陕北佳县地区深部石炭-二叠纪古生物地层特征研究

张文轩，权新昌，王永军，崔辽辽，王晓静，何文龙，钟红利，张志沛

(1.陕西省一三九煤田地质水文地质有限公司，陕西 渭南 714000； 2.西安科技大学，西安 710054)

0 前言

佳县位于陕西省东北部，黄河中游西岸。东隔黄河与山西临县相望；西与米脂县接壤；南同吴堡县，绥德县相连；北和神木县，榆林榆阳区毗邻(图1)。

研究区大地构造位置处于祁吕贺山字型构造东翼反射弧内侧鄂尔多斯盆地东缘的陕北斜坡上与晋西扰曲带过渡区域。该地层区划属华北地层区鄂尔多斯盆地分区正宁-佳县小区，区内绝大部分被新生界松散-半固结沉积物所覆盖，基岩沿黄河河谷两岸及较大支沟中出露，出露的地层由老至新依次为古生界奥陶系、石炭-二叠系，中生界三叠系，新生界第四系等[1]。

图1 佳县勘查区位置示意图Figure 1 Jiaxian exploration area location map

1 典型钻孔含化石剖面

选择区内SY04、SP05、SP07、SY07、3404、3006等6个深孔古生物地层资料进行研究，以佳县地区上高寨地区SP07钻孔为例，其含化石部分钻孔资料如下：

钻孔内其上397层未找到化石资料，该部分省略。

P1s(山西组)：

57:灰绿色粗粒砂岩。

16.20m

56:灰绿色细粒砂岩，含Alethopterisnorinii，Pecopteristaiyuanensis，Fascipterisshanciensis，Cordaitesprincipalis植物化石。

1.00m

55:灰黑色泥岩，可见植物叶化石。

1.90m

54: 灰色粉砂岩，夹细砂岩及泥岩薄层，可见完整的植物叶化石。含Pecopterisarborescens，Mariopterislungwangkouensis，Sphenobaierspinosa植物化石。

12.50m

53:煤、黑色。

0.10m

52:灰色粉砂岩，夹细粒砂岩条带，可见完整的植物叶化石，含Sphenophyllumverticillatum，Sphenophyllumscopulatum，Alethopterisnorinii植物化石。

1.75m

51:灰白色粗粒砂岩。

4.15m

50:灰黑色泥岩，可见大量羽叶、节蕨、楔叶类及植物种子化石。含Calamitescistii，Annulariashirakii，Annulariamucronata，Sphenonphyllumoblongifolium，Pseudorhipidopsisbrevxaulis，Sphenophyllumscopulatum，Acithecasalviniaefolia，Pecopterishemitelioides，Alethopterisnorinii等植物化石。

1.15m

49:灰白色粗粒砂岩。

1.80m

48:灰色粉砂岩，可见植物叶化石。

4.20m

47:灰黑色泥岩，层面可见大量碳屑及植物叶化石。

4.57m

46:2#煤黑色，夹矸为炭质泥岩。

2.80m

45:灰黑色泥岩，局部夹细粒砂岩条纹，层面可见大量碳屑及植物茎叶化石。

7.29m

44:3#煤黑色。

0.45m

43:灰黑色泥岩，局部夹细粒砂岩条纹，层面可见大量碳屑及植物茎叶化石。

2.39m

42:灰白色细粒砂岩，可见植物茎叶化石。

0.60m

41:灰黑色泥岩，中下部夹煤线，层面可见植物碳屑及叶化石，下部含一层0.45m厚度的煤层。

2.70m

40:灰白色细粒砂岩。

1.40m

39:灰黑色及灰色泥岩，可见植物叶化石。

4.56m

38:灰白色细粒砂岩。

1.40m

37:灰色泥岩，可见植物叶化石。

0.85m

36:灰白色中粒砂岩。

11.69m

P1t(太原组)：

35:灰白色含砾粗砂岩。

1.62m

34:煤黑色。

0.40m

33:灰黑色灰质泥岩，可见动物化石，局部可见植物化石。

3.49m

32:灰白色中粒砂岩。

1.86m

31:灰黑色泥岩，可见植物叶化石。

1.06m

30:灰白色粗粒砂岩。

8.98m

29:煤黑色。

0.40m

28:灰白色粗粒砂岩。

2.10m

27:黑色泥岩。

5.15m

26:灰黑色泥灰岩，可见黄铁矿结核及动物化石。

1.70m

25:灰黑色泥岩。

2.50m

24:黑色及灰黑色泥灰岩，可见微体动物化石。

5.21m

23:灰白色细粒砂岩。

0.77m

22: 灰黑色泥岩，夹细粒砂岩条纹及条带，

1.00m。

21:灰色灰岩，可见动物化石。含Idiognathodusdelicatus，Idiognathodustaiyuanensis，Streptognathoduselongatus，Streptognathodus牙形刺化石；含Schwagerinacfplicata?等化石。

1.30m

20:灰黑色粉砂岩，可见植物叶化石。

1.10m

19:灰白色中粒砂岩。

2.00m

18:灰黑色粉砂岩。

1.05m

17:灰白色细粒砂岩。

10.26m

16:灰黑色粉砂岩。

2.90m

15:煤黑色。

0.20m

14:灰黑色灰质泥岩，可见动物化石。

3.31m

13:灰黑色泥灰岩，可见动物化石。

1.65m

12:煤黑色。

0.45m

1.80m

10:灰黑色泥岩，可见动物化石。

0.95m

9:煤黑色。

0.40m

8:灰黑色泥岩，可见动物化石。

4.44m

7:煤黑色。

0.30m

6:灰黑色泥岩。

0.55m

5:11#煤黑色。

9.30m

C2b(本溪组)：

4:青灰色细粒砂岩，含铝土，局部夹粉砂岩薄层，底部含泥砾。

5.27m

3:灰色粉砂岩，夹细砂岩条纹条带。

1.74m

2:灰黑色灰岩，局部夹细粒砂岩条纹条带，可见植物叶化石。

12.86m

1:灰白色粗粒砂岩。

4.30m

未见底。

2 岩石地层特征

通过对区内SY04、SP05、SP07、SY07、3404、3006等6个深孔资料的研究[2-3]，该地区石炭-二叠系划分特征(图2)如下：

(1)上二叠统石千峰组(P3s):为棕红、紫红及紫灰色较厚砂质泥岩与泥质砂岩互层，而且互层不等厚。最薄处195m，最厚处276m，平均厚度有217m。底部为粗砂岩，含砾较多，存在以块状含砾粗砂岩为主的冲刷面，是一处明显的K8标志层。三叠系孙家沟组底部发育一套厚度稳定，颜色呈灰白色的粗粒含砾砂岩，与下伏薄泥岩冲刷接触。

(2)中二叠统上石盒子组(P2sh):以泥岩和粉砂岩、粉砂质泥岩为主，以灰绿、紫棕、灰褐、棕褐色为主。上石盒子组最薄处厚度为147m，最厚处为239m，平均厚度为182m。

(3)中二叠统下石盒子组(P2sh):多为厚层砂岩与薄层泥岩互层为主，且互层以不等厚为特点。岩石颜色为泥岩多是灰绿色，也有少部分为棕红色，砂岩多为大段的灰绿色，也有部分为灰白色。下石盒子组最薄处为75m厚，最厚处厚度达到107m。上部常见一层紫色的粉砂质泥岩，具鲕粒结构，层面具白色斑块，因受铁质侵染而呈粉红色，俗称“桃花泥岩”或“紫斑泥岩”，是识别以往上、下石盒子组的分界标志。下部为“骆驼脖子”砂岩，是一套浅黄色及黄绿色的砂泥岩系，一般厚度5～10m，岩性为灰白色中-粗砂。与下覆灰黑色粉砂岩突变接触。一般下石盒子组底部砂岩同下伏山西组顶部之砂质泥岩、泥岩之间界线明显，易于区别，这一界线置于生物地层的古植物Emplectopteristriangularis-Cathaysiopteriswhites组合与Emplectopteridiumalarum-Lobatannulariasinensis组合之间。

图2 佳县勘查区石炭二叠系含化石地层对比图Figure 2 Jiaxian exploration area Permo-Carboniferous fossil-bearing strata correlation

(5)下二叠统太原组(P1t):主要为灰白、浅灰块状含砾石英砂岩，灰黑、深灰色泥岩，炭质泥岩，煤层的不等厚互层，中上部常夹微晶灰岩，常见黄铁矿结核及菱铁矿薄层，层理特征为水平层理和平行层理为主。太原组最厚处厚度达到54m，一般为82m厚。根据岩性特征，太原组可分为二段，上段以灰黑色炭质泥岩为主，厚层状砂岩与煤层、煤线互层为主，含4#～7#煤；下段以灰黑色炭质泥岩为主，厚层状砂岩与煤层、煤线互层为主，含8#～10#、11#煤。通常情况下，将太原组庙沟灰岩归为二叠纪早期，庙沟灰岩之下，它由8#、9#、10#煤层组成，有时8#、9#煤合并为单一煤层，呈煤系出现。研究区这套厚煤层被命名为11#煤，在6个钻孔中发育稳定，一般9～10m厚。根据沉积与古生物面貌，本次研究将该套煤层底部或煤层紧邻的下伏砂体底部作为太原组和本溪组的分层界限。

太原组与本溪组一般为整合接触关系，两组之间的界线基本上置于太原组底部“晋祠砂岩”之底。或者其下一层灰岩、海相泥岩、泥质粉砂岩之顶。

(6)上石炭统本溪组(C3b):多以铝土质泥岩、灰岩、中粗粒砂岩为主。总体来看自东向西慢慢变薄，研究区除了3006孔外，其余各孔并未钻穿本溪组，一般只钻进本溪组20多米。3006孔处，本溪组厚度为最44.6m。

3 化石组合特征

3.1 古植物与组合分带

植物化石群内容极其丰富，全部鉴定结果计19属，35种[4-6]，分别产自本溪组、太原组、山西组。现按地层系统自老而新分述如下：

①本溪组植物群：是本区晚古生代最早的一个植物群，佳县地区属种相对贫乏，一共只有1属1种，银杏纲Dicranophyllumlatum，缺乏同期植物化石。

②太原组植物群：植物群化石稍微多一点，属种仍然贫乏，共计为2属3种，主要是科达纲Cordaitesschenkii，C.principalis，Noeggerathiopsisderzavinii化石。

③山西组植物群：佳县地区山西组植物群在演化发展历史中达到了顶峰，属种数量繁多，演化迅速，高度分化，共计19属，33种，其中：石松纲1属1种，楔叶纲4属15种，真蕨纲和种子蕨纲9属13种，科达纲2属3种，银杏纲3属2种。山西组植物群与太原组植物群比较，不但属种数量有较大增加，属种分化程度也有进一步的发展，其中分化最快的是楔叶纲、真蕨纲和种子蕨纲。主要化石有：Stigmariaficoides，Calamitescistii，Lobatannulariaensifolia，Annulariapapilioformis，A.shirakii，A.mucronata，Sphenophyllumthonii，S.verticillatum，S.oblongifolium，S.scopulatum，Linopterissimplex，Alethopterisnorinii，Sphenopterisfermata，Pecopterisunita，P.taiyuanensis，P.arborescens，P.hemitelioides，Fascipterisshanciensis，Chiropterisreniformis，Cordaitesprincipalis，Sphenobaierspinosa，Cardiocarpustangshanensis等。上述植物化石属种中华夏植物群的典型属种或东方的特有种占多数，这标志着华夏植物群的发展进入了一个新的阶段。但同时，佳县地区山西组植物群缺乏Tingia、Emplecopteris、Emplectopteridium等属内各种的特征化石，这反映了这个地区沉积环境有较大变化，地区性的特色较浓。

④下石盒子组植物群：佳县地区属种贫乏，未采到植物化石。

佳县地区只有山西组的植物化石相当丰富。根据其演化发展阶段及其在地层地理上分布的规律性，可以建立一个比较稳定的植物化石组合带，即：

山西组：Lobatannulariaensifolia-Sphenophyllumoblongifolium-Pecopterishemitelioides组合带通常，山西组植物组合带是一个共存组合带，即以Emplectonteridiumalatum的首次出现和Lepidodendronposthumii的最后绝灭为标志的一个组合带。鉴于山西组的植物群中许多植物分子都有承先启后的性质，有些种是从太原组中延续下来的，有可能更多的种是从山西组上延至下石盒子组或更高的层位。到目前为止，经过反复筛选，仅仅生存于山西组的植物，在本区没有找到，一向认为比较标准的山西组植物分子Taeniopterismultinervis，在本区也未出现。鉴于上述情况，选择Lobatannulariaensifolia，Sphenophyllumoblongifolium，Pecopterishemitelioides等三个植物化石作为本区山西组的代表性组合。这两种植物在山西组都相当繁盛，特征明显，容易找到。主要化石有：Calamitescistii，Lobatannulariaensifolia，Annulariapapilioformis，A.shirakii，A.mucronata，Sphenophyllumthonii，S.verticillatum，S.oblongifolium，S.scopulatum，Linopterissimplex，Alethopterisnorinii，Sphenopterisfermata，Pecopterisunita，P.taiyuanensis，P.arborescens，P.hemitelioides，Fascipterisshanciensis，Chiropterisreniformis，Cordaitesprincipalis，Sphenobaierspinosa，Cardiocarpustangshanensis等。它们共同构成了这一组合丰富多采的面貌。

这一组合可以和用于代表山西组的Emplecopteristriangularis-Emplectopteridiumalatum组合对比[5]，与内蒙古准格尔旗代表山西组的Lepidodendronposthumii-Emplectopteridiumalatum组合、与鄂尔多斯盆地四周地层出露区域的山西组山西组的Emplectopteridiumalatum-Lobatannulariasinensis组合相当。

3.2 牙形石动物群与组合分带

佳县地区牙形石动物群主要分布在本溪组和太原组的各层海相灰岩中，由于钻孔内样品少，分离出的化石标本也少，在研究区内6个钻孔岩心中本溪组灰岩中未找到牙形石化石，而在太原组中也仅在3404孔和SP07孔灰岩中分离找到少量牙形石化石。其中共获得牙形石化石3属6种[7]。主要为Hindeodelladelicatula,Idiognathodustaiyuanensis，Streptognathoduselongatus，S.oppletus，S.wabaunsensis,S. sp.等化石。佳县地区太原组牙形石动物群和华北其它地区一样，以Streptognathodus一属的特别繁盛为其特征，而且演化缓慢。复合型牙形石也显得单调稀少。

根据它们在地层中的特征以及牙形石本身演化发展的阶段性，太原组建立一个组合带，即：太原组：Streptognathoduselongatus-SStreptognathodusoppletus组合带该组合带代表本区太原组的沉积，该组合带共生的牙形石有Streptognathodus属内特征种外，尚有Idiognathodustaiyuanensis等化石。

该组合带大致与华北地区太原组的Streptognathoduselongatus-Streptognathoduswabounsensis-Streptognathodusfuchengensis组合带、鄂尔多斯盆地四周地层出露区域太原组的Streptognathoduselogatus-S.wabaunsensis组合带相当，与北美的苏密阶、维奇尔阶和狼营阶的牙形动物组合带，以及俄国莫斯科近郊卡西莫夫阶、格热尔阶和阿色林阶和狼营阶的牙形动物组合带相当。

在佳县地区11#煤层是一个重要的标志层，即太原组的庙沟灰岩开始即出现了大量的Pseudofusulina和Schwagerina，是太原组与本溪组的重要分界标志。

鄂尔多斯盆地四周地层出露区域太原组[1]建立了Triticites带、Sphaeroschwagerina带，其中：Triticites带在盆地中分布局限，仅见于鄂尔多斯分区的柳林成家庄剖面和保德扒楼沟剖面，鄂尔多斯西缘分区和鄂尔多斯南缘分区均不发育。Sphaeroschwagerina带分布广泛，特征明显，与佳县地区Pseudofusulinavulgaris-Schwagerinacomplicata组合带相当。

3.4 腕足动物群与组合分带

佳县地区本溪组和太原组腕足动物化石总体相对贫乏，属种分异度低，相比较太原组腕足动物化石较多，在太原组中一共获得了腕足动物化石6属6种化石。主要有：Neochonetescarbonifera，Avoniaechidniformis，Dictyoclostustaiyuanfuensis，Stenoscismagregariabiplicata，Eomarginiferapusilla，Streptorhynchuscf.broillii等化石，遍布太原组各层灰岩中，是普遍存在于太原期开阔海区的分子，也是该期腕足动物群进行对比的重要依据。根据其特点，可以建立一个比较稳定的腕足动物化石组合[9]，即：

太原组：Dictyoclostustaiyuanfuensis-Neochonetescarbonifera组合带代表佳县吴堡地区太原组的沉积，该组合以Dictyoclostustaiyuanfuensis，Neochonetescarbonifera为特征，包括Avoniaechidniformis，Dictyoclostustaiyuanfuensis，Stenoscismagregariabiplicata，Eomarginiferapusilla，Streptorhynchuscf.broillii等化石，其层位大致与山西省东山地区[4]的Martiniasemiplana-Dictyoclostusgruenewaldti组合带、Stenocismabiplicata-Notothyrisnucleolus组合带、Derbyiashanxiensis-Chonetinellaflemingi组合带，以及鄂尔多斯盆地四周地层出露区域太原组[1]腕足动物Chonetescarbonifera-Dictyoclostustaiyuanfuensis组合带相当。

4 结论

③在充分研究山西组古植物特征的基础上，建立了1个古植物生物化石组合带，即山西组Lobatannulariaensifolia-Sphenophyllumoblongifolium-Pecopterishemitelioides植物组合带，可以用于中国南、北广大地区进行石炭二叠纪山西组地层的划分和对比。

[1]王双明.鄂尔多斯盆地聚煤规律及煤炭资源评价[M].北京：煤炭工业出版社,1996.

[2]金玉玕，范影年，王向东，等.中国地层典 石炭系[M].北京：地质出版社，2000.

[3]金玉玕，尚庆华，侯静鹏，等.中国地层典 二叠系[M].北京：地质出版社，2000.

[4]何锡麟，朱梅丽，范炳恒，等.山西太原东山晚古生代地层划分对比及古生物研究[M].长春:吉林大学出版社,1995.

[5]李星学.中国晚古生代陆相地层[M].北京:科学出版社,1963.

[6]孙克勤.中国石炭纪和二叠纪植物群[J].植物学通报,2001,18(6):691-706.

[7]王成源. 中国牙形刺生物地层[M].浙江：浙江大学出版社.2016.

[9]范炳恒，何锡麟，张华.华北地台石炭二叠纪腕足动物群及生物地理研究[J].古地理学报,2000,2(2):46-52.