白垩纪的山东平邑盆地 ——没有恐龙光顾的湖泊

李 越

平邑县位于山东省蒙山西南部，平：地貌缓而舒展，邑：小镇，但从整个县境范围看却有点名不副实，周缘山地环绕，北有磅礴的蒙山，主要是15 亿年前的火成岩和变质岩， 南有4-5亿年左右寒武纪-奥陶纪石灰岩的尼山。 全县山地是平地的5 倍多， 这1/6 平地仅限于县城附近的小断陷盆地中央地带。 现代的平邑盆地是主要农产品种植区， 但它的历史可追溯1 亿多年前，经历了早期断陷、中期坳陷和晚期收缩3 个发展阶段。 形成的初期这里是个湖泊，也正是恐龙演化最高峰的白垩纪。 站在平邑盆地的任何一个位置眺望周围的山， 南边的尼山和北边的蒙山山脚（图1），就是白垩纪当时的湖岸。平邑盆地的湖泊是一个复杂多变的动力系统，湖相沉积明显受古气候、 古水动力条件和古水质性质等因素的控制。 平邑盆地上白垩统固城组多为河流相砾岩－粉砂岩沉积， 碎屑物来源于盆地周缘陆源剥蚀区活化的产物， 此时的碎屑岩颗粒成熟度特征指示盆地尚未完全封闭，河流应该具有通向盆地外的出口； 固城组之后由于盆地受构造因素控制而封闭形成内陆湖区的卞桥组沉积。

图1 前面的蒙山山脚距离拍照位置约2公里，所以我们拍照点就是离白垩纪湖泊北岸2公里的位置

晚白垩世马斯特里赫特期与古新世之交干旱气候背景下，平邑盆地的物源碎屑供给量偏少，湖水长期维持高清澈度，平邑-费县地区卞桥组厚度数百米的灰岩序列，是当时湖水碳酸钙超饱和状态的沉积记录，也是目前所知中国同期陆相湖盆中罕见连续稳定沉积灰岩的地层单元，也可能是累计厚度最大的灰岩地层，含中等丰度的蕨类植物孢子、裸子植物和被子植物花粉、轮藻、钙藻类、介形类，和极少量的小型腹足类、双壳类化石。奇怪的是这个湖泊环境形成的白垩纪卞桥组地层中， 至今没有见到大名鼎鼎的恐龙化石， 其原因可能与湖泊极高的钙化水体有关。

平邑盆地卞桥组碳酸盐岩岩相沉积分异是存在的， 源于沂蒙山物源区的河流带入湖盆沉积区碎屑颗粒的量值存在显著差别， 西部剖面碎屑岩相对丰富， 而东部诸如柏林剖面则几乎全为碳酸盐岩沉积， 证明在西部更能长期能维持清澈水体的稳定碳酸盐岩生产力。 平邑盆地生物地层学和沉积学的研究者特别关注卞桥组中的核型石以及含石膏矿的层序地层和环境标志意义， 湖相灰岩中经常可以看到各种暖水型成因的碳酸钙沉积， 大量的核形石和根形石多与湖泊微生物和植物生长有关， 而泉华和石膏能灵敏地反应古气候条件。

核形石

图2 卞桥组的核形石

蓝绿藻类等钙质微生物围绕生物碎屑或岩屑核心通过分泌粘液来捕获、 粘结钙质颗粒及碳酸钙沉淀物， 经过一段时间形成具有微晶质同心圈层的椭球体，这就是核形石。现代核形石形成在从淡水湖泊、 河流和沼泽到海洋的潮间和潮下带等广泛多变的环境中。 平邑盆地白垩纪晚期的湖相核形石可能集中在湖滨浅水环境。

维管植物根形石和茎形石

在中国著名的名胜景区九寨沟和黄龙，来自高山上含碳酸钙的冰川融水流到低海拔区呈超饱和状态，包结在沿途携带的树根和茎，形成现代根形石和茎形石。 看地质历史时期的根形石和茎形石，平邑可算首选之地。晚白垩世的平邑湖盆浅水区或湖岸应该有许多植物， 这些植物的根或茎碎片经常会被流水携带到湖中，湖水高浓度的碳酸钙围绕这些植物碎片沉淀后，就形成了大量的根形石或茎形石（图3）。

当许多树根很规则朝一个方向排列是，就很可能是须根植物（图4）。

图3：卞桥组的根形石或茎形石

图4 须根植物根形石

泉华

中国最著名的碳酸钙泉华风景区在九寨沟和黄龙，是冰川融水到山沟中析出碳酸钙，属现代泉华沉积。 湖泊中的湖底灰岩沉积物会短期暴露到水面之上， 当含高碳酸钙的地下水泉水流出地表时，因压力降低、温度升高，在泉口附近形成的疏松多孔的碳酸钙就称为钙质泉华。平邑卞桥组气候干热背景下湖泊水量的强蒸发导致碳酸钙浓度超饱和， 并且在最强干热期湖面下降，局部出现暴露以及泉华沉积。局部层有白垩纪末期的泉华沉积（图4）。

石膏

图5 几个小圆圈是泉眼， 周围环绕的大圈是泉华

图6 卞桥组石膏层

建材行业是目前平邑县的主要经济支撑，很重要的原因是卞桥组进入古近纪后的地层中蕴藏着丰富的石膏矿，埋藏浅，开采条件良好，品味和产量都很高。石膏的成分是硫酸钙，赋膏地层为卞桥组上部时代属于古近纪的紫红、灰绿相间杂色岩系，从沉积特征中方能看出干燥、湿润交替出现的古气候特征依据。 湿润气候水量丰富带来大量成矿物质，气候变干燥时，湖水蒸发浓缩，最终导致成矿物质的沉淀（图6）。

恐龙多在陆地上生活， 但肯定也离不开水源， 所以中生代的湖泊沉积中找到恐龙化石的几率是很大的， 但平邑盆地的卞桥组属白垩纪的地层中动物化石非常少， 至今也没找到像样的恐龙化石，因为这个湖盆太特殊了，周缘的蒙山和尼山隆起暴露区碎屑风化和搬运力度小，它在白垩纪晚期的卞桥组下部灰岩多是碳酸钙沉积。 我们推测这里白垩纪晚期很有可能处于特别炎热干旱的气候， 碳酸钙溶液随着温度的升高溶解度降低， 湖相灰岩沉积时的湖底深度在透光带之上， 有利于大量钙质微生物和少量钙藻通过光合作用生长， 它们构成湖泊生物生产力的主体， 也是各种灰岩沉积颗粒的主要成分。 干热气候区的湖水中后生动物骨骼含量极低，脊椎动物饮多了这种水恐怕会得结石病，恐龙当然就不喜欢频繁光顾了， 想通过化石记录了解恐龙的末期演化是不可能的。

在全球许多地方留下了白垩纪末彗星撞击地球的灾难证据，就是地球上含量非常低、而外星体中含量很高的铱元素富集层， 也被称为鱼粘土(fish clay)层之上，中生代侏罗纪到白垩纪盛极亿年的恐龙， 在祸从天降的瞬间彻底灭绝了， 地球历史进入了新生代哺乳类和鸟类高度发展的时期， 延续到现在人类塑造的地球生物圈， 这层鱼粘土出现是划分中生代-新生代界线的最佳地球化学标志。 若有可能在平邑盆地卞桥组白垩-古近纪界线上找到铱元素富集层，那可是个重大科研进展。

通过轮藻化石的变化能确认中生代和新生代的界线是在卞桥组中穿过的， 卞桥组下部中生代的轮藻藏卵器的个头要小得多， 到了新生代就明显变大了。 结合卞桥组白垩系－古近系上下的沉积序列， 可认定卞桥组下部属白垩纪末马斯特里赫特阶碳酸盐岩为主体的岩相形成于长尺度干热期， 周缘暴露区的碎屑风化搬运力度小， 湖区维系清水环境。 通过对核形石、根形石、泉华等特殊碳酸盐岩微相分析，获得研究区湖相蒸发岩指标，认为强蒸发导致陆水碳酸钙浓度超饱和， 气候干热背景是碳酸盐岩沉积的主要控制因素， 并且在最强干热期湖面下降， 局部出现暴露以及泉华沉积。

平邑盆地晚白垩世－早古新世古气候演化过程体现为一次明显的长期干热向干热/湿热交替之转换。 古近纪开始频繁出现的红色和其它颜色的粉砂、 泥质碎屑岩相也是灵敏的环境变化载体， 这种古气候敏感沉积物与灰岩沉积背景有别， 红层指示高温湿热气候下陆源区剥蚀力度增高， 大气降水注入的增加也同时降低湖水碳酸钙的饱和度，抑制了灰岩沉积。古近纪的红层与陆相灰岩交替出现指示古近纪早期古环境指标中的干旱－潮湿气候交替。 因此，卞桥组上段数期膏岩沉积指示当时湖区强烈干旱气候造成了盐度数次常增高， 最后湖盆达到完全干化消亡阶段， 频繁出现山麓带的泥石流和洪积扇堆积（图7）。

图7 平邑盆地古近纪早期的山麓泥石流和洪积扇堆积