宋慧波, 毕瑜珺, 胡斌. (2017)豫西下二叠统太原组遗迹化石与古氧相的响应特征* [J]. 古地理学报, 19(4): 653-662
Song Huibo, Bi Yujun, Hu Bin. (2017)Responding characteristics between ichnofossils and palaeo-oxygen facies in the Lower Permian Taiyuan Formation of western Henan Province[J]. Journal Of Palaeogeography, 19(4): 653-662. DOI:10.7605/gdlxb.2017.04.051  
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豫西下二叠统太原组遗迹化石与古氧相的响应特征*
宋慧波1,2, 毕瑜珺1, 胡斌1,3
1 河南理工大学资源环境学院,河南焦作 454003
2 河南省中原经济区煤层气与页岩气协同创新中心,河南焦作 454003
3 河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室,河南焦作 454003

第一作者简介 宋慧波,女,1979年生,副教授,博士,主要从事古生物地层学、遗迹学和沉积学教学与研究工作。E-mail: songhuibo2005@hpu.edu.cn。

通讯作者简介 胡斌,男,1952年生,教授,博士生导师,主要从事古生物地层学、遗迹学和沉积学的教学和研究工作。E-mail: hub@hpu.edu.cn。

收稿日期:2017-02-09
基金:*国家自然科学基金项目(编号: 41102002,41272117),河南省基础与前沿项目(编号:162300410256)和河南理工大学博士基金项目(编号: B2013-075)共同资助
摘要

基于对豫西禹州和焦作地区下二叠统太原组中的遗迹化石组成与产状特征的研究,以及对不同颜色Zoophycos潜穴充填物中碳氧同位素和微量元素含量的测试分析,取得成果如下: ( 1)灰白色充填物中δ 13C值较低,主要介于 -2‰~-4‰之间;灰色充填物中δ 13C值大多在 -0.8‰~-2‰之间。二者的 V/( V+Ni)值均小于 0.46, Ce/La值均小于 1.5。反映其为富氧相,即氧化环境。( 2)红褐色充填物中δ 13C值一般在 -0.2‰~-0.9‰之间, V/( V+Ni)值大于 0.46,反映其为贫氧相,即弱还原环境。( 3)黑色充填物中δ 13C值最高,多数在 0.2‰~1.6‰之间, Ce/La值大于 1.8,反映其为厌氧相,即还原环境。综合分析上述特征,提出了 3种古氧相(富氧相、贫氧相和厌氧相)的遗迹化石响应关系及其形成的沉积背景模式。这一研究成果可为精细分析豫西下二叠统太原组碳酸盐岩的沉积环境演变规律提供直观的生物遗迹识别标志。

关键词: 遗迹化石; 古氧相; 沉积环境; 下二叠统; 太原组; 豫西地区
中图分类号:Q911.28 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2017)04-0653-10
Responding characteristics between ichnofossils and palaeo-oxygen facies in the Lower Permian Taiyuan Formation of western Henan Province
Song Huibo1,2, Bi Yujun1, Hu Bin1,3
1 School of Resource and Environment,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,Henan
2 Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region of Henan Province,Jiaozuo 454003,Henan
3 Key Laboratory of Biogenic Traces & Sedimentary Minerals of Henan Province,Jiaozuo 454003,Henan

About the first author Song Huibo,born in 1979,is an associate professor with Ph.D. degree of Henan Polytechnic University. She is mainly engaged in teaching and researches of paleontology and stratigraphy,ichnology and sedimentology. E-mail: songhuibo2005@hpu.edu.cn.

About the corresponding author Hu Bin,born in 1952,is a professor and Ph.D. supervisor of Henan Polytechnic University. He is mainly engaged in teaching and researches of paleontology and stratigraphy,ichnology and sedimentology. E-mail: hub@hpu.edu.cn.

Fund:Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(Nos.41102002,41272117),the Basic and Frontiers Research Program of Henan Province(No.162300410256) and the Doctoral Foundation of Henan Polytechnic University(No.B2013-075)
Abstract

On the basis of the composition and appearance study of the ichnofossils in the Lower Permian Taiyuan Formation of Yuzhou and Jiaozuo area of western Henan Province,as well as tests and analyses of the δ13C, δ18O and trace elements in the four kinds of different color fillings of Zoophycos burrows,the results were obtained as follows: (1)The δ13C value ranges between -2‰ and -4‰ in the off-white fillings and between -0.8‰ and -2‰ in the gray fillings. In these two kinds of color fillings,the V/(V+Ni) value is less than 0.46,and the Ce/La value is less than 1.5. These data indicate that the sedimentary environment is characterized with an aerobic condition. (2)The δ13C value ranges generally between -0.2‰ and -0.9‰,and the V/(V+Ni)value is more than 0.46 in the brown fillings,which reflect a dysaerobic sedimentary environment. (3)The δ13C value ranges mostly between 0.2‰ and 1.6‰,and the Ce/La value is more than 1.8 in the black fillings,which reflect an anaerobic sedimentary environment. Based on the comprehensive analysis of above mentioned characteristics,we suggested the responding characteristics model between the three kinds of palaeo-oxygen facies(aerobic,dysaerobic and anaerobic facies)and ichnofossils and their sedimentary setting. This research result can provide some intuitional ichnofossil marks to identify sedimentary environment changes in the carbonate rocks of the Lower Permian Taiyuan Formation in western Henan Province.

Key words: ichnofossils; palaeo-oxygen facies; sedimentary environment; Lower Permian; Taiyuan Formation; western Henan Province
1 概述

遗迹化石是生物进行各种生命活动在沉积底层上遗留的遗迹经充填、埋藏和成岩作用而形成的, 直接反映了生物与沉积底层间的关系以及造迹生物的行为习性特征及其生命活动期间所处的生态环境, 其中底层沉积物所处的古氧化还原条件(古氧相)的差异性变化与遗迹化石的组成、产状与分布直接相关, 故遗迹化石的组成、产状与分布特征可作为判识古氧化还原条件变化的指示标志(Savrda, 2007; Giannetti, 2010)。有关遗迹化石与古氧相的研究, 许多学者(Bromley and Ekdale, 1984; Savrda and Bottjer, 1986, 1987, 1989; Ekdale and Mason, 1988)已经发现, 随着底层沉积物孔隙水含氧量的变化, 生物活动遗迹的组成与分布有明显差异。一般来讲, 底层沉积物含氧量的变化与水深、水动力条件、环境的闭塞或开阔程度、沉积物的性质(粒度、有机物质的含量)等因素有关。尤其是底层沉积物中有机碳的含量, 可作为底层沉积物中含氧量程度的可靠标志, 因为含氧量一般随着底层沉积物中有机质含量的增加而降低(Edwards, 1985)。Ekdale和Mason(1988)注意到, 沉积物中有机碳和总硫含量愈高, 遗迹化石的分异度和生物扰动的强烈程度则愈低。沉积物颜色也可反映有机物的含量, 一般暗色或黑色细粒沉积物指示缺氧环境, 且有机物质含量高, 而浅色特别是红褐色沉积物, 则说明这些沉积物形成于富氧的沉积环境。颜佳新和张海清(1996)提出了古氧相的概念及古氧相分析的主要途径, 总结了富氧(oxic)、贫氧(dysoxic)、极贫氧(suboxic)、缺氧或厌氧(anoxic)的各种岩石、生物和地球化学特征。颜佳新(2004)、颜佳新和刘新宇(2007)提出, 常氧(aerobic)相的岩性一般为浅色、厚、巨厚层均质灰岩、白云岩、白云质灰岩或灰质白云岩, 有机碳含量低(< 0.105%), 具有丰富多样的底栖生物组合, 生物丰度和分异度均高; 贫氧(dysaerobic)相有机碳含量较高(0.105%~0.125%), 以灰色— 深灰色中厚层、厚层和中薄层含生物灰岩为主, 含有少量磷质和硅质, 有机碳含量高(> 0.15%), 底栖生物不发育; 厌氧(anaerobic)相以灰黑色薄层(水平纹层)的灰岩、硅质岩、页岩为特色, 有机碳含量高(> 0.15%), 底栖生物不发育; 准厌氧(quasi-anaerobic)相与厌氧相类似, 有机碳含量较高(0.125%~0.15%), 主要为暗色薄层灰岩和页岩, 通常其硅质、磷质呈条带状。颜佳新和刘新宇(2007)认为, 生物生态特征和沉积物沉积特征是识别缺氧沉积的2个重要方面:常氧相生物丰富, 生物扰动强烈, 沉积物纹层构造难以保存; 贫氧相后生动物的生命活动受到很大限制, 随着水体溶氧量的降低, 生物扰动强度逐渐减弱, 沉积物纹层构造可得到较好的保存; 厌氧相几乎不含底栖生物, 无生物扰动构造, 具清晰的沉积纹层。

豫西下二叠统太原组中含有丰富的遗迹化石, 为分析太原组沉积环境及其演变规律提供了重要的判识标志。近些年来, 前人已做了大量工作, 取得了许多成果。宋慧波等(2012)较详细研究了豫西太原组中的遗迹化石, 尤其是Zoophycos遗迹化石在太原组中十分丰富, 充填物颜色也不尽相同, 并在这些不同颜色充填物中还发现了大量碳酸盐岩微形体(宋慧波等, 2014)。这些重要发现与该遗迹化石形成的古生态环境尤其是古氧化还原条件密切相关。文中选择豫西禹州和焦作地区太原组剖面为研究对象(图 1), 结合地球化学指标分析来探讨不同颜色充填物的Zoophycos遗迹化石及其伴生的其他遗迹化石与古氧相的响应特征, 可为精细分析太原组碳酸盐岩的沉积环境演变规律提供直观的生物信息识别标志。

图1 豫西下二叠统太原组遗迹化石剖面位置Fig.1 Location of ichnofossils sections of the Lower Permian Taiyuan Formation of western Henan Province

2 地质背景

早二叠世初, 中朝板块(华北地块)与西伯利亚板块发生了碰撞造山作用, 使华北地块受到挤压与拗陷, 形成沉积盆地。在此期间, 秦岭— 大别地块与华北地块发生了俯冲碰撞作用, 使华北地块南部挤压沉降(陈世悦, 1998)。早二叠世期间, 由于构造变化, 海平面上升, 华北古陆海域范围向南、西扩展, 海水加深, 由构造高地演化为陆表海盆地, 华北地块从北高南低的古地理面貌演变成北西高、南东低的地势。华北盆地太原组就是在这种构造与沉积古地理背景下形成的一套海陆交互相沉积。在河南省境内, 太原组沉积期形成浅海与局限海湾及潟湖、潮坪交替出现的沉积环境, 沉积了浅海灰岩及滨岸潮坪含煤碎屑岩系。其后, 随着地壳的升降导致海平面不断升降, 海水频繁海侵海退, 海岸线不断往复迁移。到早二叠世末, 华北地块北部抬升, 陆表海海水向东南退去, 形成三角洲沉积体系及广泛的沼泽沉积(胡斌等, 2015)。

3 地层特征

豫西下二叠统太原组在焦作和禹州一带出露良好, 为一套海陆交互相沉积, 以灰色、深灰色中厚— 厚层状生物碎屑灰岩为主, 灰岩层间夹厚度不等的灰色细砂岩、灰白色石英砂岩、深灰色粉砂岩、砂质泥岩、黑色泥岩和薄煤层, 含有大量腕足类、珊瑚、有孔虫筳类等实体化石和丰富的遗迹化石, 厚度60~80, m, 最厚可达110, m。研究区太原组与上覆山西组和下伏本溪组均呈整合接触。在纵向沉积序列上, 基于岩性组合特征, 一般将太原组分为3段, 即下部灰岩段、中部碎屑岩段和上部灰岩段( 图 2)。在下部灰岩段中, 自下而上从第2层到第5层灰岩均发现筳类化石Sphaeroschwagerina moelleri, 根据区域对比分析, 其地质时代相当于俄罗斯地台和南乌拉尔地区下二叠统阿瑟尔阶(Asselian)和美国西德克萨斯地区下二叠统的Pseudoschwagerina 带(姚庚云, 1989)。因而将研究区太原组的地质时代划归早二叠世, 其上覆山西组依据植物化石组合带而划归中二叠世(张海清等, 2008)。

图2 豫西下二叠统太原组剖面地层柱状图及遗迹化石分布特征Fig.2 Stratigraphic column and distribution characteristics of ichnofossils in the Lower Permian Taiyuan Formation of western Henan Province

4 遗迹化石组成与分布特征

研究区太原组中已发现的遗迹化石有14个遗迹属18个遗迹种, 包括进食迹、觅食迹及居住迹3种生态类型: (1)进食迹: Zoophycos brianeus, Zoophycos villae, Zoophycos aff. cauda-galli, Zoophycos isp. 1, Zoophycos isp. 2, Teichichnus rectus, Rhizocorallium isp., Chondrites isp., Planolites isp., Palaeophycus heberti和Taenidium satanassi; (2)居住迹: Thalassinoides suevicus, Ophiomorpha isp.和Skolithos isp.; (3)觅食迹: Dichasialichnus jiaozuoensis, Gordia marina, Helminthopsis isp.和Nereites isp.。

研究表明, 豫西太原组各层灰岩中均发育大量遗迹化石, 但各层灰岩中的遗迹化石组成、分布、丰度及产状特征不尽相同。尤其是Zoophycos遗迹化石, 在各层灰岩中的分布、丰度、个体大小及充填物颜色大不相同。常见的潜穴充填物颜色有灰白色、灰色、黑色和红褐色(图 3)。根据对野外剖面的观察和描述, 焦作和禹州两地剖面中各层灰岩中遗迹化石的组成与产状特征概述如下:

图3 豫西下二叠统太原组中具不同颜色充填物的Zoophycos遗迹化石
A— 灰白色充填物; B— 灰色充填物; C— 灰色充填物; D— 黑色充填物; E— 红褐色充填物Fig.3 Trace fossils Zoophycos with different color fillings in the Lower Permian Taiyuan Formation of western Henan Province

豫西焦作地区太原组剖面共发育9层灰岩, 自下而上简称为L1-L9(图 2)。L1灰岩层厚约2.00, m, 为深灰色中厚— 巨厚层状生物碎屑灰岩, 由下向上可分为4个分层(L1-1, L1-2, L1-3和L1-4), 在第1、2、3分层中发育具灰白色(L1-1)和灰色(L1-2, L1-3)充填物的Zoophycos潜穴; 垂向上, 板状蹼层厚1~3, mm, 蹼层可见长度不等, 一般小于30, cm。L2灰岩层厚约1.54, m, 为灰黑色中厚— 巨厚层状生物碎屑灰岩, 偶含燧石团块; 上部具灰色充填物的Zoophycos遗迹化石层厚14, cm, 垂向上可见8层板状蹼层, 蹼层间距0.5~3, cm, 蹼层厚度2.5~7.5, mm; 下部具灰白色充填物的Zoophycos遗迹化石层厚21, cm, 垂向上分布有多层近水平的板状蹼层, 蹼层宽约3, mm, 可见长度为6~17, cm, 伴生遗迹化石有垂直层面的潜穴, 也有倾斜的潜穴。L3灰岩层厚约1.42, m, 为灰色薄— 中厚层状生物碎屑灰岩, 中部发育具浅灰— 灰白色充填物的Zoophycos潜穴, 板状蹼层厚4~5, mm, 丰度较高, 垂向上16, cm厚的遗迹层中共发现有20层板状蹼层, 具有多次交切关系, 可见长度为21, cm。L4灰岩层厚约3.9, m, 为灰黑色中厚— 巨厚层状生物碎屑灰岩, 夹4~6层燧石条带及团块, 产有丰富的遗迹化石, 常见Zoophycos、Nereites、Chondrites、Planolites及Thalassinoides等。本层由下向上可分为11个分层(L4-1至L4-11):下部3个分层(L4-1至L4-3)中Zoophycos的潜穴充填物颜色呈灰白色, 单个蹼层厚2~5, mm, 可见长度约18, cm; L4-4至L4-6分层中, Zoophycos单个蹼层厚1~4, mm, 可见长度约33, cm, 充填物颜色由灰色变为深灰色; L4-7分层发育具黑色充填物的Zoophycos, 遗迹化石层厚约30, cm, 单个蹼层厚2~3, mm, 长6~13, cm; L4-8至L4-11分层中, Zoophycos单个蹼层厚度一般为3~5, mm, 可见长度为6~19, cm, 最长可达120, cm, 其充填物的颜色向上逐渐从深灰色、灰色变为浅灰色或灰白色。所以, Zoophycos潜穴充填物的颜色在该灰岩层的变化自下而上为灰白色→ 灰色→ 黑色→ 灰色→ 灰白色。L5灰岩层厚约2.60, m, 发育多层遗迹化石层, 下部主要为具灰色、上部多为具灰白色充填物的Zoophycos, 并常伴生有Taenidium、Teichichnus和Rhizocorallium等遗迹化石, 中上部还发育1层在垂向剖面上呈灰白色斑点状的生物扰动层。L6灰岩层厚约2.65, m, 发育多层Zoophycos遗迹化石, 下部Zoophycos潜穴充填物为灰色或浅灰色, 上部Zoophycos潜穴充填物为黑色和红褐色或浅褐色。L7灰岩层厚约2.36, m, 下部发育具灰白色充填物的Zoophycos潜穴, 而上部则发育具红褐色充填物的Zoophycos潜穴。L8灰岩层厚约7.29, m, 发育大量细小(蹼层厚1~2, mm)的Zoophycos遗迹化石, 其潜穴充填物的颜色在该灰岩层的变化自下而上为灰色→ 黑色→ 浅灰色。L9泥质灰岩层厚约2.5, m, 仅在层面上出现大量Gordia及Dichasialichnus遗迹化石。

禹州大风口龙华山太原组剖面露头良好, 共发育7层灰岩, 自下而上简称为L1-L7(图 2), 各层灰岩中的遗迹化石产状特征有一定差异。L1灰岩层厚约2.51, m, 出现丰富的Zoophycos遗迹化石, 其潜穴中的充填物自下而上为灰白色→ 灰色→ 灰白色→ 灰色。L2灰岩层厚约3.88, m, 底部灰岩中产有许多Skolithos遗迹化石, 潜穴中的充填物为灰白色, 中部灰岩中出现具灰白色充填物的Zoophycos潜穴; 上部发育具灰色充填物的Zoophycos。L3灰岩层厚约1.93, m, 发育多层细小且具灰色充填物的Zoophycos潜穴。L4灰岩层厚约1.52, m, 主要为多层具灰白色充填物的Zoophycos潜穴。L5灰岩层厚约1.83, m, 发育大量个体较小且具灰色充填物的Zoophycos潜穴。L6灰岩层厚约2.86, m, 在上部灰岩和顶部硅质泥岩或燧石层中常见具深灰色或黑色充填物的Zoophycos潜穴, 中下部为具灰色充填物的Zoophycos潜穴。L7灰岩层厚约2.09, m, 中下部发育细长且具灰色充填物的Zoophycos潜穴, 顶部发育多层大量具红褐色充填物的Zoophycos潜穴。

5 遗迹化石的地球化学特征
5.1 碳氧同位素特征

遗迹学研究表明, 遗迹化石与沉积环境密切相关, 尤其是底层沉积物所处的古水深和氧化还原条件(古氧相), 二者的差异性变化与遗迹化石的组成与分布直接相关。为了探讨遗迹化石不同颜色潜穴充填物形成的古环境条件, 本次研究对焦作和禹州太原组Zoophycos潜穴中4种不同颜色的充填物, 进行了碳氧同位素的测试分析。在测试过程中, 首先将野外采集的样品进行清洗、晾晒, 制成200目粉末。CO2气体的制备采用磷酸法, 由此法获得的CO2气体在MAT253稳定同位素质谱仪上进行测试, 得到δ 13C与 δ 18O 值。本次共测试样品99个, 部分样品测试结果详见 表1。

表1 豫西下二叠统太原组中Zoophycos潜穴样品碳氧同位素测试结果 Table1 Testing results of δ 13C and δ 18O of Zoophycos burrow samples in the Lower Permian Taiyuan Formation of western Henan Province

根据表1中Zoophycos潜穴中4种不同颜色充填物的碳氧同位素值测试结果来看:灰白色充填物的δ 13C值较低, 主要介于-2‰ ~-4‰ 之间; 灰色充填物的δ 13C值大多在-0.8‰ ~-2‰ 之间; 红褐色充填物的δ 13C值一般在-0.2‰ ~-0.9‰ 之间, 比灰色充填物的δ 13C值要高; 黑色充填物的δ 13C值最高, 多数在0.2‰ ~1.6‰ 之间。

有关碳氧同位素值与海平面变化的关系, 研究认为δ 13C高值区和高海平面相对应, 低值区和低海平面相对应, 二者呈正相关(李玉成, 1998; 李忠雄和管士平, 2001; 彭苏萍等, 2002; 严兆彬等, 2005)。根据这种对应关系可以推断, Zoophycos遗迹化石呈现的4种不同颜色充填物分别反映了不同的水深变化: 灰白色充填物产生于海平面较低、水体较浅的海域, 相当于浅海上部沉积环境; 灰色充填物中δ 13C值比灰白色充填物要高一些, 反映的水体相对要深一些, 可能位于浅海中上部沉积环境; 红褐色充填物的δ 13C值比灰色充填物又要高一些, 反映的相对水深会更深一些, 相当于浅海中部沉积环境; 黑色充填物的δ 13C值相对更高, 宜解释为海平面较高、水体较深的浅海下部沉积环境。因此, Zoophycos遗迹化石中潜穴充填物颜色由灰白色→ 灰色→ 红褐色→ 黑色的变化, 反映了海平面由低至高的变化规律。

值得注意的是, 本次在Zoophycos遗迹化石4种不同颜色充填物中测得的 δ 18O 值几乎都在-10‰ ~-11.6‰ 之间, 差距并不明显, 说明它在碳酸盐岩遗迹化石中的指相意义不大。

5.2 微量元素特征

古氧相相关测定指标有DOP、U、V 、Mo、U/Th、Ni/Co、V/Cr、V/(V+Ni)、自生铀等。颜佳新(2004)、颜佳新和刘新宇(2007)利用V/(V+Ni)及Ce/La值等将古氧相进行了分类, V/(V+Ni)值0.6~0.89为缺氧相, 0.46~0.6为贫氧相, 小于0.46为富氧相; Ce/La值大于2为缺氧相, 1.5~1.8为贫氧相, 小于1.5为富氧相。

为了了解Zoophycos遗迹化石中不同颜色潜穴充填物形成时的古氧相特征, 本次研究主要对不同颜色潜穴充填物中V/(V+Ni)及Ce/La值进行了测试分析, 部分样品测试结果见表2。

表2 豫西下二叠统太原组中Zoophycos 潜穴样品微量元素测试结果 Table2 Testing results of trace elements of Zoophycos burrow samples in the Lower Permian Taiyuan Formation of western Henan Province

根据表2中的测试数据, 并与上述颜佳新(2004)的分类进行比较分析, 结果表明:灰白色及灰色充填物中V/(V+Ni)值小于0.46, Ce/La值小于1.5, 为富氧相即氧化环境; 红褐色充填物的V/(V+Ni)值大于0.46, 为贫氧相即弱还原环境; 黑色充填物的Ce/La值大于1.8, 为厌氧相即还原环境。充填物颜色从灰白色→ 灰色→ 红褐色→ 黑色, 其含氧量依次减少。

应该指出的是, 本次研究工作中利用扫描电镜及能谱测试发现, 红褐色及黑色充填物中存在大量的碳酸盐岩微形体, 种类和数量远多于灰白色及灰色充填物, 而红褐色充填物的Ce/La值以及黑色充填物的V/(V+Ni)值远小于富氧相的界限值, 这一现象是乎暗示大量厌氧微生物的存在与Ce/La值和V/(V+Ni)值有某种必然的联系。

6 遗迹化石与古氧相的响应特征

根据豫西太原组中遗迹化石的组成、产状和分布特征以及4种不同颜色Zoophycos潜穴充填物的同位素和微量元素分析, 可以认为至少存在3种遗迹化石与古氧相的响应关系(图 4)。

图4 豫西下二叠统太原组遗迹化石与古氧相响应特征模式
Di— Dichasialichnus, G— Gordia, Z— Zoophycos, Pa— Palaeophycos, Pl— Planolites, Bi— Bioturbation structure, Th— Thalassinoides, Sk— Skolithos, Rh— Rhizocorallium, Te— Teichichnus, Ta— Taenidium, Ch— Chondrites, N— NereitesFig.4 Model of responding characteristics between ichnofossils and palaeo-oxygen facies of the Lower Permian Taiyuan Formation in the Western Henan

6.1 富氧相的遗迹化石响应特征

富氧相的遗迹化石(图 4-A)在组成上主要以层内潜穴Zoophycos, Teichichnus, Planolites, Palaeophycus, Thalassinoides和Skolithos 为主, 其次为层面觅食迹Dichasialichnus, Gordia和Helminthopsis以及少量生物扰动构造。在产状上, Zoophycos在垂向上分布有多层近水平的板状蹼层, 蹼层宽度一般都大于2, mm, 最宽可达7.5, mm, 表明遗迹化石个体较大。Zoophycos潜穴充填物颜色常见为灰白色和灰色, δ 13C值较低, 主要介于-0.8‰ ~-4‰ 之间, V/(V+Ni)值小于0.46, Ce/La值小于1.5。所有上述这些特征均反映水体较浅的氧化环境, 可解释为浅海上部至滨岸带的碳酸盐岩台地沉积背景。

6.2 贫氧相的遗迹化石响应特征

贫氧相的遗迹化石(图 4-B)在组成上主要由层内潜穴Zoophycos, Planolites和Taenidium组成, 丰度较高, 但分异度较低。在产状上, Zoophycos在垂向上分布有多层近水平的板状蹼层, 蹼层宽度一般为1.5~2.5, mm, 表明遗迹化石为中到小型个体。Zoophycos潜穴充填物颜色常见为深灰色或黑色和红褐色, δ 13C值大多介于-0.2‰ ~-1‰ 之间, 比灰色充填物的δ 13C值高, V/(V+Ni)值大于0.46。所有上述这些特征均反映水体相对较深或者较闭塞的弱还原环境, 可解释为浅海中下部或有障壁海岸较闭塞的海湾潟湖或局限碳酸盐岩台地沉积背景。

在这种贫氧的沉积环境中, Zoophycos潜穴中出现红褐色充填物, 是一种不常见的地质现象。这可能是充填物成分的地球化学变化造成的, 能谱仪分析发现, Zoophycos潜穴中红褐色充填物的铁含量较高(宋慧波等, 2012), 推测有可能潜穴充填物中富含深灰色的菱铁矿(FeCO3), 后来在水体变浅或环境变得开放后受到氧化作用变成了红褐色的褐铁矿(Fe2O3· nH2O)或赤铁矿(Fe2O3)。通常情况下, 褐铁矿结晶脱水后可形成赤铁矿(Fe2O3), 其化学反应式如下:

4FeCO3+O2=2Fe2O3+4CO2

值得注意的是, 在菱铁矿经氧化过程形成赤铁矿的过程中, 除了水深和环境开放程度的变化外, 也许还有微生物的催化作用。实际上, 自然界中的氧化还原过程不仅是一个简单的化学过程或者微生物催化过程, 而且是诸多复杂的因素相互作用的结果(韩磊等, 2014)。

6.3 厌氧相的遗迹化石响应特征

厌氧相的遗迹化石(图 4-C)在组成上主要以层内潜穴Zoophycos, Chondrites 和Nereites的组合为特征。在产状上, Zoophycos在垂向上分布有多层近水平的板状蹼层, 蹼层宽度一般都在1, mm 左右, 最宽仅达2.5, mm, 表明遗迹化石个体较小。Zoophycos潜穴充填物颜色均为黑色, δ 13C值较高, 多数在0.2‰ ~1.6‰ 之间, V/(V+Ni)值小于0.46, Ce/La值大于1.8。上述特征均反映水体较深的厌氧环境, 可解释为浅海下部或较闭塞的碳酸盐岩台地沉积背景。

7 结论

1)对豫西禹州和焦作地区下二叠统太原组Zoophycos潜穴中不同颜色充填物进行了碳氧同位素的测试, 发现具灰白色充填物中的δ 13C值较低, 主要介于-2‰ ~-4‰ 之间, 具灰色充填物中的δ 13C值大多在-0.8‰ ~-2‰ 之间, 红褐色充填物中的δ 13C值一般在-0.2‰ ~-0.9‰ 之间, 黑色充填物中的δ 13C值最高, 多数在0.2‰ ~1.6‰ 之间。因此, δ 13C值对古氧相的变化反映较明显。但 δ 18O 值几乎都在-10‰ ~-11.6‰ 之间, 对古氧相变化的反映不明显。

2)对豫西禹州和焦作地区下二叠统太原组Zoophycos潜穴中4种颜色充填物进行了地球化学指标分析:灰白色及灰色充填物中V/(V+Ni)值小于0.46, Ce/La值小于1.5, 为富氧相即氧化环境; 红褐色充填物中的V/(V+Ni)值大于0.46, 为贫氧相即弱还原环境; 黑色充填物中的Ce/La值大于1.8, 为厌氧相即还原环境。充填物颜色从灰白色→ 灰色→ 红褐色→ 黑色, 其含氧量依次减少。

3)基于对豫西禹州焦作地区下二叠统太原组中遗迹化石的组成、产状和分布特征以及4种不同颜色Zoophycos潜穴充填物的地球化学分析, 提出了3种古氧相(富氧相、贫氧相和厌氧相)的遗迹化石响应关系模式, 并论述了富氧相、贫氧相和厌氧相这3种古氧相形成的沉积背景。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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