地塊南緣受到古特提斯洋殼的俯沖作用而仰起，從而形成南隆北傾的構(gòu)造古地理格局，在地形上呈現(xiàn)為南高北低的態(tài)勢(shì)，至晚石炭世，華北地塊北部開始下降，接受了沉積[22]。此時(shí)期，海水從北東和南東方向入侵研究區(qū)，海侵方向由東向西逐步推進(jìn)；至二疊紀(jì)，海水逐漸退去，研究區(qū)沉積逐步由海陸交互相沉積向陸相沉積轉(zhuǎn)換[23]。整體來看，晚石炭世至早二疊世研究區(qū)為一套海陸交互相沉積。

研究區(qū)出露有前寒武系至三疊系(圖1)。前寒武系主要由太古界登封群、太華群組成，下元古界由嵩山群等變質(zhì)巖系組成，中元古界由熊耳群、汝陽群組成，上元古界由洛峪群及震旦系組成。下古生界由寒武系和奧陶系海相沉積構(gòu)成，缺失志留系、泥盆系及下石炭統(tǒng)，上古生界包括上石炭統(tǒng)和二疊系，屬于海陸交互相和陸相沉積。石炭—二疊系自下而上包括由山西式鐵礦、鋁土礦及海陸交互相碎屑巖(局部含煤)構(gòu)成的本溪組，由海相碳酸鹽巖及碎屑巖組成的太原組，由海陸交互相—陸相含煤沉積構(gòu)成的山西組(含二1煤組，俗稱大煤)、下石盒子組、上石盒子組及孫家溝組。為深入了解山西組底部二1煤組中植物化石的特征，筆者選取禹州市磨街鄉(xiāng)馬垌村老莊溝—老馮溝一線，對(duì)山西組下部二1煤組地層進(jìn)行了實(shí)測(cè)，該剖面起點(diǎn)坐標(biāo)為：34°10′27.41″N，113°10′30.45″E；終點(diǎn)坐標(biāo)為：34°10′31.69″N，113°10′40.41″E(圖2)。剖面層序如下：

山西組

厚度/m

4.土黃色厚層狀細(xì)砂巖夾薄層粉砂巖(“大占砂巖”)

>15.4

圖2 馬垌剖面巖性柱狀圖[1]Fig.2 Lithological column of Madong section

3.土黃色中厚層狀細(xì)砂巖(1.0 m)， 向上為灰綠色泥巖(0.9 m)、 粉砂質(zhì)泥巖(0.3 m)夾灰黑色泥巖(0.2 m)。產(chǎn)狀148°∠26°

2.4

2.灰綠色細(xì)砂巖(1.2 m)，向上為灰綠色中厚、薄層狀細(xì)砂巖夾灰綠色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及煤層(0.4 m)，含植物化石。產(chǎn)狀143°∠24°

2.1

1.土黃色薄層狀粉砂巖夾黃綠色薄層狀粉砂質(zhì)泥巖(未見底)，含大量植物化石：Lepidostrobussp.,SphenophyllumemarginatumBrongn.,S.minor(Sterz.) Gu et Zhi,S.verticillatum(Schloth.) Brongn.,BowmanitesfusiformisWang,MesocalamitescistiformisStur,AsterophyllitesrobustusXie,Tingiacarbonica(Schenk) Halle,T.?gerardiiStockm. et Math,T.partitaHalle,T.spiniformisWang,DiscinitesorientalisGu et Zhi,SphenopterisfirmataSze,S.nystroemiiHalle,S.tenuisSchenk,PecopterisanderssoniiHalle,P.candolleanaBrongn.,P.cyathea(Schloth.) Brongn.,P.heteropinnaGu et Zhi,P.lativenosaHalle,P.marginataGu et Zhi,P.moneyiZeill.,P.(Asterotheca)noriniiHalle,P.(Asterotheca)orientalis(Schenk) Pot.,P.taiyuanensisHalle,CladophlebisnystroemiiHalle,AlethopterisascendensHalle,EmplectopteristriangularisHalle,Callipteridium

koraiense(Tok.) Kaw.TaeniopteristingiiHalle,T.tongshanensisStockm. et Math.,T.yernauxiiStockm. et Math.,Aphlebiasp.,PterophyllumcutelliformeSze,P.daihoenseKaw.,Cordaitesprincipalis(Germ.) Gein.,C.schenkiiHalle,Cordaianthusvolkmannii(Ett.) Zeill.,CornucarpuspatulusHalle,Acanthocarpussp.,SamaropsisdeltataWang,S.wongiiStockm. et Math.,CarpolithustaxiformisStockm. et Math.

>1.1

實(shí)測(cè)剖面僅出露山西組下部，其與大風(fēng)口一帶的山西組下部所含化石均見于二1煤層的底板。其下尚有黑色泥巖、粉砂巖互層，產(chǎn)小個(gè)體腕足和海百合莖等海相動(dòng)物化石，說明這一段含植物化石地層屬于濱海沼澤相沉積。

2 植物化石組成

河南禹州馬垌村剖面早二疊世山西組二1煤組植物化石豐富，計(jì)有21屬42種，包括：石松綱、楔葉綱、瓢葉目、真蕨綱和種子蕨綱、蘇鐵綱、科達(dá)綱、裸子植物種子等(圖3～5)?；瘶?biāo)本全部保存在吉林大學(xué)古生物學(xué)與地層學(xué)研究中心?，F(xiàn)將各類植物特征分述如下：

1.Lepidostrobus sp.， HN19(2)-0020A; 2, 2a. Bowmanites fusiformis， HN19-0003;3, 3a. Sphenophyllum minor， HN19(2)-0019; 4, 4a. Tingia partita， HN19-0124; 5, 5a. Sphenopteris fermata， HN19-0024。圖3 二1煤組植物化石(HN19(2)-0020A，HN19-0003，HN19(2)-0019，HN19-0124，HN19-0024)Fig.3 Fossil plants of Ⅱ1coal member

1, 1a. Pecopteris taiyuanensis， HN19-0162; 2, 2a. Emplectopteris triangularis， HN19-0020; 3, 3a. Taeniopteris yernauxii， HN19-0002； 4, 4a. Pecopteris anderssonii， HN19-0140。圖4 二1煤組植物化石(HN19-0162，HN19-0020，HN19-0002，HN19-0140)Fig.4 Fossil plants of Ⅱ1 coal member

1, 1a. Callipteridium koraiense， HN19-0236; 2, 2a. Taeniopteris tongshanensis， HN19-0072;3, 3a. Pterophyllum daihoense， HN19(2)-0060。圖5 二1煤組植物化石(HN19-0236，HN19-0072,HN19(2)-0060)Fig.5 Fossil plants of Ⅱ1 coal member

石松綱1屬1種僅見到繁殖器官Lepidostrobussp.。

楔葉綱4屬6種包括楔葉植物莖、葉和孢子葉穗：MesocalamitescistiformisStur,AsterophyllitesrobustusXie,SphenophyllumemarginatumBrongn.,S.minor(Sterz.) Gu et Zhi,S.verticillatum(Schloth.) Brongn.,BowmanitesfusiformisWang。

瓢葉目2屬5種主要為莖葉和繁殖器官：Tingiacarbonica(Schenk) Halle,T.?gerardiiStockm. et Math.,T.partitaHalle,T.spiniformisWang,DiscinitesorientalisGu et Zhi。其中，TingiaHalle是華夏植物群重要的代表類群之一[2]。

真蕨綱和種子蕨綱7屬20種分異度高，包括楔羊齒屬3種SphenopterisfirmataSze,S.nystroemiiHalle,S.tenuisSchenk；櫛羊齒屬10種PecopterisanderssoniiHalle,P.candolleanaBrongn.,P.cyathea(Schloth.) Brongn.,P.heteropinnaGu et Zhi,P.lativenosaHalle,P.marginataGu et Zhi,P.moneyiZeill.,P.(Asterotheca)noriniiHalle,P.(Asterotheca)orientalis(Schenk) Pot.,P.taiyuanensisHalle；枝脈蕨屬1種CladophlebisnystroemiiHalle；座延羊齒屬1種AlethopterisascendensHalle；織羊齒屬1種EmplectopteristriangularisHalle；麗羊齒屬1種Callipteridiumkoraiense(Tok.) Kaw.；帶羊齒屬3種TaeniopteristingiiHalle,T.tongshanensisStockm. et Math.,T.yernauxiiStockm. et Math.。

蘇鐵綱1屬2種PterophyllumcutelliformeSze,P.daihoenseKaw.。

科達(dá)綱2屬3種包括莖葉和繁殖器官：Cordaitesprincipalis(Germ.) Gein.,C.schenkiiHalle,Cordaianthusvolkmannii(Ett.) Zeill.?？七_(dá)綱在二1煤組大量存在。

裸子植物種子4屬5種CornucarpuspatulusHalle,Acanthocarpussp.,SamaropsisdeltataWang,S.wongiiStockm. et Math.,CarpolithustaxiformisStockm. et Math.。

該植物群的總體特征是以真蕨綱和種子蕨綱植物為主體，櫛羊齒類十分繁盛，其次為楔葉綱和瓢葉目植物，其余占比較少。出現(xiàn)典型分子三角織羊齒EmplectopteristriangularisHalle，科達(dá)綱化石數(shù)量非常豐富，是濱海潮坪沼澤中的主要聚煤產(chǎn)物。

3 植物群的時(shí)代

Bowmanites一屬曾出現(xiàn)于內(nèi)蒙古烏達(dá)蘇海圖的山西組以及寧夏石嘴山沙巴臺(tái)的山西組，與SphenophyllumemarginatumBrongn.,Tingiacarbonica(Schenk) Halle,T.partitaHalle等共存[24]。

在晚石炭世時(shí)期，相當(dāng)一部分的歐美植物群的楔葉屬種在華北及阿拉善地區(qū)都有發(fā)現(xiàn)，其中包括SphenophyllumemarginatumBrongn.[25]，因此印證了前人所提出的，在晚石炭世時(shí)期，華夏植物群與歐美植物群的植物信息存在密切交流的觀點(diǎn)。Sphenophyllumverticillatum(Schloth.) Brongn.在華北的太原組—上石盒子組以及西北地區(qū)的太原組—大黃溝組均有出現(xiàn)[26]。Sphenophyllumminor(Sterz.) Gu et Zhi出現(xiàn)在早二疊世晚期，龍首山地區(qū)楔葉屬的物種多樣性達(dá)到頂峰，而到了中二疊世至晚二疊世，該地區(qū)沒有楔葉屬的化石記錄[27-28]。

Tingia為華夏植物區(qū)特有屬，TingiapartitaHalle曾發(fā)現(xiàn)于山西太原的下石盒子組，以及朝鮮寺洞群的D層。到目前為止，在國內(nèi)其地質(zhì)歷程皆存在于下石盒子組的相當(dāng)層位[29-31]。Tingiacarbonica(Schenk) Halle出現(xiàn)在禹州大風(fēng)口、方山滴水潭、平頂山煤礦的山西組(神垕組)和下石盒子組(小風(fēng)口組)中[1]。

EmplectopteristriangularisHalle是中國華北、西北二疊紀(jì)華夏型植物群的重要組成分子，見于太原組、山西組、下石盒子組及其相當(dāng)層位[1,32]；但是該種主要分布于山西組及其相當(dāng)?shù)貙?，其他層位遠(yuǎn)沒有山西組豐富和分布廣泛，是中國北方確定地層年代的重要化石[33]。李星學(xué)[2]將該種作為中期華夏植物群的重要代表。

TaeniopterisyernauxiiStockm. et Math.被記述于河北開平趙各莊群中部[34]，在華北和西北地區(qū)山西組和下石盒子組及相當(dāng)?shù)貙又蟹植驾^廣[1,24,32]；在河北唐山[34]、兩淮地區(qū)的下二疊統(tǒng)[32]，豫西下-中二疊統(tǒng)山西組[1]、山東淄博等地的下二疊統(tǒng)[24]均有發(fā)現(xiàn)，區(qū)域上僅存于華北板塊之上，該種的出現(xiàn)對(duì)二1煤組植物群性質(zhì)的判定起到重要作用。

PterophyllumdaihoenseKaw.的模式標(biāo)本被記述于朝鮮寺洞群D層。李星學(xué)[2]指出：“山西組植物群和開平趙各莊群中部植物群以及朝鮮寺洞群D層的植物群基本一致，它們所在的沉積都應(yīng)為同一時(shí)期的產(chǎn)物?！北痉N標(biāo)本也被記述于內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗石盒子群[35]、山東淄博山西組[36]。PterophyllumdaihoenseKaw.是華夏植物群的特征種[37]。

Cordaitesprincipalis(Germ.) Gein.這個(gè)種的地質(zhì)歷程十分漫長(zhǎng)，在華北地區(qū)的產(chǎn)出層位自本溪組直至上石盒子組，在西北地區(qū)則產(chǎn)出于太原組—大黃溝組[38-39]，而在華南則見于茅口期—長(zhǎng)興期地層中[25,32,40]。

上述資料表明，當(dāng)前植物群無論是僅限于早-中二疊世太原組—山西組及其相當(dāng)層位的分子，如SphenophyllumemarginatumBrongn.,S.verticillatum(Schloth.) Brongn.,S.minor(Sterz.) Gu et Zhi,BowmanitesfusiformisWang,Tingiacarbonica(Schenk) Halle,EmplectopteristriangularisHalle等；還是可以延伸到上石盒子組的分子，如TingiapartitaHalle,TaeniopterisyernauxiiStockm. et Math.,PterophyllumdaihoenseKaw.,Cordaitesprincipalis(Germ.) Gein.等,都是中國二疊紀(jì)常見的分子，其中出現(xiàn)在早二疊世常見的屬種就有15屬27種。因此，當(dāng)前植物群產(chǎn)出層位可能與中國華北山西組(早二疊世亞丁斯克期—空谷期早期)下部相當(dāng)。

此外，當(dāng)前植物群下伏太原組頂部海相灰?guī)r中存在牙形刺化石Sweetognathuswhitei，可以確定二1煤組的時(shí)代為早二疊世亞丁斯克期[1]。

4 植物群對(duì)比

4.1 與河南禹州大風(fēng)口植物群的對(duì)比

河南禹州大風(fēng)口植物群二疊紀(jì)植物群十分發(fā)育，包括山西組、下石盒子組和上石盒子組3個(gè)層位，其中采自山西組(神垕組)大占砂巖之下二1煤組的植物化石共計(jì)17屬27種[1]，以真蕨、種子蕨和鱗木類為主。當(dāng)前植物群與禹州大風(fēng)口二1煤組植物群有10個(gè)種相同(表1)，分別占各自植物群屬種的1/4和1/3，這些種均為華夏植物群的特征或常見分子。兩者相同比例不高，反映出兩植物群在時(shí)代基本一致的前提下，尚有所差異，大風(fēng)口二1煤組植物含有很多鱗木類根、莖化石，而當(dāng)前植物群的鱗木類化石稀少，顯示出當(dāng)時(shí)兩地植物分布、埋藏有一定的分異。

大占砂巖與砂鍋窯砂巖之間山西組上部含有大量植物化石，計(jì)有29屬56種，以真蕨、種子蕨和有節(jié)類為主，以Lepidodendronoculus-felis,Lobatannulariasinensis,Emplectopteristriangularis,Progigantonocleahenanensis為代表，出現(xiàn)了蘇鐵類和大羽羊齒類。當(dāng)前植物群與禹州大風(fēng)口山西組上部植物群有13個(gè)種相同，分別占各自植物群屬種的1/3和1/4，顯示出兩個(gè)層位的化石既有相同的繼承性特征，也有更多的新分子出現(xiàn)。

4.2 與西北地區(qū)早二疊世中期植物群對(duì)比

西北地區(qū)早二疊世中期植物組合代表地層有北祁連山、河西走廊、龍首山、甘肅北山等，植物化石以Emplectopteristriangularis，Emplectopteridiumalatum為代表[41]。優(yōu)勢(shì)植物類群為真蕨綱和種子蕨綱，其總數(shù)達(dá)17屬48種之多；楔葉綱植物十分發(fā)育，達(dá)7屬22種之多。

兩植物群相同屬共有11個(gè)，共有或可比較的種13個(gè)(表1)，這些種均屬于二疊世華夏植物群的特征或常見分子，說明兩個(gè)植物群的關(guān)系十分親近，反映出在早二疊世中期，華北地區(qū)與西北地區(qū)的植物面貌十分相似。

4.3 與內(nèi)蒙古烏達(dá)山西組植物群對(duì)比

內(nèi)蒙古烏達(dá)山西組植物群的化石采集于內(nèi)蒙古烏達(dá)地區(qū)早二疊世山西組主煤相鄰地層，共25屬54種，以大量出現(xiàn)的蕨類和種子蕨分子為特征[42-43]。兩植物群相同屬共有6個(gè)，共有或可比較的種11個(gè)(表1)。Emplectopteristriangularis和Pterophyllumdaihoense在兩植物群的共同出現(xiàn)，體現(xiàn)了兩者的時(shí)代基本一致。Schmitz et al.[44]對(duì)烏達(dá)地區(qū)太原組頂部附近火山灰層進(jìn)行同位素定年，顯示太原組時(shí)代為早二疊世阿瑟爾期。因此，烏達(dá)地區(qū)山西組植物群時(shí)代應(yīng)晚于阿瑟爾期。

4.4 與吉林汪清早二疊世和盛植物群對(duì)比

吉林省汪清縣大興溝鎮(zhèn)和盛植物群由18屬31種組成，主要由真蕨綱與種子蕨綱以及楔葉綱分子組成，多數(shù)屬種為華夏植物群的重要和常見分子，其中不乏標(biāo)志或特有分子，如Emplectopteris，Taeniopterisyernauxii，Pecopterishuichensis，P.marginata等。和盛植物群具有華夏植物群性質(zhì)，在古植物地理上屬于華夏植物地理大區(qū)華北植物區(qū)[45]。和盛組的地質(zhì)時(shí)代確定為早二疊世亞丁斯克—空谷早期，其上的大蒜溝組海相化石Parafusulina帶和Pseudodoliolina帶時(shí)代為空谷期晚期—羅德期，其下的山秀嶺組海相化石Triticites帶和Pseudoschwagerina帶時(shí)代為晚石炭世卡西莫夫期—早二疊世阿瑟爾期[46-48]。此外，和盛植物群化石夾層的碎屑鋯石測(cè)年也表明其地質(zhì)時(shí)代不老于亞丁斯克期[44]。當(dāng)前植物群與和盛植物共有分子有5屬9種(表1)，共有分子較少，可能與緯度差異有關(guān)。

4.5 與塔里木盆地北緣早二疊世植物群對(duì)比

孫柏年等[49]與吳秀元等[50]介紹了一個(gè)塔里木盆地歐美性質(zhì)的植物群。研究結(jié)果表明，塔里木盆地西北緣柯坪縣庫普庫茲滿組和開派茲雷克組含有大量歐美型分子，計(jì)21屬52種。庫普庫茲滿組含化石層位大致與山西組、梁山組或棲霞組相當(dāng)[33]。其中開派茲雷克組下亞組與庫普庫茲滿組植物化石基本相似，而其上亞組所產(chǎn)植物則差異較大[33]?？梢钥闯觯撝参锶号c二1煤組植物群屬于不同植物區(qū)系，共有或可對(duì)應(yīng)比較分子有5屬9種(表1)，均是一些廣布型分子，華夏植物群中的一些特有分子在塔里木盆地相當(dāng)時(shí)代的地層中都難尋蹤跡。

表1 各植物群化石對(duì)比表

5 討論

石炭—二疊紀(jì)是地球歷史上綠色植被經(jīng)歷冰室和溫室環(huán)境及其兩種氣候環(huán)境轉(zhuǎn)變的時(shí)期，該時(shí)期植被變化對(duì)探討植被與氣候的關(guān)系、植被對(duì)大氣二氧化碳濃度的影響、氣候變化過程中植被的響應(yīng)對(duì)策等具有重要的科學(xué)價(jià)值[51-53]。

5.1 植物群指示的古氣候

生物與環(huán)境的協(xié)同演化研究是近年來地球生物學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)[54-55]，而目前的研究主要集中于氣候?qū)ι飼r(shí)空演變的控制，而關(guān)于生物對(duì)氣候的影響或氣候受生物作用的調(diào)節(jié)方面的研究較少[56-58]。華北地區(qū)連續(xù)的石炭—二疊紀(jì)地層序列及其中豐富的植物化石，以及其處于冰期向暖期轉(zhuǎn)化的重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)，為研究地質(zhì)歷史時(shí)期生物對(duì)氣候的影響提供了重要的窗口。

河南禹州地區(qū)山西組二1煤組發(fā)育大量植物化石，以真蕨類的Pecopteris、種子蕨類的Taeniopteris、楔葉類的Sphenophyllum及瓢葉目的Tingia高分異為特征。其中，Pecopteris化石中含有不少生殖羽片，如Pecopteris(Asterotheca)noriniiHalle,P.(Asterotheca)orientalis(Schenk) Pot.，發(fā)育聚合囊和單縫孢，與現(xiàn)生蓮座蕨目(Marattiales)植物的繁殖器官一致?，F(xiàn)生蓮座蕨目蓮座蕨科(Angiopteridaceae)植物生長(zhǎng)于亞洲熱帶和亞熱帶以及太平洋諸群島；合囊蕨科(Marattiaceae)僅Marattia1屬，生長(zhǎng)于中國臺(tái)灣和菲律賓；天星蕨科(Christenseniaceae)產(chǎn)于南洋群島、菲律賓和亞洲熱帶大陸；多孔蕨科(Danaeaceae)為熱帶美洲特有科。因此，就蕨類植物而言，其反映的古氣候特征屬于熱帶-亞熱帶，與其古緯度一致。楔葉類植物現(xiàn)存僅木賊科，濕生或淺水生草本，分布于世界各地。瓢葉目和科達(dá)類Cordaites的個(gè)別種都是石炭—二疊紀(jì)華夏植物群的特有植物，現(xiàn)已知其生長(zhǎng)于成煤沼澤環(huán)境，Cordaites被認(rèn)為是重要的成煤植物。本內(nèi)蘇鐵目Pterophyllum從晚石炭世出現(xiàn)到早白堊世末期絕滅，被認(rèn)為與蘇鐵目植物相近，現(xiàn)生蘇鐵植物多分布于熱帶-亞熱帶地區(qū)，為喜光植物，生長(zhǎng)于溫暖、干燥及通風(fēng)良好的地段。石松類植物在當(dāng)前植物群中數(shù)量不多，僅見有保存不好的繁殖器官Lepidostrobus，一般認(rèn)為鱗木類生活于潮濕的濱海沼澤，類似于現(xiàn)今的紅樹林生態(tài)環(huán)境。綜上所述，當(dāng)前植物群所反映的古氣候條件總體為熱帶、亞熱帶，除了楔葉類植物和少量的鱗木類生活在濱海沼澤地帶外，大量的真蕨、種子蕨和蘇鐵類植物生活在陽光充足、透水性良好的三角洲平原地帶。

位于大占砂巖之上的山西組上部植物化石組合較當(dāng)前植物群對(duì)比有了較大的發(fā)展，主要表現(xiàn)在種子蕨類、大羽羊齒、蘇鐵類的興起，楔葉類進(jìn)化以及鱗木類的恢復(fù)。鱗木類的繁盛說明潮濕的濱海沼澤廣布。楔葉類中Lobatannularia的出現(xiàn)說明植物的光利用率大大提高。同時(shí)，種子蕨類、大羽羊齒類中網(wǎng)狀葉脈的發(fā)育，也同樣說明光合效率的提高。此外，蘇鐵類的興起也是對(duì)環(huán)境改變的響應(yīng)?？傮w來看，山西組上部植物更為進(jìn)化，所反映的古氣候較山西組下部二1煤組時(shí)潮濕溫暖，濱海沼澤更加廣泛，光合作用也更加有效。

5.2 植物群的演化與冰室氣候

山西組二1煤組中發(fā)育的大量植物化石記錄了北半球熱帶-亞熱帶暖濕氣候背景下繁茂的濱海三角洲植被景觀；與此同時(shí)，南半球?qū)呒{大陸的極地冰川廣泛分布。岡瓦納大陸石炭—二疊紀(jì)冰川首次出現(xiàn)于早石炭世杜內(nèi)晚期，早二疊世達(dá)到盛冰期，僅在薩克馬爾中期和亞丁斯克中期—空谷早期發(fā)育有間冰期[55,59]，河南省早二疊世山西組的地質(zhì)時(shí)代屬于亞丁斯克期—空谷早期，與岡瓦納大陸極地冰川發(fā)育時(shí)間相對(duì)應(yīng)，植物群的演化可能經(jīng)歷了亞丁斯克早期的冰室氣候向亞丁斯克中期—空谷早期間冰期暖濕氣候的轉(zhuǎn)變。山西組二1煤組植物群中鱗木類植物化石的缺乏反映出沼澤環(huán)境的萎縮，可能與冰期發(fā)育導(dǎo)致的海平面下降有關(guān)；蘇鐵類等喜光中生植物的發(fā)育說明低地廣布。山西組上部植物群中，鱗木類的繁盛表明濱海沼澤環(huán)境廣泛發(fā)育，可能與海平面上升有關(guān)。種子蕨類的繁盛表明植物分異加強(qiáng)，氣候適宜。楔葉類Lobatannularia的出現(xiàn)，表明植被的層次結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分明。上述情況表明，山西組上部在暖濕氣候條件下沼澤廣布、植被茂盛且結(jié)構(gòu)層次分明。與此同時(shí)，網(wǎng)狀葉脈的發(fā)育極大地提高了植物的光合作用效率，大量CO2被消耗，O2大量產(chǎn)生。

6 結(jié)論

(1)河南禹州神垕鎮(zhèn)磨街鄉(xiāng)馬垌村山西組下部二1煤組植物化石由21屬42種組成，以真蕨類Pecopteris和科達(dá)類Cordaites繁盛為特征。典型分子EmplectopteristriangularisHalle，PterophyllumdaihoenseKaw.，Cordaitesprincipalis(Germ.) Gein.等的出現(xiàn)，表明其屬于華夏植物群中期組合，時(shí)代為早二疊世。通過下伏太原組頂部海相灰?guī)r中牙形刺化石Sweetognathuswhitei的存在，確定上覆含煤地層的時(shí)代始于早二疊世亞丁斯克期，結(jié)合與國內(nèi)相關(guān)植物群的對(duì)比，將山西組的地質(zhì)時(shí)代確定為亞丁斯克—空谷期早期。

(2)通過對(duì)山西組二1煤組植物群及山西組上部植物群組成的分析，結(jié)合同一時(shí)期岡瓦納大陸極地冰川的發(fā)育情況，認(rèn)為山西組二1煤組發(fā)育于冰室氣候，而山西組上部則處于亞丁斯克期中晚期—空谷期早期的暖室氣候。氣候變化導(dǎo)致石松類和楔葉類等濕生植物大量繁盛，同時(shí)也使種子蕨類大發(fā)展。植物群繁茂后，地球的碳埋藏量加劇，大氣成分變化，再一次發(fā)生新的降溫。

致謝感謝吉林大學(xué)古生物學(xué)與地層學(xué)研究中心孫躍武教授在化石采集、拍照和鑒定過程中提供的幫助。