晉中南地區上石炭統—下二疊統太原組碳酸鹽巖中遺跡組構及其沉積環境①

宋慧波 王 芳 胡 斌

(1.河南理工大學資源環境學院 河南焦作 454000;2.中原經濟區煤層(頁巖)氣河南省協同創新 河南焦作 454000)

0 引言

晉中南地區上石炭統—下二疊統太原組蘊含著豐富的煤及煤層氣資源，太原西山又是我國北方型石炭—二疊紀含煤地層的典型剖面，長期以來受到我國廣大地質工作者的高度關注。以往的研究主要集中在古生物地層學［1-2］和沉積環境及聚煤規律［3-6］的研究上，對研究區碳酸鹽巖中遺跡化石、遺跡組構及其沉積環境的研究較少。迄今，僅胡斌等［7］首次研究了該地區太原組灰巖中遺跡組合及其沉積環境。但是，有關本區遺跡組構的研究尚無正式報道。

遺跡組構是指沉積物(巖石)中生物擾動和生物侵蝕作用所遺留下來的總體結構和內部構造特征，是各期擾動生物在沉積物中活動歷史的最終記錄，它是物理過程和生物過程相互作用的產物［8-9］。遺跡組構克服了傳統遺跡相(即，反映一定沉積環境的遺跡組合)研究沒有區分生物遺跡活動先后順序和世代關系的不足，強調生物活動與沉積物之間、遺跡化石個體與群體之間在時間、空間上的相互關系，這與側重研究多種生物遺跡同時期共生在同一空間環境的遺跡組合的概念有明顯差別。因而成為繼“原型遺跡相”概念［10］后遺跡學發展過程中的又一里程碑，它使得遺跡學朝著更深入、更精確的方向發展。

遺跡組構的屬性由沉積基底的物理、化學和生態性質以及造跡生物的各種行為習性共同決定［11］，因此，正確分析及解釋遺跡組構，必須把出現在整個巖石剖面上的全部遺跡相和沉積特征作為一個整體進行分析［12-13］。描述一個遺跡組構，一般通過以下四個方面:物理沉積構造、生物擾動指數(BI)、潛穴大小［14］和豐度以及遺跡化石分異度［15］。

本文選擇太原西山七里溝剖面和陵川附城松窯溝剖面(圖1)為研究對象，通過分析太原組碳酸鹽巖中遺跡化石和遺跡組構的組成和分布特征，可以為精細研究本區太原組的沉積環境變遷史提供重要的生物學信息，也可為煤與煤層氣的生成環境提供生物學記錄方面的科學依據。

圖1 研究區及剖面位置圖Fig.1 Location of the study area and outcrop section(shown by triangle sign)

1 地質背景

本研究區位于晉中南地區，屬于沁水盆地的范圍，位于北緯 35°～38.25°和東經 111°00'～114°00'之間，總體上該盆地呈北北東至南南西向展布。從區域構造上看，本區的晚古生代沉積區域位于中朝板塊華北地塊的中部。在加里東運動的晚期，華北地塊整體呈西隆東傾，這種格局貫穿于整個晚古生代［16］。在石炭紀，華北地塊表現為“南隆北傾”;至早二疊世，華北地塊轉變為“北隆南傾”，此時地勢表現為北西高、南東低，海水大致沿北西—南東方向頻繁進退［17］。上石炭統—下二疊統太原組就是在這種構造古地理背景下形成的一套濱海、淺海、潟湖和潮坪沉積［18］。

2 地層組成特征

研究區太原組是一套典型的海陸交互相含煤地層，主要由砂巖、粉砂巖、泥巖、頁巖、灰巖及煤層所組成，含有大量的紡錘蟲類、珊瑚、腕足類、牙形石［19］、介形類、腹足類、雙殼類［20］等正常淺海相底棲動物化石、各種植物化石和豐富的遺跡化石［21-23］，屬于陸表海多堡島與碳酸鹽巖臺地復合沉積體系［24］。該組地層剖面于太原西山(厚84 m)和晉城的陵川(厚94 m)一帶出露良好，其下與本溪組、其上與山西組呈整合接觸［25］。依據垂向上的巖性變化特征，太原西山露頭剖面自下而上劃分為晉祠段、毛兒溝段和東大窯段(圖2)。①晉祠段，由淺灰色細粒巖屑雜砂巖和石英雜砂巖、灰色粗粉砂巖和粉砂質泥巖、灰黑色泥巖和鐵質泥巖組成，夾一層薄煤層(11號)和二層煤線以及一層橫向上不穩定的深灰色生物屑泥晶灰巖(俗稱吳家峪灰巖，厚1.1 m)，砂巖中有時含菱鐵礦鮞粒，底部為淺灰色沉凝灰巖(3.1 m)或灰白色石英雜砂巖(晉祠砂巖K1);②毛兒溝段，下部為灰色細粒巖屑砂巖和石英雜砂巖、細粉砂巖、黑色泥巖和三層煤層(8號、9號、10號)，底部夾有薄煤層;上部主要為深灰色中厚—厚層狀泥晶灰巖(俗稱廟溝灰巖和毛兒溝灰巖)，夾一層黑色粉砂質泥巖和褐灰色凝灰巖，頂部發育一層灰巖(俗稱斜道灰巖)，其下為灰黑色泥巖并夾一層薄煤層(7號);③東大窯段，主要由一層深灰—灰黑色生物屑泥晶灰巖(俗稱東大窯灰巖)夾黑色泥巖、粉砂質泥巖和煤層(6 號)組成［26］。

陵川地區松窯溝剖面太原組劃分為四個巖性段:①下部碎屑巖段，由灰白色薄—厚層狀細砂巖、粉砂巖和砂質泥巖以及深灰色鋁土質泥巖、碳質泥巖和煤組成，該段底部以一層灰白色厚層狀中—細粒石英砂巖與本溪組整合接觸，頂部普遍發育15號和14號煤層;②中部灰巖段，主要由6層深灰色中厚—厚層狀含燧石灰巖、生物碎屑灰巖和泥晶灰巖(L1-L6)組成，灰巖間夾薄層中粒砂巖、細砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖、炭質泥巖和煤層(9號～13號);③上部碎屑巖段，由灰白色中厚—厚層狀中—細粒石英砂巖、薄層粉砂巖、砂質泥巖、泥巖、炭質泥巖和煤層(7號，8號)組成;④上部灰巖段，主要為灰、深灰色生物碎屑微晶灰巖(L7-L8)和薄層硅質巖、細砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、炭質泥巖和薄煤層(5號，6號)或煤線，中上部夾1～2層中—厚層細砂巖，頂部發育一層較厚的灰黑色薄層狀泥巖，與山西組底部的灰白色厚層細砂巖(K7)呈整合接觸［27］。

圖2 晉中南太原組研究剖面地層柱狀及遺跡化石垂向分布圖Fig.2 Stratigraphic column graph and ichnofossil distribution of the Taiyuan Formation on study sections in middle-south Shanxi province

區域地層研究表明，本研究區太原組灰巖厚度整體上呈現出從西北到東南由小變大、灰巖層數由少變多的趨勢。太原西山太原組露頭剖面發育5層灰巖，分別為吳家峪灰巖、廟溝灰巖、毛兒溝灰巖、斜道灰巖和東大窯灰巖。其中以毛兒溝灰巖(L3)和東大窯灰巖(L5)厚度大，分布廣泛，橫向上較為穩定。陵川地區松窯溝太原組露頭剖面發育8層灰巖，其中松窯溝灰巖(L1)和附城灰巖(L7)厚度大，分布廣而穩定。各層灰巖層中均含有豐富的遺跡化石，如圖2所示。

3 遺跡化石組成與分布特征

晉中南地區太原組碳酸鹽巖中發育了大量的遺跡化石，經鑒定有10個遺跡屬14個遺跡種，包括三種生態類型，即:①進食跡，常見有 Zoophycos aff.caudagalli， Zoophycos lingchuanensis， Zoophycos taiyuanensis，Zoophycos isp.1，Zoophycos isp.2［28-29］，Palaeophycus heberti，Planolites montanus，Teichichnus rectus［30］，Chondrites isp.［31］，Rhizocorallium isp.［32］等，其中以 Zoophycos最為豐富;②覓食跡，僅見 Helminthopsis isp.和Nereites isp.二種;③居住跡，僅出現Thalassinoides isp.和 Ophiomorpha isp.二種。

露頭剖面考察發現，太原組各層灰巖中均含有遺跡化石，但其組成、豐度、分布、個體大小及產狀特征各有不同。通常，在有機質和泥質含量相對較高的灰巖層段，遺跡化石的豐度和分異度相對較高，多為沿層面和平行層面分布的覓食跡與進食跡。這表明，遺跡化石的豐度、分異度與營養物質的供應、含氧量等具有正相關性。尤其是Zoophycos遺跡化石［33］，在個體形態、大小、豐度和潛穴充填物的顏色方面，不同灰巖層均存在明顯的差異。按照剖面上板狀蹼層寬度大小可將Zoophycos遺跡化石劃分為三種類型，即:小型(板狀蹼層平均寬度1～3 mm)、中型(4～6 mm)和大型(8 mm以上);按照充填物的顏色可分為:紅褐色、灰白色、淺灰色、灰色、深灰色和黑色;按照剖面上板狀蹼層中回填紋的形態特征，可分為新月形、舌形和矩形［34］。現將幾層典型灰巖層中 Zoophycos遺跡化石的分布及變化特征簡述如下:

(1)太原西山剖面毛兒溝灰巖層中遺跡化石的組成與分布特征

毛兒溝灰巖層(L3)厚約8 m，產有紡錘蟲、珊瑚、腕足類等大量實體化石和Zoophycos遺跡化石。自下而上可分為5個細分層(圖3)。其中1、2分層為深灰色生物屑泥晶灰巖，厚1.25 m，1分層發育大量1～2 mm寬的小型Zoophycos，具有深灰色充填物，可見長度15 cm，豐度很高(圖3A)，Zoophycos回填紋形態為舌形，與圍巖成分、顏色一致;在距2分層頂部15 cm處發育具有灰白色充填物的中型Zoophycos(圖3B)，蹼層寬4～6 mm，回填紋為舌形，同時還伴生的有Taenidium遺跡化石(圖3C);3分層又出現大量具有深灰色充填物的小型Zoophycos;4分層為深灰色生物屑泥晶—微晶灰巖，厚0.5 m，距該分層頂部10 cm處，發育有大型帶襯壁且具灰色充填物的Zoophycos，蹼層寬度8～12 mm，回填紋形態為新月形，襯壁寬2～3 mm，可見長度為20 cm，層面呈雞尾狀產出(圖3D)，再往上距頂面5 cm處往上至頂面，可見具黑色充填物的Zoophycos，蹼層寬度1～3 mm，回填紋呈舌形，可見長度為18 cm(圖3E);5分層中，發育有深灰色充填物的中型Zoophycos(圖3F)，回填紋呈新月形。

圖3 太原西山太原組毛兒溝灰巖層中遺跡化石的分布特征Fig.3 Distribution characteristics of ichnofossils in the Maoergou limestone bed of the Taiyuan Formation，Xishan area of Taiyuan city，Shanxi province

上述毛兒溝灰巖層中Zoophycos遺跡化石的分布特點(圖3)表明，該灰巖層形成過程中的水深變化經歷了較深水(第1細分層)變為較淺水(第2細分層)、再變為較深水(第3細分層)、然后又變為較淺水(第4細分層下部)、接著又變深(第4細分層上部)、最后再變為較淺水(第5細分層)的演變過程。

(2)太原西山剖面東大窯灰巖層中遺跡化石的組成與分布特征

東大窯灰巖層(L5)厚約6 m，可劃分出五個細分層(圖4)。1分層為微晶灰巖，厚1.2 m，距分層頂部3 cm處，發育有紅色充填物的Zoophycos(圖4A)，板狀蹼層中的回填紋呈新月形，充填物為細粉晶灰巖，粒度比圍巖粗，與圍巖之間的界限清晰，蹼層厚5～10 mm，長度可達15 cm，但豐度較低;2分層厚1.5 m，發育大量具深灰色充填物的小型Zoophycos，回填紋形態為舌形，蹼層平均寬度2 mm，可見長度12 cm，豐度高(圖4B);3分層中，發育大型具較厚襯壁和灰色充填物的Zoophycos，蹼層寬度9～11 mm，其中襯壁寬2 mm，可見長度20cm(圖4B);在4分層頂部，出現具黑色充填物的Zoophycos，回填紋呈舌形，蹼層平均寬度2 mm，長度為20 cm(圖4D)，3和4分層總厚2.3 m;再往上第5分層中，又發育1 m厚具深灰色充填物的小型Zoophycos。

上述東大窯灰巖層中Zoophycos遺跡化石的分布特點(圖4)表明，該灰巖層形成過程中的水深變化經歷了較淺水(第1細分層)變為較深水(第2細分層)、再變為較淺水(第3細分層)、然后又變為較深水(第4和5細分層)的演變過程。

(3)陵川附城剖面松窯溝灰巖層中遺跡化石的組成與分布特征

陵川附城一帶松窯溝灰巖層(L1，俗稱K2標志層)自下而上可劃分出7個細分層(圖5)。1分層比較薄，局部見有少量具有淺灰色充填物的中型Zoophycos遺跡化石;2分層厚1.2 m，頂部發育Zoophycos遺跡化石層，為近平行排列且具灰色充填物的小型Zoophycos(圖5A)，蹼層寬度1～1.5 mm，可見長度8 cm，回填紋呈舌形;而其上第3分層含中型Zoophycos遺跡化石層，蹼層寬4～5 mm，具紅褐色充填物(圖5B)，可見長度10～20 cm，回填紋為新月形，自下而上，豐度越來越高，部分Zoophycos被一些高角度傾斜的潛穴所截切，化石之間夾雜有鐵質結核;4分層中上部發育中—大型Zoophycos(圖5C)，蹼層寬度5～8 mm、可見長度16 cm，具灰白色充填物，回填紋呈矩形，密集成層產出，平行層面分布;5分層發育具黑色充填物的小型Zoophycos(圖5D)，蹼層厚2～4 mm，回填紋呈舌形，常與藻紋層交替產出，遺跡化石層與藻紋層的層厚一般在5 cm左右。藻紋層呈現斷續的條帶狀或團絲狀，所含藻絲體密集混雜堆積。該分層發育多期次的風暴沉積，推測這些藻絲體(葛萬藻)可能是受較強風暴浪的破壞，然后隨水流搬運到異地沉積，并非原地生長而沉積下來，其沉積的環境應該在風暴浪基面附近或以下較深水環境;6分層中出現Nereites與Chondrites相伴生(圖5E)，二者常產生于深水貧氧或缺氧的環境條件，該分層也出現多層藻紋層;7分層可見Ophiomorpha遺跡化石(圖5F)，呈分枝形，潛穴直徑約為0.9 cm，在分枝處略為膨脹變粗，潛穴壁遭受風化剝蝕，殘存潛穴充填物，充填物表面密布有微小凹坑，豐度較低。

圖4 太原西山太原組東大窯灰巖層中Zoophycos遺跡化石的分布特征Fig.4 Distribution characteristics of ichnofossil Zoophycos in the Dongdayao limestone bed of the Taiyuan Formation，Xishan area of Taiyuan city，Shanxi province

圖5 晉城陵川附城太原組松窯溝灰巖層中遺跡化石的分布特征Fig.5 Distribution characteristics of ichnofossils in the Songyaogou limestone bed of the Taiyuan Formation，Lingchuan area of Jincheng city，Shanxi province

上述松窯溝灰巖層中遺跡化石的分布特點(圖5)顯示，該灰巖層形成過程中的水深變化經歷了較淺水(第1細分層)變為較深水(第2細分層)、再變為較淺水(第3、4細分層)、然后又變為較深水(第5、6細分層)，最后又變淺(第7細分層)的發展過程。

(4)陵川附城剖面老金溝灰巖層中遺跡化石的組成與分布特征

陵川附城老金溝灰巖層(L3，俗稱K3標志層)為深灰色厚層狀生物碎屑灰巖，層厚3.2 m，頂部變為含泥質灰巖。該層上部均發育較為穩定燧石層或團塊。該層從下往上共有三個細分層，1分層發育有中型Zoophycos(圖6A)，充填物為土黃色，蹼層厚 2～4 mm，回填紋呈舌形;2分層下部產有灰色充填物的中型Zoophycos(圖6B)，上部出現Teichichnus(圖6C)和Ophiomorpha;3分層下部則出現了具深灰色充填物的小型Zoophycos(圖6D)，回填紋呈新月形，中上部發育 Palaeophycus、Planolites(圖 6E)和 Helminthopsis。遺跡化石Palaeophycus的潛穴微彎曲，潛穴壁呈灰色，圍巖土黃色，直徑約1 cm，潛穴壁厚0.2 cm。

上述老金溝灰巖層中遺跡化石的分布特點(圖6)顯示，該灰巖層形成過程中的水深變化經歷了較淺水(第1細分層)變為較深水(第2細分層、第3細分層下部)、再變為較淺水(第3分層中上部)的發展過程。

(5)陵川附城剖面附城灰巖層中遺跡化石的組成與分布特征

陵川附城剖面的附城灰巖層(L7，俗稱K3標志層)厚4.5 m，為深灰色中—厚層狀生物碎屑灰巖，上部巖層泥質含量稍高，風化色為土黃色，中上部夾3～4層燧石，呈斷續層狀分布，頂部為薄層硅質巖。自下而上可分為6個細分層，1分層厚1.71 m，頂部發育30 cm厚的生物擾動層，其中有零星分布的Zoophycos遺跡化石。2分層產有具灰色充填物的中型Zoophycos(圖7A)，而且在本分層中上部出現較多擾動潛穴，其中部分擾動潛穴呈高角度傾斜，說明當時水體變淺，因而出現 Rhizocorallium、Ophiomorpha和Teichichnus，但豐度不高。Rhizocorallium為U形管狀潛穴，與層面斜交，且略突出于層面。兩翼管近平行排列，翼管之間具蹼狀構造，翼管直徑0.6 cm，兩翼管間距1.5 cm，蹼紋寬約0.5 cm。Ophiomorpha潛穴直徑0.26 cm，分枝處略有膨大，直徑約0.33 cm，因遭受剝蝕，僅殘存少量瘤粒，潛穴壁相對較厚，呈黑色，明顯深于圍巖。3分層從底到頂發育大量遺跡化石，豐度較高，化石層厚約16 cm，小型Zoophycos化石的充填物為黑色(圖7B)，蹼層厚1～2 mm，呈舌形。4分層厚約10 cm，發育中型Zoophycos，充填物為土黃色(圖7C)，蹼層厚約4～5 mm，在頂層層面上，可見大量雞尾狀的Zoophycos，并出現重疊現象，中心柱狀管、邊緣管、大小蹼層清晰可見。5分層距頂面20 cm處，發育小型深灰色Zoophycos遺跡化石(圖7D)，板狀蹼層厚2 mm，可見長度4 cm。6分層發育小型Zoophycos遺跡化石，呈近平行或低角度傾斜于層面產出，充填物為深灰—黑色(圖7E)，具新月形回填紋構造，寬度1～3 mm，可見長度可達7 cm。

上述附城灰巖層中遺跡化石的分布特點(圖7)顯示，該灰巖層形成過程中的水深變化經歷了較淺水(第1、2細分層)，變為較深水(第3細分層)、再變為較淺水(第4細分層)、然后又變為較深水(第5、6細分層)的發展過程。

此外，附城剖面其他灰巖層中也出現有少量遺跡化石，L2灰巖段下部產有 Zoophycos和 Palaeophycus，L6為深灰色薄—中厚層狀生物碎屑灰巖，偶含燧石團塊，上部可見少量具灰色充填物的Zoophycos遺跡化石，其他灰巖層還發育少量的擾動潛穴。

圖6 晉城陵川附城太原組老金溝灰巖層中遺跡化石的分布特征Fig.6 Distribution characteristics of ichnofossils in the Laojingou limestone bed of the Taiyuan Formation，Lingchuan area of Jincheng city，Shanxi province

圖7 晉城陵川附城太原組附城灰巖層中遺跡化石的分布特征Fig.7 Distribution characteristics of ichnofossils in the Fucheng limestone bed of the Taiyuan Formation，Lingchuan area of Jincheng city，Shanxi province

通過對上述兩個剖面5層較厚且分布較穩定的灰巖層的觀察和分析發現，Zoophycos遺跡化石的大小及充填物顏色的變化與沉積底層的水深及含氧量變化成正相關。小型者并具深灰色、黑色充填物的Zoophycos往往出現于底層的中—下部到底部，形成于水體較深的少氧或貧氧環境;中型者并具灰色充填物的Zoophycos一般出現在底層的中—上部，產生于水體相對較淺的有氧環境;中—大型者并具灰白色、土黃色或褐紅色充填物的Zoophycos通常出現在底層的上部到頂部，往往是水體更淺的充氧環境。在垂向剖面上，隨著各層灰巖形成的沉積水深及底層含氧量的變化，不同顏色充填物(回填紋層)呈現規律性變化，即沉積底層由淺水氧化環境變為深水還原環境時，Zoophycos潛穴中回填紋顏色的變化序列為:灰白色、褐紅色(淺水、充氧環境)→淺灰色或灰色(較淺水、有氧環境)→深灰色和黑色(較深水、弱還原或還原環境)，相應的Zoophycos個體大小類型的變化序列為:大型或中—大型→中型→小型。這一規律基本反應了海水深度和底層含氧量的變化過程，因此，它有助于人們對各灰巖層形成時沉積環境及沉積演變的歷史過程的深入了解，為分析盆地的海平面變化提供了重要的生物學信息。根據這一規律，可以得知太原西山和陵川附城松窯溝剖面的太原組海相碳酸鹽巖的形成都經歷了二次大的海侵過程，即第一次較大海侵發生在西山毛兒溝灰巖和陵川松窯溝灰巖的中上部沉積期，第二次較大海侵出現在西山東大窯灰巖和陵川附城灰巖的中上部沉積期。

4 遺跡組構類型及其沉積環境

基于沁水盆地太原組灰巖中遺跡化石的組成及其在沉積底層中的產狀和分布特征，可以建立4種不同的遺跡組構，即:類型A:具褐紅色、灰白色充填物的大型Zoophycos-Thalassinoides遺跡組構;類型B:具紅色、淺灰色充填物或灰白色襯壁的大型Zoophycos-Planolites遺跡組構;類型C:具灰—深灰色充填物的中型 Zoophycos-Teichichnus遺跡組構;類型 D:具深灰—黑色充填物的小型 Zoophycos-Chondrites遺跡組構。各類組構的主要遺跡化石組成和產狀特征及其形成的沉積環境概述如下:

(1)類型 A:大型 Zoophycos-Thalassinoides遺跡組構

該遺跡組構主要由Thalassinoides，Ophiomorpha，Planolites，Helminthopsis和具褐紅色、灰白色充填物的大型Zoophycos等遺跡化石組成(圖8，9)，常產于生物碎屑灰巖或泥灰巖層面上或附近(沉積底層的頂層)，在遺跡階層上屬于表層組構。總體上豐度較高、分異度較低，局部出現遺跡化石的穿插現象，擾動指數(BI)為2～3，在該盆地主要產于水動力較弱、較低能的海灣(或潟湖)及潮坪沉積環境。碳酸鹽巖微相分析表明，含該遺跡組構的巖性主要為含生物碎屑和藻類的粗粉晶灰巖，生物碎屑含量約為25%，主要包括有孔蟲、棘皮類、介形類，其次含有腕足類和雙殼類碎屑等，生物碎屑破碎嚴重，其中大部分蜓類有孔蟲的內部結構遭到破壞，這些生物碎屑可能是異地搬運堆積形成的，在海灣—潟湖和潮坪沉積環境形成的灰巖中較常見。

(2)類型B:大型Zoophycos-Planolites遺跡組構

圖8 晉中南地區太原組Zoophycos-Thalassinoides遺跡組構中的遺跡化石組成與產狀特征H.Helminthopsis;O.Ophiomorpha;Th.Thalassinoides;Pl.Planolites;Z1.具紅色充填物的Zoophycos;Z2.具灰白色充填物的Zoophycos。Fig.8 Ichnofossil composition and occurrence characteristics of the Zoophycos-Thalassinoides ichnofabric in the Taiyuan Formation of middle south Shanxi province

圖9 晉中南地區太原組類型A遺跡組構中的典型遺跡化石A.Helminthopsis遺跡化石，產于陵川附城老金溝灰巖中上部層面上;B.Planolites遺跡化石，產于陵川附城老金溝灰巖中上部層面上。Fig.9 Typical ichnofossils of Type A ichnofabric in the Taiyuan Formation of the middle south Shanxi province

該遺跡組構的遺跡化石主要由Planolites，Palae-ophycus，Rhizocorallium和具褐紅色、灰白色充填物并帶襯壁的大型Zoophycos組成(圖10，11)，主要發育近層面進食跡，多出現在分層的上部或頂部，擾動深度距頂層面一般小于15 cm，宿主巖為粗粉晶灰巖和泥灰巖，在梯序上屬于淺階層組構。該組構中遺跡化石的分異度和豐度中等，生物擾動程度低到中等，擾動指數為2～4。Palaeophycus保存于泥灰巖層面，平行或近平行于層面，微彎曲，縱向剖面上為圓形或橢圓形，直徑約1 cm，潛穴壁厚0.2 cm，化石豐度較低。Palaeophycus屬穿相分子，可出現于海相、邊緣海相和陸相淡水環境。Rhizocorallium發育于風暴侵蝕基底面之上的滯積層中，豐度較低，形成于風暴間歇期的平靜環境。并且，Rhizocorallium可分為水平型和傾斜型，水平型常出現于水深低能的環境，因此它可能出現于靠近正常天氣浪基面的環境。Zoophycos個體較大，板狀蹼層的寬度一般在4 mm以上，長度一般小于30 cm，潛穴充填物以紅色、灰白色帶襯壁(圖10，Z1)和灰白色為主，對Zoophycos紅色充填物進行元素能譜測試時發現，其中含有大量鐵質，這說明其具有氧化環境的特征，結合宿主巖中泥質成分較高的特點，可以認為當時的底層水和孔隙水均富氧。上述特征表明，該遺跡組構形成于海平面之下至正常天氣浪基面附近區域的淺海上部沉積環境或水體淺且較平靜的局限碳酸鹽巖臺地環境。

圖10 晉中南地區太原組Zoophycos-Planolites遺跡組構中的遺跡化石組成與產狀特征Pa.Palaeophycus;Pl.Planolites;Rh.Rhizocorallium;Z3.具褐紅色、灰白色充填物并帶襯壁的Zoophycos;Z4.具紅色充填物的Zoophycos;Z5.具灰白色充填物的Zoophycos。Fig.10 Ichnofossil composition and occurrence characteristics of the Zoophycos-Planolites ichnofabric in the Taiyuan Formation of the middle south Shanxi province

圖11 晉中南地區太原組類型B遺跡組構中的典型遺跡化石A.具紅色充填物的大型Zoophycos遺跡化石，產于太原西山東大窯灰巖下段;B.潛穴充填物帶襯壁的大型Zoophyco遺跡化石，產于太原西山東大窯灰巖中下段。Fig.11 Typical ichnofossils of Type B ichnofabric in the Taiyuan Formation of the middle south Shanxi province

(3)類型C:中型Zoophycos-Teichichnus遺跡組構

該遺跡組構的遺跡化石主要由 Teichichnus，Taenidium和具灰—深灰色充填物的中型Zoophycos組成(圖12，13)，常出現在沉積底層的中部，擾動深度距頂層面一般為10～30 cm，在梯序上屬于中階層組構。該組構中的遺跡化石具低—中等分異度和豐度，生物擾動強度低—中等，擾動指數為2～4。通過剖面觀察發現，由層面向下，進一步顯示出階層關系，也就是遺跡化石出現的順序從上往下依次為Taenidium→Teichichnus→具有灰色—深灰色充填物的中型Zoophycos(圖12)。Teichichnus為Cruziana遺跡相的典型分子，通常認為其是蠕蟲類所挖掘的覓食兼居住潛穴，常見于浪基面之下的開闊淺海和波浪作用較弱的濱外環境。具灰色—深灰色充填物的Zoophycos個體細長，板狀蹼層寬約2～4 mm，長度一般小于30 cm，宿主巖為細粉晶灰巖。從潛穴充填物的顏色來看，該遺跡組構所處底層的含氧量相對較低，可解釋為其形成于正常天氣浪基面之下，風暴浪基面之上的淺海中部沉積環境。

圖12 晉中南地區太原組Zoophycos-Teichichnus遺跡組構中的遺跡化石組成與產狀特征Ta.Taenidium，Te.Teichichnus，Z6.具灰色充填物的 Zoophycos，Z7.具深灰色充填物的Zoophycos。Fig.11 Ichnofossil composition and occurrence characteristics of the Zoophycos-Teichichnus ichnofabric in the Taiyuan Formation of the middle south Shanxi province

圖13 晉中南地區太原組類型C遺跡組構中的典型遺跡化石A.Taenidium，產于太原西山毛兒溝灰巖中段;B.具灰色充填物的中型Zoophyco遺跡化石，產于太原西山毛兒溝灰巖中下段。Fig.13 Typical ichnofossils of Type C ichnofabric in the Taiyuan Formation of the middle south Shanxi province

(4)類型D:小型Zoophycos-Chondrites遺跡組構

該遺跡組構由Chondrites，Nereites和具深灰—黑色充填物的小型Zoophycos遺跡化石組成(圖14)，多出現在沉積底層的下部，擾動深度距頂層面一般大于30 cm，在梯序上屬于深階層組構。該遺跡組構的宿主巖為灰色—深灰色、薄—中厚層狀微晶灰巖，有機物含量豐富，很少有其他種類的遺跡出現，遺跡化石豐度高、分異度低，生物擾動強度較強，擾動指數為2～6。Zoophycos個體較小(圖15A，B)，板狀蹼層寬約為2～4 mm，充填物的顏色主要為深灰色或黑色。黑色充填物主要為黑色泥巖，有機碳和硅質成分相對較高，有學者認為，該組構中的Zoophycos與低能貧氧環境有關［35］。Nereites和Chondrites是兩種最能忍受缺氧底質環境的遺跡，在和其他遺跡共生時，它們往往出現在最低的階層，而當其他遺跡因環境氧含量降低而逐漸消失時，它們依然能生存下去。Chondrites經常在地史上的一些黑色碳質頁巖或黏土巖中出現，此種底質一般只有Chondrites存在而很少有其他化石，這也證明Chondrites比其他任何生物更能忍受低氧的環境，有些學者認為，具有細小潛穴管的Chondrites、Zoophycos和 Nereites是貧氧環境的標志［35-36］。因此，該遺跡組構形成的底層與貧氧或缺氧環境和相對較深較平靜的水體有關，代表了風暴浪基面之下較平靜或較閉塞的淺海下部沉積環境。

圖14 晉中南地區太原組Zoophycos-Chondrites遺跡組構中的遺跡化石組成與產狀特征Ch.Chondrites;N.Nereites;Z8.具深灰色充填物的Zoophycos;Z9.具黑色充填物的Zoophycos。Fig.14 Ichnofossil composition and occurrence characteristics of the Zoophycos-Chondrites ichnofabric in the Taiyuan Formation of the middle south Shanxi province

圖15 晉中南地區太原組類型D遺跡組構中的典型遺跡化石A.具深灰色充填物的小型Zoophycos遺跡化石，產于太原西山毛兒溝灰巖中下段;B.具黑色充填物的小型Zoophyco遺跡化石，產于太原西山毛兒溝灰巖中段。Fig.15 Typical ichnofossils of Type D ichnofabric in the Taiyuan Formation of the middle south Shanxi province

圖16 晉中南地區上石炭統—下二疊統太原組碳酸鹽巖中遺跡組構的沉積環境分布模式Fig.16 Depositional environment model of ichnofabrics in carbonate rocks of the Upper Carboniferous-Lower Permian Taiyuan Formation，middle south Shanxi province

上述4種不同類型遺跡組構的簡要論述表明，遺跡化石組成、產狀、個體大小、潛穴充填物的成分及顏色、宿主巖的巖性等特征顯示它們形成于4種不同的沉積背景，即①Zoophycos-Thalassinoides遺跡組構出現在海灣(潟湖)及潮坪沉積環境;②Zoophycos-Planolites遺跡組構形成于平均海平面至正常天氣浪基面附近區域的淺海上部沉積環境或水體淺且較平靜的局限碳酸鹽巖臺地環境;③Zoophycos-Teichichnus遺跡組構發育于正常天氣浪基面之下，風暴浪基面之上的淺海中部沉積環境;④Zoophycos-Chondrites遺跡組構產生于風暴浪基面之下，水體較深且貧氧的淺海下部沉積環境。由此可知，這4種遺跡組構自陸向海方向呈現出明顯的分帶性(圖16)，較好地反映了研究區太原組碳酸鹽巖產生的沉積環境及其在縱向上環境的變化特征。同時，由于底層沉積物中的含氧量與沉積區的水深、水動力條件、環境的閉塞與開闊程度以及有機質含量等都有著密切的關系，且各種造跡生物對底質含氧量的多寡顯示出不同的忍受力，因此，可以利用遺跡組構在垂向上的變化特征去推斷底質的含氧量變化。

5 結論

本文通過對晉中南上石炭統—下二疊統太原組碳酸鹽巖中遺跡化石和遺跡組構的詳細研究，取得了以下幾點新認識:

(1)基于太原西山和陵川附城一帶露頭剖面的詳細觀察和化石的鑒定與分析，已識別出遺跡化石10個遺跡屬、14個遺跡種，其生態類型包括進食跡10種、覓食跡2種和居住跡2種。這些遺跡化石大都是層內進食潛穴，層面遺跡相對較少。

(2)通過分析各灰巖層中遺跡化石的組成、產狀、個體大小、潛穴充填物的成分及顏色、宿主巖的巖性等特征，建立了4種遺跡組構，即:類型A:具紅色、灰白色充填物的大型Zoophycos-Thalassinoides遺跡組構;類型B:具紅色、淺灰色充填物或帶灰白色襯壁的大型Zoophycos-Planolites遺跡組構;類型C:具灰—深灰色充填物的中型Zoophycos-Teichichnus遺跡組構;類型D:具深灰—黑色充填物的小型Zoophycos-Chondrites遺跡組構。

(3)根據4種遺跡組構在底層中的分布特征，總結出了各種遺跡組構在垂向上的階層變化規律，即:類型A主要出現在層面及附近，屬于表層組構;類型B發育在在從層面往下到15 cm的范圍內，屬于淺階層組構;類型C產生在從層面往下到15～25 cm的范圍內，屬于中階層組構;類型D主要形成在大于30 cm深的范圍，屬于深階層組構。從類型A變到類型D，反映底層由氧化環境逐漸變為還原環境。

(4)在綜合分析的基礎上，提出了晉中南太原組碳酸鹽巖中遺跡組構的沉積環境模式，即:類型A主要出現于海灣(潟湖)及潮坪沉積環境，類型B發育在海平面至正常天氣浪基面附近區域的淺海上部沉積環境或水體淺且較平靜的局限碳酸鹽巖臺地環境;類型C主要產生在正常天氣浪基面之下、風暴浪基面之上的淺海中部沉積環境;類型D形成于風暴浪基面之下、水體較深且貧氧的淺海下部沉積環境。

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