湖北恩施老寨溪剖面早志留世纱帽组牙形刺生物地层研究

李 朋， 谢应波， 周 峰， 吴 龙

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

牙形刺是一类海相微体化石,在世界各地分布广泛,从寒武系到三叠系的海相地层里均有发现。由于其形态多变、个体微小、数量丰富、各个地质时代有着不同面貌,牙形刺已成为地层划分对比的标准化石,在地层划分和沉积相研究中起着重要作用[1-2]。在众多研究中,早志留世生物地层通常以笔石、三叶虫等为划分依据,但笔石、三叶虫常见于泥页岩相地层中,在以碳酸盐岩为主的地层中,牙形刺就起到了第一主导化石门类的作用。

倪世钊(1987)对罗惹坪志留系牙形刺的报道,标志着志留系牙形刺研究开始起步;后经汪啸风等[2](1987)再研究,在三峡地区从晚寒武世晚期至志留纪共建立了22个牙形刺化石带(包括组合带)。Männik[3](1998)将早志留世牙形刺进一步划分出两个新亚带：Pterospathoduseopennatusssp.nov.1和Pterospathoduseopennatusssp.nov.2。2007年,Männik[4]将P.eopennatus带提升为P.eopennatus超带,包括Pterospathoduseopennatusssp.n.1和Pterospathoduseopennatusssp.n.2两个带。

本文基于2016年开展的1∶5万芭蕉幅区域地质调查发现的老寨溪剖面(PM405),对纱帽组顶部灰岩透镜体中的牙形刺进行生物地层对比研究,使湖北省早志留世纱帽组牙形刺资料得到进一步补充。

1 地质背景及剖面概况

纱帽组由谢家荣和赵亚曾[5](1925)创名,命名剖面在宜昌城北40 km处的罗惹坪以东。纱帽组主要分布于湖北省扬子地层分区,主要由页岩、泥岩、砂岩、粉砂岩组成。前人对纱帽组的时代归属争议很大,戎嘉余等[6](1990)根据纱帽组中产出的三叶虫和胞石等化石,认为纱帽组的时代不超出兰多维列统(Llandovery)的特列奇阶(Telychian)早期;Mu et al.[7](1986)认为纱帽组的顶界略低于兰多维列统与文洛克统(Wenlock)的时代界线。这些时代存在分歧的主要原因,一是在纱帽组中相关重要层段缺少笔石,二是很少发现灰岩层。

研究区及邻区构造线呈北东—北北东向展布,纱帽组一般分布在背斜核部或两翼(图1)。老寨溪纱帽组实测地层剖面(图2)(30°02′11″N,109°23′54.9″E)出露于湖北省恩施州宣恩县椒园镇—庆阳坝乡村公路旁,位于老寨溪村南东方向,剖面长度为371 m。纱帽组与下伏志留纪罗惹坪组呈整合接触,顶界被泥盆纪云台观组平行不整合所覆。

图2 湖北省宣恩县老寨溪纱帽组实测地质剖面图

上覆地层：泥盆纪云台观组(D2-3y)肉红色中厚层状石英砂岩,底部见厚约30 cm的灰白色泥岩。

--------平行不整合--------

志留纪纱帽组(S1s)

厚266.40 m

35 灰绿色—灰黄色厚层状含灰质团块泥岩,单层厚度为34～56 cm。灰质团块呈灰色,长4～9 cm,宽3～5 cm,局部呈条带状,向上灰质团块逐渐减少,局部地段可见生物屑、三叶虫。

2.20 m

34 灰色薄层—中层状粉砂质泥岩、泥岩夹灰岩透镜体,单层厚度为5～14 cm。层面间发育灰岩透镜体,透镜体大小为3.5 cm×5.5 cm～4.5 cm×8 cm,发育生物屑。

19.90 m

33 灰黄色粉砂质泥岩夹粉砂岩条带。粉砂质条带以灰黄色为主,宽1～4 mm,长17～23 mm。岩层间夹棕黑色薄层状(0.5～2 cm)钙质泥岩。

25.50 m

32 青灰色—灰绿色中厚层状粉砂质泥岩夹生物屑灰岩。生物屑灰岩呈浅灰色,多呈团块状或条带状,团块长2～7 cm,宽1～3 cm；向下多发育灰质条带,条带长14～40 cm,宽1～4 cm,局部见灰质条带中发育生物屑。产牙形刺。

32.20 m

31 青灰色含砂质条带泥质粉砂岩夹粉砂质泥岩。砂质条带呈灰白色,宽1～3 mm,长12～39 cm,条带间距为3～37 mm,向上条带逐渐增多。

3.60 m

30 黑灰色—青灰色中厚层状含灰质团块粉砂岩。灰质团块以椭圆、柱状为主，团块长2～5 cm,宽1～2 cm,约占岩层总量的10%,团块内发育方解石脉。生物屑灰岩条带厚1～15 cm,富含生物屑,多发育在粉砂岩层面间。该层顶部发育一层厚约10 cm的锰质层。产牙形刺。

10.90 m

29 青灰色中—厚层状粉砂岩夹泥质条带,粉砂岩以中厚层为主。

6.50 m

28 棕色—灰绿色厚层—块状含砂质条带粉砂质泥岩。

22.70 m

27 灰色薄—中层状泥质粉砂岩夹粉砂质泥岩薄层。泥质粉砂岩单层厚6～34 cm,发育平行层理，向上粉砂质泥岩增多。

2.30 m

26 黄绿色块状粉砂质泥岩。见低角度斜层理、鱼骨状交错层理。

3.10 m

25 灰色薄—中层状细砂岩夹粉砂质泥岩,向上过渡为黄绿色中—厚层状粉砂质泥岩夹细砂岩条带。

8.40 m

24 黄绿色中—薄层状粉砂质泥岩夹细砂岩透镜体。

2.50 m

23 灰色块状粉砂质泥岩夹细砂岩条带。粉砂质泥岩中见水平层理,细砂岩中见平行层理。

5.90 m

22 灰色中—厚层状粉砂质泥岩夹灰岩透镜体或条带。粉砂质泥岩以灰色—深灰色为主,具条带状层理,页理构造不发育。灰岩透镜体或条带厚1.5～6 cm,见正粒序韵律结构。

7.60 m

21 灰绿色中—薄层状粉砂质泥岩夹细砂岩薄层或条带。

20.80 m

20 灰色中—薄层粉砂质泥岩夹细砂岩条带或薄层。粉砂质泥岩单层厚6～23 cm,细砂岩单层厚2～7 cm,向上以条带为主。

5.90 m

19 黄绿—灰绿色厚层—块状含粉砂质泥岩夹细砂岩条带或透镜体。细砂岩主要发育于该层中部,单层厚3～6 cm,细砂岩中云母含量较高。

11.70 m

17-18 黄绿色中—厚层状粉砂质泥岩夹细砂岩薄层或条带。

11.50 m

16 灰绿色中—薄层状细砂岩夹粉砂质泥岩。下部粉砂质泥岩含量较高,泥质与砂质比率为1∶3,向上两者比例减少为1∶9。细砂岩以灰绿色为主,局部呈条带状,条带成分为暗色细砂岩，向上细砂岩单层厚度变大。

9.10 m

15 灰绿色中层—厚层状细砂岩。下部主体以中层状为主,单层厚度为11～23 cm,顶部发育一层厚层状细砂岩,单层厚度为54 cm。发育平行层理、低角度斜层理。

2.30 m

12-14 土黄色中—薄层状泥质粉砂岩夹细砂岩。泥质粉砂岩单层向上变厚,见平行层理。

13.80 m

11 土黄色粉砂质泥岩夹细砂岩透镜体,该层掩盖严重。

4.60 m

8-10 浅灰色中—薄层状细砂岩夹粉砂质泥岩。

5.40 m

6-7 黄绿色薄—中层状细砂岩夹粉砂质泥岩薄层,向上粉砂质泥岩增多。

2.10 m

3-5 灰—黄绿色粉砂质泥岩夹细砂岩。

10.60 m

2 灰色中—薄层状细砂岩。岩石单层厚度由下向上具有变薄再变厚的特征。发育平行层理。

0.80 m

1 灰色巨厚层状含泥石英粉砂岩。

2.00 m

----------------整合----------------

下伏地层：志留纪罗惹坪组(S1lr)灰绿色中—厚层状粉砂质泥岩夹粉砂岩透镜体或条带。

2 老寨溪剖面的牙形刺

2.1 样品采集

在野外剖面测制过程中,对每层灰岩透镜体(条带)都采集了牙形刺样品,共采集样品9个,其中7件样品发现了牙形刺,2件样品未发现牙形刺。

2.2 样品鉴定结果

所采样品位于第30层和第32层灰岩透镜体中,经湖北省地质调查院孟铮等人鉴定，共有9属10种1亲近种1亲近亚种8未定种。30层灰岩透镜体中产ApsidognathusaulacisZhou,Zhai and Xian,Walliserodusaff.curvatusBranson and Branson,Wurmiellasp.A,Apsidognathussp.A,PanderodusamplicostatusWang and Aldridge,PanderoduspanderiStauffer,Panderodussp.A,PterospathoduseopennatusMännik,Distomodussp.A,Ozarkodinasp.A,WalliseroduscurvatusBranson and Branson等牙形刺分子。32层灰岩透镜体或条带中产ApsidognathustuberculatusWalliser,Apsidognathussp.B,ApsidognathusaulacisZhou,Zhai and Xian,GalerodusmacroexcavatusZhou et al.,PterospathoduseopennatusMännik,WurmiellarecavaWang and Aldridge,WalliseroduscurvatusBranson and Branson,Pterospathodusamorphognathoidesaff.lennartiMännik,PanderoduspanderiStauffer,OzarkodinaguizhouensisZhou,Zhai and Xian,GalerodusmacroexcavatusZhou et al.,ParapygodustriangularisDing et Li,Apsidognathussp.C,PanderodusamplicostatusWang and Aldridge,Distomodussp.B等牙形刺分子。

2.3 部分牙形刺描述

穹隆颚刺属ApsidognathusWalliser

结榴穹隆颚刺ApsidognathustuberculatusWalliser

特征:台形分子,穹隆形。自由齿片短,齿脊后部向内弯曲。内齿台比外齿台窄,发育一个明显的前方肩角。外齿台有2个齿叶,凸出程度不同,后一个较粗壮。齿台上发育瘤齿状的齿脊,齿脊由齿台中心向外辐射,齿脊和齿脊中间区域发育光滑的齿沟,缺少同心状的线纹(图3)。

产地层位:下志留统纱帽组。

图3 Apsidognathus tuberculatus扫描电镜照片

翼片刺属PterospathodusWalliser

似变颚翼片刺PterospathodusamorphognathoidesWalliser

似变颚翼片刺勒纳特亚种亲近亚种Pterospathodusamorphognathoidesaff.lennarti Männik

特征:Pa分子,三突状舟形分子,齿体大,齿片微弯。主齿片拱曲明显,主齿片前端破碎,可见相对较高的14个齿,最高点在中后部,主齿不明显。外侧齿突短,有轴脊。发育一个羽状的内侧齿突,由主齿片中央靠前处约呈60°分叉,齿片和内侧齿突之间缺少齿台和齿脊,为一无装饰区域,侧齿突上发育细齿。基腔在反口面凹入,并膨大(图4)。

产地层位:下志留统纱帽组。

图4 Pterospathodus amorphognathoides aff.lennarti扫描电镜照片

始羽翼片刺PterospathoduseopennatusMännik

特征:Pa分子,微微拱曲,齿片上约有14个细齿,中部的细齿上部断裂,主齿不明显,前后齿突上发育有齿台棱脊。刺体中部发育有外侧齿突和内侧齿突,外侧齿突较内侧齿突长,内、外侧齿突不在同一位置分出,有前后的位置区别(图5)。

产地层位:下志留统纱帽组。

图5 Pterospathodus eopennatus扫描电镜照片

3 生物地层的对比

近年来,人们为解决志留系时代划分问题,在牙形刺研究方面取得了一系列成果。中(国)英(国)志留系Telychian阶跨半球对比项目[8-9]对扬子地台志留系进行了系统研究。王成源等[10](2010)通过对湖北秭归杨林纱帽组灰岩段的详细研究,将灰岩时代确定为P.eopennatus带,高于重庆秀山剖面。

湖北恩施老寨溪剖面在第32岩性层获得Pterospathodusamorphognathoidesaff.Lennarti牙形刺分子,相当于湘西张家界剖面的小溪峪组,其层位明显高于湖北秭归杨林剖面，采样层位可跨至特列奇阶顶部,是目前鄂西发现的纱帽组最高层位(表1)。

根据老寨溪剖面牙形刺的发育特征,可将其划分为三个带：

(1)Pterospathoduseopennatus带。产于纱帽组中上部,是产出层位最高的牙形刺。以富集带分子为特征。此带中还存在Apsidognathusaulacis,Walliserodusaff.curvatus,Wurmiellasp.,Panderodusamplicostatus,Ozarkodinasp.,Distomodussp.等。地质时代属于早志留世中晚期。

(2)Pterospathoduscelloni带。邱洪荣[11](1985)、王成源和Aldridge[12](1996)发现过此带的标志化石P.celloni,但后来经鉴定属于P.eopennatus。Männik(1998)将Pterospathoduscelloni带划分出P.a.angulatus、P.a.lennarti和P.a.lithuanicus3个亚带。本区仅发现P.a.aff.lennarti,典型的Pterospathoduscelloni分子未见到,实际可能仅仅是Pterospathoduscelloni带下部的P.a.angulatus亚带。

(3)Pterospathodusamorphognathoidesamorphognathoides带。Männik[13](2007)提出以Apsidognathus的灭绝来判断兰多维列统和文洛克统的界线。老寨溪剖面上仍可见Apsidognathussp.,同时还有Ozarkodinaguizhouensis,Galerodusmacroexcavatus,Parapygodustriangularis,Panderodusamplicostatus等，因此地质时代属于早志留世晚期,未到文洛克统。

4 结论

志留纪早期是华夏板块与扬子板块拼合碰撞的强烈活动期,华南开始大规模整体抬升。随着华夏古陆向西北方向挤压,宜昌地区较早抬升并发生剥蚀,从而形成纱帽组顶界层位较低的特征[14]。向鄂西方向,纱帽组顶界逐渐增高,接受沉积的时间更长,因此恩施宣恩县老寨溪一带层位更高,但均未到文洛克统,故鄂西纱帽组在地质时代上应仍属于早志留世。

表1 华南扬子地台牙形刺P.eopennatus带和P.celloni带的地层对比表