晋中南地区上石炭统—下二叠统太原组碳酸盐岩中遗迹组构及其沉积环境①

宋慧波 王 芳 胡 斌

(1.河南理工大学资源环境学院 河南焦作 454000;2.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新 河南焦作 454000)

0 引言

晋中南地区上石炭统—下二叠统太原组蕴含着丰富的煤及煤层气资源，太原西山又是我国北方型石炭—二叠纪含煤地层的典型剖面，长期以来受到我国广大地质工作者的高度关注。以往的研究主要集中在古生物地层学［1-2］和沉积环境及聚煤规律［3-6］的研究上，对研究区碳酸盐岩中遗迹化石、遗迹组构及其沉积环境的研究较少。迄今，仅胡斌等［7］首次研究了该地区太原组灰岩中遗迹组合及其沉积环境。但是，有关本区遗迹组构的研究尚无正式报道。

遗迹组构是指沉积物(岩石)中生物扰动和生物侵蚀作用所遗留下来的总体结构和内部构造特征，是各期扰动生物在沉积物中活动历史的最终记录，它是物理过程和生物过程相互作用的产物［8-9］。遗迹组构克服了传统遗迹相(即，反映一定沉积环境的遗迹组合)研究没有区分生物遗迹活动先后顺序和世代关系的不足，强调生物活动与沉积物之间、遗迹化石个体与群体之间在时间、空间上的相互关系，这与侧重研究多种生物遗迹同时期共生在同一空间环境的遗迹组合的概念有明显差别。因而成为继“原型遗迹相”概念［10］后遗迹学发展过程中的又一里程碑，它使得遗迹学朝着更深入、更精确的方向发展。

遗迹组构的属性由沉积基底的物理、化学和生态性质以及造迹生物的各种行为习性共同决定［11］，因此，正确分析及解释遗迹组构，必须把出现在整个岩石剖面上的全部遗迹相和沉积特征作为一个整体进行分析［12-13］。描述一个遗迹组构，一般通过以下四个方面:物理沉积构造、生物扰动指数(BI)、潜穴大小［14］和丰度以及遗迹化石分异度［15］。

本文选择太原西山七里沟剖面和陵川附城松窑沟剖面(图1)为研究对象，通过分析太原组碳酸盐岩中遗迹化石和遗迹组构的组成和分布特征，可以为精细研究本区太原组的沉积环境变迁史提供重要的生物学信息，也可为煤与煤层气的生成环境提供生物学记录方面的科学依据。

图1 研究区及剖面位置图Fig.1 Location of the study area and outcrop section(shown by triangle sign)

1 地质背景

本研究区位于晋中南地区，属于沁水盆地的范围，位于北纬 35°～38.25°和东经 111°00'～114°00'之间，总体上该盆地呈北北东至南南西向展布。从区域构造上看，本区的晚古生代沉积区域位于中朝板块华北地块的中部。在加里东运动的晚期，华北地块整体呈西隆东倾，这种格局贯穿于整个晚古生代［16］。在石炭纪，华北地块表现为“南隆北倾”;至早二叠世，华北地块转变为“北隆南倾”，此时地势表现为北西高、南东低，海水大致沿北西—南东方向频繁进退［17］。上石炭统—下二叠统太原组就是在这种构造古地理背景下形成的一套滨海、浅海、潟湖和潮坪沉积［18］。

2 地层组成特征

研究区太原组是一套典型的海陆交互相含煤地层，主要由砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩、灰岩及煤层所组成，含有大量的纺锤虫类、珊瑚、腕足类、牙形石［19］、介形类、腹足类、双壳类［20］等正常浅海相底栖动物化石、各种植物化石和丰富的遗迹化石［21-23］，属于陆表海多堡岛与碳酸盐岩台地复合沉积体系［24］。该组地层剖面于太原西山(厚84 m)和晋城的陵川(厚94 m)一带出露良好，其下与本溪组、其上与山西组呈整合接触［25］。依据垂向上的岩性变化特征，太原西山露头剖面自下而上划分为晋祠段、毛儿沟段和东大窑段(图2)。①晋祠段，由浅灰色细粒岩屑杂砂岩和石英杂砂岩、灰色粗粉砂岩和粉砂质泥岩、灰黑色泥岩和铁质泥岩组成，夹一层薄煤层(11号)和二层煤线以及一层横向上不稳定的深灰色生物屑泥晶灰岩(俗称吴家峪灰岩，厚1.1 m)，砂岩中有时含菱铁矿鮞粒，底部为浅灰色沉凝灰岩(3.1 m)或灰白色石英杂砂岩(晋祠砂岩K1);②毛儿沟段，下部为灰色细粒岩屑砂岩和石英杂砂岩、细粉砂岩、黑色泥岩和三层煤层(8号、9号、10号)，底部夹有薄煤层;上部主要为深灰色中厚—厚层状泥晶灰岩(俗称庙沟灰岩和毛儿沟灰岩)，夹一层黑色粉砂质泥岩和褐灰色凝灰岩，顶部发育一层灰岩(俗称斜道灰岩)，其下为灰黑色泥岩并夹一层薄煤层(7号);③东大窑段，主要由一层深灰—灰黑色生物屑泥晶灰岩(俗称东大窑灰岩)夹黑色泥岩、粉砂质泥岩和煤层(6 号)组成［26］。

陵川地区松窑沟剖面太原组划分为四个岩性段:①下部碎屑岩段，由灰白色薄—厚层状细砂岩、粉砂岩和砂质泥岩以及深灰色铝土质泥岩、碳质泥岩和煤组成，该段底部以一层灰白色厚层状中—细粒石英砂岩与本溪组整合接触，顶部普遍发育15号和14号煤层;②中部灰岩段，主要由6层深灰色中厚—厚层状含燧石灰岩、生物碎屑灰岩和泥晶灰岩(L1-L6)组成，灰岩间夹薄层中粒砂岩、细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩和煤层(9号～13号);③上部碎屑岩段，由灰白色中厚—厚层状中—细粒石英砂岩、薄层粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩和煤层(7号，8号)组成;④上部灰岩段，主要为灰、深灰色生物碎屑微晶灰岩(L7-L8)和薄层硅质岩、细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、炭质泥岩和薄煤层(5号，6号)或煤线，中上部夹1～2层中—厚层细砂岩，顶部发育一层较厚的灰黑色薄层状泥岩，与山西组底部的灰白色厚层细砂岩(K7)呈整合接触［27］。

图2 晋中南太原组研究剖面地层柱状及遗迹化石垂向分布图Fig.2 Stratigraphic column graph and ichnofossil distribution of the Taiyuan Formation on study sections in middle-south Shanxi province

区域地层研究表明，本研究区太原组灰岩厚度整体上呈现出从西北到东南由小变大、灰岩层数由少变多的趋势。太原西山太原组露头剖面发育5层灰岩，分别为吴家峪灰岩、庙沟灰岩、毛儿沟灰岩、斜道灰岩和东大窑灰岩。其中以毛儿沟灰岩(L3)和东大窑灰岩(L5)厚度大，分布广泛，横向上较为稳定。陵川地区松窑沟太原组露头剖面发育8层灰岩，其中松窑沟灰岩(L1)和附城灰岩(L7)厚度大，分布广而稳定。各层灰岩层中均含有丰富的遗迹化石，如图2所示。

3 遗迹化石组成与分布特征

晋中南地区太原组碳酸盐岩中发育了大量的遗迹化石，经鉴定有10个遗迹属14个遗迹种，包括三种生态类型，即:①进食迹，常见有 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最为丰富;②觅食迹，仅见 Helminthopsis isp.和Nereites isp.二种;③居住迹，仅出现Thalassinoides isp.和 Ophiomorpha isp.二种。

露头剖面考察发现，太原组各层灰岩中均含有遗迹化石，但其组成、丰度、分布、个体大小及产状特征各有不同。通常，在有机质和泥质含量相对较高的灰岩层段，遗迹化石的丰度和分异度相对较高，多为沿层面和平行层面分布的觅食迹与进食迹。这表明，遗迹化石的丰度、分异度与营养物质的供应、含氧量等具有正相关性。尤其是Zoophycos遗迹化石［33］，在个体形态、大小、丰度和潜穴充填物的颜色方面，不同灰岩层均存在明显的差异。按照剖面上板状蹼层宽度大小可将Zoophycos遗迹化石划分为三种类型，即:小型(板状蹼层平均宽度1～3 mm)、中型(4～6 mm)和大型(8 mm以上);按照充填物的颜色可分为:红褐色、灰白色、浅灰色、灰色、深灰色和黑色;按照剖面上板状蹼层中回填纹的形态特征，可分为新月形、舌形和矩形［34］。现将几层典型灰岩层中 Zoophycos遗迹化石的分布及变化特征简述如下:

(1)太原西山剖面毛儿沟灰岩层中遗迹化石的组成与分布特征

毛儿沟灰岩层(L3)厚约8 m，产有纺锤虫、珊瑚、腕足类等大量实体化石和Zoophycos遗迹化石。自下而上可分为5个细分层(图3)。其中1、2分层为深灰色生物屑泥晶灰岩，厚1.25 m，1分层发育大量1～2 mm宽的小型Zoophycos，具有深灰色充填物，可见长度15 cm，丰度很高(图3A)，Zoophycos回填纹形态为舌形，与围岩成分、颜色一致;在距2分层顶部15 cm处发育具有灰白色充填物的中型Zoophycos(图3B)，蹼层宽4～6 mm，回填纹为舌形，同时还伴生的有Taenidium遗迹化石(图3C);3分层又出现大量具有深灰色充填物的小型Zoophycos;4分层为深灰色生物屑泥晶—微晶灰岩，厚0.5 m，距该分层顶部10 cm处，发育有大型带衬壁且具灰色充填物的Zoophycos，蹼层宽度8～12 mm，回填纹形态为新月形，衬壁宽2～3 mm，可见长度为20 cm，层面呈鸡尾状产出(图3D)，再往上距顶面5 cm处往上至顶面，可见具黑色充填物的Zoophycos，蹼层宽度1～3 mm，回填纹呈舌形，可见长度为18 cm(图3E);5分层中，发育有深灰色充填物的中型Zoophycos(图3F)，回填纹呈新月形。

图3 太原西山太原组毛儿沟灰岩层中遗迹化石的分布特征Fig.3 Distribution characteristics of ichnofossils in the Maoergou limestone bed of the Taiyuan Formation，Xishan area of Taiyuan city，Shanxi province

上述毛儿沟灰岩层中Zoophycos遗迹化石的分布特点(图3)表明，该灰岩层形成过程中的水深变化经历了较深水(第1细分层)变为较浅水(第2细分层)、再变为较深水(第3细分层)、然后又变为较浅水(第4细分层下部)、接着又变深(第4细分层上部)、最后再变为较浅水(第5细分层)的演变过程。

(2)太原西山剖面东大窑灰岩层中遗迹化石的组成与分布特征

东大窑灰岩层(L5)厚约6 m，可划分出五个细分层(图4)。1分层为微晶灰岩，厚1.2 m，距分层顶部3 cm处，发育有红色充填物的Zoophycos(图4A)，板状蹼层中的回填纹呈新月形，充填物为细粉晶灰岩，粒度比围岩粗，与围岩之间的界限清晰，蹼层厚5～10 mm，长度可达15 cm，但丰度较低;2分层厚1.5 m，发育大量具深灰色充填物的小型Zoophycos，回填纹形态为舌形，蹼层平均宽度2 mm，可见长度12 cm，丰度高(图4B);3分层中，发育大型具较厚衬壁和灰色充填物的Zoophycos，蹼层宽度9～11 mm，其中衬壁宽2 mm，可见长度20cm(图4B);在4分层顶部，出现具黑色充填物的Zoophycos，回填纹呈舌形，蹼层平均宽度2 mm，长度为20 cm(图4D)，3和4分层总厚2.3 m;再往上第5分层中，又发育1 m厚具深灰色充填物的小型Zoophycos。

上述东大窑灰岩层中Zoophycos遗迹化石的分布特点(图4)表明，该灰岩层形成过程中的水深变化经历了较浅水(第1细分层)变为较深水(第2细分层)、再变为较浅水(第3细分层)、然后又变为较深水(第4和5细分层)的演变过程。

(3)陵川附城剖面松窑沟灰岩层中遗迹化石的组成与分布特征

陵川附城一带松窑沟灰岩层(L1，俗称K2标志层)自下而上可划分出7个细分层(图5)。1分层比较薄，局部见有少量具有浅灰色充填物的中型Zoophycos遗迹化石;2分层厚1.2 m，顶部发育Zoophycos遗迹化石层，为近平行排列且具灰色充填物的小型Zoophycos(图5A)，蹼层宽度1～1.5 mm，可见长度8 cm，回填纹呈舌形;而其上第3分层含中型Zoophycos遗迹化石层，蹼层宽4～5 mm，具红褐色充填物(图5B)，可见长度10～20 cm，回填纹为新月形，自下而上，丰度越来越高，部分Zoophycos被一些高角度倾斜的潜穴所截切，化石之间夹杂有铁质结核;4分层中上部发育中—大型Zoophycos(图5C)，蹼层宽度5～8 mm、可见长度16 cm，具灰白色充填物，回填纹呈矩形，密集成层产出，平行层面分布;5分层发育具黑色充填物的小型Zoophycos(图5D)，蹼层厚2～4 mm，回填纹呈舌形，常与藻纹层交替产出，遗迹化石层与藻纹层的层厚一般在5 cm左右。藻纹层呈现断续的条带状或团丝状，所含藻丝体密集混杂堆积。该分层发育多期次的风暴沉积，推测这些藻丝体(葛万藻)可能是受较强风暴浪的破坏，然后随水流搬运到异地沉积，并非原地生长而沉积下来，其沉积的环境应该在风暴浪基面附近或以下较深水环境;6分层中出现Nereites与Chondrites相伴生(图5E)，二者常产生于深水贫氧或缺氧的环境条件，该分层也出现多层藻纹层;7分层可见Ophiomorpha遗迹化石(图5F)，呈分枝形，潜穴直径约为0.9 cm，在分枝处略为膨胀变粗，潜穴壁遭受风化剥蚀，残存潜穴充填物，充填物表面密布有微小凹坑，丰度较低。

图4 太原西山太原组东大窑灰岩层中Zoophycos遗迹化石的分布特征Fig.4 Distribution characteristics of ichnofossil Zoophycos in the Dongdayao limestone bed of the Taiyuan Formation，Xishan area of Taiyuan city，Shanxi province

图5 晋城陵川附城太原组松窑沟灰岩层中遗迹化石的分布特征Fig.5 Distribution characteristics of ichnofossils in the Songyaogou limestone bed of the Taiyuan Formation，Lingchuan area of Jincheng city，Shanxi province

上述松窑沟灰岩层中遗迹化石的分布特点(图5)显示，该灰岩层形成过程中的水深变化经历了较浅水(第1细分层)变为较深水(第2细分层)、再变为较浅水(第3、4细分层)、然后又变为较深水(第5、6细分层)，最后又变浅(第7细分层)的发展过程。

(4)陵川附城剖面老金沟灰岩层中遗迹化石的组成与分布特征

陵川附城老金沟灰岩层(L3，俗称K3标志层)为深灰色厚层状生物碎屑灰岩，层厚3.2 m，顶部变为含泥质灰岩。该层上部均发育较为稳定燧石层或团块。该层从下往上共有三个细分层，1分层发育有中型Zoophycos(图6A)，充填物为土黄色，蹼层厚 2～4 mm，回填纹呈舌形;2分层下部产有灰色充填物的中型Zoophycos(图6B)，上部出现Teichichnus(图6C)和Ophiomorpha;3分层下部则出现了具深灰色充填物的小型Zoophycos(图6D)，回填纹呈新月形，中上部发育 Palaeophycus、Planolites(图 6E)和 Helminthopsis。遗迹化石Palaeophycus的潜穴微弯曲，潜穴壁呈灰色，围岩土黄色，直径约1 cm，潜穴壁厚0.2 cm。

上述老金沟灰岩层中遗迹化石的分布特点(图6)显示，该灰岩层形成过程中的水深变化经历了较浅水(第1细分层)变为较深水(第2细分层、第3细分层下部)、再变为较浅水(第3分层中上部)的发展过程。

(5)陵川附城剖面附城灰岩层中遗迹化石的组成与分布特征

陵川附城剖面的附城灰岩层(L7，俗称K3标志层)厚4.5 m，为深灰色中—厚层状生物碎屑灰岩，上部岩层泥质含量稍高，风化色为土黄色，中上部夹3～4层燧石，呈断续层状分布，顶部为薄层硅质岩。自下而上可分为6个细分层，1分层厚1.71 m，顶部发育30 cm厚的生物扰动层，其中有零星分布的Zoophycos遗迹化石。2分层产有具灰色充填物的中型Zoophycos(图7A)，而且在本分层中上部出现较多扰动潜穴，其中部分扰动潜穴呈高角度倾斜，说明当时水体变浅，因而出现 Rhizocorallium、Ophiomorpha和Teichichnus，但丰度不高。Rhizocorallium为U形管状潜穴，与层面斜交，且略突出于层面。两翼管近平行排列，翼管之间具蹼状构造，翼管直径0.6 cm，两翼管间距1.5 cm，蹼纹宽约0.5 cm。Ophiomorpha潜穴直径0.26 cm，分枝处略有膨大，直径约0.33 cm，因遭受剥蚀，仅残存少量瘤粒，潜穴壁相对较厚，呈黑色，明显深于围岩。3分层从底到顶发育大量遗迹化石，丰度较高，化石层厚约16 cm，小型Zoophycos化石的充填物为黑色(图7B)，蹼层厚1～2 mm，呈舌形。4分层厚约10 cm，发育中型Zoophycos，充填物为土黄色(图7C)，蹼层厚约4～5 mm，在顶层层面上，可见大量鸡尾状的Zoophycos，并出现重叠现象，中心柱状管、边缘管、大小蹼层清晰可见。5分层距顶面20 cm处，发育小型深灰色Zoophycos遗迹化石(图7D)，板状蹼层厚2 mm，可见长度4 cm。6分层发育小型Zoophycos遗迹化石，呈近平行或低角度倾斜于层面产出，充填物为深灰—黑色(图7E)，具新月形回填纹构造，宽度1～3 mm，可见长度可达7 cm。

上述附城灰岩层中遗迹化石的分布特点(图7)显示，该灰岩层形成过程中的水深变化经历了较浅水(第1、2细分层)，变为较深水(第3细分层)、再变为较浅水(第4细分层)、然后又变为较深水(第5、6细分层)的发展过程。

此外，附城剖面其他灰岩层中也出现有少量遗迹化石，L2灰岩段下部产有 Zoophycos和 Palaeophycus，L6为深灰色薄—中厚层状生物碎屑灰岩，偶含燧石团块，上部可见少量具灰色充填物的Zoophycos遗迹化石，其他灰岩层还发育少量的扰动潜穴。

图6 晋城陵川附城太原组老金沟灰岩层中遗迹化石的分布特征Fig.6 Distribution characteristics of ichnofossils in the Laojingou limestone bed of the Taiyuan Formation，Lingchuan area of Jincheng city，Shanxi province

图7 晋城陵川附城太原组附城灰岩层中遗迹化石的分布特征Fig.7 Distribution characteristics of ichnofossils in the Fucheng limestone bed of the Taiyuan Formation，Lingchuan area of Jincheng city，Shanxi province

通过对上述两个剖面5层较厚且分布较稳定的灰岩层的观察和分析发现，Zoophycos遗迹化石的大小及充填物颜色的变化与沉积底层的水深及含氧量变化成正相关。小型者并具深灰色、黑色充填物的Zoophycos往往出现于底层的中—下部到底部，形成于水体较深的少氧或贫氧环境;中型者并具灰色充填物的Zoophycos一般出现在底层的中—上部，产生于水体相对较浅的有氧环境;中—大型者并具灰白色、土黄色或褐红色充填物的Zoophycos通常出现在底层的上部到顶部，往往是水体更浅的充氧环境。在垂向剖面上，随着各层灰岩形成的沉积水深及底层含氧量的变化，不同颜色充填物(回填纹层)呈现规律性变化，即沉积底层由浅水氧化环境变为深水还原环境时，Zoophycos潜穴中回填纹颜色的变化序列为:灰白色、褐红色(浅水、充氧环境)→浅灰色或灰色(较浅水、有氧环境)→深灰色和黑色(较深水、弱还原或还原环境)，相应的Zoophycos个体大小类型的变化序列为:大型或中—大型→中型→小型。这一规律基本反应了海水深度和底层含氧量的变化过程，因此，它有助于人们对各灰岩层形成时沉积环境及沉积演变的历史过程的深入了解，为分析盆地的海平面变化提供了重要的生物学信息。根据这一规律，可以得知太原西山和陵川附城松窑沟剖面的太原组海相碳酸盐岩的形成都经历了二次大的海侵过程，即第一次较大海侵发生在西山毛儿沟灰岩和陵川松窑沟灰岩的中上部沉积期，第二次较大海侵出现在西山东大窑灰岩和陵川附城灰岩的中上部沉积期。

4 遗迹组构类型及其沉积环境

基于沁水盆地太原组灰岩中遗迹化石的组成及其在沉积底层中的产状和分布特征，可以建立4种不同的遗迹组构，即:类型A:具褐红色、灰白色充填物的大型Zoophycos-Thalassinoides遗迹组构;类型B:具红色、浅灰色充填物或灰白色衬壁的大型Zoophycos-Planolites遗迹组构;类型C:具灰—深灰色充填物的中型 Zoophycos-Teichichnus遗迹组构;类型 D:具深灰—黑色充填物的小型 Zoophycos-Chondrites遗迹组构。各类组构的主要遗迹化石组成和产状特征及其形成的沉积环境概述如下:

(1)类型 A:大型 Zoophycos-Thalassinoides遗迹组构

该遗迹组构主要由Thalassinoides，Ophiomorpha，Planolites，Helminthopsis和具褐红色、灰白色充填物的大型Zoophycos等遗迹化石组成(图8，9)，常产于生物碎屑灰岩或泥灰岩层面上或附近(沉积底层的顶层)，在遗迹阶层上属于表层组构。总体上丰度较高、分异度较低，局部出现遗迹化石的穿插现象，扰动指数(BI)为2～3，在该盆地主要产于水动力较弱、较低能的海湾(或潟湖)及潮坪沉积环境。碳酸盐岩微相分析表明，含该遗迹组构的岩性主要为含生物碎屑和藻类的粗粉晶灰岩，生物碎屑含量约为25%，主要包括有孔虫、棘皮类、介形类，其次含有腕足类和双壳类碎屑等，生物碎屑破碎严重，其中大部分蜓类有孔虫的内部结构遭到破坏，这些生物碎屑可能是异地搬运堆积形成的，在海湾—潟湖和潮坪沉积环境形成的灰岩中较常见。

(2)类型B:大型Zoophycos-Planolites遗迹组构

图8 晋中南地区太原组Zoophycos-Thalassinoides遗迹组构中的遗迹化石组成与产状特征H.Helminthopsis;O.Ophiomorpha;Th.Thalassinoides;Pl.Planolites;Z1.具红色充填物的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

图9 晋中南地区太原组类型A遗迹组构中的典型遗迹化石A.Helminthopsis遗迹化石，产于陵川附城老金沟灰岩中上部层面上;B.Planolites遗迹化石，产于陵川附城老金沟灰岩中上部层面上。Fig.9 Typical ichnofossils of Type A ichnofabric in the Taiyuan Formation of the middle south Shanxi province

该遗迹组构的遗迹化石主要由Planolites，Palae-ophycus，Rhizocorallium和具褐红色、灰白色充填物并带衬壁的大型Zoophycos组成(图10，11)，主要发育近层面进食迹，多出现在分层的上部或顶部，扰动深度距顶层面一般小于15 cm，宿主岩为粗粉晶灰岩和泥灰岩，在梯序上属于浅阶层组构。该组构中遗迹化石的分异度和丰度中等，生物扰动程度低到中等，扰动指数为2～4。Palaeophycus保存于泥灰岩层面，平行或近平行于层面，微弯曲，纵向剖面上为圆形或椭圆形，直径约1 cm，潜穴壁厚0.2 cm，化石丰度较低。Palaeophycus属穿相分子，可出现于海相、边缘海相和陆相淡水环境。Rhizocorallium发育于风暴侵蚀基底面之上的滞积层中，丰度较低，形成于风暴间歇期的平静环境。并且，Rhizocorallium可分为水平型和倾斜型，水平型常出现于水深低能的环境，因此它可能出现于靠近正常天气浪基面的环境。Zoophycos个体较大，板状蹼层的宽度一般在4 mm以上，长度一般小于30 cm，潜穴充填物以红色、灰白色带衬壁(图10，Z1)和灰白色为主，对Zoophycos红色充填物进行元素能谱测试时发现，其中含有大量铁质，这说明其具有氧化环境的特征，结合宿主岩中泥质成分较高的特点，可以认为当时的底层水和孔隙水均富氧。上述特征表明，该遗迹组构形成于海平面之下至正常天气浪基面附近区域的浅海上部沉积环境或水体浅且较平静的局限碳酸盐岩台地环境。

图10 晋中南地区太原组Zoophycos-Planolites遗迹组构中的遗迹化石组成与产状特征Pa.Palaeophycus;Pl.Planolites;Rh.Rhizocorallium;Z3.具褐红色、灰白色充填物并带衬壁的Zoophycos;Z4.具红色充填物的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

图11 晋中南地区太原组类型B遗迹组构中的典型遗迹化石A.具红色充填物的大型Zoophycos遗迹化石，产于太原西山东大窑灰岩下段;B.潜穴充填物带衬壁的大型Zoophyco遗迹化石，产于太原西山东大窑灰岩中下段。Fig.11 Typical ichnofossils of Type B ichnofabric in the Taiyuan Formation of the middle south Shanxi province

(3)类型C:中型Zoophycos-Teichichnus遗迹组构

该遗迹组构的遗迹化石主要由 Teichichnus，Taenidium和具灰—深灰色充填物的中型Zoophycos组成(图12，13)，常出现在沉积底层的中部，扰动深度距顶层面一般为10～30 cm，在梯序上属于中阶层组构。该组构中的遗迹化石具低—中等分异度和丰度，生物扰动强度低—中等，扰动指数为2～4。通过剖面观察发现，由层面向下，进一步显示出阶层关系，也就是遗迹化石出现的顺序从上往下依次为Taenidium→Teichichnus→具有灰色—深灰色充填物的中型Zoophycos(图12)。Teichichnus为Cruziana遗迹相的典型分子，通常认为其是蠕虫类所挖掘的觅食兼居住潜穴，常见于浪基面之下的开阔浅海和波浪作用较弱的滨外环境。具灰色—深灰色充填物的Zoophycos个体细长，板状蹼层宽约2～4 mm，长度一般小于30 cm，宿主岩为细粉晶灰岩。从潜穴充填物的颜色来看，该遗迹组构所处底层的含氧量相对较低，可解释为其形成于正常天气浪基面之下，风暴浪基面之上的浅海中部沉积环境。

图12 晋中南地区太原组Zoophycos-Teichichnus遗迹组构中的遗迹化石组成与产状特征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

图13 晋中南地区太原组类型C遗迹组构中的典型遗迹化石A.Taenidium，产于太原西山毛儿沟灰岩中段;B.具灰色充填物的中型Zoophyco遗迹化石，产于太原西山毛儿沟灰岩中下段。Fig.13 Typical ichnofossils of Type C ichnofabric in the Taiyuan Formation of the middle south Shanxi province

(4)类型D:小型Zoophycos-Chondrites遗迹组构

该遗迹组构由Chondrites，Nereites和具深灰—黑色充填物的小型Zoophycos遗迹化石组成(图14)，多出现在沉积底层的下部，扰动深度距顶层面一般大于30 cm，在梯序上属于深阶层组构。该遗迹组构的宿主岩为灰色—深灰色、薄—中厚层状微晶灰岩，有机物含量丰富，很少有其他种类的遗迹出现，遗迹化石丰度高、分异度低，生物扰动强度较强，扰动指数为2～6。Zoophycos个体较小(图15A，B)，板状蹼层宽约为2～4 mm，充填物的颜色主要为深灰色或黑色。黑色充填物主要为黑色泥岩，有机碳和硅质成分相对较高，有学者认为，该组构中的Zoophycos与低能贫氧环境有关［35］。Nereites和Chondrites是两种最能忍受缺氧底质环境的遗迹，在和其他遗迹共生时，它们往往出现在最低的阶层，而当其他遗迹因环境氧含量降低而逐渐消失时，它们依然能生存下去。Chondrites经常在地史上的一些黑色碳质页岩或黏土岩中出现，此种底质一般只有Chondrites存在而很少有其他化石，这也证明Chondrites比其他任何生物更能忍受低氧的环境，有些学者认为，具有细小潜穴管的Chondrites、Zoophycos和 Nereites是贫氧环境的标志［35-36］。因此，该遗迹组构形成的底层与贫氧或缺氧环境和相对较深较平静的水体有关，代表了风暴浪基面之下较平静或较闭塞的浅海下部沉积环境。

图14 晋中南地区太原组Zoophycos-Chondrites遗迹组构中的遗迹化石组成与产状特征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

图15 晋中南地区太原组类型D遗迹组构中的典型遗迹化石A.具深灰色充填物的小型Zoophycos遗迹化石，产于太原西山毛儿沟灰岩中下段;B.具黑色充填物的小型Zoophyco遗迹化石，产于太原西山毛儿沟灰岩中段。Fig.15 Typical ichnofossils of Type D ichnofabric in the Taiyuan Formation of the middle south Shanxi province

图16 晋中南地区上石炭统—下二叠统太原组碳酸盐岩中遗迹组构的沉积环境分布模式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种不同类型遗迹组构的简要论述表明，遗迹化石组成、产状、个体大小、潜穴充填物的成分及颜色、宿主岩的岩性等特征显示它们形成于4种不同的沉积背景，即①Zoophycos-Thalassinoides遗迹组构出现在海湾(潟湖)及潮坪沉积环境;②Zoophycos-Planolites遗迹组构形成于平均海平面至正常天气浪基面附近区域的浅海上部沉积环境或水体浅且较平静的局限碳酸盐岩台地环境;③Zoophycos-Teichichnus遗迹组构发育于正常天气浪基面之下，风暴浪基面之上的浅海中部沉积环境;④Zoophycos-Chondrites遗迹组构产生于风暴浪基面之下，水体较深且贫氧的浅海下部沉积环境。由此可知，这4种遗迹组构自陆向海方向呈现出明显的分带性(图16)，较好地反映了研究区太原组碳酸盐岩产生的沉积环境及其在纵向上环境的变化特征。同时，由于底层沉积物中的含氧量与沉积区的水深、水动力条件、环境的闭塞与开阔程度以及有机质含量等都有着密切的关系，且各种造迹生物对底质含氧量的多寡显示出不同的忍受力，因此，可以利用遗迹组构在垂向上的变化特征去推断底质的含氧量变化。

5 结论

本文通过对晋中南上石炭统—下二叠统太原组碳酸盐岩中遗迹化石和遗迹组构的详细研究，取得了以下几点新认识:

(1)基于太原西山和陵川附城一带露头剖面的详细观察和化石的鉴定与分析，已识别出遗迹化石10个遗迹属、14个遗迹种，其生态类型包括进食迹10种、觅食迹2种和居住迹2种。这些遗迹化石大都是层内进食潜穴，层面遗迹相对较少。

(2)通过分析各灰岩层中遗迹化石的组成、产状、个体大小、潜穴充填物的成分及颜色、宿主岩的岩性等特征，建立了4种遗迹组构，即:类型A:具红色、灰白色充填物的大型Zoophycos-Thalassinoides遗迹组构;类型B:具红色、浅灰色充填物或带灰白色衬壁的大型Zoophycos-Planolites遗迹组构;类型C:具灰—深灰色充填物的中型Zoophycos-Teichichnus遗迹组构;类型D:具深灰—黑色充填物的小型Zoophycos-Chondrites遗迹组构。

(3)根据4种遗迹组构在底层中的分布特征，总结出了各种遗迹组构在垂向上的阶层变化规律，即:类型A主要出现在层面及附近，属于表层组构;类型B发育在在从层面往下到15 cm的范围内，属于浅阶层组构;类型C产生在从层面往下到15～25 cm的范围内，属于中阶层组构;类型D主要形成在大于30 cm深的范围，属于深阶层组构。从类型A变到类型D，反映底层由氧化环境逐渐变为还原环境。

(4)在综合分析的基础上，提出了晋中南太原组碳酸盐岩中遗迹组构的沉积环境模式，即:类型A主要出现于海湾(潟湖)及潮坪沉积环境，类型B发育在海平面至正常天气浪基面附近区域的浅海上部沉积环境或水体浅且较平静的局限碳酸盐岩台地环境;类型C主要产生在正常天气浪基面之下、风暴浪基面之上的浅海中部沉积环境;类型D形成于风暴浪基面之下、水体较深且贫氧的浅海下部沉积环境。

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