鄂爾多斯盆地西緣早中侏羅世延安組孢粉化石特征及其古氣候意義

付清萌，劉顯鳳，馬占榮，王永波，胡 琮，徐清海

(1.長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100； 2.中國石油長慶油田分公司 勘探事業(yè)部，|陜西 西安 710018； 3.中國石油長慶油田分公司 第二采氣廠，陜西 西安 710018)

引 言

孢粉化石可以直接體現(xiàn)古植被的豐度、種類、形態(tài)和存在時間[1]，指示地質(zhì)年代，同時對古氣候重建與預(yù)測未來氣候有著重要的意義[2-4]。鄂爾多斯盆地西緣地區(qū)含有豐富的油氣藏、煤炭和鈾礦等礦產(chǎn)資源[5-7]，受控于溫度與降水，這些資源的富集與古氣候關(guān)系密切[8]，但是關(guān)于西緣沖斷帶的古植物與古氣候研究較少。本文在前人研究基礎(chǔ)上，綜合利用在鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶南部的銀探2井獲得的孢粉化石數(shù)據(jù)，結(jié)合銀探2井的測井風(fēng)化指數(shù)與地層元素Mg與Ca的質(zhì)量分數(shù)比值，對銀探2井779～1 190 m井段的地層時代進行判斷，還原鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶在早中侏羅世的氣候特征，并對氣候變化原因進行探討。本次研究為劃分鄂爾多斯西緣早中侏羅世地層和研究鄂爾多斯盆地侏羅紀古氣候提供了更多依據(jù)，同時也完善了早中侏羅世中國北部氣候帶與季風(fēng)運動的特征。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地為中國內(nèi)陸第二大沉積盆地[9-10]。鄂爾多斯盆地按照其構(gòu)造單元可分為伊盟隆起、天環(huán)向斜、陜北斜坡、西緣逆沖帶、晉西撓褶帶和渭北隆起區(qū)[11]。盆地中生代地層自上而下可分為三疊系劉家溝組、紙坊組、延長組，侏羅系富縣組、延安組、直羅組、安定組、芬芳河組，白堊系志丹群、六盤山群、柳溝門組與廟水湖組。

鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶位于華北克拉通的西部，處于幾大構(gòu)造單元的結(jié)合部位，南北長約600 km，東西寬50～100 km，總面積約5×104km2(圖1)。鄂爾多斯盆地西緣可分為3個區(qū)域和4個小段，即北區(qū)包括桌子山段、橫山堡鐵克蘇廟段，中區(qū)包括馬家灘段，南區(qū)包括甜水堡-沙井子-彭陽段[10]。銀探2井位于鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶甜水堡-沙井子-彭陽段，性質(zhì)為預(yù)探井，其周圍自西向東發(fā)育青銅峽-固原斷裂、韋州-安國斷裂、青龍山-平?jīng)鰯嗔?、惠安?沙井子斷裂4條西傾東沖的主干斷層，沖斷結(jié)構(gòu)特征明顯。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)概況與銀探2井位置Fig.1 Regional geological overview of the study area and location of well YT2

2 孢粉化石的種類與地質(zhì)年代

2.1 孢粉種類

銀探2井存在大量孢粉化石，保存狀況較好。

在779～1 064 m深度段孢粉化石中，裸子植物花粉占優(yōu)勢，其數(shù)量占可識別的孢粉數(shù)量的40.06%～89.12%，平均62.45%，而蕨類植物孢子居次要位置，其數(shù)量占可識別的孢粉數(shù)量的10.88%～59.94%，平均37.55%。

在1 064～1 190 m深度段，裸子植物花粉的數(shù)量占可識別的孢粉數(shù)量的89.66%～58.33%，平均70.74%，蕨類植物孢子的數(shù)量占可識別的孢粉數(shù)量的10.34%～41.67%，平均29.26%(圖2)。蕨類植物孢子中，光面桫欏科孢子最多，其數(shù)量占可識別的孢粉數(shù)量的10.20～43.72%，平均28.46%。光面桫欏科孢子中主要有小桫欏孢Cyathiditesminor(圖3(b))和三角孢Deltoidospora(圖3(f))。紫萁科在取樣深度段內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)， 數(shù)量占可識別孢粉數(shù)量的3.38%，種類有小紫萁孢Osmundaciditesparvus(圖3(l))、威氏紫萁孢O.wellmanii(圖3(g))、變刺紫萁孢O.diversispinulatus(圖3(c))等；三角塊瘤孢Converrucosisporites在取樣深度段內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)，數(shù)量占可識別孢粉數(shù)量的1.34%，其種類有疏散三角塊瘤孢Converrucosisporitessparsus、維納三角塊瘤孢C.venitus等；石松科在取樣深度段內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)，數(shù)量占可識別孢粉數(shù)量的總量的1.12%，包括近圓石松孢Lycopodiumsporitessubrotundun(圖3(q))、圓錐石松孢L.paniculatoides(圖3(a))、南方擬棒石松孢L.austroclavatidites。卷柏科僅在取樣深度段的上部常見，下部僅零星出現(xiàn)，數(shù)量占可識別孢粉數(shù)量的1.68%，主要有格里斯索普新叉瘤孢Neoraistrickiagristhorpensis(圖3(i))、棒柱新叉瘤孢N.clavula(圖3(e))、小新叉瘤孢N.minor、截形新叉瘤孢N.truncatus等。雙扇蕨科/馬通蕨科的膨脹凹邊孢Concavisporitestoralis和哈氏網(wǎng)葉蕨孢Dictyophylliditesharrisii(圖3(d))、蚌殼蕨科的聯(lián)合金毛狗孢Cibotiumsporajuncta(圖3(j))、圓形塊瘤孢Verrucosisporites(圖3(n))、海金沙科的具唇孢Toroisporis(圖3(m))、水龍骨科的纖細光面單縫孢Laevigatosporitesgracilis(圖3(t))、繞轉(zhuǎn)阿賽勒特孢Asseretosporagyrata(圖3(p))均斷續(xù)或零星分布于地層中。

圖2 銀探2井取樣點與779～1 190 m主要孢粉屬種數(shù)量圖譜Fig.2 Sampling points of well YT2 and quantitative map of main sporopollen genera and species from 779～1 190 m

圖3 銀探2井不同深度的孢粉化石照片1Fig.3 Photo 1 of sporopollen fossils in well YT2

裸子植物花粉中，松柏類兩氣囊花粉(包括兩氣囊分化不完善的原始松柏類)最多，花粉的數(shù)量占可識別孢粉數(shù)量的20.49～55.07%，平均35.30%，主要有單/雙束松粉Abietineaepollenites/Pinuspollenites(圖3(k)，圖4(l))，云杉粉Piceaepollenites，多凹羅漢松粉Podocarpiditesmulticinus(圖4(s))，小型羅漢松粉P.minisculus，矩形四字粉Quadraeculinaanellaeformis(圖4(d)、圖4(o))，真邊四字粉Q.limbata(圖3(w))，無囊古松柏粉Paleoconiferusasaccatus，黃色原始松柏粉Protoconiferusflavus(圖4(r))，富納賴原始松柏粉P.funarius，淺黃原始松粉Protopinussubluteus(圖4(g))，開放擬云杉粉Piceitesexpositus(圖4(f))，多變假云杉粉Pseudopiceavariabiliformis(圖4(i))，宏大假云杉粉P.magnifica(圖4(e))，圓形假云杉粉P.rotundiformis(圖4(h))以及未歸類的具兩氣囊花粉Disacciatrileti等； 杉科其次， 花粉的數(shù)量占可識別的孢粉數(shù)量的8.50～32.82%，平均20.06%，主要有脆弱同心粉Concentrisporitesfragilis(圖3(s))和皺褶周壁粉Perinopolleniteselatoides(圖4(j))，卡里爾腦形粉Cerebropollenitescarlylensis(圖4(u))，中生腦形粉C.mesozoicus(圖4(p))，串珠腦形粉C.papilloporus(圖4(v))等連續(xù)出現(xiàn)但平均含量不高；單溝/原始溝類花粉的數(shù)量占可識別孢粉數(shù)量的1.36～17.82%，平均5.72%，主要有尖銳蘇鐵粉Cycadopitesacerrimus(圖4(k))，清潔蘇鐵粉C.deterius(圖3(u))，網(wǎng)紋蘇鐵粉C.reticulata(圖4(q))，卡城蘇鐵粉C.carpentieri(圖4(c))，亞顆粒蘇鐵粉C.subgranulosus(圖4(t))，無蓋廣口粉Chasmatosporitesapertus(圖4(a))，敞開廣口粉C.hians(圖4(b))，華美廣口粉C.elegans(圖3(r))等；其余種類均斷續(xù)或零星出現(xiàn)，包括南洋杉科之敦普冠翼粉Callialasporitesdampieri(圖3(v))，南洋杉粉Araucariacites和皺球粉Psophosphaera(圖4(m))，掌鱗杉科之環(huán)圈克拉梭粉Classopollisannulatus(圖3(h))和小克拉梭粉C.minor(圖3(o))等。

根據(jù)孢粉化石含量特征，將779～1064 m深度段的孢粉化石組合總結(jié)為小桫欏孢Cyathiditesminor-格里斯索普新叉瘤孢Neoraistrickiagristhorpensis-脆弱同心粉Concentrisporitesfragilis-具兩氣囊花粉Disacciatrileti組合(CNCD)。

1 064～1 190m深度段蕨類植物孢子中，光面桫欏科孢子最多，孢子的數(shù)量占可識別孢粉數(shù)量的54.88～4.19%，平均11.86%，小桫欏孢Cyathiditesminor的孢子數(shù)量占可識別孢粉總數(shù)的54.88%，三角孢Deltoidospora的孢子數(shù)量占可識別孢粉總數(shù)的10.23%。紫萁科植物、三角塊瘤孢Converrucosisporites、石松科植物和卷柏科植物零星分布，孢子數(shù)量分別占可識別孢粉數(shù)量的9.77%、3.72%、2.33%和1.88%。圓形塊瘤孢Verrucosisporites，圓形錐刺孢Apiculatisporis，水龍骨科的三角粒面孢Granulatisporites，三角錐刺孢Lophotriletes，繞轉(zhuǎn)阿賽勒特孢Asseretosporagyrata，蚌殼蕨科的聯(lián)合金毛狗孢Cibotiumsporajuncta等零星分布于深度段內(nèi)。裸子植物中，松柏類花粉最多，花粉數(shù)量占可識別孢粉數(shù)量的0.2～17.91%，平均2.64%，主要有單/雙束松粉Abietineaepollenites/Pinuspollenites、云杉粉Piceaepollenites、小型羅漢松粉P.minisculus、矩形四字粉Quadraeculinaanellaeformis、真邊四字粉Q.limbata、無囊古松柏粉Paleoconiferusasaccatus、黃色原始松柏粉Protoconiferusflavus、富納賴原始松柏粉P.funarius、淺黃原始松粉Protopinussubluteus、宏大假云杉粉P.magnifica以及未歸類的具兩氣囊花粉Disacciatrileti等；杉科其次，花粉數(shù)量占可識別孢粉數(shù)量的0.79～13.78%，平均3.94%，主要有脆弱同心粉Concentrisporitesfragilis和皺褶周壁粉Perinopolleniteselatoides；單溝/原始溝類花粉數(shù)量占可識別孢粉數(shù)量的0.2～4.72%，平均0.58%，主要有網(wǎng)紋蘇鐵粉C.reticulata、亞顆粒蘇鐵粉C.subgranulosus及華美廣口粉C.elegans等；南洋杉科的敦普冠翼粉Callialasporitesdampieri、南洋杉粉Araucariacites和皺球粉Psophosphaera，掌鱗杉科的環(huán)圈克拉梭粉Classopollisannulatus和小克拉梭粉C.minor等斷續(xù)或零星出現(xiàn)。1 064～1 190 m深度段孢粉化石種類特征與779～1 064 m深度段大體相同，孢粉化石組合同樣為CNCD。

2.2 銀探2井孢粉組合時代討論

銀探2井779～1 190 m井段孢粉化石整體以小桫欏孢Cyathiditesminor-格里斯索普新叉瘤孢Neoraistrickiagristhorpensis-脆弱同心粉Concentrisporitesfragilis-具兩氣囊花粉Disacciatrileti組合(CNCD)為主，整體呈中侏羅世植物群的面貌。

陜北地區(qū)各處延安組的桫欏孢Cyathidites/三角孢Deltoidospora-新叉瘤孢Neoraistrickia-石松孢Lycopodiumsporites-蘇鐵粉Cycadopites組合與銀探2井的CNCD有許多相似處[12]：(1)蕨類植物孢子和裸子植物花粉交替占優(yōu)勢；(2)蕨類植物孢子以桫欏孢Cyathidites和三角孢Deltoidospora為主，新叉瘤孢Neoraistrickia、紫萁孢Osmundacidites、石松孢Lycopodiumsporites等占次要位置，其余屬種含量較少；(3)南洋杉科的Callialasporites、掌鱗杉科的克拉梭粉Classopollis多次出現(xiàn)，但含量不高。

其他與本組合大致可比對的還有山西大同的大同組[13]、內(nèi)蒙古包頭的召溝組[14]、甘肅蘭州的窯街組[15]、陜西榆林的延安組[16]、塔里木盆地庫車凹陷的克孜勒努爾組[17]、新疆瑪納斯河畔紅溝剖面的西山窯組[18]等中侏羅世早期的一些孢粉組合。

根據(jù)主要分子的分布特征以及組合對比，銀探2井779～1 190 m井段層位應(yīng)為延安組，地質(zhì)時代為中侏羅世早期，對應(yīng)國際地層表的阿倫階(Aalenian)與巴柔階(Bajocian)。

3 孢粉化石反映的古氣候特征

3.1 延安期鄂爾多斯盆地西緣植被類型與氣候帶特征

植物是反映陸地氣候的重要參考[19]。趙秀蘭[20]、高瑞祺等[21]將產(chǎn)生孢粉的植物所處的氣候帶劃分為熱帶、亞熱帶、溫帶及熱帶亞熱帶、熱帶溫帶植物五大類，將產(chǎn)生孢粉的植物所適應(yīng)的干濕度帶劃分為旱生、中生、濕生、水生和沼生五大類[11]，其本質(zhì)均是通過孢子花粉所代表的母體植物的生長習(xí)性來推測其生長氣候。根據(jù)圖2整理銀探2井孢粉化石與其對應(yīng)的植被、氣候及干濕度結(jié)果詳見表1。

根據(jù)表2的特征，銀探2井779～1 190 m井段的孢粉化石組合所反映的植物群面貌是裸子植物多于蕨類植物，與侏羅紀裸子植物逐步占優(yōu)勢的特征相符。裸子植物以松柏目松科、杉科和南洋杉科等植物占優(yōu)勢，指示干旱氣候的掌鱗杉科植物很少?，F(xiàn)存松科植物廣泛分布于北半球溫帶地區(qū)，現(xiàn)存杉科植物喜溫曖潮濕的生態(tài)環(huán)境，生存于亞熱帶和溫帶潮濕溫曖的氣候條件下[22]，現(xiàn)存南洋杉科植物僅分布在南半球的熱帶和亞熱帶地區(qū)，產(chǎn)生克拉梭粉的掌鱗杉科植物適應(yīng)亞熱帶干旱氣候[11,23]。大多數(shù)中生代蕨類植物喜好陰暗而溫暖潮濕的環(huán)境，因此，蕨類植物的大量出現(xiàn)被認為是潮濕氣候的良好指標(biāo)[24-25]。銀探2井779～1 190 m井段的蕨類植物以桫欏科為主，桫欏科為生長在熱帶或亞熱帶潮濕地區(qū)的闊葉樹，紫萁科為生長于溫帶亞熱帶潮濕地區(qū)的闊葉樹，雙扇蕨科為生長于熱帶或亞熱帶的濕生灌木，卷柏科和石松科則為生長于熱溫帶半干旱半濕潤地區(qū)的草本植物，蚌殼蕨科現(xiàn)生種均生活在熱帶與亞熱帶溫暖潮濕地區(qū)[26]。銀探2井779～1 190 m井段的蕨類植物反映了溫帶亞熱帶濕潤的氣候。總體來說，孢粉化石所體現(xiàn)的鄂爾多斯西緣早中侏羅世氣候類型為溫帶亞熱帶濕潤氣候。

3.2 延安期鄂爾多斯盆地西緣環(huán)境與氣候特征

綜合銀探2井孢粉組合分布特征及測井指數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)測井風(fēng)化指數(shù)和地層元素測井所得的Mg/Ca質(zhì)量分數(shù)的比值的變化特征與孢粉組合的分異度、蕨類/松柏類在孢粉組合中的比例的變化特征有較大關(guān)聯(lián)。除此之外，銀探2井巖性的變化也與氣候變化有關(guān)。由于孢粉數(shù)據(jù)在銀探2井并非連續(xù)，故只選取960～1 034 m深度段進行討論(圖5)。

針對鄂爾多斯西緣延安期的古環(huán)境的相關(guān)研究很少，張參[27]認為延安期姬塬環(huán)縣一帶為一大型淡水湖泊，湖盆中心位于延安，銀探2井位于該淡水湖泊范圍內(nèi)，發(fā)育湖泊沉積。

測井風(fēng)化指數(shù)曲線與w(Mg)/w(Ca)變化趨勢相反，根據(jù)杜圳等人[28-29]對盆地西緣相鄰?fù)瑲夂驇У貐^(qū)的分析可以確定，降水量與蒸發(fā)量在溫度升高時增大，且蒸發(fā)量增大程度大于降水量，而在溫度降低時相反，這導(dǎo)致銀探2井在氣溫高時w(Mg)/w(Ca)值高，在氣溫低時w(Mg)/w(Ca)值低，測井風(fēng)化指數(shù)在氣溫高時指數(shù)較低，在氣溫低時指數(shù)較高。蕨類植物通常在濕熱氣候下更加繁盛，在植物群所占比例增加。但由于蕨類生長在河岸、湖岸和沼澤等靠近水源的地方，易受水位變化影響，水位上漲會導(dǎo)致部分蕨類生長區(qū)域被淹沒，導(dǎo)致蕨類植物分異度下降，相應(yīng)的孢子化石分異度也下降。由于松柏類生長在地勢較高的山坡上，相應(yīng)的花粉化石分異度不易受水位變化影響，而松柏類植物喜冷，當(dāng)溫度下降時更加繁茂，分異度增大，花粉化石在孢粉組合中所占比例也相應(yīng)增加。除此之外，通過對GR測井曲線進行morlet連續(xù)小波轉(zhuǎn)換以獲取波譜圖，再對波譜圖進行分析，發(fā)現(xiàn)其與孢粉特征所表現(xiàn)的水位變化結(jié)果幾乎相同(圖5)。

根據(jù)銀探2井中侏羅世早期孢粉組合特征的判斷，鄂爾多斯盆地西緣在中侏羅世早期的氣候相對潮濕，溫度出現(xiàn)明顯波動，當(dāng)溫度升高時蒸發(fā)量增大(圖5(b))，溫度降低時蒸發(fā)量降低(圖5(a))。銀探2巖性與氣候、水位變化有明顯的相關(guān)性。綠色泥巖為鄂爾多斯盆地西緣在氣候濕冷的背景下的湖相沉積，在此階段蒸發(fā)量較小，湖泊水位上漲(圖5(a))；而砂巖為氣候濕熱的背景下因蒸發(fā)量增加導(dǎo)致湖泊水位下降而形成的(圖5(b))。銀探2井960～1 034 m深度段水位變化反應(yīng)鄂爾多斯西緣在中侏羅世早期氣候擺動。

圖5 銀探2井氣候變化特征和對應(yīng)的植被群模式Fig.5 Climate change characteristics and corresponding vegetation ideograph of well YT2

3.3 延安期鄂爾多斯盆地西緣氣候變化的原因

超級季風(fēng)自三疊紀時期形成，一直影響聯(lián)合大陸的氣候至白堊紀[30-32]，導(dǎo)致聯(lián)合大陸出現(xiàn)非緯向性氣候帶[33-34]。早中侏羅世全球氣候帶劃分如圖6所示，鄂爾多斯西緣位于暖溫帶與熱帶交匯處[35-36]，鄧勝徽等[37]認為鄂爾多斯西緣在中侏羅世位于北方暖溫帶潮濕氣候區(qū)南部，緊鄰東南熱帶亞熱帶半干旱半潮濕氣候區(qū)與西南熱帶亞熱帶干旱氣候區(qū)的交匯地帶。超級季風(fēng)存在多個旋回與交匯[38](圖6)，早中侏羅世， 鄂爾多斯西緣位于超級季風(fēng)交匯處。早中侏羅世時期，超級季風(fēng)形成多個熱帶輻合帶，熱帶輻合帶在夏季與冬季存在巨大位置變化[39]，導(dǎo)致季風(fēng)的地理位置變化，鄂爾多斯西緣附近氣候帶出現(xiàn)季節(jié)性擺動，處于暖溫帶潮濕氣候區(qū)與熱帶干旱氣候區(qū)交匯處的鄂爾多斯西緣受到影響，出現(xiàn)如圖5所示的氣候與環(huán)境變化。

圖6 中侏羅世氣候分布與季風(fēng)運動Fig.6 Climate distribution and monsoon movement in Middle Jurassic

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)孢粉化石特征、孢粉化石組合，銀探2井779～1 190 m井段可總結(jié)為小桫欏孢Cyathiditesminor-格里斯索普新叉瘤孢Neoraistrickiagristhorpensis-脆弱同心粉Concentrisporitesfragilis-具兩氣囊花粉Disacciatrileti組合，地層時代為早中侏羅世延安期。

(2)銀探2井779～1 190 m的孢粉化石組合整體反映早中侏羅世鄂爾多斯盆地西緣為溫帶亞熱帶濕潤半干旱氣候，環(huán)境大體為淡水湖泊。

(3)中侏羅世早期鄂爾多斯西緣的氣候存在干冷濕熱的交替變化，降水量與蒸發(fā)量的共同作用導(dǎo)致研究區(qū)湖泊水位發(fā)生變化。由于地處暖溫帶潮濕氣候區(qū)與熱帶干旱氣候區(qū)交匯處，鄂爾多斯西緣在中侏羅世延安期的氣候變化與氣候帶的季節(jié)性擺動有關(guān)。