准噶尔西北部塔尔巴哈台组早石炭世植物和遗迹化石的发现及其古地理意义
纵瑞文1, 范若颖1, 赵龙1, 龚一鸣1, 王国灿2
1 中国地质大学生物地质与环境地质国家重点实验室,湖北武汉 430074
2 中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室,湖北武汉 430074

通讯作者简介 龚一鸣,男,中国地质大学(武汉)教授,主要从事泥盆系、遗迹化石和沉积地质学研究。E-mail:ymgong@cug.edu.cn

第一作者简介 纵瑞文,男,1988年生,现为中国地质大学(武汉)古生物学与地层学博士研究生。E-mail:zong_1658@126.com

摘要

首次在准噶尔西北部塔尔巴哈台组上部发现了早石炭世维宪期植物化石Archaeocalamites scrobiculatus,Sublepidodendron grabaui,S. mirabile,S. cf. mirabile,Sublepidodendron sp.,Lepidodendropsis sp.,Mesocalamites sp.,Sigillaria sp.,Rhodiopteridium? sp.,Knorria sp.,证实了该组的时代可延续到早石炭世。根据研究区塔尔巴哈台组和上覆黑山头组的生物组合面貌及二者的接触关系,论证了塔尔巴哈台组顶部和黑山头组在准噶尔西北部具有明显的穿时性,前者从杜内期延续到维宪期,后者从杜内期延续到谢尔普霍夫期。与植物化石共同保存的深水相遗迹化石指示了塔尔巴哈台地区在早石炭世早中期为半深海—深海沉积环境,不同于东部吉木乃地区同期的滨浅海沉积环境,说明准噶尔西北部在早石炭世存在着不同的沉积体系。北疆地区早石炭世广泛的海侵活动以及额尔齐斯—斋桑洋向南侧哈萨克斯坦板块俯冲是造成这种沉积差异的主控因素,同时也造成了塔尔巴哈台组和黑山头组在区域上具穿时性。

关键词: 塔尔巴哈台组; 植物化石; 早石炭世; 遗迹化石; 沉积环境; 古地理; 准噶尔西北部
中图分类号:Q911.5 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2014)03-0319-16
Discovery of Early Carboniferous plant and trace fossils from the Ta'erbahatai Formation in northwestern Junggar and its palaeogeographical significance
Zong Ruiwen1, Fan Ruoying1, Zhao Long1, Gong Yiming1, Wang Guocan2
1 State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology,China University of Geosciences,Wuhan 430074,Hubei
2 State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources,China University of Geosciences,Wuhan 430074,Hubei

About the corresponding author Gong Yiming is a professor of China University of Geosciences(Wuhan),and he is mainly engaged in researches of the Devonian,trace fossils and sedimentary geology. E-mail:ymgong@cug.edu.cn.

About the first author Zong Ruiwen,born in 1988,is a Ph.D. candidate of paleontology and stratigraphy at China University of Geosciences(Wuhan). E-mail:zong_1658@126.com.

Abstract

The Early Carboniferous Visean plant fossils are reported for the first time from the upper part of the Ta'erbahatai Formation in northwestern Junggar,including Archaeocalamites scrobiculatus, Sublepidodendron grabaui, S. mirabile, S. cf. mirabile, Sublepidodendron sp., Lepidodendropsis sp., Mesocalamites sp., Sigillaria sp., Rhodeopteridium?sp. and Knorria sp.. This floral assemblage demonstrates that the age of the Ta'erbahatai Formation can be extended to the Early Carboniferous. The uppermost Ta'erbahatai Formation and its overlaying Heishantou Formation are obviously diachronous on the basis of fossil evidences and contact relationships of strata. The age of the uppermost Ta'erbahatai Formation extends from the Tournaisian to Visean and the Heishantou Formation is from the Tournaisian to Serpukhovian. Deep-sea trace fossils preserved together with plant fossils indicate bathyal-abyssal environment in the Tarbgatay area during the early-middle Early Carboniferous,in contrast to the littoral and shallow marine conditions in the Jimunai area at the same time. The different sedimentary systems are largely attributed to the extensive transgression in northern Xinjiang and the subduction of the Irtysh-Zaysan Ocean Plate under the Kazakhstan Plate during the Early Carboniferous,which also account for the diachroneity of the uppermost Ta'erbahatai Formation and Heishantou Formation in northwestern Junggar.

Key words: Ta'erbahatai Formation; plant fossil; Early Carboniferous; trace fossil; sedimentary environment; palaeogeography; northwestern Junggar
1 概述

准噶尔西北部是中亚造山带或北亚造山区的重要组成部分(李锦轶等, 2006; Windley et al., 2007; Han et al., 2010), 区域内泥盆系— 石炭系分布广泛(新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1993, 1999), 基础地层学及与之密切相关的古生物学和古地理学研究已在区域内沙尔布尔提山一带开展了较多的工作(吴乃元和王明倩, 1983; 许汉奎等, 1990; 赵治信和王成源, 1990; 王宝瑜, 1991; 许汉奎, 1991; 龚一鸣, 1993, 1994; 廖卓庭等, 1993; 龚一鸣和刘本培, 1994; 夏凤生, 1996; 卢礼昌, 1997; Johnny et al., 2003; 王怿等, 2004; Chen et al., 2009; 陈秀琴等, 2009; 卫巍等, 2009; 赵治信, 2009; Chen and Yang, 2011; 匡立春等, 2011; 马学平等, 2011), 而位于中国— 哈萨克斯坦边境的塔尔巴哈台山— 萨吾尔山一带的研究程度很低, 除了20世纪70— 80年代进行1︰20万区域地质调查时在该地区建立了初步的地层层序并对沉积环境进行了简要的分析之外, 之后很长一段时间内仅有极为零星的研究工作在该地区开展(吴乃元, 1991; 曾亚参和肖世禄, 1991; 龚一鸣, 1994; 龚一鸣和刘本培, 1994; 王宇等, 2009)。

塔尔巴哈台山— 萨吾尔山地区处于哈萨克斯坦板块与西伯利亚板块之间, 在晚古生代经历了强烈的板块俯冲、拼合及多次岩浆— 热事件, 构成了这一地区复杂的地质构造背景, 而塔尔巴哈台组作为该区域分布最广、时间跨度最长的一套地层单元, 记录了上述大量的地质事件。然而, 由于塔尔巴哈台组地层厚度巨大、化石稀少, 再加上区域构造活动强烈, 致使该组从上世纪60年代创名以来, 其形成时代和沉积环境一直存有争议。新疆地质局第三区域地质测量大队四分队在创建该组时认为其时代为晚泥盆世至早石炭世, 随后中国地质科学研究所和新疆地质局区域地质测量大队在萨吾尔山、沙尔布尔提山一带进行古生代地层调查时, 将上泥盆统和下石炭统分开, 认为塔尔巴哈台组是只局限于晚泥盆世的沉积, 为一套火山复理石建造。之后在一些区域地质资料(新疆维吾尔自治区区域地层表编写组, 1981)、专著(曾亚参和肖世禄, 1991; 龚一鸣和刘本培, 1994)及论文(新疆地质局区域地质测量大队地层分队和国家计委地质局地质科学研究院地矿所, 1974; 龚一鸣, 1994; 王庆明, 2000; Chen et al., 2010; 王宇等, 2010)中均将塔尔巴哈台组的时代定为晚泥盆世, 但对于其形成环境仍存在不同意见①②③(龚一鸣, 1994; 王宇等, 2010)。《新疆维吾尔自治区岩石地层》一书对地层进行了系统的清理, 恢复了塔尔巴哈台组创名时的划分意见, 并认为该组下部为滨海相或海陆交互相沉积, 上部为浅海相沉积(新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1999)。笔者2010— 2011年在参加1︰25万《铁厂沟镇幅》区域地质调查过程中, 首次在中哈边境库则温一带的塔尔巴哈台组内发现了大量的早石炭世植物化石, 证明了塔尔巴哈台组可延续到早石炭世, 为一跨上泥盆统和下石炭统的岩石地层单位。与植物化石伴生的还有丰富的深水相遗迹化石。基于对新材料的研究, 笔者对塔尔巴哈台组的时代、沉积环境及沉积与构造古地理演化提出了新认识。

2 区域地质背景

塔尔巴哈台组主要分布在准噶尔西北部萨吾尔山至塔尔巴哈台山一带, 地层分区上属于北准噶尔地层分区萨吾尔山地层小区(图 1-a)。大地构造位置方面其主要位于扎尔玛— 萨吾尔岩浆弧带内(Chen et al., 2010)(图 1-b), 北侧的北西— 南东走向的额尔齐斯— 斋桑缝合带是阿尔泰与哈萨克斯坦板块完成碰撞、拼贴及额尔齐斯— 斋桑洋最终闭合的产物(陈家富等, 2010; Han et al., 2010), 与南侧的博什库尔— 成吉斯岩浆弧之间以西塔尔巴哈台— 洪古勒楞蛇绿岩带为构造分界线。扎尔玛— 萨吾尔岩浆弧主要由泥盆系— 下石炭统火山碎屑岩、碎屑岩、火山岩及少量碳酸盐岩、硅质岩组成(新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1999; 朱永峰和徐新, 2006), 还包括少量的上奥陶统— 志留系火山碎屑岩、碎屑岩及碳酸盐岩、硅质岩(蔡士赐, 1988)、上石炭统陆相碎屑岩和火山岩(吴乃元, 1991)以及二叠系的双峰火山岩(Zhou et al., 2008)。

图1 准噶尔西北部地质— 构造简图(图b据Han等(2010)和Chen等(2010)修改; 图a和c据1︰20万区域地质图及1︰25万《铁厂沟镇幅》地质图改编)Fig.1 Geological-tectonic map of northwestern Junggar (figure b modified from Han et al.(2010)and Chen et al.(2010); figures a and c modified from 1︰200000 geological maps, 1︰250000 geological sketch of Tiechanggou Town)

塔尔巴哈台组是扎尔玛— 萨吾尔岩浆弧内分布最为广泛的一套地层, 下部为一套半深海— 深海相浊积岩、硅质岩夹少量中酸性火山岩, 含晚泥盆世植物化石斜方薄皮木Leptophloeum rhombicum Dawson, 拟鳞木属Lepidodendropsis Lutz及深水相遗迹化石(新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1999; 龚一鸣, 1994); 中部为一套浅海相的火山碎屑岩、火山岩及少量碳酸盐岩, 含丰富的腕足类、珊瑚等海相动物化石(吴乃元, 1991); 上部为一套韵律层极为发育的海相复理石建造, 含植物茎干化石及深水相遗迹化石。塔尔巴哈台组上部地层以额敏县达因苏至中哈边境一带出露较好, 所含化石丰富。

研究区出露的地层主要以泥盆系和石炭系为主, 自下而上分别为和布克赛尔组(D1h)、萨吾尔山组(D2s)、塔尔巴哈台组(D3C1t)和黑山头组(C1h), 其中塔尔巴哈台组与下伏萨吾尔山组呈断层接触关系, 与上覆黑山头组呈整合接触关系(图 1-c)。实测剖面沿库则温边防公路分布(图 1-c), 为一套韵律层(薄— 中层为主)极为发育的凝灰质粉砂岩、凝灰质泥质粉砂岩、凝灰质细— 粗砂岩及凝灰质含砾中粗粒砂岩, 夹少量的泥质粉砂岩、泥岩和粉砂质泥岩, 含丰富的植物茎干化石和深水相遗迹化石。其剖面特征如下:

库则温边防公路塔尔巴哈台组实测地层剖面:

上覆地层:下石炭统黑山头组

上部:灰色— 灰绿色、灰褐色安山岩、玄武岩、玄武安山岩及火山角砾岩等。

下部:灰紫色、灰绿色硅质凝灰质粉— 细砂岩、沉凝灰岩、凝灰岩、硅质岩及凝灰质粉砂岩、砂岩等。

— — — — — — — — — 整合— — — — — — — — —

上泥盆统— 下石炭统塔尔巴哈台组(D3C1t):总厚度3443.0 m

14. 灰绿色薄— 中层状凝灰质粉砂岩、泥质粉砂岩夹少量凝灰质中— 粗粒砂岩。厚103.0 m

13. 青灰色— 深灰色中— 厚层状凝灰质细砂岩夹少量凝灰质粉砂岩, 含植物化石Mesocalamites sp. 及遗迹化石Zoophycos isp.等。厚220.6 m

12. 深灰色薄— 中层状凝灰质粉— 细砂岩、泥质粉砂岩, 夹少量黄褐色凝灰质中粒砂岩, 含植物化石Sublepidodendron mirabile(Nathorst)Hirmer, S. grabaui(Sze)Wang et Xu, Sigillaria sp., Mesocalamites sp., Knorria sp.等及遗迹化石Chondrites isp., Scalarituba isp.。厚161.0 m

===========推测断层==========

11. 灰黑色薄— 中层状凝灰质粉砂岩夹少量凝灰质细砂岩, 上部被第四系覆盖。厚437.3 m

10. 深灰色— 灰黑色薄层状凝灰质粉砂岩, 夹少量灰黄色、灰褐色薄— 中层状凝灰质中— 细砂岩, 含植物化石Sublepidodendron sp.。 厚276.9 m

9. 青灰色薄层状凝灰质粉砂岩、凝灰质泥质粉砂岩。厚155.2 m

8. 灰色— 青灰色中— 厚层状凝灰质含砾中— 粗粒砂岩夹薄层状粉砂质泥岩、泥岩。厚348.5 m

7. 灰褐色、灰黄色薄— 中层状凝灰质中— 细粒砂岩(局部含细砾)与灰黑色薄层状泥质粉砂岩互层, 含丰富的植物化石Archaeocalamites scrobiculatus(Schlotheim)Seward, Sublepidodendron sp., Knorria sp., Lepidodendropsis sp.等。厚242.9 m

6. 灰色— 青灰色薄— 中层状凝灰质中— 细粒砂岩与灰色— 深灰色粉砂岩、泥质粉砂岩互层, 其中在凝灰质中— 细粒砂岩中含植物化石Sublepidodendron cf. mirabile, 粉砂岩、泥质粉砂岩中含较多深水相遗迹化石Cosmorhaphe isp., Neonereites isp., Gordia?isp., Phycosiphon isp.等。厚334.4 m

5. 灰黄色中— 厚层状凝灰质细砂岩与灰黑色薄— 中层状凝灰质粉砂岩不均匀互层, 其中粉砂岩中含大量植物碎片化石。厚88.9 m

4. 灰褐色厚层— 块状含细砾凝灰质中粗粒砂岩, 夹少量灰色— 深灰色凝灰质粉— 细砂岩。厚650.8 m

3. 浅灰色— 深灰色薄— 中层状凝灰质细— 粉砂岩, 含植物碎片化石。厚199.1 m

2. 灰黑色薄— 中层状凝灰质粉砂岩夹浅灰色凝灰质细砂岩, 局部可见包卷层理和软沉积变形构造, 凝灰质细砂岩中含植物化石Archaeocalamites scrobiculatus, Rhodiopteridium?sp.和遗迹化石Neonereites isp.等。厚202.6 m

1. 灰绿色、棕黄色薄— 中层状凝灰质细— 中粒砂岩, 岩石较破碎, 局部被第四系覆盖, 含植物化石Knorria sp.。 厚21.8 m

未见底

3 植物化石及其特征

文中植物化石材料全部采集自库则温边防公路剖面, 化石保存在薄— 中层状凝灰质细— 中粒砂岩中, 大部分以印模形式保存, 共有6属10种(包括1相似种和6未定种), 分别为Archaeocalamites scrobiculatus, Sublepidodendron grabaui, S. mirabile, S. cf. mirabile, Sublepidodendron sp., Lepidodendropsis sp., Mesocalamites sp., Sigillaria sp., Rhodeopteridium?sp., Knorria sp.(图 2), 主要属于石松纲和楔叶纲, 并含有极少量的真蕨纲和种子蕨纲。石松纲和楔叶纲在地层的多个层位中均有发现, 其中尤以石松纲的亚鳞木属Sublepidodendron(Nathorst)Hirmer和楔叶纲浅沟古芦木Archaeocalamites scrobiculatus最为丰富; 真蕨纲和种子蕨纲仅在剖面第2层发现1块须羊齿Rhodeopteridium Zimmermann的可疑标本, 这可能是由于这类植物多为叶片状或纤细的枝状, 在长距离搬运过程中容易被水流或波浪击碎破坏, 而石松纲和芦木类多为植物的茎干, 在搬运过程中抗击碎能力较强, 因而能够被较多地保存下来。

图2 准噶尔西北部塔尔巴哈台组上部早石炭世植物化石Fig.2 Early Carboniferous plant fossils from the upper part of Ta'erbahatai Formation in northwestern Junggar

上述植物化石中, Archaeocalamites scrobiculatus是中国华南及西北地区早石炭世维宪期植物群组合的代表分子(吴秀元, 1995), 也是世界性的早石炭世维宪期的标志化石(吴秀元, 1992; 金建华和吴起俊, 2000)。该种在中国浙江钱塘地区叶家塘组(陈其奭, 1987)、陕西山阳二峪河组(邓宝, 1978)、广东测水组(冯少南等, 1982; 金建华和吴起俊, 2001)、甘肃景泰和靖远臭牛沟组(吴秀元等, 2005)、湖南双峰测水组、江苏句容高骊山组(《中国古生代植物》编写小组, 1974)、河南固始杨山组(吴秀元, 1992)和西藏昌都、新疆北部(窦亚伟和孙喆华, 1985)及东北南部(范国清和刘晓峰, 1994; 米家榕等, 2001)等下石炭统中都有过报道, 常与Lepidodendron shanyangense Wu et He, Rhodeopteridium hsianghisangense(Sze)Zhang, Zhao et Wu, Cardiopteridium spetsbergense Nathorst等共生。LepidodendropsisSublepidodendron是早石炭世拟鳞木植物群中最具代表性的属(孙克勤等, 2000), 其中前者的时限为中泥盆世— 早石炭世(《中国古生代植物》编写小组, 1974), 而后者的时限被严格限定在晚泥盆世弗拉期至早石炭世维宪期(王祺和郝守刚, 2003; Wang et al., 2003), 其模式种奇异亚鳞木S. mirabile曾被视为早石炭世的一种世界性重要标准化石或泥盆纪末与石炭纪初的标志种(吴秀元和赵修祜, 1981; 王祺和郝守刚, 2003), 在中国也被作为晚泥盆世法门期植物化石组合带的首要成员(李星学和蔡重阳, 1979; Cai and Li, 1994), 该种在中国早石炭世植物群中有大量的发现及报道(吴秀元和赵修祜, 1981; 冯少南等, 1982; 冯少南, 1984; 沈光隆和孙柏年, 1992; 崔丽和王德明, 2009); 葛利普亚鳞木S. grabaui也是中国晚泥盆世— 早石炭世的常见属种, 在华南上泥盆统— 下石炭统及西藏昌都下石炭统中都有报道(《中国古生代植物》编写小组, 1974; Wang and Xu, 2005; 崔丽和王德明, 2009)。中芦木属Mesocalamites Hirmer, 封印木属Sigillaria Borngn均是石炭纪较常见的植物(《中国古生代植物》编写小组, 1974); Rhodeopteridium?sp.标本保存较差, 未见羽片, 当前保存形态颇似须羊齿属Rhodeopteridium的羽轴, 该属在早石炭世地层中比较常见(吴秀元等, 2005)。根据当前植物群的总体面貌, 尤其是Archaeocalamites scrobiculatus的大量出现, 认为塔尔巴哈台组上部植物群的时代应属于早石炭世维宪期。

这一植物群可以与国内同期的臭牛沟组、测水组、杨山组、二峪河组及叶家塘组植物群进行对比, 它们拥有的共同植物分子为Archaeocalamites scrobiculatus, 在属一级相同的植物分子有Rhodeopteridium, Sigillaria, MesocalamitesSublepidodendron(表 1)。与国外邻近的哈萨克斯坦南部及俄罗斯莫斯科煤田(Moscow Coal Basin)维宪期植物群相比, 虽没有共同种, 但在属一级上3个地区的植物群中都具有古芦木属Archaeocalamites, 与后者的共同属还有SublepidodendronRhodiopteridium(Einor, 1996; Mosseichik and Ruban, 2010)。除去因沉积环境的因素造成塔尔巴哈台组上部植物群中真蕨纲和种子蕨纲偏少外, 与同期植物群的最大差别就是该植物群中缺少其他植物群中常见的鳞木类植物分子, 这一情况不仅是在塔尔巴哈台山一带出现, 甚至整个西准噶尔地区或北疆地区早石炭世维宪期地层中都很少有鳞木类的报道。相反的是, 该植物群中Sublepidodendron属较为丰富, 类型也较多, 包括2种和1相似种及1未定种, 而在其他几个含Archaeocalamites scrobiculatus的维宪期植物群中Sublepidodendron属则是比较少见的(表 1)。中国辽宁太子河流域下石炭统“ 本溪组” 中除了有Archaeocalamites scrobiculatus外(米家榕等, 2001), 也发现了较多的Sublepidodendron属(米家榕等, 1990, 2001), 与本植物群似乎更为相似, 但也有学者认为“ 本溪组” 中众多茎干特别细小的亚鳞木有可能是尚未发育好的鳞木类幼枝(吴秀元等, 2005)。因此, 塔尔巴哈台组上部这一植物群比较特殊。鉴于Archaeocalamites scrobiculatusSublepidodendron较丰富和常见, 笔者建议将这一植物群称为Archaeocalamites scrobiculatus-Sublepidodendron植物组合, 时代为早石炭世维宪期。

表1 新疆准噶尔西北部塔尔巴哈台地区塔尔巴哈台组上部植物群与国内外同期植物群的对比(加粗部分为相同的属或种) Table 1 Comparison of flora in the upper part of Ta′ erbahatai Formation in Tarbgatay area of northwestern Junggar with contemporaneous floras in other areas from China and abroad(Bold characters represent the same genus or species)
4 塔尔巴哈台组时代及其穿时性讨论

塔尔巴哈台组自20世纪60年代被新疆地质局第三区域地质测量大队四分队创名之后, 中国地质科学研究所和新疆维吾尔自治区地质局区域地质测量大队在萨吾尔山、沙尔布尔提山一带进行古生代地层调查时, 将塔尔巴哈台组确定为只限于晚泥盆世的沉积, 之后, 该划分意见被广泛引用(新疆地质局区域地质测量大队地层分队和国家计委地质局地质科学研究院地矿所, 1974; 新疆维吾尔自治区区域地层表编写组, 1981; 曾亚参和肖世禄, 1991; 龚一鸣, 1994; 龚一鸣和刘本培, 1994; 王庆明, 2000; 王宇等, 2009; Chen et al., 2010)。然而中国地质科学研究所和新疆维吾尔自治区地质局区域地质测量大队的这一划分法并不符合岩石地层单位的定义及规定, 《国际地层指南》明确指出“ 岩石地层单位是通过可观察到的物理特征, 而不是通过其推测的年代、所代表的时间跨度、推测的地质历史或形成方式进行识别和定义的” , “ 虽然几乎每个岩石地层单位都是在一个特定的地质时间间隔内形成的, 但这种时间概念在建立或鉴定岩石地层单位及其界线时不起多少作用” (萨尔瓦多, 1994)。因此, 《新疆维吾尔自治区岩石地层》一书在进行地层系统清理时, 又恢复了创名人对塔尔巴哈台组的划分, 但当时该组内并未发现早石炭世的化石, 仅根据它与上覆黑山头组呈整合接触, 而认为其时代可能要延续到早石炭世早期(新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1999)。

塔尔巴哈台山地区塔尔巴哈台组上部Archaeocalamites scrobiculatus-Sublepidodendron植物组合的发现, 为塔尔巴哈台组的时限可延续到早石炭世提供了充分的古生物学证据, 且在塔尔巴哈台地区该组可以延续到维宪期; 而其上覆黑山头组由于缺少典型的杜内期Syringothyris组合, 有学者提出塔尔巴哈台山地区的黑山头组层位可能较晚(吴乃元, 1991), 本次新材料的发现也支持这一观点。根据塔尔巴哈台山地区黑山头组中的动物化石Barrandeophyllum sp., Michelinia laibinensis, Rhopalolasma? sp., Megachonetes sp., Buxtonia sp., Fusella sp., Chonetes sp., Schizophoria sp., Eoschizodus sp., Sangiunolites sp., Nuculopsis sp., Wilkingia sp., Fistulipora sp.(新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1984), 再加上其整合覆盖在塔尔巴哈台组之上, 故将其时代厘定为早石炭世维宪晚期至谢尔普霍夫期较为合适。

值得一提的是, 在塔尔巴哈台山以东的吉木乃县黑山头地区, 塔尔巴哈台组被含Syringothyris动物群的黑山头组整合覆盖(图3-g)(新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1993), 而Syringothyris属曾被认为是西准噶尔地区早石炭世杜内期的标志分子(吴乃元, 1991), 且近年来在邻近的和什托洛盖北部晚泥盆世地层中也有报道(宗普和马学平, 2012), 限定了该地区塔尔巴哈台组的时代上限不会晚于早石炭世杜内期。这说明塔尔巴哈台组在准噶尔地区西北部具有明显的穿时性, 在东部吉木乃地区该组的时代为晚泥盆世至早石炭世杜内早期, 在西部塔尔巴哈台山地区, 其时代为晚泥盆世至早石炭世维宪期, 故该组的时代上限从杜内期延续到维宪期。同样, 黑山头组在该区域也具有穿时性, 在东准噶尔及吉木乃地区其时代为杜内期, 向西至塔尔巴哈台山地区则为维宪晚期— 谢尔普霍夫期(图4)。

Wang et al., 2010; section c after Bureau of Geology and Mineral Resources of Xinjiang Uygur Autonomous Region, 1986; section g after Wu, 1991)'>图3 新疆准噶尔西北部萨吾尔山— 塔尔巴哈台山地区塔尔巴哈台组地层对比 (剖面a和b据王宇等, 2010; 剖面c据新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1986; 剖面g据吴乃元, 1991)Fig.3 Stratigraphic correlation of the Ta'erbahatai Formation in Saur-Tarbgatay Mts. of northwestern Junggar, Xinjiang (sections a and b after Wang et al., 2010; section c after Bureau of Geology and Mineral Resources of Xinjiang Uygur Autonomous Region, 1986; section g after Wu, 1991)

图4 准噶尔西北部地区塔尔巴哈台组和黑山头组穿时性示意图Fig.4 Sketch showing diachroneity of the Ta'erbahatai and Heishantou Formations in northwestern Junggar

5 讨论:塔尔巴哈台组的古环境与古地理
5.1 遗迹化石及其特征

库则温边防公路剖面塔尔巴哈台组上部的细火山碎屑岩表面或内部中保存有大量的遗迹化石(图 5-e, 5-j), 包括:Cosmorhaphe isp., Neonereites isp., Gordia?isp., Phycosiphon isp., Chondrites isp., Scalarituba isp., Zoophycos isp.等; 在邻近的乌什水吉朗特剖面(图 3-f)的相当层位里也发现了较多的Planolites isp., Zoophycos isp., Chondrites isp., Cosmorhaphe isp., Phycosiphon isp.等。上述遗迹化石中Gordia, Scalarituba, Planolites, ChondritesZoophycos为广相(穿相)遗迹化石, 可见于浅海陆棚至深海等不同沉积环境和水深中(Ekdale and Berger, 1978; 晋慧娟和李育慈, 1991; 龚一鸣, 1994; 杨式溥, 1999; Uchman, 2007), 而其余3属均为Nereites遗迹相的重要组成分子(Seilacher, 1967; Frey et al., 1990; 晋慧娟和李育慈, 1998a; 杨式溥, 1999; 杨式溥等, 2004, Uchman, 2009; Rodrí guez-Tovar et al., 2010), 该遗迹相主要分布在远离物源供给的深水区或垂向加积为主的半远洋沉积区(杨式溥, 1999; Uchman, 2003)。上述遗迹化石中, Cosmorhaphe, Neonereites, Phycosiphon, Chondrites, Scalarituba, Zoophycos, Planolites在邻区准噶尔盆地西缘石炭系包古图组和哈拉阿拉特组下部浊积岩中都有大量发现(晋慧娟等, 1987; 李菊英和晋慧娟, 1989; 晋慧娟和李育慈, 1991, 1998b), Gordia在准噶尔北部黑山头地区塔尔巴哈台组浊积岩中也有过报道(龚一鸣, 1994)。

图5 准噶尔西北部塔尔巴哈台组上部地层特征与遗迹化石Fig.5 Stratigraphic features and trace fossils of the upper part of Ta'erbahatai Formation in northwestern Junggar

对于复理石相遗迹化石, 周期性的浊流事件会使底质环境发生明显的变化, 由此划分出了浊流前遗迹(pre-depositional traces)和浊流后遗迹(post-depositional traces)(Ekdale, 1985)。浊流后遗迹化石Phycosiphon, Chondrites, Zoophycos, Nereites等通常出现在缺氧/贫氧的环境中(Bromley and Ekdale, 1984; Ekdale and Mason, 1988; Uchman, 1991, 1992), 因此, Phycosiphon, Chondrites, Zoophycos在塔尔巴哈台组上部作为共生组合的出现, 反映了一种缺氧/贫氧的底质环境。

塔尔巴哈台组上部遗迹化石的另一个特点是雕画迹种类很少, 仅发现1个属Cosmorhaphe。浊流作用对雕画迹及其他浊流前遗迹群落的保存具有十分关键的作用, 若浊流强度过大, 则浊流前遗迹化石全部被浊流侵蚀而无法保存; 只有当浊流强度适中时, 浊流才能将表层沉积物揭开, 雕画迹开放的潜穴被浊流砂质充填且以铸型的形式保存(Seilacher, 1962)。塔尔巴哈台组上部主体由韵律层极为发育的薄— 中层状凝灰质砂岩与泥岩、泥质粉砂岩及粉砂岩不均匀互层构成, 且底模构造不发育, 为典型的远源浊积岩, 因而可以认为强浊流作用不是造成雕画迹偏少的原因; 故雕画迹的缺乏应受控于其他因素, 其中最重要的是底质中的有机质含量与氧含量, 通常雕画迹产于贫有机质、氧含量较充足的背景沉积中(Wetzel and Uchman, 1998), 在这样的环境中, 造迹生物互相竞争, 形成了极其规则且高效的耕作迹系统, 分异度高, 但个体通常较小。而在Phycosiphon, Chondrites, Zoophycos丰度高的缺氧/贫氧环境中通常不发育雕画迹(Wetzel, 1983; Uchman, 1991)。塔尔巴哈台组上部作为近火山物源沉积, 浊流作用带来的丰富的有机质(如植物碎屑、浅水生物碎屑等)被半远洋沉积快速埋藏, 沉积物遭受压实作用导致孔隙氧含量降低, 喜氧微生物对有机质的分解作用减弱, 因此底质可以保持一个较高的有机质含量水平, 故分异度高的浊流前平衡遗迹群落不发育, 而分异度低的浊流后机会遗迹群落(如Phycosiphon, Chondrites, Zoophycos)则较繁盛。

5.2 古环境与古地理特征

对于塔尔巴哈台组的沉积环境, 中国地质科学研究所和新疆维吾尔自治区地质局区域地质测量大队认为其为一套火山复理石建造; 1︰20万《塔城幅、阿西勒幅》和《塔克台幅、和布克赛尔幅》区调报告均认为该组的沉积环境为海陆交互相②③; 龚一鸣(1994)根据该组内的遗迹化石认为其为深海火山碎屑浊流环境; 新疆维吾尔自治区地质矿产局(1999)认为该组下部为滨海相或海陆交互相沉积, 上部为浅海相沉积; 王宇等(2010)通过对塔城地区塔尔巴哈台组剖面层序和沉积特征的详细分析, 认为该组由下至上可分为4个沉积相组合, 分别为浊积岩相、浅海陆棚相、滨海相及海陆交互相。应当指出的是, 前人认为塔尔巴哈台组(或其上部)的沉积环境属于海陆交互相的一个较为重要的证据就是该组含有较多的陆生植物化石或是动植物化石共生, 然而, 非原地保存的植物化石并不能作为可靠的指相化石, 它们可随水流、波浪被搬运到很远的距离, 在中国南方二叠纪— 三叠纪纯海相地层中就曾发现过保存很好的陆生植物化石(孟繁松等, 2003; 刘陆军和姚兆奇, 2007), 在新疆北部还曾报道过植物化石与深海放射虫、海相遗迹化石共同保存的情况(龚一鸣, 1992; 龚一鸣和刘本培, 1994)。

通过对该区域上多条剖面的对比(图 3), 综合该组的岩石组合、化石组合和沉积构造特征分析, 笔者赞同王宇等(2009)对该组中下部沉积相的分析, 即塔尔巴哈台组下部为浊积岩相, 中部为浅海相, 但该组上部因含有丰富的深水相遗迹化石, 以及共生的浊积岩韵律层(图 5-a, 5-b)、包卷层理及其他软沉积变形等沉积构造(图 5-c, 5-d), 说明其并不是海陆交互相沉积, 而是一套海相复理石建造。

遗迹化石组合及其他相标志反映了塔尔巴哈台组上部属于缺氧/贫氧而富含有机质的沉积环境, 相当于多岛洋古地理背景下的浊积扇中下扇沉积, 很可能为局限滞留海盆的环境。说明该地区的塔尔巴哈台组从下至上经历了一个水体由深变浅再变深的过程, 也反映了塔尔巴哈台地区从晚泥盆世至早石炭世维宪期的古环境变化。

在早石炭世, 新疆北部地区发生了广泛的海侵事件, 早石炭世中晚期海区范围达到最大, 而塔尔巴哈台山一带是主要的沉降中心(新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1993; 张梓歆和王宝瑜, 1996; 周守沄, 2000), 在该地区沉积了一套巨厚的海相复理石建造。与此同时, 额尔齐斯— 斋桑洋板块在早石炭世开始向南侧的哈萨克斯坦板块俯冲(Windley et al., 2007; 陈家富等, 2010; Han et al., 2010), 靠近额尔齐斯— 斋桑洋板块的吉木乃地区首先受到影响, 在早石炭世杜内期— 维宪期沉积了一套滨浅海相的火山碎屑岩、火山岩夹少量碳酸盐岩; 而处在南西侧的塔尔巴哈台山此时可能处于弧后盆地环境, 仍以相对较稳定的沉积作用为主(图 6-a, 6-b)。随着俯冲作用的进一步加强, 塔尔巴哈台地区在维宪晚期至谢尔普霍夫期开始逐渐抬升, 接受了黑山头组的滨浅海相沉积(图 6-c, 6-d), 从而造成了塔尔巴哈台组顶部和黑山头组从NEE至SWW方向具有明显的穿时性。这一时期还出现了大量与俯冲作用有关的早石炭世闪长质— 花岗质侵入岩(Chen et al., 2010; 陈家富等, 2010)。从早石炭世末期开始, 区域上海水从北向南逐渐退去(新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1993; 吴晓智等, 1995); 晚石炭世, 阿尔泰板块与哈萨克斯坦板块完成碰撞, 额尔齐斯— 斋桑洋最终闭合(Windley et al., 2007; Chen et al., 2010; Han et al., 2010; 韩宝福等, 2010), 陆相火山活动及岩浆侵入活动进一步加强, 准噶尔西北部进入陆内演化阶段, 沉积了一套以上石炭统吉木乃组为代表的陆相碎屑岩和火山岩组合。

图6 准噶尔西北部塔尔巴哈台— 吉木乃地区早石炭世古地理与板块构造的关系示意图Fig.6 Sketch showing relationship between palaeogeography and plate tectonics of the Early Carboniferous in Tarbgatay-Jimunai area, northwestern Junggar

6 结论

1)首次在准噶尔西北部塔尔巴哈台组上部发现了丰富的植物化石Archaeocalamites scrobiculatus, Sublepidodendron grabaui, S. mirabile, S. cf. mirabile, Sublepidodendron sp., Lepidodendropsis sp., Mesocalamites sp., Sigillaria sp., Rhodiopteridium?sp., Knorria sp., 建立了Archaeocalamites scrobiculatus-Sublepidodendron植物组合, 其所指示的时代为早石炭世维宪期。

2)根据塔尔巴哈台组中维宪期植物化石的发现, 证明了该组的时限可延至早石炭世, 为一跨上泥盆统和下石炭统的岩石地层单位; 并根据区域上塔尔巴哈台组及上覆黑山头组所含生物化石面貌及其接触关系, 论证了二者在准噶尔西北部具有明显的穿时性, 从东部的吉木乃地区至西部的塔尔巴哈台地区, 塔尔巴哈台组上限从早石炭世杜内期延续到维宪期, 黑山头组从杜内期延续到谢尔普霍夫期。

3)塔尔巴哈台组上部与植物化石共同保存的遗迹化石有Cosmorhaphe isp., Neonereites isp., Gordia?isp., Phycosiphon isp., Chondrites isp., Scalarituba isp., Zoophycos isp., Planolites isp.等, 这些遗迹化石中含有“ Nereites遗迹相” 的典型分子, 绝大多数都是半深海— 深海浊积岩中的常见属种, 说明在早石炭世早中期, 塔尔巴哈台地区为半深海— 深海沉积环境, 很可能为多岛洋古地理背景下的局限海盆环境, 与东部吉木乃地区同期的滨浅海相环境不同, 表明了准噶尔西北部在早石炭世发育不同的沉积体系, 并存在着明显的沉积差异; 新疆北部地区早石炭世广泛的海侵活动以及额尔齐斯— 斋桑洋向南侧哈萨克斯坦板块俯冲是造成这种沉积差异的主要因素, 同时也造成了塔尔巴哈台组顶部及黑山头组的穿时性。

致谢 审稿专家对文稿提出了宝贵的修改建议和意见, 中国地质大学(武汉)地球科学学院王志宏、杨维、鄢圣武、韩非等同学参加了部分野外工作, 特此表示感谢!

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