新疆北天山地区侏罗系齐古组陆相遗迹化石及 古 环 境 意 义

乔 丹, 金 鑫, 时 国, 洪彦哲, 时志强

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059;2.东华理工大学 地球科学学院,南昌 330013)

自遗迹学真正成为一门学科以来,遗迹化石就成为了研究沉积环境比较有效的工具之一[1]。遗迹化石不仅与生物的生态习性息息相关,而且造迹生物群落的分布和发育明显受沉积环境的影响(如:水深、盐度、含氧量、能量等)[2]。中国对遗迹化石的研究多集中在海相,而陆相遗迹化石的研究相对薄弱[2-3]。最早发现的陆相遗迹化石(潜穴)可能产于晚奥陶世;志留纪较少,主要出现在冲积相环境;泥盆纪逐渐增多,出现在河流及湖泊环境;而二叠纪的陆相遗迹化石不仅发育更广,而且出现更为复杂的潜穴结构[4]。随着多年来的研究,在中国中、新生代陆相沉积盆地中发现了大量的陆相遗迹化石,并建立了3个遗迹相[2,5-6]。在新疆的众多盆地中,吐哈盆地侏罗系陆相遗迹化石报道较多[7-8],也见于二叠系海、陆相沉积中[9],而准噶尔盆地和塔里木盆地大多发育志留系-二叠系海相遗迹化石[10-16],鲜见陆相遗迹化石的报道。在准噶尔盆地南缘(即北天山地区)发育大套侏罗系陆相地层,该区侏罗纪古生态学资料较为匮乏;尤其是上侏罗统齐古组,仅见孢粉化石的报道[17],对遗迹化石的研究基本处于空白。

近期,笔者对北天山地区玛纳斯县典型侏罗系剖面进行了测定,在塔西河剖面和红沟剖面的齐古组中新发现大量的遗迹化石,鉴定出5个遗迹属,为该区晚侏罗世古生态、古环境的研究提供了新的材料。同时,这些遗迹化石也为准噶尔盆地南缘齐古组沉积环境的精细研究提供了新的证据,对油气储层研究亦具有潜在意义。

1 地质概况

玛纳斯位于北天山地区,属准噶尔盆地南缘(图1)。在构造上,其北部毗邻昌吉凹陷、车莫古隆起南翼,其南部属天山南缘山前构造带,全区横跨乌奎大背斜核部及翼部[18]。区内侏罗纪地层连续,大量的钻井和野外实测剖面表明仅顶部部分晚侏罗世地层缺失。其中下侏罗统包括八道湾组(J1b)、三工河组(J1s);中侏罗统下部为西山窑组(J2x),而上部在准噶尔盆地大部分地区称为头屯河组(J2t);上侏罗统由下部的齐古组(J3q)和上部的喀拉扎组(J3k)组成[19]。齐古组最初由沙依道夫(1935)创立,是指整合于头屯河组之上、喀拉扎组之下的一套红色河湖相细碎屑沉积,时代为晚侏罗世,岩性主要以氧化色为主(紫红色、褐红色)的砂质泥岩、紫色夹灰绿色砂质泥岩、砂岩及凝灰岩,含轮藻、腹足类化石Bithyniasp.等[19]。底部以紫红色泥岩的出现或一套杂色碎屑岩的消失与头屯河组整合接触,顶部以一套河流相的粗碎屑岩的出现与喀拉扎组分界[17,20]。在北天山地区齐古组上覆喀拉扎组冲积扇相白色砾岩,下伏头屯河组青灰色砂岩与紫红色泥质粉砂岩。玛纳斯建功煤矿剖面显示齐古组以深褐色泥岩和褐红色砂岩为主,发育块状层理、槽状交错层理、板状交错层理、平行层理和水平层理,为一套曲流河沉积[21]。

图1 天山中段区域地质背景图Fig.1 Regional ecologic background in the middle Tianshan region(修改自胡清月[17])

2 系统遗迹学

以下所述遗迹化石均产于新疆维吾尔自治区玛纳斯县塔西河剖面齐古组上部杂色薄板状砂岩中,仅有Circulichnis产于红沟剖面齐古组下部紫红色中-厚层状砂岩层面上(图2)。化石保存类型为半浮雕,Cylindricum、Palaeophycus和Planolites为内生迹,Sellaulichnus、Circulichnis为表生迹(图3)。

图2 齐古组岩性柱状图Fig.2 Lithological histogram of the Jurassic Qigu Formation in study area

圆柱迹CylindricumLinck, 1949

圆柱迹未定种Cylindricumichnosp.

描述：垂直的管状潜穴,潜穴充填物呈塞子形,下端圆而不尖,壁光滑,直径约5 mm,垂直长度约2 cm(图3-A)。潜穴充填物与周围沉积物一致,颜色为杂色,下部被齐古组紫红色泥岩所染。潜穴充填物结构较均一,缺乏构造,可能为被动充填(图3-A)。

讨论:Cylindricum为动物的居住迹。本次研究的Cylindricum潜穴壁光滑无构造,未见薄膜状衬里。而生物长期居住的潜穴,多具有遗迹墙壁,这种遗迹墙壁是生物为加固管穴所分泌出的有机物质与沉积物混筑而成,常形成一层保护膜。Cylindricum是陆相盆地常见的遗迹化石,在中国主要发育在吐哈盆地侏罗系[8]、辽河盆地第三系[22]、东濮凹陷古近系[23]、松辽盆地白垩系[24]、河南西峡盆地白垩系[25]、鄂尔多斯盆地三叠系[26],也偶见于奥陶系马家沟组海相地层中[27]。Cylindricum在陆相盆地中代表了深度较浅、水动力较高、沉积物时常暴露的环境,可能指示湖滨高能带、三角洲水下分流河道、曲流河水道和边滩以及辫状河水道和心滩等[23-24]。

古藻迹PalaeophycusHall,1847
管状古藻迹PalaeophycustubularisHall,1847

描述：亚圆柱形不分枝潜穴,潜穴形态笔直,潜穴壁薄且光滑,直径粗细不规则,尖端变细,长20～100 mm,直径3～6 mm(图3-B)。遗迹潜穴充填物的成分与围岩相同,充填物不具有构造,较致密,颜色与母岩相近。保存为内生迹,呈凸起状(图3-B)。

讨论：Palaeophycus是由Hall(1874)发现并命名的,最初Hall认为Palaeophycus是藻类的碎片故名古藻迹,后来多地报道了该类遗迹,普遍认为Palaeophycus是内生动物的爬迹或开放居住的潜穴,造迹动物是捕食性的多毛类、蠕虫类或者腹足类[28]。Palaeophycus与Planolites的主要区别是,Palaeophycus常具有衬里、不分叉、充填物的颜色与成分与周围母岩相同[2]。Palaeophycus为广相遗迹,在海相和陆相均有发现,分布地点与分布时代也较为广泛,从前寒武纪到现代均有发育。Palaeophycustubularis在中国主要发育在扬子地区寒武系、奥陶系、泥盆系,内蒙古乌海奥陶系,新疆塔里木盆地奥陶系[2]。张锋等[29]在重庆万州侏罗系湖相地层中发现了Palaeophycus的新种,并命名为Palaeophycustiefengshanensis。与本文在北天山侏罗系陆相地层中发现的Palaeophycustubularis相比,Palaeophycustiefengshanensis潜穴弯曲且粗大,直径最大可达8 cm,外壁具瘤状突起,表明该造迹生物个体形态较大且更复杂。

漫游迹PlanolitesNicholson,1873

贝弗利漫游迹PlanolitesbeverleyensisBilling,1862

描述：亚圆柱形潜穴,形态略弯曲,平行层面分布,潜穴不分枝,长10 cm,直径5～8 mm(图3-C)。潜穴充填物成分与周围母岩不同,表面光滑,颜色比围岩略浅(图3-C)。

讨论：Planolites的潜穴一般无衬里,潜穴充填物与围岩不同,属于食沉积物动物的觅食构造[30]。Planolites与Palaeophycus不仅在潜穴充填物的成分和颜色上有所区别,潜穴边界是否具有衬里也是重要的区分标志[31]。塔西河剖面齐古组上部出露的Planolites与杨式溥等[2]总结的Planolitesbeverleyensis的形态特征一致,其特征是比PlanolitesmoutanusRichter, 1 937个体形态较大,较弯曲。Planolites的时空分布比较广泛, 海相和陆相地层中均常见[11,32-34]。其中在华北板块的众多陆相盆地如早三叠世和尚沟组中发育,有Planolitesbeverleyensis和Planolitesmontanus两个遗迹种和一个Planolitesisp.[35]。和尚沟组中的Planolitesbeverleyensis形态特征与本文的基本一致,沉积于滨浅湖相[35]。陆相的Planolites也常见于松辽盆地的上白垩统中,既可见于浅水湖滨低能环境、泛滥平原和三角洲平原,也可见于深水湖泊环境[36]。

鞍槽迹SellaulichnusJiang,1982

鞍槽迹未定种Sellaulichnusichnosp.

特征：长而弯曲的沟槽状遗迹,呈簇状出现,表面被染色沟槽结构不明显;槽两侧为凸起的边脊,高出层面,迹宽4～6 mm,横切面呈凹字形,两侧对称,槽内无装饰(图3-D)。

讨论：本次发现的Sellaulichnus的大小和内部形态与Sellaulichnusmeishucunensis接近,但后者呈角状弯曲的单槽型遗迹。Sellaulichnusmeishucunensis细窄,槽内无装饰,可能是个体较小的具有成对附肢的软驱节肢动物的移迹[2]。Sellaulichnus首次发现于云南晋宁下寒武统梅树村组中,为潮下带的产物[37],而在陆相地层中则鲜有报道,本文在北天山地区齐古组发现的Sellaulichnus是陆相地层为数不多的沉积记录。齐永安[38]在华北板块陆相沉积的元古界汝阳群梦山组中发现了类似水平移迹Dydimaulichnus,该遗迹化石与Planolites和Palaeophycus共生,发育在梦山组上部,属河流沉积环境。本次发现的Sellaulichnus与Dydimaulichnus相比,层面上的沟槽更明显,化石丰度较高,可能是地质年代相差相对较大,不同生物形成的“异物一迹”的结果。

圆环迹CirculichnisVyalov,1971

山地圆环迹CirculichnismontanusVyalov,1971

特征：沿层面分布的椭圆形潜穴,构成完全闭合的环形,椭圆不规则,长轴7.5 cm,短轴3.5 cm,其中一个长轴顶端略尖(图3-E)。椭圆形潜穴为细长的通道,直径约4 mm,潜穴内不光滑,呈瘤状,沿层面向潜穴底部凹2 mm(图3-E)。

讨论：Circulichnis的造迹生物可能为似蠕虫类,保存在岩层上表面或岩层下底,为广相类型[30]。本次发现的Circulichnis在形态上与杨式溥等[2]总结的Circulichnismontanus相似,但前者个体较大,潜穴直径也较粗。目前在已发现的Circulichnismontanus中,不同产地的形态也稍有不同,例如西藏上三叠统的Circulichnis呈不规则的圆环,而内蒙古乌海中奥陶统产出的Circulichnis呈近圆形[2]。但Circulichnismontanus总体上环形潜穴的切线方向不分枝,环形潜穴内每隔一定距离具有“瘤”状。Circulichnis发现于青海上三叠统、西藏上三叠统、江苏徐州中寒武统、内蒙古乌海中奥陶统等,西藏上三叠统的Circulichnis见于三角洲前缘潮坪和潟湖环境[2,39]。Circulichnis也是陆相遗迹化石Mermia相常见分子,Mermia遗迹相代表了富氧的深水湖泊环境[40]。

3 古生态与古环境分析

本次发现的遗迹化石属种、丰度及在剖面发育层位比较有限,如建立遗迹组构其遗迹学属性特征亦不明显。这些遗迹化石的生态学意义可通过遗迹化石组合、造迹生物与围岩沉积学的总体特征加以阐释。根据R.K.Pickerill[41]对遗迹群落的定义,遗迹化石组合是一定环境中生物群落的产物,是了解生物与环境之间关系的重要窗口。通过在新疆北天山玛纳斯地区实测的2条齐古组剖面,共识别出5个遗迹属,总计3个遗迹种,其中2个属未定种。根据生态习性分类,可分为居住迹:Cylindricum、Palaeophycus、Circulichnis;觅食迹:Planolites;爬行迹:Sellaulichnus。

3.1 研究区齐古组古生态特征分析

准噶尔盆地齐古组整体上为一套陆相红层,可能为干旱-半湿润气候条件下的河、湖相沉积。在中国北方诸多盆地的侏罗系陆相红层中,通常化石稀少,精细的古生态及古生物年代学研究仍存在制约[42]。在玛纳斯红沟剖面齐古组孢粉化石较发育,前人通过其年代学研究,认为齐古组的时代为晚侏罗世Oxfordin-Kimmeridgian,顶部年龄为155.3 Ma,沉积时间约5.5 Ma[17,43]。而锆石年龄显示齐古组时代为中侏罗世Callovian,其底部年龄大致为164.6 Ma[44]。总的来说,研究区齐古组的遗迹化石所反映的是该区中-晚侏罗世的底栖生态面貌。中-晚侏罗世中国北方地区主体处于陆地环境,动植物繁盛,大型脊椎动物恐龙成为整个生态系统的优势种群[45]。就目前的资料来看,研究区在齐古组沉积时期植物十分繁盛,主要包含蕨类植物沙椤科、松科以及苏铁等植物,形成针、阔混交林[17];微体动物见节肢动物门甲壳纲介形类动物[46];脊椎动物见中鳄亚目的Mesosuchia,副鳄科的Paralligatoridae[18]。相比同时期的辽西北票地区的髫髻山组,其木化石也表明植被的主要类型为松柏类[47],应属于季节性明显的亚热带到暖温带气候。然而该时期丰富的植物(生产者)必然会为动物(消费者)提供生存条件,齐古组实体动物化石的缺失加大了该区整体生态特征面貌复原的难度,本次在齐古组发现的遗迹化石,丰富了研究区在该时期底栖低等生物的生态面貌。

在塔西河剖面中见Cylindricumichnosp.、Palaeophycustubularis、Planolitesbeverleyensis、Sellaulichnusichnosp.。岩石层面上Palaeophycustubularis丰度较高,总体化石密度和遗迹化石分异度较低,造迹生物的生态习性以居住为主,可见爬行迹Sellaulichnusichnosp.与其共生,表明造迹生物的生存压力较大;Palaeophycustubularis与Planolitesbeverleyensis在同一层面上可见交切,两类造迹生物可能为共生或竞争关系(图4)。Planolites(漫游迹)是蠕虫类生物在沉积底质中持续挖掘沉积物寻找食物而形成。在觅食过程中底质形成洞穴,其中充填了由蠕虫体内排出的沉积物[41]。研究表明,这些沉积物中富含了一个复杂的微生物生态系统,这些微生物的诱导矿化又对Planolites遗迹化石的保存起到了积极的作用[48];Cylindricumichnosp.为单独潜穴,充填物不具构造,为被动充填,可能为造迹生物短期停歇的场所。红沟剖面的遗迹化石目前在紫红色砂岩层面上仅发现Circulichnismontanus,见有少量未能鉴定出遗迹属的生物潜穴构造与层面上可能为生物成因的凹坑。Circulichnismontanus为造迹生物居住形成的闭合椭圆形潜穴,潜穴环内部不平整表明造迹生物个体外表形态也较为复杂。根据这些遗迹化石的大小、形态和共生关系,认为研究区齐古组具有一个物种丰富的低栖生态系统,反映了蠕虫类、腹足类或节肢类动物在沉积底质上居住、觅食和爬行。这些生物的居住行为占优势,表明该区域沉积底质上的水为富氧-充氧状态,同时也面临着沉积环境变化的压力而无法进行更复杂的生物行为。

图4 齐古组遗迹化石组合特征及沉积模式Fig.4 The characteristics and sedimentary model of trace fossils of the Qigu Formation

3.2 遗迹化石组合及沉积环境分析

遗迹化石组合一般受沉积环境控制,本文发现的遗迹化石对于区域上齐古组沉积环境的精细刻画具有一定的参考意义[1]。本次在塔西河剖面齐古组88～95 m处发现两层遗迹化石(图4),自下而上,第一层主要由爬行迹Sellaulichnu构成;第二层主要由居住迹Cylindricum、Palaeophycus,觅食迹Planolites组合构成。第二层遗迹化石以分异度低为特征,居住迹和觅食迹为主。该遗迹组合与Scoyenia遗迹相的特征相似,其中Palaeophycus和Planolites是Scoyenia遗迹相的主要遗迹属。Scoyenia遗迹相一般指非海相砂岩、页岩以及红层中的遗迹化石组合[49-50]。以相对较低的分异度、偶尔由单一遗迹属组成、与某些海相遗迹组合具有相似性为主要特征[51]。后经遗迹学家们不断地修正,目前Scoyenia遗迹相主要指由小型水平进食潜穴、垂直潜穴、弯曲的爬行移迹、拖迹、足迹及小型植物根迹构成的遗迹组合,造迹生物包括节肢动物、脊椎动物和植物,常与其共生构造有干裂痕、雨痕等,指示周期性暴露地表或覆水极浅的非海相低能环境[52]。红沟剖面齐古组17～30 m 处的遗迹化石以Circulichnis为主,层面上发育大量疑似生物遗迹的构造(图4)。

北天山地区齐古组整体上以深褐红色泥岩和褐红色砂岩为主,泥岩多于砂岩,主要为在干热气候条件下形成的辫状河三角洲和曲流河沉积[17]。塔西河剖面齐古组底部发育一套薄层泥岩和较厚层的砂组成的河床滞留沉积,向上有一部分被第四系覆盖;在剖面下部发育较厚层的边滩和河床滞留环境的砂岩沉积,向上转变为薄层泥岩和薄层的砂岩夹层;在剖面中部出现可能为堤岸沉积的薄层状泥岩、砂岩的频繁互层(图2);在剖面顶部出现大段的河漫滩环境泥质粉砂岩。遗迹化石发育段(88～95 m)岩性为紫红色泥岩与杂色(或黄绿色)泥质粉砂岩频繁互层,粉砂岩层面不平整,见小型交错层理和滑塌构造(图5-A、C) 。微观上可见石英、长石和少量的岩屑,石英颗粒以单晶为主,长石以钾长石为主,碎屑颗粒整体磨圆度较差(图5-B)。综合岩性组合及特征、沉积构造分析,塔西河剖面齐古组遗迹化石发育段(88～95 m)很可能为曲流河堤岸环境沉积。

红沟剖面齐古组整体呈紫红色,下部泥岩较多,上部砂岩较多,主要为一套河流相沉积[17]。遗迹化石发育段(17～30 m)为一套紫红色中-厚层状泥岩和砂岩组合,砂岩中平行层理发育,砂岩层面见雨痕构造(图5-D)。显微岩石学研究结果显示该段砂岩碎屑颗粒主要类型为石英、长石、岩屑,分选性中等,磨圆度为次棱角状(图5-E)。砂岩粒度分析显示概率累积曲线主要表现为高斜率跃移及悬移二段式(图 5-F),跃移组分含量较高,悬移组分含量较低,沉积物粒度变化范围很窄,总体粒度较粗,反映沉积水体能量高、跃移式搬运、沉积速率快的牵引流特征。综合分析认为红沟剖面齐古组遗迹化石发育段(17～30 m)可能为曲流河的边滩-河漫滩环境沉积。

图5 齐古组遗迹化石发育段沉积岩特征Fig.5 Characteristics of sedimentary rocks in the trace-fossil-bearing Qigu Formation(A)塔西河剖面遗迹化石发育段的滑塌构造;(B)塔西河剖面遗迹化石发育段的粉砂岩显微特征;(C)塔西河剖面遗迹化石发育段交错层理;(D)红沟剖面遗迹化石发育段的雨痕构造;(E)红沟剖面遗迹化石发育段的粉砂岩显微特征;(F)红沟剖面遗迹化石发育段的砂岩粒度统计

综合遗迹化石发育段的沉积学特征,北天山地区齐古组Planolites遗迹化石组合与曲流河沉积环境密切相关。

4 结 论

a.在新疆北天山玛纳斯地区新发现了陆相遗迹化石,产于玛纳斯县的塔西河剖面和红沟剖面上侏罗统齐古组,初步鉴定出5个遗迹属、3个遗迹种、2个未定种:Cylindricumichnosp.,Palaeophycustubularis,Planolitesbeverleyensis,Sellaulichnusichnosp.,Circulichnismontanus;

b.研究区齐古组沉积时期底栖生态面貌为蠕虫类、腹足类或节肢类动物在沉积底质上居住、觅食和爬行,其中居住行为占优势。通过遗迹化石属种、特征、遗迹化石丰度和分异度以及沉积学特征综合分析,认为该区齐古组遗迹化石发育层位的沉积环境可能为富氧的曲流河。