新疆北天山地區(qū)侏羅系齊古組陸相遺跡化石及 古 環(huán) 境 意 義

喬 丹, 金 鑫, 時 國, 洪彥哲, 時志強

(1.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059;2.東華理工大學 地球科學學院,南昌 330013)

自遺跡學真正成為一門學科以來,遺跡化石就成為了研究沉積環(huán)境比較有效的工具之一[1]。遺跡化石不僅與生物的生態(tài)習性息息相關,而且造跡生物群落的分布和發(fā)育明顯受沉積環(huán)境的影響(如:水深、鹽度、含氧量、能量等)[2]。中國對遺跡化石的研究多集中在海相,而陸相遺跡化石的研究相對薄弱[2-3]。最早發(fā)現(xiàn)的陸相遺跡化石(潛穴)可能產(chǎn)于晚奧陶世;志留紀較少,主要出現(xiàn)在沖積相環(huán)境;泥盆紀逐漸增多,出現(xiàn)在河流及湖泊環(huán)境;而二疊紀的陸相遺跡化石不僅發(fā)育更廣,而且出現(xiàn)更為復雜的潛穴結構[4]。隨著多年來的研究,在中國中、新生代陸相沉積盆地中發(fā)現(xiàn)了大量的陸相遺跡化石,并建立了3個遺跡相[2,5-6]。在新疆的眾多盆地中,吐哈盆地侏羅系陸相遺跡化石報道較多[7-8],也見于二疊系海、陸相沉積中[9],而準噶爾盆地和塔里木盆地大多發(fā)育志留系-二疊系海相遺跡化石[10-16],鮮見陸相遺跡化石的報道。在準噶爾盆地南緣(即北天山地區(qū))發(fā)育大套侏羅系陸相地層,該區(qū)侏羅紀古生態(tài)學資料較為匱乏;尤其是上侏羅統(tǒng)齊古組,僅見孢粉化石的報道[17],對遺跡化石的研究基本處于空白。

近期,筆者對北天山地區(qū)瑪納斯縣典型侏羅系剖面進行了測定,在塔西河剖面和紅溝剖面的齊古組中新發(fā)現(xiàn)大量的遺跡化石,鑒定出5個遺跡屬,為該區(qū)晚侏羅世古生態(tài)、古環(huán)境的研究提供了新的材料。同時,這些遺跡化石也為準噶爾盆地南緣齊古組沉積環(huán)境的精細研究提供了新的證據(jù),對油氣儲層研究亦具有潛在意義。

1 地質概況

瑪納斯位于北天山地區(qū),屬準噶爾盆地南緣(圖1)。在構造上,其北部毗鄰昌吉凹陷、車莫古隆起南翼,其南部屬天山南緣山前構造帶,全區(qū)橫跨烏奎大背斜核部及翼部[18]。區(qū)內侏羅紀地層連續(xù),大量的鉆井和野外實測剖面表明僅頂部部分晚侏羅世地層缺失。其中下侏羅統(tǒng)包括八道灣組(J1b)、三工河組(J1s);中侏羅統(tǒng)下部為西山窯組(J2x),而上部在準噶爾盆地大部分地區(qū)稱為頭屯河組(J2t);上侏羅統(tǒng)由下部的齊古組(J3q)和上部的喀拉扎組(J3k)組成[19]。齊古組最初由沙依道夫(1935)創(chuàng)立,是指整合于頭屯河組之上、喀拉扎組之下的一套紅色河湖相細碎屑沉積,時代為晚侏羅世,巖性主要以氧化色為主(紫紅色、褐紅色)的砂質泥巖、紫色夾灰綠色砂質泥巖、砂巖及凝灰?guī)r,含輪藻、腹足類化石Bithyniasp.等[19]。底部以紫紅色泥巖的出現(xiàn)或一套雜色碎屑巖的消失與頭屯河組整合接觸,頂部以一套河流相的粗碎屑巖的出現(xiàn)與喀拉扎組分界[17,20]。在北天山地區(qū)齊古組上覆喀拉扎組沖積扇相白色礫巖,下伏頭屯河組青灰色砂巖與紫紅色泥質粉砂巖?，敿{斯建功煤礦剖面顯示齊古組以深褐色泥巖和褐紅色砂巖為主,發(fā)育塊狀層理、槽狀交錯層理、板狀交錯層理、平行層理和水平層理,為一套曲流河沉積[21]。

圖1 天山中段區(qū)域地質背景圖Fig.1 Regional ecologic background in the middle Tianshan region(修改自胡清月[17])

2 系統(tǒng)遺跡學

以下所述遺跡化石均產(chǎn)于新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯縣塔西河剖面齊古組上部雜色薄板狀砂巖中,僅有Circulichnis產(chǎn)于紅溝剖面齊古組下部紫紅色中-厚層狀砂巖層面上(圖2)?；４骖愋蜑榘敫〉?Cylindricum、Palaeophycus和Planolites為內生跡,Sellaulichnus、Circulichnis為表生跡(圖3)。

圖2 齊古組巖性柱狀圖Fig.2 Lithological histogram of the Jurassic Qigu Formation in study area

圓柱跡CylindricumLinck, 1949

圓柱跡未定種Cylindricumichnosp.

描述：垂直的管狀潛穴,潛穴充填物呈塞子形,下端圓而不尖,壁光滑,直徑約5 mm,垂直長度約2 cm(圖3-A)。潛穴充填物與周圍沉積物一致,顏色為雜色,下部被齊古組紫紅色泥巖所染。潛穴充填物結構較均一,缺乏構造,可能為被動充填(圖3-A)。

討論:Cylindricum為動物的居住跡。本次研究的Cylindricum潛穴壁光滑無構造,未見薄膜狀襯里。而生物長期居住的潛穴,多具有遺跡墻壁,這種遺跡墻壁是生物為加固管穴所分泌出的有機物質與沉積物混筑而成,常形成一層保護膜。Cylindricum是陸相盆地常見的遺跡化石,在中國主要發(fā)育在吐哈盆地侏羅系[8]、遼河盆地第三系[22]、東濮凹陷古近系[23]、松遼盆地白堊系[24]、河南西峽盆地白堊系[25]、鄂爾多斯盆地三疊系[26],也偶見于奧陶系馬家溝組海相地層中[27]。Cylindricum在陸相盆地中代表了深度較淺、水動力較高、沉積物時常暴露的環(huán)境,可能指示湖濱高能帶、三角洲水下分流河道、曲流河水道和邊灘以及辮狀河水道和心灘等[23-24]。

古藻跡PalaeophycusHall,1847
管狀古藻跡PalaeophycustubularisHall,1847

描述：亞圓柱形不分枝潛穴,潛穴形態(tài)筆直,潛穴壁薄且光滑,直徑粗細不規(guī)則,尖端變細,長20～100 mm,直徑3～6 mm(圖3-B)。遺跡潛穴充填物的成分與圍巖相同,充填物不具有構造,較致密,顏色與母巖相近。保存為內生跡,呈凸起狀(圖3-B)。

討論：Palaeophycus是由Hall(1874)發(fā)現(xiàn)并命名的,最初Hall認為Palaeophycus是藻類的碎片故名古藻跡,后來多地報道了該類遺跡,普遍認為Palaeophycus是內生動物的爬跡或開放居住的潛穴,造跡動物是捕食性的多毛類、蠕蟲類或者腹足類[28]。Palaeophycus與Planolites的主要區(qū)別是,Palaeophycus常具有襯里、不分叉、充填物的顏色與成分與周圍母巖相同[2]。Palaeophycus為廣相遺跡,在海相和陸相均有發(fā)現(xiàn),分布地點與分布時代也較為廣泛,從前寒武紀到現(xiàn)代均有發(fā)育。Palaeophycustubularis在中國主要發(fā)育在揚子地區(qū)寒武系、奧陶系、泥盆系,內蒙古烏海奧陶系,新疆塔里木盆地奧陶系[2]。張鋒等[29]在重慶萬州侏羅系湖相地層中發(fā)現(xiàn)了Palaeophycus的新種,并命名為Palaeophycustiefengshanensis。與本文在北天山侏羅系陸相地層中發(fā)現(xiàn)的Palaeophycustubularis相比,Palaeophycustiefengshanensis潛穴彎曲且粗大,直徑最大可達8 cm,外壁具瘤狀突起,表明該造跡生物個體形態(tài)較大且更復雜。

漫游跡PlanolitesNicholson,1873

貝弗利漫游跡PlanolitesbeverleyensisBilling,1862

描述：亞圓柱形潛穴,形態(tài)略彎曲,平行層面分布,潛穴不分枝,長10 cm,直徑5～8 mm(圖3-C)。潛穴充填物成分與周圍母巖不同,表面光滑,顏色比圍巖略淺(圖3-C)。

討論：Planolites的潛穴一般無襯里,潛穴充填物與圍巖不同,屬于食沉積物動物的覓食構造[30]。Planolites與Palaeophycus不僅在潛穴充填物的成分和顏色上有所區(qū)別,潛穴邊界是否具有襯里也是重要的區(qū)分標志[31]。塔西河剖面齊古組上部出露的Planolites與楊式溥等[2]總結的Planolitesbeverleyensis的形態(tài)特征一致,其特征是比PlanolitesmoutanusRichter, 1 937個體形態(tài)較大,較彎曲。Planolites的時空分布比較廣泛, 海相和陸相地層中均常見[11,32-34]。其中在華北板塊的眾多陸相盆地如早三疊世和尚溝組中發(fā)育,有Planolitesbeverleyensis和Planolitesmontanus兩個遺跡種和一個Planolitesisp.[35]。和尚溝組中的Planolitesbeverleyensis形態(tài)特征與本文的基本一致,沉積于濱淺湖相[35]。陸相的Planolites也常見于松遼盆地的上白堊統(tǒng)中,既可見于淺水湖濱低能環(huán)境、泛濫平原和三角洲平原,也可見于深水湖泊環(huán)境[36]。

鞍槽跡SellaulichnusJiang,1982

鞍槽跡未定種Sellaulichnusichnosp.

特征：長而彎曲的溝槽狀遺跡,呈簇狀出現(xiàn),表面被染色溝槽結構不明顯;槽兩側為凸起的邊脊,高出層面,跡寬4～6 mm,橫切面呈凹字形,兩側對稱,槽內無裝飾(圖3-D)。

討論：本次發(fā)現(xiàn)的Sellaulichnus的大小和內部形態(tài)與Sellaulichnusmeishucunensis接近,但后者呈角狀彎曲的單槽型遺跡。Sellaulichnusmeishucunensis細窄,槽內無裝飾,可能是個體較小的具有成對附肢的軟驅節(jié)肢動物的移跡[2]。Sellaulichnus首次發(fā)現(xiàn)于云南晉寧下寒武統(tǒng)梅樹村組中,為潮下帶的產(chǎn)物[37],而在陸相地層中則鮮有報道,本文在北天山地區(qū)齊古組發(fā)現(xiàn)的Sellaulichnus是陸相地層為數(shù)不多的沉積記錄。齊永安[38]在華北板塊陸相沉積的元古界汝陽群夢山組中發(fā)現(xiàn)了類似水平移跡Dydimaulichnus,該遺跡化石與Planolites和Palaeophycus共生,發(fā)育在夢山組上部,屬河流沉積環(huán)境。本次發(fā)現(xiàn)的Sellaulichnus與Dydimaulichnus相比,層面上的溝槽更明顯,化石豐度較高,可能是地質年代相差相對較大,不同生物形成的“異物一跡”的結果。

圓環(huán)跡CirculichnisVyalov,1971

山地圓環(huán)跡CirculichnismontanusVyalov,1971

特征：沿層面分布的橢圓形潛穴,構成完全閉合的環(huán)形,橢圓不規(guī)則,長軸7.5 cm,短軸3.5 cm,其中一個長軸頂端略尖(圖3-E)。橢圓形潛穴為細長的通道,直徑約4 mm,潛穴內不光滑,呈瘤狀,沿層面向潛穴底部凹2 mm(圖3-E)。

討論：Circulichnis的造跡生物可能為似蠕蟲類,保存在巖層上表面或巖層下底,為廣相類型[30]。本次發(fā)現(xiàn)的Circulichnis在形態(tài)上與楊式溥等[2]總結的Circulichnismontanus相似,但前者個體較大,潛穴直徑也較粗。目前在已發(fā)現(xiàn)的Circulichnismontanus中,不同產(chǎn)地的形態(tài)也稍有不同,例如西藏上三疊統(tǒng)的Circulichnis呈不規(guī)則的圓環(huán),而內蒙古烏海中奧陶統(tǒng)產(chǎn)出的Circulichnis呈近圓形[2]。但Circulichnismontanus總體上環(huán)形潛穴的切線方向不分枝,環(huán)形潛穴內每隔一定距離具有“瘤”狀。Circulichnis發(fā)現(xiàn)于青海上三疊統(tǒng)、西藏上三疊統(tǒng)、江蘇徐州中寒武統(tǒng)、內蒙古烏海中奧陶統(tǒng)等,西藏上三疊統(tǒng)的Circulichnis見于三角洲前緣潮坪和潟湖環(huán)境[2,39]。Circulichnis也是陸相遺跡化石Mermia相常見分子,Mermia遺跡相代表了富氧的深水湖泊環(huán)境[40]。

3 古生態(tài)與古環(huán)境分析

本次發(fā)現(xiàn)的遺跡化石屬種、豐度及在剖面發(fā)育層位比較有限,如建立遺跡組構其遺跡學屬性特征亦不明顯。這些遺跡化石的生態(tài)學意義可通過遺跡化石組合、造跡生物與圍巖沉積學的總體特征加以闡釋。根據(jù)R.K.Pickerill[41]對遺跡群落的定義,遺跡化石組合是一定環(huán)境中生物群落的產(chǎn)物,是了解生物與環(huán)境之間關系的重要窗口。通過在新疆北天山瑪納斯地區(qū)實測的2條齊古組剖面,共識別出5個遺跡屬,總計3個遺跡種,其中2個屬未定種。根據(jù)生態(tài)習性分類,可分為居住跡:Cylindricum、Palaeophycus、Circulichnis;覓食跡:Planolites;爬行跡:Sellaulichnus。

3.1 研究區(qū)齊古組古生態(tài)特征分析

準噶爾盆地齊古組整體上為一套陸相紅層,可能為干旱-半濕潤氣候條件下的河、湖相沉積。在中國北方諸多盆地的侏羅系陸相紅層中,通?；∩?精細的古生態(tài)及古生物年代學研究仍存在制約[42]。在瑪納斯紅溝剖面齊古組孢粉化石較發(fā)育,前人通過其年代學研究,認為齊古組的時代為晚侏羅世Oxfordin-Kimmeridgian,頂部年齡為155.3 Ma,沉積時間約5.5 Ma[17,43]。而鋯石年齡顯示齊古組時代為中侏羅世Callovian,其底部年齡大致為164.6 Ma[44]。總的來說,研究區(qū)齊古組的遺跡化石所反映的是該區(qū)中-晚侏羅世的底棲生態(tài)面貌。中-晚侏羅世中國北方地區(qū)主體處于陸地環(huán)境,動植物繁盛,大型脊椎動物恐龍成為整個生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢種群[45]。就目前的資料來看,研究區(qū)在齊古組沉積時期植物十分繁盛,主要包含蕨類植物沙欏科、松科以及蘇鐵等植物,形成針、闊混交林[17];微體動物見節(jié)肢動物門甲殼綱介形類動物[46];脊椎動物見中鱷亞目的Mesosuchia,副鱷科的Paralligatoridae[18]。相比同時期的遼西北票地區(qū)的髫髻山組,其木化石也表明植被的主要類型為松柏類[47],應屬于季節(jié)性明顯的亞熱帶到暖溫帶氣候。然而該時期豐富的植物(生產(chǎn)者)必然會為動物(消費者)提供生存條件,齊古組實體動物化石的缺失加大了該區(qū)整體生態(tài)特征面貌復原的難度,本次在齊古組發(fā)現(xiàn)的遺跡化石,豐富了研究區(qū)在該時期底棲低等生物的生態(tài)面貌。

在塔西河剖面中見Cylindricumichnosp.、Palaeophycustubularis、Planolitesbeverleyensis、Sellaulichnusichnosp.。巖石層面上Palaeophycustubularis豐度較高,總體化石密度和遺跡化石分異度較低,造跡生物的生態(tài)習性以居住為主,可見爬行跡Sellaulichnusichnosp.與其共生,表明造跡生物的生存壓力較大;Palaeophycustubularis與Planolitesbeverleyensis在同一層面上可見交切,兩類造跡生物可能為共生或競爭關系(圖4)。Planolites(漫游跡)是蠕蟲類生物在沉積底質中持續(xù)挖掘沉積物尋找食物而形成。在覓食過程中底質形成洞穴,其中充填了由蠕蟲體內排出的沉積物[41]。研究表明,這些沉積物中富含了一個復雜的微生物生態(tài)系統(tǒng),這些微生物的誘導礦化又對Planolites遺跡化石的保存起到了積極的作用[48];Cylindricumichnosp.為單獨潛穴,充填物不具構造,為被動充填,可能為造跡生物短期停歇的場所。紅溝剖面的遺跡化石目前在紫紅色砂巖層面上僅發(fā)現(xiàn)Circulichnismontanus,見有少量未能鑒定出遺跡屬的生物潛穴構造與層面上可能為生物成因的凹坑。Circulichnismontanus為造跡生物居住形成的閉合橢圓形潛穴,潛穴環(huán)內部不平整表明造跡生物個體外表形態(tài)也較為復雜。根據(jù)這些遺跡化石的大小、形態(tài)和共生關系,認為研究區(qū)齊古組具有一個物種豐富的低棲生態(tài)系統(tǒng),反映了蠕蟲類、腹足類或節(jié)肢類動物在沉積底質上居住、覓食和爬行。這些生物的居住行為占優(yōu)勢,表明該區(qū)域沉積底質上的水為富氧-充氧狀態(tài),同時也面臨著沉積環(huán)境變化的壓力而無法進行更復雜的生物行為。

圖4 齊古組遺跡化石組合特征及沉積模式Fig.4 The characteristics and sedimentary model of trace fossils of the Qigu Formation

3.2 遺跡化石組合及沉積環(huán)境分析

遺跡化石組合一般受沉積環(huán)境控制,本文發(fā)現(xiàn)的遺跡化石對于區(qū)域上齊古組沉積環(huán)境的精細刻畫具有一定的參考意義[1]。本次在塔西河剖面齊古組88～95 m處發(fā)現(xiàn)兩層遺跡化石(圖4),自下而上,第一層主要由爬行跡Sellaulichnu構成;第二層主要由居住跡Cylindricum、Palaeophycus,覓食跡Planolites組合構成。第二層遺跡化石以分異度低為特征,居住跡和覓食跡為主。該遺跡組合與Scoyenia遺跡相的特征相似,其中Palaeophycus和Planolites是Scoyenia遺跡相的主要遺跡屬。Scoyenia遺跡相一般指非海相砂巖、頁巖以及紅層中的遺跡化石組合[49-50]。以相對較低的分異度、偶爾由單一遺跡屬組成、與某些海相遺跡組合具有相似性為主要特征[51]。后經(jīng)遺跡學家們不斷地修正,目前Scoyenia遺跡相主要指由小型水平進食潛穴、垂直潛穴、彎曲的爬行移跡、拖跡、足跡及小型植物根跡構成的遺跡組合,造跡生物包括節(jié)肢動物、脊椎動物和植物,常與其共生構造有干裂痕、雨痕等,指示周期性暴露地表或覆水極淺的非海相低能環(huán)境[52]。紅溝剖面齊古組17～30 m 處的遺跡化石以Circulichnis為主,層面上發(fā)育大量疑似生物遺跡的構造(圖4)。

北天山地區(qū)齊古組整體上以深褐紅色泥巖和褐紅色砂巖為主,泥巖多于砂巖,主要為在干熱氣候條件下形成的辮狀河三角洲和曲流河沉積[17]。塔西河剖面齊古組底部發(fā)育一套薄層泥巖和較厚層的砂組成的河床滯留沉積,向上有一部分被第四系覆蓋;在剖面下部發(fā)育較厚層的邊灘和河床滯留環(huán)境的砂巖沉積,向上轉變?yōu)楸幽鄮r和薄層的砂巖夾層;在剖面中部出現(xiàn)可能為堤岸沉積的薄層狀泥巖、砂巖的頻繁互層(圖2);在剖面頂部出現(xiàn)大段的河漫灘環(huán)境泥質粉砂巖。遺跡化石發(fā)育段(88～95 m)巖性為紫紅色泥巖與雜色(或黃綠色)泥質粉砂巖頻繁互層,粉砂巖層面不平整,見小型交錯層理和滑塌構造(圖5-A、C) 。微觀上可見石英、長石和少量的巖屑,石英顆粒以單晶為主,長石以鉀長石為主,碎屑顆粒整體磨圓度較差(圖5-B)。綜合巖性組合及特征、沉積構造分析,塔西河剖面齊古組遺跡化石發(fā)育段(88～95 m)很可能為曲流河堤岸環(huán)境沉積。

紅溝剖面齊古組整體呈紫紅色,下部泥巖較多,上部砂巖較多,主要為一套河流相沉積[17]。遺跡化石發(fā)育段(17～30 m)為一套紫紅色中-厚層狀泥巖和砂巖組合,砂巖中平行層理發(fā)育,砂巖層面見雨痕構造(圖5-D)。顯微巖石學研究結果顯示該段砂巖碎屑顆粒主要類型為石英、長石、巖屑,分選性中等,磨圓度為次棱角狀(圖5-E)。砂巖粒度分析顯示概率累積曲線主要表現(xiàn)為高斜率躍移及懸移二段式(圖 5-F),躍移組分含量較高,懸移組分含量較低,沉積物粒度變化范圍很窄,總體粒度較粗,反映沉積水體能量高、躍移式搬運、沉積速率快的牽引流特征。綜合分析認為紅溝剖面齊古組遺跡化石發(fā)育段(17～30 m)可能為曲流河的邊灘-河漫灘環(huán)境沉積。

圖5 齊古組遺跡化石發(fā)育段沉積巖特征Fig.5 Characteristics of sedimentary rocks in the trace-fossil-bearing Qigu Formation(A)塔西河剖面遺跡化石發(fā)育段的滑塌構造;(B)塔西河剖面遺跡化石發(fā)育段的粉砂巖顯微特征;(C)塔西河剖面遺跡化石發(fā)育段交錯層理;(D)紅溝剖面遺跡化石發(fā)育段的雨痕構造;(E)紅溝剖面遺跡化石發(fā)育段的粉砂巖顯微特征;(F)紅溝剖面遺跡化石發(fā)育段的砂巖粒度統(tǒng)計

綜合遺跡化石發(fā)育段的沉積學特征,北天山地區(qū)齊古組Planolites遺跡化石組合與曲流河沉積環(huán)境密切相關。

4 結 論

a.在新疆北天山瑪納斯地區(qū)新發(fā)現(xiàn)了陸相遺跡化石,產(chǎn)于瑪納斯縣的塔西河剖面和紅溝剖面上侏羅統(tǒng)齊古組,初步鑒定出5個遺跡屬、3個遺跡種、2個未定種:Cylindricumichnosp.,Palaeophycustubularis,Planolitesbeverleyensis,Sellaulichnusichnosp.,Circulichnismontanus;

b.研究區(qū)齊古組沉積時期底棲生態(tài)面貌為蠕蟲類、腹足類或節(jié)肢類動物在沉積底質上居住、覓食和爬行,其中居住行為占優(yōu)勢。通過遺跡化石屬種、特征、遺跡化石豐度和分異度以及沉積學特征綜合分析,認為該區(qū)齊古組遺跡化石發(fā)育層位的沉積環(huán)境可能為富氧的曲流河。