青龙峡马家沟四段古生物化石分析.doc

青龙峡地区中奥陶统马家沟组四段古生物化石分析
张文涛
摘要：青龙峡位于云台山世界地质公园区域内。区内出露的主体地层为上寒武统和中奥陶统。其中中奥陶统马家沟组第四段为正常浅海沉积，发育大量的实体化石和遗迹化石，根据野外勘察及室内镜下鉴定，发现主要有软体动物门腹足类、棘皮动物、节肢动物、腕足动物、微古生物及牙形石等。生物化石数量多，分布较广，个体从自形、半自形到他形不等。遗迹化石主要有似海生迹、拟蠕形迹、漫游迹和丛藻迹。其上部发育风暴沉积。从古生物学的角度探讨了沉积环境的变化。
关键词：生物化石，遗迹化石，风暴沉积, 中奥陶统马家沟组，云台山世界地质公园

Paleontology Fossil Analysis of the Fourth Segment, Majiagou Formation, Ordovician in The Black Dragon Canyon
Abstract: The black dragon canyon locates in the Yuntai mountain world geological park. The exposed main strata are of Upper Cambrian and middle Ordovician in that area. It is normal shallow water deposition in the fourth segment, Majiagou Formation, Middle Ordovician. Based on the outcrops exploration and SEM identification, it developed large amounts of body fossils and trace fossils, basically are molluscs door abdomen foot type, JiPi animals and arthropods, wrist animals, micro paleontology and conodonts et al.. Biological fossils have a great number, a wide distribution, individual idiomorphism, half idiomorphism to allotriomorphism. Trace fossils including like Thalassinoides, Helminthoides, Planolites and Chondrites. It developed storm deposits on the top. This paper has very great help in analyzing the sedimentary environment of this area.
Key words: body fossil, trace fossil, storm deposit, middle Ordovician Majiagou Formation, Yuntaishan World Geopark

1 前言
焦作地区北部山区各时代地层出露完整，尤以早古生代地层最具有代表性。由大量碳酸盐岩组成气势雄伟的高山，在水力作用下形成不同的自然景观，为工业经济提供了极其丰富的建材来源。其中，中奥陶统马家沟组出露良好（图1）。青龙峡位于云台山世界地质公园区域内。区内出露的主体地层为上寒武和中奥套。笔者对该区中奥陶统地层进行野外实测剖面和室内分析，在青龙峡马家沟组四段发现极其丰富的古生物实体化石和遗迹化石，对研究本区生物地层及沉积环境等有着重大意义。

图1 青龙峡景区地层出露及剖面地理位置图
Fig.1 The sketch map of the study area
2 地质概况
云台山世界地质公园位于中国河南省焦作市境内，分布于焦作市修武县、市区的中站区、博爱县和沁阳市。地理坐标：东经112°44′40″～113°26′45″；北纬35°11′25″～35°29′40″。青龙峡位于云台山世界地质公园区域内，由于加里东运动和喜马拉雅运动使地壳抬升，整个华北地区奥陶系在本地区出露广泛，该地区的中奥陶统马家沟组第四段（以下简称马四段）共含有七层，每层的厚度、性质特征不同，本次实测的马四段，岩性主要为灰色、深灰色、灰白色生物碎屑灰岩，白云质灰岩。以下为该段地层的剖面描述：
8 深灰色中层状含生屑粉晶灰岩。为棘皮，有孔虫，甲壳类等。下部为白云质灰岩和粉晶灰岩互层
……………………………………………….整合…………………………………………….
马家沟四段
7. 灰色灰黑色厚层状含生物碎屑微晶灰岩，生物碎屑见腕足类，甲壳类，介形虫，角石。下部生物碎屑较少，粒度变细，为微晶灰岩。发育chondrites和其它遗迹化石，中部见大量生物碎屑，丰度较高。上部粉晶灰岩重结晶现象严重。局部泥晶化，发育风暴沉积
8m
6. 灰色灰黑色中层状生屑泥晶灰岩，生屑约30%，种类较多 1.5m
5灰色灰黑色厚层状含生屑泥晶灰岩，见遗迹化石及角石，海百合，有孔虫，介形虫，腹足类化石，生屑含量小于13% 13.1m
4. 深灰，灰黑色中薄层状泥晶灰岩，局部白云岩化，见纹层状构造。生屑主要为有孔虫，具水平层理 3.0m
3.灰黑色厚层状含生物碎屑泥晶灰岩夹数层含生物屑、砂屑灰岩条带，见角石腕足类和少许遗迹化石。含牙形石：Scolopodus cf. mandalensis (Lee) 14.8m
2. 浅灰色中薄层状泥晶灰质白云岩，下部见轻微扰动构造 1.5m
1. 灰色灰黑色厚层状含生物碎屑泥晶灰岩，沿裂隙白云岩化，见大量腕足腹足类、三叶虫化石和生物扰动构造含叠层石构造，藻纹层构造 17.8m
……………………………………………….整合…………………………………………….
灰色中薄层状砂屑泥晶灰岩，沿裂隙白云岩化严重，为豹皮灰岩形成的初级阶段
在本次野外考察中，通过野外严格的分层和细致描述，得到比较准确的地质信息，并逐层进行采样，在未风化岩层面上进行采样，然后在室内进行薄片磨制，形成薄片以后，通过0.5%的稀盐酸分析和茜素红-S溶液进行浸染，对灰岩中的方解石颗粒和白云石颗粒进行细致甄别，以确定岩性和生物化石的真实和可靠程度。然后在此基础上进行分析。
3 生物化石
马四段中所含化石非常丰富，包括实体化石，遗迹化石，微体化石等，甚至在风暴沉积中也可以见到。这种组合形式在地层中是不多见的。在生态学方面具有重要的地质学意义。其中对奥陶系的划分和对比最有意义的化石主要为牙形石。河南省中奥陶世牙形石仅见于豫西、豫北地区。据其基本特征应归属于北美中大陆牙形石动物地理区[1]。
3.1 实体化石

图2 野外实体化石
Fig. Body Fossils in the Outcrops
A：角石（年幼期）箭头所示部位发育；B：角石；C：直角石；D：海百合茎（横剖面）+（纵剖面）；E：角石（浅红色泥晶镶嵌）。以上化石均采自于马四段第一层。
本组的化石主要有软体动物门、棘皮动物、节肢动物、腕足动物、微古生物[2]及牙形石等。生物化石数量多，分布较广，个体从自形、半自形到他形不等。现将本次工作所采集和鉴定的生物化石和遗迹化石分述如下：
3.1.1软体动物：
腹足类：所在层位极其广泛，保存完好，形态较为明显，具晶粒结构，形体较大，。见泥质充填角石化石（图1E）。腹足类生活环境极其广泛，但大部分多适应于正常盐分浅海，也可以在咸水或淡水湖泊中生活。在海洋中，他们分布在高潮线直到近深海的地段。一般生活在小于100m的浅水区（图2 A, B, C, E）。
3.1.2腕足动物：
腕足类：腕足动物是食悬浮物的生物，浑浊度低且略有动荡的水域最为适宜。绝大多数腕足动物皆为窄盐性正常浅海生物。生活在海水中，喜在氧气、光线充足，温度较高的光亮带中（图3F）。
3.1.3棘皮动物：
海百合茎：规则的外形，粗大的单晶结构，生活于海水中。大多数生活与水深50-130m的水底区，在浅水区生活于弱光带。地史时期，多数群居于浅海内缘，常繁殖于生物礁间。在礁体内侧发现的海百合化石保存较完整，而仅有大量海百合茎环堆处，是浅海地区海浪冲刷分选的结果（图1D）。
3.1.4节肢生物：
甲壳类：常见单层玻纤结构（图3A）。
三叶虫：未发现完整的三叶虫化石，但是有其碎片。生活在海水中的已经灭绝的节肢动物，见其甲壳边缘，在垂直的切面中呈“手杖状”，为其典型的薄片下特征（图3G）。
3.1.5微古生物：
有孔虫：正常海相底栖有孔虫以具玻纤壳为主。绝大多数有孔虫生活与正常海水，少数生活雨半咸水。生活方式以底栖为主，其底质最好是灰质淤泥（图3B）。
介形虫：层纤结构，完整的介形虫因强烈的重结晶作用，腕内充填的方解石常与壳连成一片，形成次生单晶结构。常呈杏仁状，无内部显微构造。可以生活在各种水体环境中，大多数是海相，也可以是广盐性，微咸水或者超咸水的泻湖或某些淡水中（图3D）。

图3 薄片下生物化石或生物碎屑
Fig. 3 Body Fossils and the Fragments in the SED
A：甲壳类，见波状消光现象，第三层，正交；B：有孔虫，第三层，偏光；C：，第三层，正交；D：“杏仁状”介形虫，第一层，正交；E：，第三层，正交；F：腕足类，第四层，偏光；G：三叶虫甲壳边缘，外形呈“手杖状”，第一层下部，正交。

3.2 遗迹化石

图4 似海生迹
Fig.4 Thalassinoides

图5 Helminthopsis-Planolites遗迹组合
Fig.5 Helminthopsis-Planolites ichnocommunity

3.2.1 特征描述
水平似海生迹（图4） Thalassinoides horizontalis Myrow, 1995
描述 外壁光滑，无衬壁，水平分支潜穴系统，平面上呈“Y”型或“T”型分叉。潜穴呈亚圆柱形，直径5~8mm，分枝处未见膨大现象。潜穴壁光滑，无内部结构。潜穴内充填为白云质灰岩，风化后凸出层面上，围岩为泥晶灰岩，风化后凹进去。风化面上潜穴凸出层面之上，与围岩界限明显可辨。潜穴及强烈扰动构造因发生白云岩化而呈斑块状。
产出层位 焦作青龙峡，中奥陶统马家沟组第四段第一层
描述：本组发育的遗迹化石，根据其组成与产状特征及其与围岩的沉积特征，可组成一个遗迹群落：Helminthopsis-Planolites遗迹组合（图五）。该遗迹组合以简单水平和分枝状层内耕作迹与进食迹为主，主要组成分子有Helminthopsis， Chondrites， Planolites组成（如图所示）。遗迹化石丰度较高，Helminthopsis潜穴在横切面上为微弯曲的、宽度一致的小型耕作迹加觅食迹，大部分充填物为黑色； Planolites为柱形潜穴，见直形或略微弯曲，水平或略倾斜分布，潜穴不分枝，表面光滑，潜穴内无衬里，直径3.5mm，遗迹充填物无结构，颜色较围岩深。保存为底迹突起或内迹；Chondrites isp. 在灰岩层面上呈现为小而短的条状或椭圆形斑点状集合体，有的分叉呈枝状，直径0.4-1.3mm，潜穴壁光滑，潜穴内的充填物为灰黑色有机物质，风画面上明显区别于围岩，保存在中厚层状泥质灰岩中，并且常与Helminthopsis伴生，相互之间很少交叉。[6]
该遗迹组合发育于马四段中上部，以深灰色中-厚层状泥晶生物碎屑灰岩、生物碎屑泥晶灰岩为主，含大量的浅海生物化石，如海百合、角石、腹足类和腕足类等。生物化石略有破碎但总体完整，见非常完整的角石等化石。
3.2.2环境解释
该以及组合主要组成分子有Helminthopsis， Chondrites， Planolites。其中Planolites为生物成因，推断为食沉积物动物（多毛类或其他蠕虫）的觅食构造，适应从浅海到陆相沉积等各种深度环境。而Chondrites曾在古生代至新生代各种沉积岩系中发现过，表明它们是从滨海半咸水陆架到深海许多海相环境广泛分布的遗迹。一般充填物颜色较围岩深，认为是富含有机质。而Bromley等研究欧洲上白垩统遗迹系列，发现Chondrites总是在遗迹梯度系列中最深和最后濒于灭绝，说明最小的生物达到最大的深度，证明其造迹生物个体虽小却能比大个体生物适应低氧环境。Helminthopsis为简单弯曲的蛇曲形，具潜穴充填，证明该动物曾传入沉积物，留下有机物质与围岩明显区别，未见有内部构造，证明为发生在深度不大的沉积物之内含有丰富食物的底栖动物觅食所为。
综上所述，这些遗迹化石所形成的底层往往与缺氧环境和相对较深较平静的水体有关。鉴于薄片之中透漏出的生物学信息，包括牙形石，介形虫，头足类等所处的海洋环境，可以认为，此以及组合的造迹生物在贫氧但不缺氧的底层内开拓的掘穴系统与底层上含氧的水保持着联通，造迹生物依靠海水中的氧气（风暴将部分氧气及有机物质带到的此处）生活，在底层上面有适合生物生存所需要的部分沉积物而不至于完全向深处掘穴以求得有机物的供应。该遗迹组合可解释为产生于海水相对较深且平静的浪基面附近的浅海环境。而产生此遗迹组合的岩层的沉积环境为正常浅海浪基面附近。

3.3 风暴沉积

图7化石组合及风暴沉积序列
Fig. Fossil Community and the Sequence of Storm Deposit
A：角石+腕足类沉积在泥晶灰岩中，箭头所指为腕足类（以下两幅同此），与角石沉积在同一层面上。（硬币直径为2cm）；B：角石+腕足类沉积在泥质灰岩中（剖面图）；C：角石+腕足类；D：风暴沉积层在剖面上的显示，红色虚线之间为一次风暴沉积，分别由块状砾屑层E+F、平行层理段或水平层理段G、加上最上面的正常沉积段H组成；E：腹足类、腕足类化石碎片，箭头指示方位发育遗迹化石；F：角石+腹足类化石组成块状砾屑层；G：发育高角度倾斜的遗迹化石潜穴的平行层理段；H：发育平行于平面的遗迹化石组成的正常沉积段。

风暴沉积属于紊流事件，具有可以反映事件初始、高潮到衰减的明显特征—侵蚀和沉积构造，具有在横向上和垂向上有机或无机沉积物的再沉积；并且在事件的过程中和过程后，通过改变盆地底部硬度或营养物数量而影响底栖生物的生态条件。
遗迹化石在鉴别和解释风暴沉积中具有重要作用，由风暴沉积所产生的一套混合的遗迹化石组合式识别风暴沉积的一种良好的标志，可以为我们提供更多的识别古代风暴沉积的依据。风暴沉积含有一套混合的、与能量水平变化相适应的遗迹化石组合，两种不同的遗迹群落反映了变化着的行为方式对生物所移居的两种连续的，但是单个性质不同的生存环境所做出的反映。常住的或平常天气的遗迹群落可以作为一种稳定的底栖群落的代表，在这一群落里，单个的居群达到或接近它们的承载能力；而周期性产生的风暴遗迹群落则代表着一种不稳定的、生态环境恶化的、机械控制的环境下繁盛的机会主义生物群落[3]。
通过对前人[3,4,5]研究成果及资料的总结，并结合本人对风暴沉积的观察，依据遗迹化石的分布特征按照碳酸盐风暴沉积的理想层序，将风暴岩划分为：块状砾屑层和递变层、平行层理段和纹层段、正常沉积段三个部分进行研究，得出以下结论，其遗迹化石分布如图VII所示：

图8 风暴事件中的遗迹群落，转自Ekdale等，1984
Fig.8 Ichnocommunity in the Storm Deposit, From Ekdale et al., 1984
1-Chondrites；2-Cochlichnus；3-Displocraterion；4-Gyrochorte；
5-taenidium；6-Ophiomorpha；7-Palaeophycus；8-Phoebichmus；
9-Planolites；10-Rhizocorallium；11-Skolithos；12-Cylindrichnus；13-Zoophycos.

块状砾屑层和递变层中遗迹化石少见。块状砾屑层中可见丰富的实体化石，为浅海环境中常见的如角石、腹足类，海百合茎等。块状砾屑由于风暴扰动作用形成丘状层理或滞积层。推测是由于强烈的风暴使生物碎屑被搬运到底部进行沉积，表明极强的水动力环境。
平行层理段和纹层段中遗迹化石逐渐增多。在平行层理段，可逐渐见到一些垂直的或者高角度倾斜的生物潜穴，如Planolites, Skolites. 推测是由于水体能量已经逐渐降低，部分机会主义种已经可以适应这种环境，但总体来说水体能量仍较高，机会种仍无法在层面上生存，机会种就向下掘穴躲避风暴，并以风暴带来的层面上的大量的营养物质为食，并形成一种代表着在不稳定的、生态环境恶化的、机械控制的环境下繁盛的机会主义生物的群落。在纹层段，可见到生物潜穴逐渐由垂直或者高角度倾斜过渡为低角度倾斜或者水平的生物潜穴，推测是由于水体能量持续降低，均一种已经可以适应这种环境，均一种逐步繁盛，机会种受到抑制，生物潜穴逐渐过渡为低角度倾斜或者近水平分布的。
正常沉积段。风暴已经停息，是正常天气下沉积的产物，可见到较多的水平分布的生物潜穴，偶尔可见到低角度倾斜的生物潜穴，推测是风暴已停息，均一种得以繁盛，机会种受到抑制，生物潜穴逐渐以水平分布为主。

4 沉积环境探讨及地质意义
马四段岩性上主要为深灰色、灰黑色厚层状泥晶生屑灰岩，生屑泥晶灰岩，砂屑灰岩加灰色、浅灰色薄层状含生物碎屑白云质灰岩，上部变为灰色生物碎屑粉晶灰岩。发育水平或平行层理，根据所含化石判断，其主要为正常浅海环境沉积，水动力较弱，化石保存相对较好，见完整且较大的角石化石，常与腕足类化石、角石、苔藓虫及海百合茎混杂沉积，该段含碳酸盐泥比较多，泥基比相对较大，水体相对浑浊，为中奥陶世缓慢海侵时期所形成。
到马四段上部，颜色逐渐变浅，如上所述，发育七层（可见）风暴沉积层，由下而上为块状砾屑层，见完整及破碎生物实体化石，偶见遗迹化石，为风暴沉积初期海水搅动各种生物遗体沉积，形成丘状交错层理和滞积层；中部发育高度倾斜的遗迹化石，为生物躲避强烈风暴浪所致，该时期风暴虽有减弱，但仍然比较强烈；到最上部发育低倾斜度或平行于层面的遗迹化石，岩性也逐渐变为泥晶灰岩，为风暴沉积末期，生物可以平静的在底层上进行生存造迹活动。三段形成一次完整的风暴沉积过程。
生物实体化石和遗迹化石的研究，不仅有助于从形态学上了解中奥陶世生物群落的变化，而且在生态学和遗迹学方面对于分析其沉积环境，都具有重要的地质意义。

5 结论
通过对岩性和古生物化石的分析，可以得到以下结论：
（1）马四段下部为正常浅海沉积环境，水动力较弱，形成泥晶灰岩沉积，氧气、阳光等充足，适合各种广盐度生物的生存。
（2） 马四段中发育的实体化石含量丰富，形态比较完整，特征相对明显，在肉眼和镜下易于识别，相比其他层位化石现象所不多见。
（3）马四段上部发育近端风暴沉积，从底部生物碎屑层，到中部生物扰动层，直到风暴过后的平静泥晶灰岩沉积，说明该地区水深相对较大，为正常浪基面附近地区。
从马四段开始到结束，古生物化石在岩层中的分布和变化提供了来自生物学方面的信息：水体总体上呈上升状态，在台地碳酸盐岩上不断发育有生物作用参加的碳酸盐岩建隆构造，至末期水体达到最深。

参考文献
[1] 河南省岩石地层[M]。地质出版社.1996：86-115
[2] 余素玉.化石碳酸盐岩[M].地质出版社.1988：66-78，93-108
[3] S.G.Pemberton，周志澄，J.MacEacher.风暴沉积的遗迹学研究[J].沉积学报.2000,18（4）：489-494.
[4] 王约，龚一鸣.赣南泥盆系的风暴遗迹相[J].岩相古地理.1997，17（1）：39-44.
[5] 杨式溥.古遗迹学[J].北京:地质出版社.1990.
[6]齐永安-济源地区中奥陶统上马家沟组中的痕迹化石及其环境意义[J].焦作工学院学报.1997.

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