内蒙古西乌珠穆沁旗哲斯组宏体化石新发现和沉积相分析*

方俊钦　赵盼　徐备　邵军　汪岩

1.北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室，地球与空间科学学院，北京　1008712.沈阳地质矿产研究所，沈阳　1100341.

亚洲洋东段构造演化的重要问题之一是华北板块与其北部陆块之间拼合的事件、位置和方式。目前存在两种主要观点，一种观点认为拼合于晚泥盆世结束，之后华北与其北部陆块之间不存在广泛的大洋(Tang,1990; 邵济安,1991; Xu and Chen,1997; Xuetal.,2013)；而另一种观点认为拼合于晚二叠世甚至早三叠世才结束，故中二叠世之前应为深海相沉积环境(Xiaoetal.,2003; Li,2006; Jianetal.,2008,2010)。近年来有学者发现了华北板块北缘的毛登、哲斯敖包、西拉木伦河北部中二叠世放射虫化石(王玉净和樊志勇,1997; 尚庆华,2004; 王惠等,2005)，被作为中二叠世华北板块北缘存在深海环境的重要生物学证据而被广泛引用，并以此推断华北板块与其北部陆块之间的古亚洲洋在晚二叠世之后才结束发育历史(Li,2006; Xiaoetal.,2009)。

最近笔者对西乌珠穆沁旗地区中下二叠统哲斯组开展了研究，并在毛登前人发现放射虫的相同层位发现了腹足类螺和双壳类化石。结合沉积相研究，本文重新厘定了该区哲斯组的沉积环境。

1　区域地质概况

西乌珠穆沁旗位于索伦科尔缝合带东北段(Xiaoetal.,2003) (图1a)，出露强烈变形的锡林浩特杂岩和未变形上石炭统-上二叠统沉积-火山岩系列(鲍庆中等,2006)。上石炭统包括本巴图组和阿木山组，前者以黄绿色石英粗砂岩为主，后者以灰岩为主，夹少量砂岩地层，含丰富的珊瑚、筳和腕足类等浅海生物化石。下二叠统包括寿山沟组和大石寨组。寿山沟组下段以灰黄色、灰黑色粗碎屑岩夹灰岩薄层或透镜体为主；上段以灰黑色粉砂岩、泥岩等细碎屑岩为主，含珊瑚、海百合茎、腕足类、苔藓虫和螺等浅海相动物化石，部分地区顶部粉砂岩中富含植物化石Calamitessp.(鲍庆中等,2005)。大石寨组以发育双峰式火山岩为特征(鲍庆中等,2005; Zhangetal.,2008b)，其喷发年龄为～280Ma，被认为形成与伸展构造背景，可能与碰撞后拆沉有关(Zhangetal.,2008b)。

中二叠统哲斯组主要分布于西乌珠穆沁旗南部约10km，出露面积约60km2(图1b)。地层近直立，走向E-W，整体呈NEE向展布。横向延伸较远，断续延伸至西临幅毛登地区及查干诺尔地区。岩性为一套以灰黄色粉砂岩、砂岩、蓝灰色灰岩和砾岩为主夹黑色泥岩、生物碎屑灰岩，含大量腕足、珊瑚、双壳和苔藓虫等浅海相化石。本次工作选取跃进煤矿地区开展实测地层剖面研究(图1b)。

2　西乌珠穆沁旗跃进煤矿地区哲斯组地层与沉积相分析

2.1　剖面概述

剖面位于西乌珠穆沁旗西南8km，出露总厚度1350m，与下伏下二叠统断层接触。根据岩性和古生物的不同，将哲斯组地层划分为10层(图2)并描述如下：

10.灰黄色砾岩与粗砂岩组成的沉积旋回，单个旋回以砾岩为主，层厚0.5～5m，旋回顶部发育3～20cm厚粗砂岩。未见顶，可见厚度342m。

9.灰黄色厚层细砂岩，含生物礁灰岩透镜体。细砂岩层厚0.3～1m，含大量腕足类生物化石。生物礁灰岩透镜体直径20～70cm，化石以腕足类和双壳类为主。厚154m。

8.灰白色中-薄层细砂岩与黑色薄层泥岩互层，发育软沉积变形。细砂岩层厚10～20cm，底部具有平行排列的泥岩砾石。厚105m。

7.灰色中-厚层细砂岩。与层7岩性相同，但不具有黑色泥岩互层。含大量腕足类生物化石。厚101m。

6.灰白色薄层生物碎屑灰岩，含大量海百合茎化石。厚20m。

5.灰白-浅红色中-厚层泥灰质粉砂岩。以大量苔藓虫化石为特征，并含少量双壳类化石。厚155m。

4.灰黄色薄层粉砂岩，单层厚度2～10cm，发育水平层理。含大量腕足类和珊瑚化石。厚137m。

3.蓝灰色厚层状亮晶灰岩，单层厚2～6m，基本不含化石。厚210m。

2.灰黄色薄层粉砂岩与粉砂质泥岩互层。厚72m。

1.灰黄色薄层粉砂岩。未见底，可见厚度54m。

通过对岩性、沉积构造和古生物化石等特征进行综合分析，将其划分为滨浅海相、台地碳酸盐岩相和冲积扇相(图3)。

图1内蒙古中部地区构造简图及剖面位置(a,据Xiaoetal.,2003; Jianetal.,2008修改; b,据鲍庆中等，2006；内蒙古自治区地质局区域地质测量队七分队,1974*内蒙古自治区地质局区域地质测量队七分队.1974.1:200000毛登幅区域地质调查报告修改)
Fig.1Simplified geological map of central Inner Mongolia (a,after Xiaoetal.,2003; Jianetal.,2008; b,after Baoetal.,2006)

图2　西乌珠穆沁旗南部中二叠统哲斯组实测地层剖面Fig.2　Cross section of Middle Permian Zhesi Formation in the south of West Ujimqin

图3　西乌珠穆沁旗中二叠统哲斯组剖面沉积相综合柱状图Fig.3　Generalized sedimentary facies column of Middle Permian Zhesi Formation in West Ujimqin

2.2　滨浅海陆棚相

哲斯组底部和中部(第1层至第2层，总厚度126m)发育浅海相碎屑沉积，整体表现为稳定的细碎屑沉积，以发育薄层水平层理的粉砂岩为主，显示稳定且充足的碎屑物质供给。底部以薄层状粉砂岩与泥岩互层为主，含大量海百合茎和腕足类化石。

中部(第4层至第9层，总厚度672m)发育薄层状粉砂岩、泥灰质粉砂岩和厚层状细砂岩，部分层位夹有黑色泥岩。根据岩性特征和化石可将其划分为四段。一段为黄色薄层状粉砂岩，单层厚度在1～5cm。碎屑颗粒以石英为主，磨圆中等，多呈次圆-次棱角状。整体成分成熟度和结构成熟度均较高。粉砂岩层中含有大量保存完好的腕足类和珊瑚化石(图4c)；二段为灰白-灰红色中-薄层状泥灰质粉砂岩，单层厚度在5～15cm。泥灰质粉砂岩以含大量苔藓虫化石区别于其他三段，并含少量双壳类化石(图4d)。三段以灰白色粉砂岩与黑色泥岩互层为特征，粉砂岩层厚10～30cm，泥岩层厚2～5cm。单层粉砂岩底部可见大量黑色泥岩砾，泥岩砾呈扁平透镜状，扁平面平行层面排列(图4f)，局部可见砂岩同沉积变形(图4e)，表明较快的沉积物供给。四段以黄色厚层细砂岩为主，局部层位含有生物礁灰岩透镜体(图4g)，均含大量腕足类生物化石。上述地层组合、沉积构造和古生物特征反映沉积环境应是具有良好的透光性、生物活动密集和物源丰富的滨浅海区。

图4　哲斯组野外沉积特征照片(a)-厚层状亮晶灰岩；(b)-亮晶灰岩中腕足类化石；(c)-薄层粉砂岩中的腕足类和珊瑚化石；(d)-灰红色泥灰质粉砂岩中的苔藓虫和双壳类化石；(e)-细砂岩与黑色泥岩互层，细砂岩层发育软沉积变形；(f)-细砂岩层中水平排列的黑色泥岩砾石；(g)-细砂岩中的生物礁灰岩团块；(h)-砾岩与下部泥岩之间的冲刷构造；(i)-砾岩Fig.4　Photographs of sedimentary characteristics in Zhesi Formation(a)-thick bedded sparite; (b)-grey bioclastic limestone; (c)-brachiopoda and coral in thin bedded siltstone; (d)-bryozoon and bivalve in argillo-calcareous siltstone; (e)-siltstone interbedded with black mudstone,with soft deformation; (f)-the parallel black mudstone lens in the fine-grained sandstone; (g)-biohermal limestone lens in the fine-grained sandstone; (h)-basal erosion scouring structure; (i)-conglomerate

2.3　台地碳酸盐岩相

哲斯组地层中下部(第3层，厚度201m)发育巨厚层台地碳酸盐岩沉积，以亮晶灰岩为主，夹少量生物碎屑灰岩和砂质碎屑灰岩，总厚度约200m。亮晶灰岩呈深灰蓝色，单层厚度2～6m(图4a)，含大量腕足类化石(图4b)。

2.4　冲积扇相

冲积扇相位于该剖面顶部第10层，可见厚度342m，由下部滨浅海相细砂岩直接突变为冲积扇相砾岩。发育多个砾岩-粗砂岩互层，单个互层厚度5～30m，以砾岩为主，仅在砾岩顶部发育3～20cm厚的粗砂岩，砾岩层具有向上逐渐增厚的特征。最底部为砾岩-粗砂岩-砂岩-灰黑色泥岩旋回，泥岩层厚2m，与上层砾岩突变接触，界面发育明显冲刷构造(图4h)。砾石大小均匀，粒径2～5cm，分选中等，磨圆较差，多呈棱角-次棱角状(图4i)；砾石成分几乎全部酸性火山岩为主，其物源可能来自于哲斯组底部下二叠统大石寨组火山岩，显示极低的结构成熟度和成分成熟度。粗砂岩以石英为主要碎屑物质，颗粒支撑，松散胶结。砾岩为主体的沉积特征，结合极低的结构和成分成熟度，表明砾岩层由原地火山岩物源遭受剥蚀并快速堆积形成。总之，该层序表现出向上砾岩层逐渐变厚，砂岩层变薄粒度变粗，泥岩层消失的特征，说明沉积环境向陆地演变。

综上所述，该剖面下部和中部的沉积环境为碎屑岩和碳酸盐来源的浅海陆架或台地，缺乏代表大陆斜坡和深水盆地环境的沉积岩相特征；而上部为近岸环境，以快速堆积的砾岩为特征。

3　毛登地区哲斯组的宏体化石

毛登地区位于西乌珠穆沁旗南西约100km，属内蒙古草原地层分区(内蒙古自治区地质矿产局,1991)。该区哲斯组以灰黑色泥岩和含石英砾石的粗砂岩为主，上、下边界均与下二叠统达里诺尔组火山岩呈断层接触。前人在泥岩的泥质结核中发现了Daubichitessp.菊石化石及放射虫化石，并被作为二叠纪存在深海洋壳的重要证据(尚庆华,2004)。最近我们对含上述化石的、出露厚度约80m的剖面进行测量(图5)，其底部为灰黑色泥岩，劈理化明显，含大量泥质结核，厚度45m；向上粒度变粗，沉积14m厚的砂岩；顶部为含石英砾石的粗砂岩，厚21m，向上粒度逐渐变粗的序列。

饶有兴趣的是，我们在这套灰黑色泥岩中发现了腹足类螺化石和双壳类化石(化石发现GPS点为：E116°33′51″；N44°08′50″)(图6、图7)。螺化石壳体直径3～5cm，高2～3cm。大部分由于保存不完整而无法鉴定属种，但可以清楚地看到螺旋形螺塔，且不具对称性(图6d,e)。壳壁无缝合线构造，具有平行于旋转方向的旋向壳饰(图6b,c)。上述特征明显区别于头足纲的菊石化石。其中保存较好的一个螺化石直径1.5cm左右，壳面具有13条粗旋脊，螺塔低矮，近乎包旋，脐孔发育及壳口具有明显扩大，这些特征疑似包旋螺属Euphemitessp.,属前鳃亚纲螺类(图6f-h)。与之伴生的双壳类为内膜化石，壳体较光滑，壳顶处可见铰齿，壳长1.5cm，凸度0.8cm，为等壳不斜型，疑为栗石蛤属Nuchlitessp.(图6i,j)。

图6　毛登地区哲斯组化石照片(a)-发现腹足类螺化石的泥岩；(b、c)-螺壳印模化石；(d、e)-螺塔印模化石；(f-h)-包旋螺属Euphemites sp.?，依次为背，顶，口；(i,j)-双壳类内膜化石，栗石蛤属Nuchlites sp.?Fig.6　Photographs of fossils-bearing mudstone and fossils of Zhesi Formation in Maodeng area(a)-gastropods-bearing mudstone; (b,c)-print mode fossil of gastropods; (d,e)-two kinds of spire of gastropods; (f-h)-three direction views of Euphemites sp.?; (i,j)-lining fossil of bivalve,Nuchlites sp.?

图7　内蒙古哲斯敖包、苏尼特左旗、毛登和西乌珠穆沁旗哲斯组沉积对比图Fig.7　Comparison of stratigraphic columns of Zhesi Formation in Zhesiaobao,Sunidzuoqi,Maodeng and West Ujimqin

4　讨论

4.1　毛登地区放射虫化石及宏体化石的意义

放射虫是一种正常盐度下的广海浮游微体生物，可以生活在海洋的各个深度，其死后可以埋藏于海洋的不同深度，从远洋深海海底到浅海区，甚至潮坪、泻湖等滨浅海环境中也可存在(孔庆玉和龚与觐,1986; 龚一鸣,1992; 王博和舒良树,2001)。例如，广西南部晚泥盆纪法门期硅质岩中的放射虫产于深海环境 (Zhangetal.,2008a)。新疆卡拉麦里蛇绿岩混杂带和南天山蛇绿混杂岩带中均发现与蛇绿岩共生的深海放射虫硅质岩(舒良树和王玉净,2003; 舒良树等,2007)。孔庆玉和龚与觐(1986,1987)通过对扬子地台二叠纪孤峰组放射虫的研究认为，放射虫多沉积于狭长而闭塞的局部深裂陷槽中，裂陷槽两侧为浅水碳酸盐岩台地和滨岸三角洲沉积，裂陷槽两侧同时发现海潮从深水带至浅水环境的放射虫。通过对安徽巢湖附近中二叠世孤峰组硅质岩中放射虫的研究，Kametakaetal.(2005)认为其产于广阔的大陆架地区。Caridroitetal.(2000,2002)分别在希腊Mount Parnis的和墨西哥San Salvador Patlanoaya浅海相灰岩中发现放射虫化石，相同层位同时发现牙形石、蜓等化石。Li and Yang (2003) 在黑龙江早白垩世含碳浅海相-非海相交替地层中发现放射虫化石。Mitsugietal.(2001) 在韩国东南部白垩系陆相地层Hayang群的砾石中发现放射虫，但其来源于侏罗纪海相硅质岩。因此，需对含放射虫的剖面结构作综合分析才能确定其沉积环境(孔庆玉和龚与觐,1986)。值得注意的是，代表深海沉积环境的放射虫一般产于硅质岩中(舒良树和王玉净,2003; 舒良树等,2007; Zhangetal.,2008a)，很少产于泥岩中。

综上，关于放射虫所代表的环境的解释需要谨慎。毛登地区放射虫化石不一定代表深海环境，但泥岩中发现的螺类和双壳类化石却具有明确的指相意义。腹足类螺化石属于底栖爬行生物，虽然其生活的水深范围较广，但大部分生活近岸水体，以潮间带为主(Crowe,1996; Tojo and Ohno,1999; Chapman,2000; Bishopetal.,2007)或潮下带不超过50m深的浅海带 (Kohn and Arua,1999; Oleinik,2001)，仅有少数种生活于较深的海水中(Aldeaetal.,2008)，且深海中的螺化石一般为双边对称型(Pan and Yu,1993)，明显不同于本次发现的螺化石。对于螺化石产出的水体盐度，一般以淡水环境(Smithetal.,2004; Pan and Zhu,2007; Kieniewicz and Smith,2007)和咸淡水过渡环境为主(Tojo and Ohno,1999; Chapman,2000)。因此，结合该泥岩中的大量泥质结核及向上迅速变为粗碎屑岩的特点，毛登地区螺化石应形成于近岸的潮间带或潮下带水体。这与前人已在哲斯组及其上覆地层中描述的浅海相动物化石及陆相植物化石、并解释为浅海相或海陆交互相的观点相一致(李良芳,1980; 邵济安,1991; 王惠等,2002; 鲍庆中等,2005,2006; 王成源等,2006)。另外，值得注意的是内蒙古自治区区域地质志(内蒙古自治区地质矿产局,1991; 195页)曾报道在毛登牧场和洪格尔马场一带含有Paracalamitessp.,Noeggerathiopsissp.等植物化石，而Daubichitessp.等菊石化石仅出现在变泥岩的泥质结核中，说明该区哲斯组主体以海陆交互相为主。

4.2　哲斯组沉积的区域对比及其构造意义

作为内蒙古重要的下-中二叠统地层，哲斯组及其同时代地层广泛分布，西起达尔罕茂明安联合旗北部的哲斯敖包，经苏尼特左旗-锡林浩特-西乌珠穆沁旗，一直延伸到乌兰浩特索伦镇一带，整体呈近东西向分布(李文国等,1996; 图1)。在哲斯组命名地点、达尔罕茂明安联合旗北部哲斯敖包地区，哲斯组以粉砂岩-泥岩-生物碎屑灰岩互层为主，碎屑岩层中含有大量生物碎屑灰岩透镜体(李良芳,1980; 图7a)；碎屑岩层和灰岩层均含有大量腕足、珊瑚、苔藓虫、双壳和腹足化石，并被认为属于浅海相地层(李良芳,1980; 丁蕴杰等,1984)。刘鹏举和郭伟(1998) 通过进一步的研究发现在相邻砾岩-砂岩-页岩旋回界面，可见明显砾岩底界面凹凸不平，页岩定界面有明显被侵蚀冲刷的痕迹，并发育风暴成因的生物碎屑灰岩。通过整个哲斯组珊瑚群的研究，将其分为下、中、上三段：下段为Paraduplophyllum-Lopholasma组合，反映沉积环境为水体动荡的近岸浅海；中段Waagenophyllum-Wentzelella组合反映开阔的正常浅海沉积环境；上段Lophophyllidium-Cyathocarinia组合反映沉积环境为水体动荡的近岸浅海(刘鹏举和郭伟,1998)。

苏尼特左旗北部哲斯组以砾岩和砂岩旋回为主，含大量腕足、双壳和腹足生物化石(蒋干清等,1995a,b; 图7b)。根据岩石类型和沉积构造可分为上下两段(高德臻和蒋干清,1998)。下段主要为复成分砾岩、含砾粗砂岩夹少量粉砂岩，为滨岸冲积扇-辫状河沉积。其中底部砾岩层分选差、杂基支撑、几乎不显层理、碎屑成分复杂，具有成熟度极低，近缘快速堆积的特点，代表冲积扇相沉积。该岩段上部细砾岩中砾石显示定向排列，粗砂岩和含砾粗砂岩均发育大型槽状、板状交错层理，代表辫状河沉积。上段以中粗粒砂岩和中细粒砂岩为主，夹有含有丰富腕足、双壳和腹足类化石的介壳砂砾岩层，并且双壳类属淡水型，显示该段为滨岸相沉积。在紧邻动物化石层位发现大量保存不完整的植物化石，虽无法鉴定其属种，但仍显示其向靠近陆地的沉积特征(蒋干清等,1995a)。通过进一步的研究，在该剖面顶部发现保存不完整的植物化石TaeniopterismucronataKaw.,RhacpterisbertrandiiStockm.et Math(?)以及Calamitessp.,虽然作者将其归入上二叠统林西组底部湖相沉积，但二者的整合接触关系仍表明哲斯组顶部已向陆相沉积转变。另外，早期朱光礼(1965)通过对苏尼特左旗一带哲斯组地层的详细测量及化石鉴定，在其中发现大量保存较好的植物化石，例如ProtoblechnamwongiiHall,Calamitessp.和Phyllothecasp.等，说明苏尼特左旗地区哲斯组为海陆交互相沉积。

毛登地区哲斯组剖面下部以砾岩、粗纱岩夹生物碎屑灰岩为主，碎屑岩层发育大型交错层理和波痕，向上转变为含大量腕足类化石和少量植物化石的细碎屑岩；中部发育厚层生物碎屑灰岩，生物碎屑以腕足类和苔藓虫为主；上部为厚层粗纱岩和砾岩(图7c)，整体表现为向上变浅的退积型沉积组合。沉积组合和化石特征说明地层属于滨海相沉积，而生物碎屑，以及交错层理、波痕的出现说明沉积物形成深度不大，处于波浪动力作用剧烈的地带。

本次在西乌珠穆沁旗测量的哲斯组剖面整体表现为从滨浅海相碳酸盐岩和碎屑岩转变为三角洲相粗碎屑岩的粒度逐渐变粗序列(图3、图7d)，代表海水逐渐变浅，由滨浅海相逐渐向陆地演变的沉积特点。鲍庆中等(2005,2006)通过对该区哲斯组的研究，将其划分为三段，组成一个从海侵体系域到高水位体系域海退进积层序的完整沉积旋回(图7e)，并认为其为盆地逐渐萎缩阶段的产物，之后该区整体抬升进入陆相演化阶段。张武和郑少林(1984)在西乌珠穆沁旗猴头庙地区哲斯组发现台木Dadoxylonhoutoumiaoensesp.及Dadoxylonxiuqiensesp.,并在其上下层位发现大量的腕足类、珊瑚、苔藓虫等滨浅海相动物化石，同样说明其沉积于滨浅海相-陆相过渡地带。从沉积特征分析，毛登剖面化石发现的层位相当于西乌旗剖面的泥灰岩段。前人在该地区发现的植物化石Callipterissp.和其他植物化石碎片，以及砾岩交错层和波痕的存在(图7c)，也充分说明沉积靠近陆地，有大量的陆缘物质沉积。

哲斯组沉积环境的横向对比显示，虽然各地区地层沉积特征有差异，但整体表现为一套以碎屑岩和灰岩交替出现并含有大量浅海相生物化石的滨浅海相地层，向上逐渐朝陆相地层演变(图7)，代表沉积海盆逐渐萎缩期向上变浅的沉积序列。

5　结论

(1)沉积相分析表明内蒙古西乌珠穆沁旗地区哲斯组下部为滨浅海相地层，向上逐渐朝陆相地层演变，代表向上变浅的沉积环境。

(2)在毛登地区哲斯组地层中新发现的腹足类螺化石及双壳类化石表明，该区哲斯组应形成于近岸的潮间带或潮下带水体；而产于泥质结核中的放射虫不能证明哲斯组沉积环境为深海洋盆。

致谢本文的化石鉴定和沉积相分析工作得到北京大学孙元林、刘建波教授的指导；中国科学院研究生院潘云唐教授对化石鉴定结果给予校对；宗谱博士、研究生郭文、聂婷在化石拍照方面给予帮助；在此一并表示衷心感谢。

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