沁水盆地位于山西省东南部, 整体上呈北北东向展布, 古构造上属于华北地台中带山西隆起二级构造带上的一个三级构造单元, 是华北晚古生代成煤期之后由断块差异性抬升形成的山间断陷盆地(贾建称, 2007; 徐振永等, 2007)。在太原组沉积时期, 盆地中存在一个近北东向的沁水水下隆起, 处于昔阳— 灵石— 翼城一线范围内, 轴线大约在阳城— 左权一线。西南部为中条古陆, 其分布范围相对于本溪组沉积时期有所缩小, 分布区域可能在夏县— 三门峡— 潼关一带, 北东部与沁水水下隆起之间以一低凹地带相连(张志存, 1985)。关于沁水盆地太原组的时代归属, 张志存(1986)、王志浩和文国忠(1987)对各层石灰岩中的牙形刺和类动物化石开展了系统研究, 建立了Streptognathodus elongatus组合带和Pseudoschwagerina带, 时代上归属于Asselian-Artinskian期。陵川地区太原组则自第1层稳定灰岩至太原组顶部的时代属于早二叠世, 但下部碎屑岩段的时代因缺乏标准化石证据, 尚难以界定, 目前因其下存在本溪组而归属上石炭统。

沁水盆地所出露地层整体上呈现出从盆地中心至盆地边缘由新变老的趋势, 太原组则主要分布于盆地周缘地区。另外, 太原组灰岩厚度整体上呈现出从西北到东南由小变大的规律性(邵龙义等, 2006), 同时, 其层数也呈现由少到多的趋势(山西地质矿产局, 1989)。在陵川地区, 太原组发育多层灰岩, 且厚度相对较大, 其中, 附城镇老金沟剖面是国内外学者广泛熟知的剖面, 然而近年来由于自然风化和人为的原因, 破坏严重, 因此文中选取邻近的松窑沟剖面作为主要研究剖面(图 1)。

图1

Fig.1

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	图1 晋东南沁水盆地松窑沟剖面位置Fig.1 Location of Songyaogou section in Qinshui Basin, southeastern Shanxi Province

山西陵川附城一带松窑沟剖面太原组出露良好, 总厚度为78.27 m, 共发育7层灰岩(即L₁-L₇灰岩)。通过臭煤、香煤和砂岩层等标志层位的对比, L₁— L₇灰岩与前人所命名的灰岩层自下而上的对应关系为:L₁灰岩为松窑沟灰岩(K₂灰岩)、L₂灰岩为松窑沟灰岩之上紧邻的泥质灰岩层, L₃灰岩为老金沟灰岩(K₃灰岩)、L₄灰岩为崇福寺灰岩( K3上灰岩)、L₅灰岩为红矾沟灰岩(K₄灰岩)、L₆灰岩为滩山洼灰岩( K4上灰岩)、L₇灰岩为附城灰岩(K₅灰岩)。邻近的老金沟剖面在L₇灰岩上下各发育有1层泥灰岩, 但在松窑沟剖面尚未发现该泥灰岩层的存在。松窑沟剖面的太原组与下伏本溪组及上覆山西组均呈整合接触。

太原组是一套由陆源碎屑岩、煤和海相碳酸盐岩组成的海陆交互相沉积, 属于陆表海多堡岛与碳酸盐岩台地复合沉积体系(贾建称, 2007)。依据岩性特征可划分为下部碎屑岩段、中部灰岩段、上部碎屑岩段和上部灰岩段(图 2)。下部碎屑岩段由陆源碎屑和煤组成, 主要岩性为灰白色细粒石英砂岩、深灰色铝土质泥岩、灰白色粉砂岩、泥岩, 其间夹煤层和煤线, 碎屑岩段顶部为区域性普遍可采的15^#煤层。中部灰岩段是由海相石灰岩与碎屑岩组成的旋回性沉积, 含有灰岩6层, 岩性为深灰色— 灰黑色中— 厚层状含燧石生物碎屑灰岩、薄层状泥质灰岩、泥灰岩、中粒砂岩、细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、碳质泥岩和煤, 通常, 各层灰岩之下均发育有煤层, 通过镜下观察, 灰岩中的颗粒主要是粉晶和泥晶。上部碎屑岩段则是由中粒砂岩、粉砂岩、泥岩、碳质泥岩和煤层组成。上部灰岩段由深灰色中— 厚层状生物碎屑灰岩和顶部的硅质岩组成。

太原组灰岩层中含有大量生物碎屑, 主要包括有孔虫、棘皮类、介形类、腕足类、腹足类、双壳类和苔藓虫, 其次还含有少量的三叶虫碎片、钙质海绵骨针及钙藻类等, 基本上为正常浅海环境中的底栖生物。煤层、泥岩和粉砂岩中保存有较丰富的植物化石, 主要为真蕨纲、种子蕨纲、石松纲和楔叶纲等在热带、亚热带潮湿气候环境下繁盛的典型煤沼植物(常江林和高强, 1993)。

图2

Fig.2

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	图2 晋东南沁水盆地松窑沟剖面太原组特征Fig.2 Stratigraphic characteristics of the Taiyuan Formation of Songyaogou section in Qinshui Basin, southeastern Shanxi Province

根据岩性、沉积构造、实体化石和遗迹化石的组成、产状和分布特征分析, 研究区太原组灰岩主要形成于气候温暖、水体较浅且坡度极缓的陆表海沉积环境, 并可进一步划分出4种沉积环境:(1)海湾— 潟湖; (2)浅海上部; (3)浅海中部; (4)浅海下部。

本次工作在陵川地区太原组灰岩中发现较丰富的遗迹化石, 经鉴定有10个遗迹属14个遗迹种:Zoophycos lingchuanensis ichnosp.nov.(图 3-A), Zoophycos aff.caudagalli(图 3-B), Zoophycos isp.1(图 3-C), Zoophycos taiyuanensis(图 3-D), Zoophycos isp.2(图 3-E), Palaeophycus heberti, Helminthopsis isp., Planolites montanus, Teichichnus rectus, Nereites isp., Chondrites isp., Thalassinoides isp., Ophiomorpha isp.和Rhizocorallium kueichouensis。通过对上述遗迹化石的进一步分析, 发现其分布、组成及产状具有以下特征(图 4):

1)陵川地区太原组中遗迹化石广泛发育于各层灰岩中, 而且主要出现在各灰岩层的中上部, 有机质和泥质含量较大, 遗迹化石的丰度和分异度均较高, 多为层面和层内产出的觅食迹和进食迹, 特别是在中部灰岩段的L₃灰岩中, 遗迹化石的丰度和分异度达到最高, 发育有Zoophycos, Palaeophycus, Planolites, Teichichnus, Ophiomorpha, 这表明遗迹化石的分异度、丰度与营养物质的供应、含氧量等具有正相关性。

2)在太原组中, Zoophycos遗迹化石虽然在各层灰岩中均有产出, 但其大小、丰度和潜穴充填物颜色均存在较为明显的差异。就Zoophycos个体的大小而言, 可识别的最小个体宽度仅1 mm, 最大个体的宽度能够达到8, mm左右, 可见长度从3, cm到30 cm。各层灰岩中Zoophycos的丰度差别也较大, 例如在L₂灰岩层中, 仅在下部发现少量个体较大的灰色充填的Zoophycos潜穴; L₆灰岩下部发育多期风暴沉积, 该沉积中尚未发现有Zoophycos遗迹化石; L₇-1分层为滩相沉积, 其灰岩的显微颗粒较粗, 大多为粗粉晶, 未出现Zoophycos遗迹化石, 而在该层的中— 上部则含有较多近垂直的潜穴, 说明水动力较强的环境不利于Zoophycos造迹生物的生存。

3)Zoophycos潜穴中充填物的颜色不同, 可大致分为黑色、红褐色、土黄色、灰色和灰白色。Zoophycos回填纹的形态也具有新月形、舌形和矩形之分, 具黑色充填物且个体较小的Zoophycos往往出现于离层面较深的岩层中, 具土黄色、红褐色或灰白色充填物的Zoophycos则出现在层面附近。具灰白色充填物的Zoophycos个体均较大, 部分回填纹为矩形。具黑色充填物且个体较小的Zoophycos层之下的Zoophycos通常个体相对较大, 并与层面之间有一定的交角, 甚至出现Zoophycos之间相互截切的现象。这些特征均表明, 在每次灰岩沉积开始和结束的时期是非常适合Zoophycos造迹生物生存的, 这一方面可能是因为环境条件较为适宜, 另一方面也可能是生存竞争的压力较小。

4)L₁-6灰岩中Nereites和Chondrites相互伴生在一起, 与零散分布的藻纹层呈韵律性交替出现, 遗迹化石层与藻纹层的层厚一般在5, cm左右。藻纹层中藻丝呈现出相对富集的团块状, 而并非是席状产出。通常Nereites和Chondrites为深水型遗迹化石, 常处于贫氧或缺氧的环境条件, 说明这些藻丝体为异地搬运而来, 并非原地生长。

图3

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	图3 晋东南沁水盆地松窑沟剖面太原组灰岩中的Zoophycos遗迹化石 A— 层面上的Zoophycos lingchuanensis ichnosp.nov., 产于L7灰岩; B— 层面上的Zoophycos aff.caudagalli , 产于L6灰岩; C— 层面上的Zoophycos isp.1, 产于L6灰岩; D— 层面上的Zoophycos taiyuanensis, 产于L3-3灰岩; E— 层面上的Zoophycos isp.2, 产于L4灰岩; A, B, C 右图为左图的素描图Fig.3 Zoophycos in limestone of the Taiyuan Formation of Songyaogou section in Qinshui Basin, southeastern Shanxi Province

图4

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	图4 晋东南沁水盆地松窑沟剖面太原组中遗迹化石的分布特征Fig.4 Distribution characteristics of ichnofossils in the Taiyuan Formation of Songyaogou section in Qinshui Basin, southeastern Shanxi Province

图5

Fig.5

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	图5 晋东南沁水盆地松窑沟剖面太原组遗迹组合中的部分遗迹化石 A— Thalassiniodes, 产自L1-7灰岩; B— Ophiomorpha, 产自L3-2灰岩; C— Palaeophycus(右侧为素描图), 产自L2-2灰岩层面; D— Rhizocorallium(右侧为素描图), 产自L7-2灰岩; E— 具黑色充填物的Zoophycos(箭头所示), 产于L1-5灰岩; F— Nereites(箭头所示), 产自L1-6灰岩Fig.5 Part of trace fossils in ichnoassemblages of the Taiyuan Formation of Songyaogou section in Qinshui Basin, southeastern Shanxi Province

山西陵川地区太原组中的遗迹化石, 依据其组成、产状特征及其围岩的沉积特征, 可识别出4种遗迹化石组合:(1)Zoophycos-Thalassinoides遗迹组合; (2)Planolites-Helminthopsis遗迹组合; (3)Zoophycos-Teichichnus遗迹组合; (4)Nereites-Chondrites遗迹组合。

5.2 Planolites-Helminthopsis遗迹组合

该组合主要由一些与层面平行或近平行的觅食潜穴和进食潜穴所组成, 包含有Zoophycos、Palaeophycus、Helminthopsis、Planolites和近水平产出的U形潜穴Rhizocorallium等(图 5-C, 5-D), 发育于L₂-2灰岩顶部、L₃-3灰岩和L₇-2灰岩。遗迹化石分异度和丰度均较高, 潜穴密度大, 部分潜穴相互交织叠覆在一起, 原生层理几乎完全破坏, 说明水体含氧量高、沉积物中养料充足, 非常适合生物生存。Helminthopsis是一种沿层面水平分布的蛇曲形觅食拖穴, 是常见的穿相化石, 它从边缘海、浅海至深海环境中均可出现, 但它总与水动力条件较低的静水环境有关, 在正常盐分浅海和低能海湾环境为多。Rhizocorallium可分为水平型和倾斜型, 水平型常出现于深水低能环境, 因此它可能出现于靠近正常天气浪基面的环境(夏邦栋等, 1993; Hu et al., 2010)。上述遗迹化石的产状特征表明, 该遗迹组合形成于平均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。

图6

Fig.6

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图6 晋东南沁水盆地太原组遗迹化石组合的沉积环境模式 Ⅰ — Zoophycos-Thalassinoides遗迹组合; Ⅱ — Planolites-Helminthopsis 遗迹组合; Ⅲ — Zoophycos-Teichichnus 遗迹组合; Ⅳ — Nereites-Chondrites 遗迹组合; Ch— Chondrites; H— Helminthopsis; N— Nereites; O— Ophiomorpha; Pa— Palaeophycus; P— Planolites; Rh— Rhizocorallium; Te— Teichichnus; Th— Thalassinoides; Z— ZoophycosFig.6 Sedimentary environmental model of ichnoassemblages in the Taiyuan Formation in Qinshui Basin, southeastern Shanxi Province

本次工作主要以晋东南陵川附城一带的太原组露头为研究对象, 通过对野外剖面岩性、遗迹化石、实体化石以及沉积特征的详细描述, 并在室内对化石样品和岩石样品进行仔细鉴定和显微分析, 主要取得了以下新进展:

1)在晋东南陵川附城一带太原组灰岩中发现了丰富的遗迹化石, 已鉴定出10个遗迹属14个遗迹种(含1个新种), 包括Zoophycos taiyuanensis, Zoophycos aff.caudagalli, Zoophycos lingchuanensis ichnosp.nov., Zoophycos isp.1, Zoophycos isp.2, Palaeophycus heberti, Helminthopsis isp., Planolites montanus, Teichichnus rectus, Nereites isp., Chondrites isp., Thalassinoides isp., Ophiomorpha isp.和Rhizocorallium kueichouensis等。

2)依据遗迹化石的组成、产状特征以及围岩的沉积特征, 建立了4种遗迹组合: Zoophycos-Thalassinoides遗迹组合(遗迹组合1); Planolites-Helminthopsis遗迹组合(遗迹组合2); Zoophycos-Teichichnus遗迹组合(遗迹组合3)和 Nereites-Chondrites遗迹组合(遗迹组合4)。

3)在对遗迹化石及其围岩沉积特征综合分析的基础上, 提出了研究区太原组灰岩中遗迹组合的沉积环境模式, 其中遗迹组合1分布于海湾— 潟湖沉积环境, 遗迹组合2产自浅海上部沉积环境, 遗迹组合3出现于浅海中部沉积环境, 遗迹组合4发育于浅海下部沉积环境。