松遼盆地梨樹斷陷嫩江組孢粉記錄及古氣候特征

高 遠(yuǎn),秦 天,李瑞紅,周業(yè)澤,劉 航,李明軍,朱春光,劉萬濤

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廊坊自然資源綜合調(diào)查中心,河北 廊坊 065000

0 引言

孢粉是植物的生殖細(xì)胞,其產(chǎn)量高,細(xì)胞壁易于保存,孢粉研究常做作為恢復(fù)古環(huán)境的一種重要手段[1]。不同植物群落會(huì)隨著不同的氣候發(fā)生改變,因此可以利用植物孢粉化石具有親緣關(guān)系的現(xiàn)生植物生長(zhǎng)習(xí)性,來反映和恢復(fù)晚白堊世古氣候演化機(jī)制[2]。

晚白堊世時(shí)期氣候素有“泛熱帶”之稱[3],當(dāng)時(shí)赤道地區(qū)海水平均溫度比現(xiàn)今高8～10 ℃[4]。松遼盆地更是蘊(yùn)含著上白堊統(tǒng)嫩江組沉積時(shí)期最大的湖侵事件[5],對(duì)其古氣候變化的研究具有重要的意義。前人對(duì)嫩江組古氣候和古環(huán)境的恢復(fù)多集中于松遼盆地東部和北部[5-9],對(duì)梨樹斷陷地層研究多集中于營(yíng)城組[10-11],而對(duì)嫩江組研究相對(duì)較少。筆者通過對(duì)松遼盆地梨樹斷陷南部ZK004鉆孔進(jìn)行了詳細(xì)的編錄和樣品采集工作,并對(duì)其孢粉和氧化物樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,以期恢復(fù)梨樹斷陷嫩江組二段沉積時(shí)期的古氣候,為該區(qū)域內(nèi)孢子植物的時(shí)代歸屬及生物演提供重要的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

松遼盆地是我國(guó)東北最大的中--新生代盆地,盆地四周環(huán)山,西部為嫩江—白城斷裂,東部為依蘭—伊通斷裂,南部為赤峰—開源斷裂, 東北部為遜克—鐵力斷裂[12]。梨樹斷陷位于松遼盆地東南部,主要由北部斜坡帶、中央構(gòu)造帶、東南斜坡帶和桑樹臺(tái)洼陷帶構(gòu)成(圖1),蘊(yùn)含著豐富的白堊系地層,發(fā)育兩套沉積體系,分別為下部斷陷層沉積體系火石嶺組(K1h)、沙河子組(K1sh)、營(yíng)城組(K1yc)、登婁庫(kù)組(K1d)和上部坳陷層沉積體系泉頭組(K1q)、青山口組(K2qn)、姚家組(K2y)、嫩江組(K2n),缺失上白堊統(tǒng)四方臺(tái)組、明水組和第三系[13],地層中蘊(yùn)含豐富的孢粉化石[2]。

2 鉆孔地層

ZK004鉆孔位于梨樹斷陷南部(圖1),地層巖性以泥巖、細(xì)砂巖和粉砂質(zhì)泥巖為主,含豐富孢粉化石。ZK004鉆孔21.00～39.00 m段地層巖性描述如下:

32.97～39.00 m為灰白色粉砂質(zhì)泥巖與灰綠色粉砂質(zhì)泥巖互層,層理清晰;

29.72～32.97 m為深綠色泥巖,局部可見少量灰白色斑點(diǎn);

28.17～29.72 m為墨綠色粉砂質(zhì)泥巖,局部夾少量暗灰色泥巖;

27.00～28.17 m為深綠色粉砂巖與灰白色粉砂巖互層;

24.47～27.00 m為墨綠灰色細(xì)砂巖,細(xì)粒結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,由長(zhǎng)石、石英組成;

22.73～24.47 m為墨綠色泥巖,可見少量銹色斑點(diǎn);

21.00～22.73 m為黃綠色黏土與墨綠色黏土互層,局部可見少量銹色斑點(diǎn)。

3 孢粉組合特征

通過對(duì)梨樹斷陷南部ZK004鉆孔中21.47～38.26 m段17件孢粉樣品系統(tǒng)分析鑒定,共鑒定孢粉化石3 474粒,獲得孢粉化石50屬64種,典型化石見孢粉圖版Ⅰ、Ⅱ。根據(jù)主要孢粉數(shù)分?jǐn)?shù)變化規(guī)律(圖2),將ZK004鉆孔21.47～38.26 m段地層從下至上劃分兩個(gè)孢粉組合帶。

3.1 ZK004-Ⅰ帶 Classopollis-Cedripites-Schizaeois-porites-Callistopollenites-Borealipollis孢粉組合

該組合采樣深度為33.75～38.26 m,共采集孢粉樣品6件,均含有豐富的孢粉化石,本組合的特點(diǎn)是以裸子植物花粉(39.00%～87.06%,孢粉數(shù)分?jǐn)?shù),下同)為主,蕨類植物孢子(8.96%～33.50%)和被子植物花粉(3.98%～27.50%)相對(duì)較少。

裸子植物花粉出現(xiàn)11屬,包括單孔亞類、雙囊類、無口器類和單溝亞類花粉。其中:單孔亞類花粉(14.08%～63.18%)占優(yōu)勢(shì),包括Classopollisphilosophus(6.57%～44.78%)、Classopollisannulatus(7.50%～14.81%)和Exesipollenitestumulus(0～2.31%);雙囊類花粉(16.91%～42.72%)次之,其中常見為Cedripitesmedius(8.70%～23.47%)、Podocarpiditesnageiaformis(1.00%～5.47%)、Rugubivesiculitesrugosus(0.48%～7.04%)、Parvisaccitessp.(0.50%～2.99%)和Pinuspolleniteslabdacus(0～2.82%),較少見Cedripiteslevigatus(0～2.35%)、Podocarpiditessp.( 0～1.00%)和Cedripitesmicrosaccoides(0～0.50%);無口器類花粉Taxodiaceaepolleniteshiatus(3.48%～10.33%)和單溝類花粉Cycadopitessp.(0～0.50%)較少。

蕨類植物孢子出現(xiàn)14屬,包括單縫孢類、無環(huán)三縫孢類和有環(huán)三縫孢類。其中:單縫孢類(8.46%～25.50%)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),包括Schizaeoisporiteslaevigataeformis(8.46%～25.50%)和Schizaeoisporitesphaseolus(0～0.48%);無環(huán)三縫孢類(0.50%～13.60%)次之,其中Osmundaciditessp.(0～6.50%)、Deltoidosporaregularis(0～6.10%)和Cicatricosisporitesmediostriatus(0～1.88%)較多,而Dictyotriletessamoilovitchae(0～0.94%)、Verrucosisporitessp.(0～1.41%)、Cyathiditesminor(0～1.41%)、Granulatisporitessp.(0～0.47%)、Crassoretitriletessp.(0～0.47%)和Hymenophyllumsporitessp.(0～0.46%)等較少(圖2);有環(huán)三縫孢類(0～1.41%)零星出現(xiàn),包括Nevesisporitesradiates(0～0.94%)和Polycinggulatisporitesreduncus(0～0.50%)等。

被子植物花粉出現(xiàn)11屬,包括三孔溝亞類和三溝亞類。其中:三孔溝亞類(3.98%～21.00%)在種類和數(shù)量上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),其中Borealipollissongliaoensis(0.94%～8.33%)、Callistopollenitestumidoporus(0～3.00%)和Lythraitesgiganteus(0～2.49%)較多,而Borealipollissp.(0～2.49%)、Lythraitessp.( 0～1.00%)、Tricolporopollenitessp.(0～2.25%)、Retitricolporitessp.( 0～0.46%) 和Rutaceoipollissp.( 0～0.50%)等較少;三溝亞類花粉Tricolpopollenitessp.(0～6.50%)次之。

3.2 ZK004-Ⅱ帶 Cedripites-Rugubivesiculites-Schizaeoisporites-Deltoidospora-Cyathidites-Borealipollis孢粉組合

該組合采樣深度21.47～33.75 m,共采集孢粉樣品11件,其均含有豐富的孢粉化石,以裸子植物花粉(44.33%～86.11%)為主,蕨類植物孢子(4.63%～45.81%)次之,被子植物花粉(3.20%～25.0%)最少。

裸子植物花粉出現(xiàn)13屬,包括雙囊類、單孔亞類、無環(huán)無口器類和單溝亞類花粉。其中:雙囊類花粉占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),常見種屬包括Cedripitesmedius(11.82%～33.83%)、Rugubivesiculitesrugosus(0.50%～36.88%)、Parvisaccitessp.(0～8.89%)、Podocarpiditesnageiaformis(1.25%～6.40%)、Pinuspolleniteslabdacus(0.49%～3.24%)和Cedripiteslevigatus(0～2.78%)等;單孔亞類花粉包括Classopollisphilosophus(0～14.34%)和Classopollisannulatus(0～2.78%),相較ZK004-Ⅰ組合,花粉數(shù)量明顯減少;無環(huán)無口器類包括Taxodiaceaepolleniteshiatus(0～12.94%)和Psophosphaerasp.( 0～2.46%),相較ZK004-Ⅰ組合,花粉數(shù)量有所增加;單溝亞類花粉中,有Cycadopites sp.(0～2.49%)零星出現(xiàn)。

蕨類植物孢子出現(xiàn)20屬,包括無環(huán)三縫孢、單縫孢和有環(huán)三縫孢。其中:無環(huán)三縫孢占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),常見種屬包括Deltoidosporaregularis(0～13.24%)、Cyathiditesminor(0～12.33%)、Osmundaciditessp.(0～6.00%)和Dictyotriletessamoilovitchae(0～4.00%)等,而Granulatisporitessp.(0～2.99%)、Verrucosisporitessp.(0～1.33%)、Cicatricosisporitesmediostriatus(0～1.00%)和Crassoretitriletessp.(0～1.88%)少量出現(xiàn);單縫孢整體數(shù)量減少,仍以Schizaeoisporiteslaevigataeformis(0～16.35%)為主,此外Balmeisporitessp.(0～0.63%)和Schizaeoisporitesphaseolus(0～0.44%)等少量出現(xiàn);有環(huán)三縫孢較少,包括Gabonisporisbacaricumulus(0～5.91%)、Interulobitestriangulus(0～1.48%)、Polycinggulatisporitessp.( 0～1.49%)、Nevesisporitesradiates(0～1.48%)和Triporoletesstellatus(0～1.97%)等。

被子植物花粉出現(xiàn)12屬,包括三孔溝亞類、三溝亞類和三突起粉類花粉。其中:三孔溝亞類花粉常見種屬包括Borealipollissongliaoensis(0.91%～5.50%)和Callistopollenitestumidoporus(0～5.77%),Callistopollenitessp.( 0～3.55%)和Lythraitesgiganteus(0～2.88%)等少量出現(xiàn),相較ZK004-Ⅰ組合,花粉數(shù)量有所減少;三溝亞類花粉Tricolpopollenitessp.(0～12.50%)、Retitricolpitessp. (0.46%～1.49%)和三突起類花粉Mancicoipustenue(0～0.50%)等少量出現(xiàn)。

4 地質(zhì)時(shí)代及古氣候討論

4.1 地質(zhì)時(shí)代討論

上述孢粉組合中,Cyathidites、Hymenophyllumsporites、Cicatricosisporites、Polycinggulatisporites、Schizaeoisporites、Balmeisporites、Pinuspollenites、Parcisporites、Podocarpidites和Exesipollenites等孢粉化石在白堊系經(jīng)常出現(xiàn)。其中Schizaeoisporites和Gabonisporites均為晚白堊世的重要孢子類型,廣泛分布于松遼盆地北部和南部的嫩江組中[14]。

蕨類植物孢子中,Polycinggulatisporites、Cicatricosisporites、Interulobitestriangulus、Trilobosporitescretaceous和Gabonisporisbacaricumulus等都在晚白堊世出現(xiàn)。Nevesisporitesradiates為蘇聯(lián)、北美及我國(guó)晚白堊世地層中常見的種屬[15]。巴爾姆孢(Balmeisporites)曾出現(xiàn)于俄羅斯西西伯利亞洼地中部和南部的晚白堊世地層中[9]。

被子植物花粉的劃分和對(duì)比對(duì)白堊系及其以后的地層有著決定性的意義[9,15-16]。我國(guó)晚白堊世被子植物可劃分為4個(gè)時(shí)期,依次為前期短軸被子花粉發(fā)育期(Cenomanian)、短軸類被子花粉發(fā)育期(Turonian-Santonian)、進(jìn)化被子花粉發(fā)育期(Campanian)和脊榆屬花粉發(fā)育期(Maastrichtian)。其中,進(jìn)化被子花粉發(fā)育期(Campanian)三溝亞類、三孔溝亞類花粉常常表現(xiàn)為類型多、數(shù)量豐富,本期往往伴生有特征明顯的雙氣囊花粉Rugubivesiculites[16]。ZK004鉆孔中被子植物花粉數(shù)分?jǐn)?shù)為3.98%～27.50%,以三溝亞類、三孔溝亞類和北方粉屬占優(yōu)勢(shì),雙氣囊花粉Rugubivesiculites也有出現(xiàn),符合進(jìn)化被子花粉發(fā)育期(Campanian)特征。

根據(jù)Polycinggulatisporites、Schizaeoisporitescertus、Cicatricosisporites、Cyathidites、Hymenophyllumsporites、Polycinggulatisporites、Schizaeoisporites等具有時(shí)代意義的孢粉化石,及部分被子植物花粉的出現(xiàn),ZK004鉆孔21.47～38.26 m段地層的孢粉組合指示的地質(zhì)時(shí)代為晚白堊世Campanian。

4.2 孢粉特征及古氣候

本次對(duì)梨樹斷陷南部ZK004鉆孔進(jìn)行了系統(tǒng)編錄,采集孢粉樣品17件和氧化物樣品9件。參照孢粉母體植物生態(tài)資料,將孢粉植被類型劃分為針葉植物、常綠闊葉植物、灌木植物、草本型植物和落葉闊葉植物等5大類[9],其中本文落葉闊葉植物出現(xiàn)頻率較低,未單獨(dú)列表。參照現(xiàn)代氣溫帶,將松遼盆地白堊紀(jì)孢粉植物氣溫帶類型劃分為熱帶植物、熱帶—亞熱帶植物、亞熱帶植物、熱帶—溫帶植物、溫帶植物等5大類[9]。參考荊夏等[8]對(duì)松遼盆地古氣候的研究,將孢粉干濕度類型劃分為旱生、中生、沼生、濕生和水生。

本文按照以上分類,將ZK004鉆孔孢粉進(jìn)行了劃分(圖3)。由圖3可知:植被類型中,針葉植物占比最多,達(dá)38.50%～87.06%,其次為草本型植物,為2.50%～29.43%;氣溫帶類型中,亞熱帶占比最多,達(dá)40.30%～73.75%,熱帶—亞熱帶次之,占比為7.50%～37.03%;干濕度類型中,旱生類型與中生類型占比高,分別為6.50%～72.64%和17.00%～50.25%,其次為濕生分段類型,占比為0～26.48%,沼生類型和水生類型偶有出現(xiàn)。

巖性圖例同圖2。

在ZK004-Ⅰ孢粉組合中,隨深度減小:針葉植物先出現(xiàn)上升趨勢(shì),約36.25 m為最高值,然后下降,而草本型植物先下降后上升;熱帶--亞熱帶出現(xiàn)下降趨勢(shì),而亞熱帶先升高后下降;旱生類型先升高后下降,中生類型偏低,偶有水生、濕生類型出現(xiàn)。綜上所述,ZK004-Ⅰ組合反映了半濕潤(rùn)熱帶—亞熱帶氣候向濕潤(rùn)的亞熱帶氣候轉(zhuǎn)變,植被主要以針葉植物和草本型植物組成。

ZK004-Ⅱ孢粉組合中,隨深度減小:針葉植物增多,草本型植物出現(xiàn)下降趨勢(shì),灌木和常綠闊葉植物偶有出現(xiàn);亞熱帶類型仍占比最高,為42.29%～73.75%;中生類為主,旱生類上升趨勢(shì)明顯,水生、沼生、濕生類花粉呈下降趨勢(shì)。綜上,ZK004-Ⅱ組合反映的氣候條件總體為濕潤(rùn)的亞熱帶向半濕潤(rùn)的亞熱帶的氣候轉(zhuǎn)變。

4.3 氧化物地球化學(xué)標(biāo)志的氣候指示意義

沉積物中元素遷移與富集的規(guī)律,是元素對(duì)不同沉積環(huán)境響應(yīng)的表現(xiàn)[17-21],越來越多地球化學(xué)元素用于古環(huán)境及古氣候的研究中,其中氧化物對(duì)古氣候的恢復(fù)有著更重要的意義[17,22]。鋁元素多以Al2O3的形式存在于地層中,在溫暖潮濕的環(huán)境下,易于富集[17]。風(fēng)化過程中氧化作用越強(qiáng),Fe2O3在地層中質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高[22]。CaO和MgO在半干旱—半濕潤(rùn)的氣候條件下易于溶解與遷移。Na2O與K2O在干旱條件下易于富集。

ZK004鉆孔21.00～39.00 m段9個(gè)氧化物樣品測(cè)試結(jié)果(表1)顯示:Al2O3、Fe2O3在30.40 m處質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值,分別為15.11%和5.08%,表明此時(shí)氣候濕潤(rùn); 30.40 m處Na2O與K2O分?jǐn)?shù)較低,也說明此時(shí)氣候較濕潤(rùn)。在39.00～30.40 m處(地層由老至新,表1),遭受風(fēng)化程度逐漸增強(qiáng),氣候向濕潤(rùn)的方向轉(zhuǎn)變;30.40～21.50 m,遭受風(fēng)化程度逐漸減弱,氣候向偏晾干方向轉(zhuǎn)變。這些均與孢粉組合所揭示的氣候變化相吻合。

表1 研究區(qū)上白堊統(tǒng)嫩江組二段ZK004鉆孔部分代表樣品氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)及相關(guān)系數(shù)

4.4 化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度

巖石在遭受不同的化學(xué)風(fēng)化程度過程中,元素的遷移速率是不同的[23],氧化物之間的比值常用來表征巖石的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度[24]。筆者通過S/A、S/R、A/NK和φ這4個(gè)系數(shù)來衡量梨樹斷陷嫩江組二段沉積時(shí)的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度[25]。

S/A、S/R可以衡量地層遭受風(fēng)化作用強(qiáng)度的變化,其值越小,遭受風(fēng)化程度強(qiáng)度越強(qiáng);反之,風(fēng)化強(qiáng)度越弱[17];A/NK反映堿金屬與堿土金屬的淋失程度,值越大,風(fēng)化強(qiáng)度越大[25];φ可以反映Mg、Ca、Na元素溶解與遷移和Al、Fe元素的富集[26-27]。在溫暖濕潤(rùn)時(shí),Al2O3、Fe2O3相對(duì)穩(wěn)定,易于富集,MgO、CaO、Na2O等易于溶解與遷移,質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少,φ增大[28-30]。4種系數(shù)隨深度變化情況見圖4,可以看出:39.00～30.40 m(由老至新)處S/A、S/R隨深度減小而減小,A/NK略有增加,φ先有較大幅度的增加后變化平穩(wěn);30.40～21.50 m,S/A、S/R隨深度減小,局部略有浮動(dòng),但整體增大。反映風(fēng)化強(qiáng)度“較弱—較強(qiáng)—較弱”的變化趨勢(shì)。這與孢粉組合所揭示的氣候變化相吻合。

巖性圖例同圖2。

5 結(jié)論

1)通過對(duì)梨樹斷陷ZK004鉆孔嫩江組二段21.47～38.26 m段地層進(jìn)行孢粉分析研究,自下而上劃分出Classopollis-Cedripites-Schizaeoisporites-Callistopollenites-Borealipollis和Cedripites-Rugubivesiculites-Schizaeoisporites-Deltoidospora-Cyathidites-Borealipollis兩個(gè)孢粉組合,通過對(duì)孢粉化石屬種時(shí)代的分析,確定兩個(gè)孢粉組合所屬地層時(shí)代均為晚白堊世Campanian。

2)通過對(duì)ZK004鉆孔中21.47～38.26 m段地層孢粉分析,并結(jié)合氧化物樣品定量分析,認(rèn)為ZK004-Ⅰ組合反映了半濕潤(rùn)熱帶—亞熱帶氣候向濕潤(rùn)的亞熱帶氣候轉(zhuǎn)變,ZK004-Ⅱ組合反映濕潤(rùn)的亞熱帶向半濕潤(rùn)的亞熱帶氣候轉(zhuǎn)變,其總體反映了半濕潤(rùn)的北亞熱帶氣候,古植被以針葉林為主。

致謝:本文涉及的所有孢粉樣品由吉林大學(xué)古生物學(xué)與地層學(xué)研究中心張淑芹研究員分析鑒定,地球化學(xué)樣品由華北有色(三河)燕郊中心實(shí)驗(yàn)室完成,特此感謝。

孢粉圖版Ⅰ

孢粉圖版Ⅱ