高 远,秦 天,李瑞红,周业泽,刘 航,李明军,朱春光,刘万涛

中国地质调查局廊坊自然资源综合调查中心,河北 廊坊 065000

0 引言

孢粉是植物的生殖细胞,其产量高,细胞壁易于保存,孢粉研究常做作为恢复古环境的一种重要手段[1]。不同植物群落会随着不同的气候发生改变,因此可以利用植物孢粉化石具有亲缘关系的现生植物生长习性,来反映和恢复晚白垩世古气候演化机制[2]。

晚白垩世时期气候素有“泛热带”之称[3],当时赤道地区海水平均温度比现今高8～10 ℃[4]。松辽盆地更是蕴含着上白垩统嫩江组沉积时期最大的湖侵事件[5],对其古气候变化的研究具有重要的意义。前人对嫩江组古气候和古环境的恢复多集中于松辽盆地东部和北部[5-9],对梨树断陷地层研究多集中于营城组[10-11],而对嫩江组研究相对较少。笔者通过对松辽盆地梨树断陷南部ZK004钻孔进行了详细的编录和样品采集工作,并对其孢粉和氧化物样品数据进行了分析,以期恢复梨树断陷嫩江组二段沉积时期的古气候,为该区域内孢子植物的时代归属及生物演提供重要的依据。

1 研究区概况

松辽盆地是我国东北最大的中--新生代盆地,盆地四周环山,西部为嫩江—白城断裂,东部为依兰—伊通断裂,南部为赤峰—开源断裂, 东北部为逊克—铁力断裂[12]。梨树断陷位于松辽盆地东南部,主要由北部斜坡带、中央构造带、东南斜坡带和桑树台洼陷带构成(图1),蕴含着丰富的白垩系地层,发育两套沉积体系,分别为下部断陷层沉积体系火石岭组(K1h)、沙河子组(K1sh)、营城组(K1yc)、登娄库组(K1d)和上部坳陷层沉积体系泉头组(K1q)、青山口组(K2qn)、姚家组(K2y)、嫩江组(K2n),缺失上白垩统四方台组、明水组和第三系[13],地层中蕴含丰富的孢粉化石[2]。

2 钻孔地层

ZK004钻孔位于梨树断陷南部(图1),地层岩性以泥岩、细砂岩和粉砂质泥岩为主,含丰富孢粉化石。ZK004钻孔21.00～39.00 m段地层岩性描述如下:

32.97～39.00 m为灰白色粉砂质泥岩与灰绿色粉砂质泥岩互层,层理清晰;

29.72～32.97 m为深绿色泥岩,局部可见少量灰白色斑点;

28.17～29.72 m为墨绿色粉砂质泥岩,局部夹少量暗灰色泥岩;

27.00～28.17 m为深绿色粉砂岩与灰白色粉砂岩互层;

24.47～27.00 m为墨绿灰色细砂岩,细粒结构,层状构造,由长石、石英组成;

22.73～24.47 m为墨绿色泥岩,可见少量锈色斑点;

21.00～22.73 m为黄绿色黏土与墨绿色黏土互层,局部可见少量锈色斑点。

3 孢粉组合特征

通过对梨树断陷南部ZK004钻孔中21.47～38.26 m段17件孢粉样品系统分析鉴定,共鉴定孢粉化石3 474粒,获得孢粉化石50属64种,典型化石见孢粉图版Ⅰ、Ⅱ。根据主要孢粉数分数变化规律(图2),将ZK004钻孔21.47～38.26 m段地层从下至上划分两个孢粉组合带。

3.1 ZK004-Ⅰ带 Classopollis-Cedripites-Schizaeois-porites-Callistopollenites-Borealipollis孢粉组合

该组合采样深度为33.75～38.26 m,共采集孢粉样品6件,均含有丰富的孢粉化石,本组合的特点是以裸子植物花粉(39.00%～87.06%,孢粉数分数,下同)为主,蕨类植物孢子(8.96%～33.50%)和被子植物花粉(3.98%～27.50%)相对较少。

裸子植物花粉出现11属,包括单孔亚类、双囊类、无口器类和单沟亚类花粉。其中:单孔亚类花粉(14.08%～63.18%)占优势,包括Classopollisphilosophus(6.57%～44.78%)、Classopollisannulatus(7.50%～14.81%)和Exesipollenitestumulus(0～2.31%);双囊类花粉(16.91%～42.72%)次之,其中常见为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%),较少见Cedripiteslevigatus(0～2.35%)、Podocarpiditessp.( 0～1.00%)和Cedripitesmicrosaccoides(0～0.50%);无口器类花粉Taxodiaceaepolleniteshiatus(3.48%～10.33%)和单沟类花粉Cycadopitessp.(0～0.50%)较少。

蕨类植物孢子出现14属,包括单缝孢类、无环三缝孢类和有环三缝孢类。其中:单缝孢类(8.46%～25.50%)占绝对优势,包括Schizaeoisporiteslaevigataeformis(8.46%～25.50%)和Schizaeoisporitesphaseolus(0～0.48%);无环三缝孢类(0.50%～13.60%)次之,其中Osmundaciditessp.(0～6.50%)、Deltoidosporaregularis(0～6.10%)和Cicatricosisporitesmediostriatus(0～1.88%)较多,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%)等较少(图2);有环三缝孢类(0～1.41%)零星出现,包括Nevesisporitesradiates(0～0.94%)和Polycinggulatisporitesreduncus(0～0.50%)等。

被子植物花粉出现11属,包括三孔沟亚类和三沟亚类。其中:三孔沟亚类(3.98%～21.00%)在种类和数量上占绝对优势,其中Borealipollissongliaoensis(0.94%～8.33%)、Callistopollenitestumidoporus(0～3.00%)和Lythraitesgiganteus(0～2.49%)较多,而Borealipollissp.(0～2.49%)、Lythraitessp.( 0～1.00%)、Tricolporopollenitessp.(0～2.25%)、Retitricolporitessp.( 0～0.46%) 和Rutaceoipollissp.( 0～0.50%)等较少;三沟亚类花粉Tricolpopollenitessp.(0～6.50%)次之。

3.2 ZK004-Ⅱ带 Cedripites-Rugubivesiculites-Schizaeoisporites-Deltoidospora-Cyathidites-Borealipollis孢粉组合

该组合采样深度21.47～33.75 m,共采集孢粉样品11件,其均含有丰富的孢粉化石,以裸子植物花粉(44.33%～86.11%)为主,蕨类植物孢子(4.63%～45.81%)次之,被子植物花粉(3.20%～25.0%)最少。

裸子植物花粉出现13属,包括双囊类、单孔亚类、无环无口器类和单沟亚类花粉。其中:双囊类花粉占绝对优势,常见种属包括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;单孔亚类花粉包括Classopollisphilosophus(0～14.34%)和Classopollisannulatus(0～2.78%),相较ZK004-Ⅰ组合,花粉数量明显减少;无环无口器类包括Taxodiaceaepolleniteshiatus(0～12.94%)和Psophosphaerasp.( 0～2.46%),相较ZK004-Ⅰ组合,花粉数量有所增加;单沟亚类花粉中,有Cycadopites sp.(0～2.49%)零星出现。

蕨类植物孢子出现20属,包括无环三缝孢、单缝孢和有环三缝孢。其中:无环三缝孢占绝对优势,常见种属包括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%)少量出现;单缝孢整体数量减少,仍以Schizaeoisporiteslaevigataeformis(0～16.35%)为主,此外Balmeisporitessp.(0～0.63%)和Schizaeoisporitesphaseolus(0～0.44%)等少量出现;有环三缝孢较少,包括Gabonisporisbacaricumulus(0～5.91%)、Interulobitestriangulus(0～1.48%)、Polycinggulatisporitessp.( 0～1.49%)、Nevesisporitesradiates(0～1.48%)和Triporoletesstellatus(0～1.97%)等。

被子植物花粉出现12属,包括三孔沟亚类、三沟亚类和三突起粉类花粉。其中:三孔沟亚类花粉常见种属包括Borealipollissongliaoensis(0.91%～5.50%)和Callistopollenitestumidoporus(0～5.77%),Callistopollenitessp.( 0～3.55%)和Lythraitesgiganteus(0～2.88%)等少量出现,相较ZK004-Ⅰ组合,花粉数量有所减少;三沟亚类花粉Tricolpopollenitessp.(0～12.50%)、Retitricolpitessp. (0.46%～1.49%)和三突起类花粉Mancicoipustenue(0～0.50%)等少量出现。

4 地质时代及古气候讨论

4.1 地质时代讨论

上述孢粉组合中,Cyathidites、Hymenophyllumsporites、Cicatricosisporites、Polycinggulatisporites、Schizaeoisporites、Balmeisporites、Pinuspollenites、Parcisporites、Podocarpidites和Exesipollenites等孢粉化石在白垩系经常出现。其中Schizaeoisporites和Gabonisporites均为晚白垩世的重要孢子类型,广泛分布于松辽盆地北部和南部的嫩江组中[14]。

蕨类植物孢子中,Polycinggulatisporites、Cicatricosisporites、Interulobitestriangulus、Trilobosporitescretaceous和Gabonisporisbacaricumulus等都在晚白垩世出现。Nevesisporitesradiates为苏联、北美及我国晚白垩世地层中常见的种属[15]。巴尔姆孢(Balmeisporites)曾出现于俄罗斯西西伯利亚洼地中部和南部的晚白垩世地层中[9]。

被子植物花粉的划分和对比对白垩系及其以后的地层有着决定性的意义[9,15-16]。我国晚白垩世被子植物可划分为4个时期,依次为前期短轴被子花粉发育期(Cenomanian)、短轴类被子花粉发育期(Turonian-Santonian)、进化被子花粉发育期(Campanian)和脊榆属花粉发育期(Maastrichtian)。其中,进化被子花粉发育期(Campanian)三沟亚类、三孔沟亚类花粉常常表现为类型多、数量丰富,本期往往伴生有特征明显的双气囊花粉Rugubivesiculites[16]。ZK004钻孔中被子植物花粉数分数为3.98%～27.50%,以三沟亚类、三孔沟亚类和北方粉属占优势,双气囊花粉Rugubivesiculites也有出现,符合进化被子花粉发育期(Campanian)特征。

根据Polycinggulatisporites、Schizaeoisporitescertus、Cicatricosisporites、Cyathidites、Hymenophyllumsporites、Polycinggulatisporites、Schizaeoisporites等具有时代意义的孢粉化石,及部分被子植物花粉的出现,ZK004钻孔21.47～38.26 m段地层的孢粉组合指示的地质时代为晚白垩世Campanian。

4.2 孢粉特征及古气候

本次对梨树断陷南部ZK004钻孔进行了系统编录,采集孢粉样品17件和氧化物样品9件。参照孢粉母体植物生态资料,将孢粉植被类型划分为针叶植物、常绿阔叶植物、灌木植物、草本型植物和落叶阔叶植物等5大类[9],其中本文落叶阔叶植物出现频率较低,未单独列表。参照现代气温带,将松辽盆地白垩纪孢粉植物气温带类型划分为热带植物、热带—亚热带植物、亚热带植物、热带—温带植物、温带植物等5大类[9]。参考荆夏等[8]对松辽盆地古气候的研究,将孢粉干湿度类型划分为旱生、中生、沼生、湿生和水生。

本文按照以上分类,将ZK004钻孔孢粉进行了划分(图3)。由图3可知:植被类型中,针叶植物占比最多,达38.50%～87.06%,其次为草本型植物,为2.50%～29.43%;气温带类型中,亚热带占比最多,达40.30%～73.75%,热带—亚热带次之,占比为7.50%～37.03%;干湿度类型中,旱生类型与中生类型占比高,分别为6.50%～72.64%和17.00%～50.25%,其次为湿生分段类型,占比为0～26.48%,沼生类型和水生类型偶有出现。

岩性图例同图2。

在ZK004-Ⅰ孢粉组合中,随深度减小:针叶植物先出现上升趋势,约36.25 m为最高值,然后下降,而草本型植物先下降后上升;热带--亚热带出现下降趋势,而亚热带先升高后下降;旱生类型先升高后下降,中生类型偏低,偶有水生、湿生类型出现。综上所述,ZK004-Ⅰ组合反映了半湿润热带—亚热带气候向湿润的亚热带气候转变,植被主要以针叶植物和草本型植物组成。

ZK004-Ⅱ孢粉组合中,随深度减小:针叶植物增多,草本型植物出现下降趋势,灌木和常绿阔叶植物偶有出现;亚热带类型仍占比最高,为42.29%～73.75%;中生类为主,旱生类上升趋势明显,水生、沼生、湿生类花粉呈下降趋势。综上,ZK004-Ⅱ组合反映的气候条件总体为湿润的亚热带向半湿润的亚热带的气候转变。

4.3 氧化物地球化学标志的气候指示意义

沉积物中元素迁移与富集的规律,是元素对不同沉积环境响应的表现[17-21],越来越多地球化学元素用于古环境及古气候的研究中,其中氧化物对古气候的恢复有着更重要的意义[17,22]。铝元素多以Al2O3的形式存在于地层中,在温暖潮湿的环境下,易于富集[17]。风化过程中氧化作用越强,Fe2O3在地层中质量分数越高[22]。CaO和MgO在半干旱—半湿润的气候条件下易于溶解与迁移。Na2O与K2O在干旱条件下易于富集。

ZK004钻孔21.00～39.00 m段9个氧化物样品测试结果(表1)显示:Al2O3、Fe2O3在30.40 m处质量分数达到最大值,分别为15.11%和5.08%,表明此时气候湿润; 30.40 m处Na2O与K2O分数较低,也说明此时气候较湿润。在39.00～30.40 m处(地层由老至新,表1),遭受风化程度逐渐增强,气候向湿润的方向转变;30.40～21.50 m,遭受风化程度逐渐减弱,气候向偏晾干方向转变。这些均与孢粉组合所揭示的气候变化相吻合。

表1 研究区上白垩统嫩江组二段ZK004钻孔部分代表样品氧化物质量分数及相关系数

4.4 化学风化强度

岩石在遭受不同的化学风化程度过程中,元素的迁移速率是不同的[23],氧化物之间的比值常用来表征岩石的化学风化强度[24]。笔者通过S/A、S/R、A/NK和φ这4个系数来衡量梨树断陷嫩江组二段沉积时的化学风化强度[25]。

S/A、S/R可以衡量地层遭受风化作用强度的变化,其值越小,遭受风化程度强度越强;反之,风化强度越弱[17];A/NK反映碱金属与碱土金属的淋失程度,值越大,风化强度越大[25];φ可以反映Mg、Ca、Na元素溶解与迁移和Al、Fe元素的富集[26-27]。在温暖湿润时,Al2O3、Fe2O3相对稳定,易于富集,MgO、CaO、Na2O等易于溶解与迁移,质量分数减少,φ增大[28-30]。4种系数随深度变化情况见图4,可以看出:39.00～30.40 m(由老至新)处S/A、S/R随深度减小而减小,A/NK略有增加,φ先有较大幅度的增加后变化平稳;30.40～21.50 m,S/A、S/R随深度减小,局部略有浮动,但整体增大。反映风化强度“较弱—较强—较弱”的变化趋势。这与孢粉组合所揭示的气候变化相吻合。

岩性图例同图2。

5 结论

1)通过对梨树断陷ZK004钻孔嫩江组二段21.47～38.26 m段地层进行孢粉分析研究,自下而上划分出Classopollis-Cedripites-Schizaeoisporites-Callistopollenites-Borealipollis和Cedripites-Rugubivesiculites-Schizaeoisporites-Deltoidospora-Cyathidites-Borealipollis两个孢粉组合,通过对孢粉化石属种时代的分析,确定两个孢粉组合所属地层时代均为晚白垩世Campanian。

2)通过对ZK004钻孔中21.47～38.26 m段地层孢粉分析,并结合氧化物样品定量分析,认为ZK004-Ⅰ组合反映了半湿润热带—亚热带气候向湿润的亚热带气候转变,ZK004-Ⅱ组合反映湿润的亚热带向半湿润的亚热带气候转变,其总体反映了半湿润的北亚热带气候,古植被以针叶林为主。

致谢:本文涉及的所有孢粉样品由吉林大学古生物学与地层学研究中心张淑芹研究员分析鉴定,地球化学样品由华北有色(三河)燕郊中心实验室完成,特此感谢。

孢粉图版Ⅰ

孢粉图版Ⅱ