内蒙古自治区额济纳旗雅干地区上新世苦泉组花粉化石的发现及其意义

2020-12-16丁海生孙跃武万传彪王振义雷聪聪马军

世界地质 2020年4期

丁海生，孙跃武，万传彪，3，王振义，雷聪聪，马军

1.中国地质调查局呼和浩特自然资源综合调查中心，呼和浩特 010010；2.东北亚生物演化与环境教育重点实验室(吉林大学)，长春 130026；3.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆 163712

0 引言

银根--额济纳盆地内普遍发育一套以砖红、棕红色含细砾砂岩、砂岩、粉砂岩及砂质泥岩为主，其间常夹有棕红色砾岩及白色石膏薄层的陆源碎屑岩建造，出露厚度60～155 m。因缺少化石依据，前人对这套地层的归属有不同的认识。1977年雅干幅、拐子湖幅1∶20万区域地质矿产调查时，图幅内仅发现罗汉松粉及植物化石碎片，对确定这套地层时代意义不大，其根据相邻图幅脊椎动物化石资料将这套地层划归上白垩统[1]；1979年1∶20万水文地质普查时将该套地层划归新近系上新统[2]；1998年王培玉等对北方第三系进行研究时，将这套地层划归新近系上新统昂冈浩特组[3]；2000年赵军等进行1∶20万地质图修编时将该套地层置于上白垩统乌兰苏海组[4]。笔者2017—2019年在研究区进行1∶5万区域地质调查时，在该套地层灰色泥岩夹层中采集7件孢粉样品，每件样品中都获得数量不等的花粉化石，笔者以花粉化石为依据讨论该套地层的时代归属，另结合相邻地区上新世孢粉化石资料讨论青藏高原隆升与中国西部地区气候和环境演变的相互关系。

1 地质概况

阿拉善境内出露新生代地层的展布方向和沉积特征，严格受地貌条件的控制。燕山运动末期区内山系形成雏形，北大山--雅布赖山--包洛项乌拉山隆起，将阿拉善地区新生代地层分为南北两个不同的沉积区域。隆起北西为北阿拉善地层分区，隆起南东为南阿拉善地层分区[3]。银根--额济纳盆地属于北阿拉善地层分区。盆地呈东—西向弧状展布，北缘为洪格尔吉山，南缘自西向东分别为北山、雅布赖山和狼山。盆地内中、新生代地层较为发育，中生代地层主要有上三叠统珊瑚井组，下白垩统巴音戈壁组、苏红图组和上白垩统乌兰苏海组；新生代地层主要为始新统寺口子组、渐新统清水营组、中新统红柳沟组和上新统苦泉组[5]。

研究区位于内蒙古自治区额济纳旗雅干南约40 km辉森乌拉一带(图1)，处于银根--额济纳盆地的中北部。在灰石山—温图高勒苏木一线见北北东向洼地，洼地东—西宽约5 km，南—北长约50 km，发育一套棕红色、砖红色、灰色碎屑岩组合，不整合覆盖于古生代地层及岩体之上。前人多将其划归上白垩统乌兰苏海组，本次根据所获的花粉化石确定该套碎屑岩时代为新近纪上新世，划归苦泉组。

图1 研究区地质简图Fig.1 Simplified geological map of study area

新生代以来，印度板块与欧亚板块持续碰撞[6]，使研究区长期处于隆升状态，缺乏古新统—中新统沉积。青藏高原在中新世末期、上新世初期经历了一次明显的隆升过程[7--8]，测区南部贺兰山也继续抬升，阿拉善全区相对下降，在额济纳旗、北山地区及阿拉善左旗山间盆地内沉积了苦泉组。

苦泉组在研究区西部北山地区出露广泛，主要出露在星星峡、红石山、甜水井、公婆泉、明水、牛圈子，后红泉、石板井和红柳大泉一带。在星星峡一带，苦泉组岩性为橙红色粉砂质泥岩夹淡水灰岩透镜体，灰岩透镜体中见腹足类化石；红石山、甜水井一带，该组岩性以砖红色粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩为主，夹少量砾岩及砂岩，产脊椎动物化石[9--11]；在研究区东南部阿拉善左旗一带，该组岩性以砖红色、桔红色砂岩和含砾砂岩为主，夹砾岩及粉砂岩，见瓣腮类、腹足类化石[3]。

2 苦泉组地层层序及特征

苦泉组在研究区南部的辉森乌拉一带出露较好，呈北北东向带状分布；地层产状较缓倾向136°～170°，倾角9°～10°。岩性主要为砖红色、灰色泥岩、粉砂质泥岩和细砾岩等，岩性下粗上细，韵律明显。在灰色泥岩夹层中含花粉化石(图2)。

图2 研究区苦泉组岩石野外特征Fig.2 Outcrop of Kuquan Formation in study area

采样剖面位于内蒙古额济纳旗辉森乌拉北西5 km处(102°19′46.44″E；41°44′27.26″N)，实测地层厚度9.8 m(图3)。

图3 内蒙古额济纳旗辉森乌拉上新统苦泉组实测剖面图Fig.3 Profile of Pliocene Kuquan Formation near Huisenwula, Ejina Banner, Inner Mongolia

上覆：第四系砂砾石

～～～～～～～～角度不整合～～～～～～～～

上新统苦泉组(N2k)

9.8 m

8.灰色泥岩，含花粉化石：Pinus、Chenopodiaceae、Solanaceae、Pseudopiceavariabiliformis(Mal.) Bolkh

0.2 m

7.砖红色粉砂质泥岩

0.3 m

6.砖红色细砾岩

0.1 m

5.砖红色、灰色泥岩夹砖红色泥质粉砂岩，灰色泥岩中含花粉化石：Pinus、Quercus、Securinega、Artemisia、Nitraria、Chenopodiaceae、Echinate Asteraceae

0.7 m

4.灰色--砖红色细砾岩

0.1 m

3.砖红色泥岩夹两层灰色泥岩，灰色泥岩中含花粉化石：Pinus、Quercus、Ulmus、Ephedra、Securinega、Chenopodiaceae、Cyperaceae

1.5 m

2.灰色细砾岩夹砖红色泥岩

0.3 m

1.砖红色泥岩夹两层灰色泥岩，灰色泥岩中含花粉化石：Pinus、Carpinus、Ephedra、Nitraria、Echinate Asteraceae、Artemisia、Ranunculaceae

6.6 m

(未见底)

3 花粉化石组合及其时代

3.1 花粉组合特征

本文所研究花粉化石全部产出于内蒙古自治区额济纳旗雅干地区辉森乌拉北西5 km处的上新统苦泉组(N2k)实测剖面中。自剖面的第1、3、5、8层灰色泥岩中获得较好的花粉化石(图4)。

1～2：具刺类菊科(Echinate Asteraceae)；3：蒿属(Artemisia)；4～6：藜科(Chenopodiaceae)；7：莎草科(Cyperaceae)；8：叶底珠属(Securinega)；9：茄科(Solanaceae)；10～11：栎属(Quercus)；12：白刺属(Nitraria)；13-14：麻黄属(Ephedra)；15～19：松属 (Pinus)。图4 上新世苦泉组(N2k)花粉化石Fig.4 Pollen fossils from Pliocene Kuquan Formation

该花粉组合成分比较单调，组合中裸子植物花粉含量居首(58%～100%)，被子植物花粉次之(0～42%)，未见蕨类植物孢子及藻类化石。裸子植物花粉中的松属(Pinus)含量较高，与被子植物中的蒿属(Artemisia)花粉构成组合的主要成分，二者占比分别为54%～100%及0～32%。其次，藜科(Chenopodiaceae)、麻黄属(Ephedra)有一定含量，栎属(Quercus)与具刺类菊科(Echinate Asteraceae)比较常见，其他组分有鹅耳枥属(Carpinus)、榆属(Ulmus)、白刺属(Nitraria)、毛莨科(Ranunculaceae)、叶底珠属(Securinega)、莎草科(Cyperaceae)和茄科(Solanaceae)等。

3.2 地质时代讨论

在北半球，一般从上新世开始，孢粉植物群的基本面貌是：草本植物花粉在孢粉组合中突然增多，不仅种类较多，而且占有一定的百分含量；菊科花粉种类繁多，大网孢类型的花粉开始出现，化石孢粉的属种同现代植物的属种相近[12]，松科与草本植物两者常可交替出现高含量[13]。

本文所述花粉组合具有显著的北半球新近纪特色，组合中含Artemisia、Carpinus、Ulmus、Quercus、Chenopodiaceae等新近纪地层中的常见分子，其他分子除1粒中生代再沉积花粉外，其余均为上新世至第四纪花粉化石。

该组合可与北方多地上新世孢粉组合进行对比。与新疆玛纳斯地区上新世藜--蒿--松--榆组合[14]总体面貌基本一致，区别在于当前组合以针叶植物松属占绝对优势，草本植物次之，而新疆玛纳斯上新世组合则以草本植物为主，针叶植物次之。柴达木盆地大红沟地区古近纪—新近纪孢粉划分了14个组合，其中第14组合产自上新世狮子沟组，由针叶乔木(17.39%～26.09%)、落叶阔叶林 (7.41%～39.13%) 和耐干旱灌木(13.04%～48.15%) 组成[15]，与本文花粉组合特征基本可比；柴达木盆地中部鸭湖地区上新世花粉组成变化较大，针叶树与草本和灌木花粉含量呈现较为频繁的互为消长的变化，整体上以针叶树花粉 (平均67.1%)为主，阔叶树花粉含量较低 (0～7.7%)，耐旱的草本和灌木占有一定比例 (平均25%)[16]，这与本文花粉组合特征一致。与西藏普兰涕松上新世孢粉植物群[12]的总体面貌与本文花粉组合非常相似，共同的特征是：松科两气囊花粉含量突出，麻黄属常见，菊科、藜科等草本被子植物有一定含量，含有少量阔叶植物，如栎属、榆属等。二者不同之处在于西藏普兰涕松花粉组合中见一定含量的亚热带蕨类植物。西藏西部札达盆地上新世花粉组合以松科与被子植物藜科花粉为主，禾本科及麻黄花粉有一定的含量，含有少量亚热带常绿或落叶阔叶林分子[17]，与本文所述花粉组合基本一致；不同之处在于本文花粉组合中被子植物以蒿属为主。此外，云南元谋盆地上新世甘棠组孢粉组合[18]也可与当前的苦泉组花粉组合进行对比，二者均是以松属为主。

刘耕武将中国北方新近纪孢粉组合划分5个带，分别为早中新世组合(组合带Ⅰ)、中中新世早期组合(组合带Ⅱ)、中中新世晚期组合(组合带Ⅲ)、晚中新世至上新世早期组合(组合带Ⅳ)和晚上新世组合(组合带Ⅴ)。其中，晚上新世组合常表现出榆科、草本植物和松科花粉含量交替上升的现象[13]。孙黎明将西藏吉隆盆地新近纪花粉组合划分了6个孢粉带，除了孢粉带Ⅰ为中新世外，其余5个孢粉带时代均为上新世。这些上新世孢粉组合特征是以针叶树占绝对优势，含量为 77.7%～ 89.4%；灌木及草本植物花粉较少，含量为3.6%～10.5%；蕨类植物含量比灌木及草本植物孢粉略多，为3.5%～ 14.3%[19]。从内蒙古雅干地区上新世苦泉组花粉组合以松科占优势，草本植物次之，出现榆属、藜科、菊科、毛莨科和麻黄属等组分，其特征与中国北方新近纪组合带Ⅴ及吉隆盆地上新世组合比较接近，反映出强烈的上新世花粉植物群色彩，因此，本文研究当前花粉组合的时代为上新世。结合该套碎屑岩尚未固结成岩情况，将含花粉化石的这套砖红色、棕红色、灰色碎屑岩建造划归新近系上新统苦泉组，而非过去所认为的上白垩统乌兰苏海组。

研究区周边上新统苦泉组及其相当层位中曾有动物化石的记载，在北山地区星星峡一带苦泉组淡水灰岩透镜体中见腹足类：Bithyniasp.，Pseudophysacf.grabaui(Yen)，Planorbissp.等动物化石[11]，可确定其时代为上新世。研究区东南部阿拉善左旗昂冈浩特、浩特敖包及克布尔海一带，与苦泉组相当层位中亦见动物化石，其中在昂冈浩特、浩特敖包等地见瓣腮类：Corbiculafluminea，C.largillierti，C.dingcunensis，C.bicolora，C. sp.，Pisidiumsp.，Sphaeriumsp.；在克布尔海地区见腹足类Galbacf.pervia，Gyrauluscoretus，Radixplicatula，R.pereger等[3]，确定其地质时代亦为上新世。上述结论与本文花粉组合所确定的苦泉组地质时代一致。

4 古气候与古植被分析

本文所发现的花粉组合中，松属等耐寒针叶植物在组合中占绝对优势，与少量栎、榆等亚热带阔叶植物形成山地针叶林、针阔叶混交林。耐寒的草本及灌木植物空前繁盛，占据了重要地位。以藜科、蒿属为主，同十字花科、毛莨属、菊科、莎草科等以及灌木植物白刺属、麻黄属构成荒漠--荒漠草原类型。现生的藜科、蒿属与麻黄主要生长于干旱环境下的沙土或盐碱化土壤，它们在组合中的高产出说明当时气候环境比较干旱。该套碎屑岩中出现1～2 cm厚白色石膏夹层，亦反映出当时气候比较干旱。特别是蒿属的大量出现是上新世出现大面积荒漠草原和荒漠的直接证据之一。区域高寒针叶和草本持续增加，指示气候持续转向寒冷和干旱。花粉组合中的其他草本植物十字花科、毛莨属、菊科和莎草科等，多为北温带常见的草本类型，它们在上新世发育广泛，在植物组成上占据重要地位[14，20--22]。

综上可知，本文花粉组合反映研究区上新世处于北温带寒冷干旱的气候，植被主体为温带荒漠草原和荒漠，少量发育以针叶林为主的针阔叶混交林。推测当时在山前平原地带，广泛发育着以藜科、蒿属、麻黄属和白刺属等为主的荒漠草原和荒漠。在附近山坡上，生长着小片以松树为主的针叶林，河谷地带分布有少量阔叶落叶林，在针叶、阔叶林下部则生长着小片山地落叶灌木丛。

5 研究区上新世气候变化与青藏高原隆升的关系

近年来，青藏高原的隆升问题一直是许多科学家研究的热点，其隆升也被认为是地球气候和环境演化的重要驱动力，它不仅改变了青藏地区本身的地貌和自然环境，而且对亚洲季风的形成与发展、亚洲内陆干旱化乃至新生代全球气候变化都有深刻的影响。尤其是中中新世和上新世亚洲内陆干旱化加剧被认为与高原北部和东北部地区明显的构造隆升活动有关[23]。高原东北部的隆升对中国西部地区新生代以来气候和环境演变产生深度影响。本文通过对研究区及周边地区上新世古植被古气候的研究，认为高原隆升与研究区气候变化之间具有密切的关系。

植被对气候变化最为敏感，植被类型的改变反映了气候环境的变化。从植被繁盛程度上看，研究区及周边地区上新世地层中的孢粉含量远不及渐新世、中新世那么丰富，说明上新世时植被远不及渐新世、中新世时期繁盛。这种明显的变化说明在上新世时期气候恶化，具体表现在干旱程度加剧和温度急剧下降两个方面。由于草本植物开花早、花期短、种子寿命长、发芽快，在气温大幅下降的情况下，草本植物比木本植物更能适应新的环境，因此当前划分组合中的草本花粉得到较大发展，而乔木阔叶植物则迅速减少，以蒿、藜、麻黄和白刺为主，加上部分禾草、莎草科植物组成的荒漠和荒漠草原得到迅速发展[14]。

上述植被类型的变化不仅在研究区花粉化石中得到印证，在研究区周边地区气候环境变化记录中也能找到证据。在研究区西部的柴达木盆地，自约5.3 Ma开始变干，并经历向后期波动性干旱强化的过程，上新世初期植被已呈现出较明显的垂直地带性，周围山地分布着森林，湖周围则生长以蒿属、麻黄及禾本科等为主的草原。3.4 Ma后，耐旱植物花粉含量略有增加，喜热分子减少。2.6 Ma后耐旱植物含量呈现明显增加趋势，气候快速向更干旱的方向发展[16]。酒西盆地，自8.6 Ma干旱气候和草原植被开始发育，在5.67 Ma时进一步干旱化，植被表现为荒漠草原，3.6 Ma干旱化再度加强，暖温带阔叶树消失[24]。塔里木盆地北部上新世库车组孢粉为干旱的麻黄—藜组合，属半荒漠植被；塔里木盆地东部此时期草本植物占绝对优势，以藜、麻黄和蒿为主[25]。新疆玛纳斯地区上新世藜--蒿--松--榆组合同样反映了当时干旱的气候类型[14]。

根据上新世植物地理分区，上述地区与当前花粉组合产地同属于泛北植物区中的亚洲内陆植物亚区(图5)，有着相近的植被发展史[26]。

1.云南洱源；2.西藏希夏邦马峰；3.四川德昌；4.四川米易；5.山西太谷；6.江西南丰；7.浙江余姚；8.内蒙古凉城；9～10.青海乌兰；11.云南腾冲；12.云南楚雄；13.四川松潘；14.云南兰坪；15.新疆库车；16.甘肃敦煌；17.江苏南京；18.河北张家口；19.湖南湘乡；20.新疆若羌；21.山西榆社；22.内蒙古额济纳旗；23.新疆玛纳斯；24.西藏普兰。图5 中国上新世植物区系划分图(据参考文献[26]修改，★处为本文化石产地)Fig.5 Simplified map showing Pliocene floristic provinces in China

中国西北地区自中新世晚期—上新世期间为持续降温过程[14--15,27]，特别是上新世晚期有明显的降温事件[28]。亚洲粉尘通量在4.5～2.6 Ma显著增加[29]。李吉均、方晓敏等认为4 Ma青藏高原发生剧烈隆升，即青藏运动[6]。从时间上看，植被变化、降温事件与亚洲粉尘通量的增加均与高原构造隆升时间相吻合。因此，笔者认为，青藏高原的这次隆升对西南印度洋方向来的湿气流产生阻挡，导致中国西部地区内陆干旱化加剧，气候类型开始向大陆型气候转变[7--8,30]。