宋慧波, 李娟, 胡斌. (2019)华北盆地西部太原组遗迹化石组合对古水深变化的响应* [J]. 古地理学报, 21(6): 999-1012
Song Hui-bo, Li Juan, Hu Bin. (2019)Responses of ichnoassemblages to paleo-water-depth of the Taiyuan Formation in western North China Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 21(6): 999-1012.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2019.06.068
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华北盆地西部太原组遗迹化石组合对古水深变化的响应*
宋慧波1,2, 李娟1, 胡斌1
1 河南理工大学资源环境学院,河南焦作 454003
2 中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心,河南焦作 454003
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与研究工作。E-mail: hub@hpu.edu.cn。

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、遗迹学和沉积学的教学与研究工作。E-mail: songhuibo2005@hpu.edu.cn。

收稿日期:2019-01-21
基金资助:* 国家自然科学基金项目(编号: 41772104)、河南省基础与前沿项目(编号: 162300410256)、河南理工大学博士基金项目(编号: B2013-075)联合资助
摘要

通过对豫西—晋中南地区上石炭统—下二叠统太原组碳酸盐岩中遗迹化石的组成、产状及分布特征的研究,结合部分生物潜穴中 Sr含量、 Sr/Ba值、 1000×( Sr/Ca)值和δ 13C值,得到不同地区太原组沉积期古水深的变化曲线,建立了 3种不同水深的遗迹组合: ( 1)Nereites-Chondrites遗迹组合,产生于氧化还原界面附近水体相对较深的浅海下部环境;( 2)Zoophycos -Teichichnus遗迹组合,形成于浪基面至氧化还原界面之间的浅海中部沉积环境;( 3)Zoophycos -Thalassinoides遗迹组合,出现在平均海平面至浪基面之间的浅海上部或较为闭塞的海湾潟湖沉积环境。依据这 3种遗迹组合在各剖面上的变化特征和古水深,认为在豫西—晋中南地区太原组沉积期发生过 2次较大规模的海侵。这一成果为精细研究华北西部地区太原期沉积环境演变规律及对比地层提供了生物遗迹学方面的依据。

关键词: 华北盆地; 太原组; 遗迹组合; 古水深; 微量元素; 碳同位素
中图分类号:Q911.28 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2019)06-0999-14
Responses of ichnoassemblages to paleo-water-depth of the Taiyuan Formation in western North China Basin
Song Hui-bo1,2, Li Juan1, Hu Bin1
1 School of Resources and Environment,Henan Polytechnic University, Henan Jiaozuo 454003, China
2 Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region of Henan Province,Henan Jiaozuo 454003, China
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.

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

Fund:Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(No.41772104),the Basic and Frontiers Research Program of Henan Province(No.162300410256),the Doctoral Foundation of Henan Polytechnic University(No. B2013-075)
Abstract

In this paper,we studied composition,appearance and distribution of ichnofossils in the carbonates of the Upper Carboniferous-Lower Permian Taiyuan Formation in the western North China Basin,and analyzed the relationships between Sr contents, Sr/Ba values,1000×(Sr/Ca), and δ13C in some ichnofossils burrow and paleo-water-depth. Three types of ichnoassemblages with different water-depths were established: (1) Nereites-Chondrites ichnoassemblage occurred in the lower zone of the shallow sea below the redox interface;(2) Zoophycos-Teichichnus ichnoassemblage formed in the middle zone of the shallow sea between the wave base and redox interface;(3) Zoophycos-Thalassinoides ichnoassemblage occurred in the upper zone of the shallow sea(between the sea level and wave base)or lagoonal environments. Based on various characteristics of these ichnoassemblages in different sections,and paleo-water-depth changes in different area,two major transgressions can be identified in the Taiyuan Formation in the study area. This research provides ichnology basis for detailed studies on evolution of depositional environments and stratigraphic correlation of the Taiyuan Formation in the western North China.

Key words: North China Basin; Taiyuan Formation; ichnoassemblages; paleo-water-depth; trace element; carbon isotopic

遗迹化石是生物在一定古环境条件下于底层内或底层层面上进行生命活动时留下的痕迹, 一般为原地保存, 是恢复古水深和古氧相的重要标志(晋慧娟等, 2003)。海洋环境中许多因素控制着造迹生物的分布, 重要的有食物供应、透光性、温度、盐分、波浪强度和水流的搅动等, 它们都随着海水深度的变化而变化。许多研究表明, 遗迹化石的种类、丰度、分异度、形态(尤其是潜穴直径大小)以及生物行为习性等特征均与水深变化相关(Easthouse and Driese, 1988; Wetzel, 1991; 晋慧娟等, 2003)。由于部分遗迹化石属种具有穿相性, 因此在分析水深时, 遗迹化石组合要比单一遗迹化石更能准确地反映水深的变化特征(杨式溥, 1984; 晋慧娟和李育慈, 1999)。

华北盆地西部石炭系— 二叠系太原组为一套海相碳酸盐岩与碎屑岩互层的混积地层序列, 发育丰富的遗迹化石。近些年来, 前人对该地层做了很多研究, 尤其是遗迹化石方面取得了诸多成果。宋慧波等(2015)、胡斌等(2016)和Song等(2016)分别根据晋中南和豫西太原组遗迹化石的特征, 划分了不同的遗迹化石组合与组构; 胡斌等(2016)首次提出具有不同充填物颜色的Zoophycos遗迹化石可以作为古水深的判别标志; 宋慧波等(2017)通过对太原组Zoophycos遗迹化石的地球化学分析, 提出其充填物颜色变化与含氧量变化有一定关系。在前人的研究基础上, 笔者以华北盆地西部太原组碳酸盐岩中的遗迹化石为研究对象, 通过分析该地区太原组遗迹化石的分布特征和潜穴充填物内部的地球化学特征所表示的古水深特征, 划分遗迹化石组合, 并根据遗迹化石组合所处的不同水体深度反映太原组沉积时期的水深变化趋势, 提出华北盆地西部地区太原组水深变化规律。由此为精细研究华北西部地区太原组沉积时期的沉积环境演变规律以及对比地层提供遗迹学判别标志。

1 地质背景

研究区位于华北盆地西部, 以河南焦作、禹州及山西附城、太原西山剖面为主要研究对象(图 1)。区域构造上, 华北盆地位于阴山— 燕山造山带与秦岭造山带之间, 属于塔里木— 中朝板块东北部, 该盆地在晚古生代基本上属于稳定克拉通陆表海和海陆交汇的沉积盆地(胡斌等, 2015)。该盆地在经历过早古生代的构造运动后整体抬升, 在中奥陶世— 早石炭世遭受剥蚀, 于早石炭世晚期才开始接受沉积, 到晚石炭世至早二叠世时期, 华北盆地整体成为陆表海, 从而发育了海相碳酸盐岩和滨岸碎屑岩交互出现的太原组沉积。由于华北盆地南北两侧造山带挤压碰撞的时间差异导致板块内部的翘板式构造运动改变了石炭纪南隆北凹的构造古地理格局, 从早二叠世起转为北隆南凹的构造古地理面貌; 至晚二叠世, 由于南北两侧进一步挤压抬升, 使得海水逐步退出而转变为陆相沉积(陈世悦, 1998)。

图 1 华北盆地西部太原组剖面位置Fig.1 Location of the Taiyuan Formation in western North China Basin

2 太原组地层特征

华北地区上石炭统— 下二叠统太原组是一套海陆交互含煤地层, 主要由砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩、灰岩及煤层组成, 发育多层灰色、深灰色薄— 中厚层状生物碎屑灰岩。含有大量的䗴类、珊瑚、腕足类、牙形石、介形类、腹足类、双壳类等正常浅海相底栖动物化石, 各种植物化石和丰富的遗迹化石。研究区太原组与下伏上石炭统本溪组和上覆中— 下二叠统山西组整合接触。依据垂向上岩性的组合特征, 太原组通常可分为底部碎屑岩段、下部灰岩段、中部碎屑岩段和上部灰岩段(图1), 但是, 豫西太原组剖面一般划分为下部灰岩段、中部碎屑岩段和上部灰岩段(图 2)(宋慧波等, 2011, 2014)。

图 2 河南禹州太原组露头剖面的地层划分Fig.2 Stratigraphic division of the Taiyuan Formation outcrop in Yuzhou, Henan Province

底部碎屑岩段主要为薄— 厚层状碳质泥岩、泥岩、粉砂岩、细砂岩、砂质泥岩及煤层, 夹1层或2层生物碎屑灰岩。碎屑岩层中水平层理、脉状层理和透镜状层理发育, 局部见波状层理, 在砂岩层中发育交错层理。含海相实体化石和植物化石。

下部灰岩段主要为3~4层(局部可达5层)深灰色生物碎屑灰岩、泥晶灰岩夹薄层状粉砂岩、泥岩、砂岩和煤层或煤线。灰岩中含燧石团块或条带, 泥岩和粉砂岩中发育水平层理和波状层理。含䗴类、珊瑚类、腕足类、介形类和海百合茎等海相生物化石, 发育Zoophycos, Thalassinoides, Planolites, Teichichnus, Chondrites以及Nereites等遗迹化石。

中部碎屑岩段主要为泥岩、碳质泥岩、铝土质泥岩、粉砂岩、砂岩、细粒石英砂岩等, 夹2层或3层薄煤层和1~3层透镜状生物碎屑灰岩。含大量䗴类、珊瑚类、腕足类、双壳类、腹足类、海百合茎等动物化石和植物化石, 发育Zoophycos, Rhizocorallium, Ophiomorpha和Planolites等遗迹化石。

上部灰岩段主要为2~3层灰色、深灰色生物碎屑灰岩、泥灰岩夹薄层状泥岩、粉砂岩和薄煤层。灰岩发育水平层理和交错层理, 含燧石结核或条带, 泥岩具水平层理。含䗴类、珊瑚、腕足类、介形类、海百合茎等海相动物化石和植物化石, 发育Rhizocorallium, Zoophycos, Gordia和Dichasialichnus等遗迹化石。

3 遗迹化石的组成与分布特征

华北盆地太原组碳酸盐岩中遗迹化石非常丰富, 已发现14个遗迹属18个遗迹种, 以进食迹和居住迹为主, 觅食迹次之。常见的进食迹有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等; 居住迹有Thalassinoides suevicus, Ophiomorpha isp.和Skolithos isp.; 觅食迹为Dichasialichnus jiaozuoensis, Gordia marina, Helminthopsis isp.和Nereites isp.等(宋慧波等, 2017)。

研究表明, 华北盆地西部太原组各层灰岩均发育大量遗迹化石(图 3), 但遗迹化石的组成、分布、丰度和产状特征不同。其中, 遗迹化石Zoophycos发育在各层灰岩中, 并具有不同颜色的潜穴充填物, 包括灰白色、灰色、黑色和红褐色, 还有大、中、小型之分, 即: 板状蹼层宽度1~3 mm为小型, 4~6 mm为中型, 大于6 mm为大型。根据野外剖面的观察和描述, 总结出河南焦作和禹州、山西附城和太原西山4地剖面中各层灰岩中遗迹化石的组成与分布特征(图 4)。

图 3 华北盆地西部太原组中的遗迹化石
a— 具灰色充填物的Zoophycos, 产于焦作L5灰岩层; b— 具灰白色充填物的Zoophycos, 产于焦作L2灰岩层; c— 具红褐色充填物的Zoophycos, 产于禹州L7灰岩层; d— 具黑色充填物的Zoophycos, 产于焦作L4灰岩层; e— Taenidium, 产于焦作L5灰岩层; f— Rhizocorallium和Zoophycos, 产于焦作L5灰岩层; g— Teichichnus, 产于附城L3灰岩层; h— Thalassinoides, 产于焦作L4灰岩层; i— Chondrites和Nereites, 产于焦作L4灰岩层Fig.3 Ichnofossils of the Taiyuan Formation in western North China Basin

图 4 华北盆地西部太原组碳酸盐岩中遗迹化石分布特征Fig.4 Columnal sections with distribution of ichnofossils in carbonate rocks of the Taiyuan Formation in western North China Basin

河南焦作地区太原组共发育9层灰岩, 自下而上简称为L1~L9, 主要发育Zoophycos, Teichichnus, Rhizocorallium, Chondrites, Nereites, Planolites, Taenidium, Thalassinoides, Ophiomorpha, Dichasialichnus和Gordia等遗迹化石。其中具灰色和灰白色充填物的Zoophycos遗迹化石几乎发育于各灰岩层, 但丰度不同; 具黑色充填物的Zoophycos主要见于L2、L4和L8灰岩层中部; 具红褐色充填物的Zoophycos在L6和L7中上部灰岩层出现; Planolites 仅见于L2和L5灰岩层; Chondrites, Nereites, Teichichnus, Ophiomorpha和Thalassinoides等遗迹化石主要出现于L4灰岩层。L5灰岩层中常见有Taenidium, Teichichnus, Rhizocorallium及生物扰动层; L8灰岩层下部密集分布多层小型具灰色充填物的Zoophycos; Dichasialichnus和Gordia仅出现在L9灰岩层顶面。

豫西禹州地区太原组共发育7层灰岩, 自下而上简称为L1~L7。主要发育Zoophycos, Skolithos, Taenidium和Nereites等遗迹化石。具灰白色、灰色充填物的Zoophycos几乎发育于各灰岩层; 具黑色充填物的Zoophycos出现在L2和L6灰岩层的顶部; 具红褐色充填物的Zoophycos密集分布于L7灰岩层顶部; Skolithos仅见于L2灰岩层底部; Taenidium和Nereites仅见于L6灰岩层上部。

山西附城地区太原组共发育7层灰岩, 自下而上简称为L1~L7。具灰白色和灰色充填物的Zoophycos发育于各层灰岩层; 具黑色充填物的Zoophycos见于L1中上部和L7中部灰岩层, Nereites和Chondrites共生于L1灰岩层的中上部; 具红褐色充填物的Zoophycos仅见于L7灰岩层中部; L3灰岩层中上部可见Teichichnus, Planolites, Helminthopsis和Palaeophycus以及生物扰动构造; Thalassinoides见于L1和L3灰岩层的顶部; L3和L7灰岩层中部发育Teichichnus和生物扰动层。

山西太原西山地区太原组共发育5层灰岩, 分别称为吴家裕灰岩(L1)、庙沟灰岩(L2)、毛儿沟灰岩(L3)、斜道灰岩(L4)和东大窑灰岩(L5), 在L3和L5灰岩层中发育丰富的Zoophycos。其中具黑色充填物的Zoophycos出现于L3层中部和L5层中上部灰岩层; 具红褐色充填物的Zoophycos仅在L5灰岩层底部出现; Taenidium遗迹化石见于L3灰岩层底部。

4 遗迹化石的地球化学特征

分别在河南焦作、禹州和山西附城太原组剖面中采取碳酸盐岩遗迹化石新鲜样品, 经清洗晾晒后研磨至200目, 在研磨时尽量避开裂隙、后期充填等, 减少后期成岩作用对测试结果的影响。微量元素测试样品部分(表 1中样品编号标“ * ” 样品)在核工业北京地质研究院分析测试研究中心测试完成, 仪器型号为NexION300D, 部分(表 1中样品编号未标“ * ” 样品)在河南理工大学“ 生物遗迹与成矿过程” 河南省重点实验室测试完成, 仪器型号为Varian820-MS, 测试过程均按照国家标准GB/T14506.30-2010进行, 分析精度均优于3%~5%。主量元素测试样品在中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室完成, 运用岩石样品溶片和X射线荧光光谱仪(XRF)法, 测试精度优于± 10%。碳同位素(δ 13C)测试样品在河南理工大学“ 生物遗迹与成矿过程” 河南省重点实验室测试完成, 测试采用磷酸法, 仪器为MAT253稳定同位素质谱仪, 分析精度为0.01‰ 。

表 1 河南焦作、禹州及山西附城地区太原组潜穴充填物微量及常量元素测试结果 Table1 Trace and major elements in burrow fillings of the Taiyuan Formation in Jiaozuo and Yuzhou of Henan Province, and Fucheng of Shanxi Province
4.1 常量与微量元素特征

Sr元素主要存在于碳酸盐矿物中(伏美燕等, 2017), 现代浅海沉积物以文石和高镁方解石为主, 而深海沉积物则以低镁方解石为主, 在成岩过程中不稳定的文石和高镁方解石向低镁方解石转化时, Sr含量会减少; 而低镁方解石较为稳定, 其Sr含量在转化过程中基本不发生变化; 所以, 海相碳酸盐岩中的Sr元素含量由浅海至深海呈逐渐增加的趋势(Veizer and Demovic, 1974; 汪凯明和罗顺社, 2009; 倪善芹等, 2010)。Sr迁移能力比Ba强(赵永胜等, 1998; 郑荣才和柳梅青, 1999), 靠近物源区的海相沉积Ba含量较Sr含量高, 水深增大则相反(汪凯明和罗顺社, 2009), Veizer和Demovic(1974)曾指出Sr元素在不同的沉积相带中具有双峰分布的特征, 而1000× (Sr/Ca)值也呈以浅滩为中心向潟湖方向和陆棚方向双峰分布的特点(邵龙义, 1991)。因此Sr元素含量及Sr/Ba和1000× (Sr/Ca)值的变化可以用来判断古水深。本次研究对不同遗迹化石及具有不同充填物颜色的Zoophycos潜穴中微量元素及部分常量元素进行了测试, 其中Sr元素含量、Sr/Ba值以及部分1000× (Sr/Ca)值结果见表 1。

表 1中, 具黑色充填物的Zoophycos潜穴中Sr元素含量一般在550.13~626 μg/g之间, 均值为582.63 μg/g; Sr/Ba值范围为17.98~73.62, 平均值为32.98; 1000× (Sr/Ca)值为1.55~1.98, 均值为1.74。具红褐色充填物的Zoophycos潜穴中Sr元素含量大多在509.67~761.56 μg/g之间, 均值为604.2 μg/g; Sr/Ba值范围为2.26~12.52, 均值为7.76; 1000× (Sr/Ca)值在1.76~3.81之间, 均值为2.65。具灰色充填物的Zoophycos潜穴中Sr元素含量大多介于423~543 μg/g, 均值为464.72 μg/g; Sr/Ba值在7.20~44.82之间, 均值为20.11; 1000× (Sr/Ca)值为1.52。具灰白色充填物的Zoophycos潜穴中Sr元素含量介于245.14~463 μg/g之间, 均值为359.38 μg/g; Sr/Ba值多在5.2~23.4之间, 均值为14.89; 1000× (Sr/Ca)值为0.61。Chondrites潜穴中Sr元素含量为668.34 μg/g, Sr/Ba值为20.26。Nereites潜穴中Sr元素含量为715.87 μg/g, Sr/Ba值为21.49, 1000× (Sr/Ca)值为2.09。

上述数据表明, 在Zoophycos潜穴中的Sr元素含量在黑色和红褐色充填物中较高, 在灰色和灰白色充填物中较低; Sr/Ba值在黑色和灰色充填物中均较高, 而在灰白色和红褐色充填物中较低(图 5); 1000× (Sr/Ca)值在黑色和红褐色充填物中较高, 但在灰白色和灰色充填物中较低。由此可见, 不同颜色充填物的Zoophycos遗迹化石与水深有一定的相关性。另外, Chondrites和Nereites的Sr元素含量、Sr/Ba值和1000× (Sr/Ca)值与具黑色充填物的Zoophycos值相近, 所以三者所处海水深度相近。

图 5 河南焦作、禹州及山西附城地区太原组剖面中Zoophycos潜穴内不同颜色充填物中的Sr含量和Sr/Ba值
F— 附城剖面; J— 焦作剖面; Y— 禹州剖面; L— 灰岩层Fig.5 Graphic analyses of Sr contents and of Sr/Ba values within Zoophycos burrows with different color fillings of the Taiyuan Formation in Jiaozuo and Yuzhou of Henan Province, and Fucheng of Shanxi Province

4.2 碳同位素特征

在研究海相碳酸盐岩碳同位素过程中, 常用Mn/Sr值作为判断成岩作用和蚀变程度的指标, 一般用Mn/Sr< 10作为碳酸盐岩保留了原始同位素的判别标志(严兆彬等, 2005), 当Mn/Sr< 2~3时, 样品较好地保存了原始海水中的同位素组成(黄思静等, 2003)。表 1中Mn/Sr值的范围为0.18~2, 均小于3, 平均值为1.01, 所以测试样品较好地保存了太原组沉积时的同位素组成。

碳酸盐岩沉积中碳同位素的分馏受沉积环境中水介质的物理、化学和生物条件变化影响。当海平面上升、水深加大时, 陆源淡水和有机物注入量减少, 还原程度加强, 使碳酸盐岩中富集δ 13C, 即在碳酸盐岩中δ 13C值随海平面的升高而增加(邵龙义等, 1996; 李玉成, 1998; 谢渊等, 2002; 张振伟等, 2016)。由表 2可知, Chondrites潜穴中的δ 13C值为0.86‰ , Nereites潜穴中的δ 13C值为2.14‰ 。在Zoophycos潜穴中, 具黑色充填物的δ 13C值较高, 大多在1.12‰ ~3.43‰ 之间, 均值为1.78‰ ; 具灰色充填物的 δ 13C值较低, 在0.49‰ ~1.38‰ 之间, 均值为0.85‰ ; 具灰白色充填物的δ 13C值更低, 在-3.74‰ ~0.44‰ 之间, 均值为-1.20‰ 。Zoophycos潜穴充填物随着颜色由黑色至灰色, 再到灰白色, δ 13C值逐渐降低, 海平面逐渐下降。

表 2 河南焦作、禹州及山西附城太原组遗迹化石碳同位素测试结果 Table2 Carbon isotopic composition of ichnofossils of the Taiyuan Formation in Jiaozuo andYuzhou of Henan Province, and Fucheng of Shanxi Province

值得注意的是, 具红褐色充填物的Zoophycos中δ 13C值略低于黑色充填物, 为1.65‰ 。由于该红褐色充填物成分主要为褐铁矿, 以往研究揭示其为深灰色菱铁矿氧化后的产物(宋慧波等, 2017), 所以, 这与弱还原环境有关。

5 遗迹化石组合对古水深的响应

根据焦作、禹州、附城和太原西山剖面中遗迹化石的组成、产状、分布和围岩的沉积特征以及所反映的水深特征, 可将研究区太原组碳酸盐岩中的遗迹化石划分为3个遗迹组合。

5.1 Nereites-Chondrites遗迹组合

主要由Zoophycos, Chondrites, Nereites和Planolites遗迹化石组成(图 6), 伴随较强的生物扰动层, 一般为中— 小型Zoophycos, 板状蹼层宽度大多小于2 mm, 具黑色和深灰色充填物, 常产于该组合分层的中— 下部, 与层面近平行或呈低角度倾斜于层面, 可见交切现象, 丰度高, 常伴生Chondrites和Nereites。Chondrites为分枝状潜穴, 在层面或剖面上往往呈较密集分布的圆形或椭圆形斑点, 潜穴充填物颜色较围岩浅, 通常为灰白色或浅灰色, 与蛇曲状的Nereites共生并成层出现。Nereites常呈弯曲或蛇曲状, 具朵状的黑色或深灰色泥质衬壁, 风化面上的潜穴充填物颜色浅于围岩, 为灰白色或浅灰色。Planolites遗迹化石充填物颜色与围岩一致, 在焦作L2灰岩层垂直剖面上可见潜穴内具横纹。

图 6 华北盆地西部太原组Nereites-Chondrites遗迹组合中的遗迹化石组成和产状特征Fig.6 Ichnofossils composition and occurrence of Nereites-Chondrites ichnoassemblage in the Taiyuan Formation in western North China Basin
Ne-Nereites; Ch-Chondrites; Pl- Planolites; Z-Zoophycos

以往研究认为, 直径细小的Chondrites密集出现在灰岩或泥灰岩中时, 可解释其形成于贫氧或缺氧环境(马会珍等, 2010), 而遗迹属Nereites常见于半深海— 深海沉积环境, 是深海相的代表性遗迹化石(晋慧娟和李育慈, 1999)。

在Nereites-Chondrites遗迹组合中, Chondrites, Nereites和具黑色充填物的Zoophycos潜穴中Sr、Sr/Ba值、1000× (Sr/Ca)值和δ 13C值均较高, 因此该遗迹组合形成的水体较深, 与遗迹化石反映的水深吻合。又因为黑色充填物和Chondrites主要形成于缺氧环境, 因而可解释该组合产生于氧化还原界面附近水体相对较深的浅海下部环境。该遗迹组合主要出现在焦作剖面L2 、L4和L8中部、禹州剖面L2和L6顶部、附城剖面L1中上部和L7中部以及太原西山剖面L3中部和L5中上部灰岩层。

5.2 Zoophycos-Teichichnus遗迹组合

主要由Zoophycos, Teichichnus, Taenidium, Palaeophycus和Planolites等遗迹化石组成(图 7), 伴生有生物扰动层, 遗迹化石丰度和分异度均较高。在该遗迹组合中, 发育小— 中— 大型具灰色充填物的Zoophycos, 且与层面平行或呈低角度倾斜产出, 丰度较高, 是晚古生代浅海沉积物中常见的遗迹化石。Teichichnus在垂向剖面上与层面近垂直, 为直立微弯曲的墙形潜穴, 具灰色或深灰色横向蹼纹, 常见于浪基面之下的开阔浅海或亚滨海沉积环境(王约, 2003)。Taenidium沿层面分布呈微弯曲状, 潜穴中具清晰的深灰色新月形回填纹, 常见于浅海沉积中(Buckman, 2001)。Planolites呈直或微弯曲状, 近平行或低角度斜交于层面, 潜穴中无回填纹构造。Palaeophycus为微弯曲的圆柱形或近圆柱形潜穴, 潜穴壁为灰色, 充填物颜色与围岩相近。Planolites和Palaeophycus常见于各种沉积环境, 属穿相遗迹化石。该组合的遗迹化石丰度和分异度均较高, 说明当时的沉积环境适合多种底栖生物活动。

图 7 华北盆地西部太原组Zoophycos-Teichichnus遗迹组合中的遗迹化石组成和产状特征Fig.7 Ichnofossils composition and occurrence of the Zoophycos-Teichichnus ichnoassemblage in the Taiyuan Formation in western North China Basin
Te-Teichichnus; Ta-Taenidium; Pl-Planolites; Pa-Palaeophycus; Bi-Bioturbation structure; Z-Zoophycos

在Zoophycos-Teichichnus遗迹组合中, 具灰色充填物的Zoophycos潜穴中Sr含量、Sr/Ba值、1000× (Sr/Ca)值和δ 13C值均小于黑色充填物, 说明该遗迹组合产生的水深浅于前一个遗迹组合, 且遗迹化石的特点与生境分析也有相同反映, 因此, 推测其形成于浪基面至氧化还原界面之间的浅海中部沉积环境。该组合在研究区的太原组大部分灰岩层中出现。

5.3 Zoophycos-Thalassinoides遗迹组合

该组合主要由具灰白色和红褐色充填物的Zoophycos, Thalassinoides, Rhizocorallium, Gordia, Dichasialichnus和Planolites等遗迹化石组成(图 8), 部分灰岩层中可见Skolithos遗迹化石。

图 8 华北盆地西部太原组Zoophycos-Thalassinoides遗迹组合中的遗迹化石组成和产状特征Fig.8 Ichnofossils composition and occurrence of the Zoophycos-Thalassinoides ichnoassemblage in the Taiyuan Formation in western North China Basin
Th-Thalassinoides; Rh-Rhizocorallium; Pl-Planolites; Sk-Skolithos; G-Gordia; Di-Dichasialichnus; Z-Zoophycos

具灰白色充填物的Zoophycos一般为中至大型, 与层面近平行或斜交, 常伴生Thalassinoides和Rhizocorallium; 具红褐色充填物的Zoophycos一般为小至大型。Rhizocorallium一般为近平行层面分布且具蹼状构造的U形管状潜穴。Thalassinoides潜穴常呈“ T” 形或“ Y” 形分支, 在分支处常微膨胀变粗, 风化面上潜穴充填物颜色为浅灰色或黄褐色。Dichasialichnus为微弯曲、二分叉层面拖迹, 整体形态似“ > ” 形沟痕分布于层面上, 常与在层面任意弯曲的Gordia共生。该组合的遗迹化石的丰度和分异度一般较高。通常, 具灰白色充填物的Zoophycos含氧量较高(宋慧波等, 2017), 水深较浅, 而Thalassinoides常见于滨海潮间带沉积环境(杨式溥等, 2004), 近水平分布的Rhizocorallium多分布近滨或近岸潮下带环境(Seilacher, 1967), Skolithos遗迹化石也常见于滨岸水能量较高的沉积环境。

在Zoophycos-Thalassinoides遗迹组合中, 在具灰白色充填物Zoophycos的潜穴中Sr含量、Sr/Ba值、1000× (Sr/Ca)值和δ 13C值为最小, 表明此时水体深度相对较浅; 在具红褐色充填物的Zoophycos潜穴中, Sr元素含量和1000× (Sr/Ca)值较高, 但Sr/Ba值较小, 由于Sr/Ba值随水深增大而增大, 1000× (Sr/Ca)值有以浅滩为中心向潟湖和陆棚方向变化的双峰分布特点(Veizer and Demovic, 1974), 所以具红褐色充填物的Zoophycos宜解释为形成于潟湖环境, 水体较浅。

另外, 红褐色充填物的成分主要是褐铁矿, 是由深灰色的菱铁矿在水体变浅时氧化后形成的(宋慧波等, 2017), 所以具红褐色填充物的Zoophycos反映其形成的水体也较浅。因此, 该遗迹组合可产生于平均海平面至浪基面之间的浅海上部(见于大多数灰岩层)或是较为闭塞的海湾潟湖沉积环境。该遗迹组合主要出现在焦作剖面L6-7和L9、禹州剖面L7顶部、附城剖面L7中部和太原西山剖面L5底部灰岩层。

5.4 遗迹组合与水深的关系

综上所述, 当Zoophycos潜穴充填物颜色由黑色至灰色、再到灰白色时, Sr含量、Sr/Ba值和1000× (Sr/Ca)值依次减小, 水深逐渐变浅, 含氧量逐渐增加(宋慧波等, 2017), 使海水碳酸盐中富集δ 13C, 碳酸盐岩中δ 13C值减小, 海平面逐渐下降(谢渊等, 2002)。同样, 遗迹组合从Nereites-Chondrites组合变为Zoophycos-Teichichnus组合、再变为Zoophycos-Thalassinoides组合时, Sr、Sr/Ba值、1000× (Sr/Ca)值和δ 13C值依次减小, 也反映水深逐渐变浅, 海平面逐渐降低(图 9)。在这个变化过程中, Chondrites-Nereites遗迹组合出现时水深达到最大, 而Zoophycos-Thalassinoides遗迹组合出现时水深达到最小。

图 9 华北盆地西部太原组遗迹组合的地球化学指标与古水深变化的响应特征Fig.9 Paleo-water-depth and geochemical indicators of ichnoassemblages in the Taiyuan Formation in western North China Basin
Ne-Nereites; Ch-Chondrites; Te-Teichichnus; Ta-Taenidium; Bi-Bioturbation structure; Rh-Rhizocorallium; Th-Thalassinoides; G-Gordia; Di-Dichasialichnus; Pl-Planolites; Pa-Palaeophycus; Sk-Skolithos; Z-Zoophycos

通过对遗迹组合和水深变化关系的综合研究, 认为不同的遗迹组合代表不同的水深, Zoophycos-Thalassinoides组合产生于水体最浅的浅海上部环境, Zoophycos-Teichichnus组合形成于水体较浅的浅海中部环境, Nereites-Chondrites组合出现在水体最深的浅海下部环境。

5.5 海侵的发育

研究区可以Nereites-Chondrites组合出现的灰岩层为标志层进行该地区太原组地层对比。华北盆地西部太原组沉积期出现了多次海侵(图 10), 其中焦作地区太原组沉积期经历3次较大的海侵, 发生在L2、L4和L8中部灰岩层形成时期; 禹州地区太原组沉积期经历了2次较大的海侵, 发生在L2和L6顶部灰岩层形成时期; 山西附城地区太原组沉积期也经历2次较大的海侵, 发生在L1中上部和L7中部灰岩层形成时期; 山西太原西山一带太原组沉积期同样出现2次较大的海侵, 发生在L3中部和L5中上部灰岩层形成时期。研究区在太原组沉积期最先接受海侵的地区为焦作和禹州, 其次为附城, 最后是太原西山; 海水先从太原西山退出, 其次为附城, 然后为禹州, 最后为焦作地区。研究区海侵主要来自东南部, 这与邵龙义等(2014)提出的华北石炭— 二叠纪沉积期海侵方向基本一致。

图 10 华北盆地西部太原组遗迹化石组合与古水深变化特征
N-Ch: Nereites-Chondrites遗迹组合; Z-Th: Zoophycos-Thalassinoides遗迹组合; Z-Te: Zoophycos-Teichichnus遗迹组合Fig.10 Comparison of ichnoassemblages and paleo-water-depth in the Taiyuan Formation of western North China Basin

6 结论

1)基于遗迹化石组成、产状与分布特征, 并结合地球化学指标与古水深的关系, 将华北盆地西部上石炭统— 下二叠统太原组碳酸盐岩中遗迹化石划分出3种遗迹组合: (1)Nereites-Chondrites遗迹组合, 产生于氧化还原界面附近水体相对较深的浅海下部环境; (2)Zoophycos-Teichichnus遗迹组合, 形成于浪基面至氧化还原界面之间的浅海中部沉积环境; (3) Zoophycos-Thalassinoides遗迹组合, 出现在平均海平面至浪基面之间的浅海上部或是较为闭塞的海湾潟湖沉积环境。

2)遗迹化石与水深变化的分析显示: Zoophycos潜穴充填物颜色由黑色变为灰色、再变为灰白色和红褐色反映水体逐渐变浅, 海平面下降; 同样, 遗迹化石组合从Nereites-Chondrites组合变为Zoophycos-Teichichnus组合、再变为Zoophycos-Thalassinoides组合时, Sr含量、Sr/Ba值、1000× (Sr/Ca)值和δ 13C值依次减少, 也反映水体逐渐变浅, 海平面逐渐降低。在这个变化过程中, Chondrites-Nereites遗迹组合出现时水深达到最大, 而Zoophycos-Thalassinoides遗迹组合出现时水深变到最小。

3)遗迹组合与水深的响应关系在各地太原组剖面上的变化表明, 豫西焦作地区太原组沉积时期经历了3次较大海侵, 分别发生在L2、L4和L8灰岩层形成时期, 而禹州及晋中南地区太原组沉积时期经历了2次较大海侵, 分别发生在禹州剖面的L2和L6、附城剖面的L1和L7以及太原西山剖面的L3和L5灰岩层沉积时期。

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