鄂尔多斯盆地西缘早中侏罗世延安组孢粉化石特征及其古气候意义

付清萌，刘显凤，马占荣，王永波，胡 琮，徐清海

(1.长江大学 地球科学学院，湖北 武汉 430100； 2.中国石油长庆油田分公司 勘探事业部，|陕西 西安 710018； 3.中国石油长庆油田分公司 第二采气厂，陕西 西安 710018)

引 言

孢粉化石可以直接体现古植被的丰度、种类、形态和存在时间[1]，指示地质年代，同时对古气候重建与预测未来气候有着重要的意义[2-4]。鄂尔多斯盆地西缘地区含有丰富的油气藏、煤炭和铀矿等矿产资源[5-7]，受控于温度与降水，这些资源的富集与古气候关系密切[8]，但是关于西缘冲断带的古植物与古气候研究较少。本文在前人研究基础上，综合利用在鄂尔多斯盆地西缘冲断带南部的银探2井获得的孢粉化石数据，结合银探2井的测井风化指数与地层元素Mg与Ca的质量分数比值，对银探2井779～1 190 m井段的地层时代进行判断，还原鄂尔多斯盆地西缘冲断带在早中侏罗世的气候特征，并对气候变化原因进行探讨。本次研究为划分鄂尔多斯西缘早中侏罗世地层和研究鄂尔多斯盆地侏罗纪古气候提供了更多依据，同时也完善了早中侏罗世中国北部气候带与季风运动的特征。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地为中国内陆第二大沉积盆地[9-10]。鄂尔多斯盆地按照其构造单元可分为伊盟隆起、天环向斜、陕北斜坡、西缘逆冲带、晋西挠褶带和渭北隆起区[11]。盆地中生代地层自上而下可分为三叠系刘家沟组、纸坊组、延长组，侏罗系富县组、延安组、直罗组、安定组、芬芳河组，白垩系志丹群、六盘山群、柳沟门组与庙水湖组。

鄂尔多斯盆地西缘冲断带位于华北克拉通的西部，处于几大构造单元的结合部位，南北长约600 km，东西宽50～100 km，总面积约5×104km2(图1)。鄂尔多斯盆地西缘可分为3个区域和4个小段，即北区包括桌子山段、横山堡铁克苏庙段，中区包括马家滩段，南区包括甜水堡-沙井子-彭阳段[10]。银探2井位于鄂尔多斯盆地西缘冲断带甜水堡-沙井子-彭阳段，性质为预探井，其周围自西向东发育青铜峡-固原断裂、韦州-安国断裂、青龙山-平凉断裂、惠安堡-沙井子断裂4条西倾东冲的主干断层，冲断结构特征明显。

图1 研究区区域地质概况与银探2井位置Fig.1 Regional geological overview of the study area and location of well YT2

2 孢粉化石的种类与地质年代

2.1 孢粉种类

银探2井存在大量孢粉化石，保存状况较好。

在779～1 064 m深度段孢粉化石中，裸子植物花粉占优势，其数量占可识别的孢粉数量的40.06%～89.12%，平均62.45%，而蕨类植物孢子居次要位置，其数量占可识别的孢粉数量的10.88%～59.94%，平均37.55%。

在1 064～1 190 m深度段，裸子植物花粉的数量占可识别的孢粉数量的89.66%～58.33%，平均70.74%，蕨类植物孢子的数量占可识别的孢粉数量的10.34%～41.67%，平均29.26%(图2)。蕨类植物孢子中，光面桫椤科孢子最多，其数量占可识别的孢粉数量的10.20～43.72%，平均28.46%。光面桫椤科孢子中主要有小桫椤孢Cyathiditesminor(图3(b))和三角孢Deltoidospora(图3(f))。紫萁科在取样深度段内连续出现， 数量占可识别孢粉数量的3.38%，种类有小紫萁孢Osmundaciditesparvus(图3(l))、威氏紫萁孢O.wellmanii(图3(g))、变刺紫萁孢O.diversispinulatus(图3(c))等；三角块瘤孢Converrucosisporites在取样深度段内连续出现，数量占可识别孢粉数量的1.34%，其种类有疏散三角块瘤孢Converrucosisporitessparsus、维纳三角块瘤孢C.venitus等；石松科在取样深度段内连续出现，数量占可识别孢粉数量的总量的1.12%，包括近圆石松孢Lycopodiumsporitessubrotundun(图3(q))、圆锥石松孢L.paniculatoides(图3(a))、南方拟棒石松孢L.austroclavatidites。卷柏科仅在取样深度段的上部常见，下部仅零星出现，数量占可识别孢粉数量的1.68%，主要有格里斯索普新叉瘤孢Neoraistrickiagristhorpensis(图3(i))、棒柱新叉瘤孢N.clavula(图3(e))、小新叉瘤孢N.minor、截形新叉瘤孢N.truncatus等。双扇蕨科/马通蕨科的膨胀凹边孢Concavisporitestoralis和哈氏网叶蕨孢Dictyophylliditesharrisii(图3(d))、蚌壳蕨科的联合金毛狗孢Cibotiumsporajuncta(图3(j))、圆形块瘤孢Verrucosisporites(图3(n))、海金沙科的具唇孢Toroisporis(图3(m))、水龙骨科的纤细光面单缝孢Laevigatosporitesgracilis(图3(t))、绕转阿赛勒特孢Asseretosporagyrata(图3(p))均断续或零星分布于地层中。

图2 银探2井取样点与779～1 190 m主要孢粉属种数量图谱Fig.2 Sampling points of well YT2 and quantitative map of main sporopollen genera and species from 779～1 190 m

图3 银探2井不同深度的孢粉化石照片1Fig.3 Photo 1 of sporopollen fossils in well YT2

裸子植物花粉中，松柏类两气囊花粉(包括两气囊分化不完善的原始松柏类)最多，花粉的数量占可识别孢粉数量的20.49～55.07%，平均35.30%，主要有单/双束松粉Abietineaepollenites/Pinuspollenites(图3(k)，图4(l))，云杉粉Piceaepollenites，多凹罗汉松粉Podocarpiditesmulticinus(图4(s))，小型罗汉松粉P.minisculus，矩形四字粉Quadraeculinaanellaeformis(图4(d)、图4(o))，真边四字粉Q.limbata(图3(w))，无囊古松柏粉Paleoconiferusasaccatus，黄色原始松柏粉Protoconiferusflavus(图4(r))，富纳赖原始松柏粉P.funarius，浅黄原始松粉Protopinussubluteus(图4(g))，开放拟云杉粉Piceitesexpositus(图4(f))，多变假云杉粉Pseudopiceavariabiliformis(图4(i))，宏大假云杉粉P.magnifica(图4(e))，圆形假云杉粉P.rotundiformis(图4(h))以及未归类的具两气囊花粉Disacciatrileti等； 杉科其次， 花粉的数量占可识别的孢粉数量的8.50～32.82%，平均20.06%，主要有脆弱同心粉Concentrisporitesfragilis(图3(s))和皱褶周壁粉Perinopolleniteselatoides(图4(j))，卡里尔脑形粉Cerebropollenitescarlylensis(图4(u))，中生脑形粉C.mesozoicus(图4(p))，串珠脑形粉C.papilloporus(图4(v))等连续出现但平均含量不高；单沟/原始沟类花粉的数量占可识别孢粉数量的1.36～17.82%，平均5.72%，主要有尖锐苏铁粉Cycadopitesacerrimus(图4(k))，清洁苏铁粉C.deterius(图3(u))，网纹苏铁粉C.reticulata(图4(q))，卡城苏铁粉C.carpentieri(图4(c))，亚颗粒苏铁粉C.subgranulosus(图4(t))，无盖广口粉Chasmatosporitesapertus(图4(a))，敞开广口粉C.hians(图4(b))，华美广口粉C.elegans(图3(r))等；其余种类均断续或零星出现，包括南洋杉科之敦普冠翼粉Callialasporitesdampieri(图3(v))，南洋杉粉Araucariacites和皱球粉Psophosphaera(图4(m))，掌鳞杉科之环圈克拉梭粉Classopollisannulatus(图3(h))和小克拉梭粉C.minor(图3(o))等。

根据孢粉化石含量特征，将779～1064 m深度段的孢粉化石组合总结为小桫椤孢Cyathiditesminor-格里斯索普新叉瘤孢Neoraistrickiagristhorpensis-脆弱同心粉Concentrisporitesfragilis-具两气囊花粉Disacciatrileti组合(CNCD)。

1 064～1 190m深度段蕨类植物孢子中，光面桫椤科孢子最多，孢子的数量占可识别孢粉数量的54.88～4.19%，平均11.86%，小桫椤孢Cyathiditesminor的孢子数量占可识别孢粉总数的54.88%，三角孢Deltoidospora的孢子数量占可识别孢粉总数的10.23%。紫萁科植物、三角块瘤孢Converrucosisporites、石松科植物和卷柏科植物零星分布，孢子数量分别占可识别孢粉数量的9.77%、3.72%、2.33%和1.88%。圆形块瘤孢Verrucosisporites，圆形锥刺孢Apiculatisporis，水龙骨科的三角粒面孢Granulatisporites，三角锥刺孢Lophotriletes，绕转阿赛勒特孢Asseretosporagyrata，蚌壳蕨科的联合金毛狗孢Cibotiumsporajuncta等零星分布于深度段内。裸子植物中，松柏类花粉最多，花粉数量占可识别孢粉数量的0.2～17.91%，平均2.64%，主要有单/双束松粉Abietineaepollenites/Pinuspollenites、云杉粉Piceaepollenites、小型罗汉松粉P.minisculus、矩形四字粉Quadraeculinaanellaeformis、真边四字粉Q.limbata、无囊古松柏粉Paleoconiferusasaccatus、黄色原始松柏粉Protoconiferusflavus、富纳赖原始松柏粉P.funarius、浅黄原始松粉Protopinussubluteus、宏大假云杉粉P.magnifica以及未归类的具两气囊花粉Disacciatrileti等；杉科其次，花粉数量占可识别孢粉数量的0.79～13.78%，平均3.94%，主要有脆弱同心粉Concentrisporitesfragilis和皱褶周壁粉Perinopolleniteselatoides；单沟/原始沟类花粉数量占可识别孢粉数量的0.2～4.72%，平均0.58%，主要有网纹苏铁粉C.reticulata、亚颗粒苏铁粉C.subgranulosus及华美广口粉C.elegans等；南洋杉科的敦普冠翼粉Callialasporitesdampieri、南洋杉粉Araucariacites和皱球粉Psophosphaera，掌鳞杉科的环圈克拉梭粉Classopollisannulatus和小克拉梭粉C.minor等断续或零星出现。1 064～1 190 m深度段孢粉化石种类特征与779～1 064 m深度段大体相同，孢粉化石组合同样为CNCD。

2.2 银探2井孢粉组合时代讨论

银探2井779～1 190 m井段孢粉化石整体以小桫椤孢Cyathiditesminor-格里斯索普新叉瘤孢Neoraistrickiagristhorpensis-脆弱同心粉Concentrisporitesfragilis-具两气囊花粉Disacciatrileti组合(CNCD)为主，整体呈中侏罗世植物群的面貌。

陕北地区各处延安组的桫椤孢Cyathidites/三角孢Deltoidospora-新叉瘤孢Neoraistrickia-石松孢Lycopodiumsporites-苏铁粉Cycadopites组合与银探2井的CNCD有许多相似处[12]：(1)蕨类植物孢子和裸子植物花粉交替占优势；(2)蕨类植物孢子以桫椤孢Cyathidites和三角孢Deltoidospora为主，新叉瘤孢Neoraistrickia、紫萁孢Osmundacidites、石松孢Lycopodiumsporites等占次要位置，其余属种含量较少；(3)南洋杉科的Callialasporites、掌鳞杉科的克拉梭粉Classopollis多次出现，但含量不高。

其他与本组合大致可比对的还有山西大同的大同组[13]、内蒙古包头的召沟组[14]、甘肃兰州的窑街组[15]、陕西榆林的延安组[16]、塔里木盆地库车凹陷的克孜勒努尔组[17]、新疆玛纳斯河畔红沟剖面的西山窑组[18]等中侏罗世早期的一些孢粉组合。

根据主要分子的分布特征以及组合对比，银探2井779～1 190 m井段层位应为延安组，地质时代为中侏罗世早期，对应国际地层表的阿伦阶(Aalenian)与巴柔阶(Bajocian)。

3 孢粉化石反映的古气候特征

3.1 延安期鄂尔多斯盆地西缘植被类型与气候带特征

植物是反映陆地气候的重要参考[19]。赵秀兰[20]、高瑞祺等[21]将产生孢粉的植物所处的气候带划分为热带、亚热带、温带及热带亚热带、热带温带植物五大类，将产生孢粉的植物所适应的干湿度带划分为旱生、中生、湿生、水生和沼生五大类[11]，其本质均是通过孢子花粉所代表的母体植物的生长习性来推测其生长气候。根据图2整理银探2井孢粉化石与其对应的植被、气候及干湿度结果详见表1。

根据表2的特征，银探2井779～1 190 m井段的孢粉化石组合所反映的植物群面貌是裸子植物多于蕨类植物，与侏罗纪裸子植物逐步占优势的特征相符。裸子植物以松柏目松科、杉科和南洋杉科等植物占优势，指示干旱气候的掌鳞杉科植物很少。现存松科植物广泛分布于北半球温带地区，现存杉科植物喜温暧潮湿的生态环境，生存于亚热带和温带潮湿温暧的气候条件下[22]，现存南洋杉科植物仅分布在南半球的热带和亚热带地区，产生克拉梭粉的掌鳞杉科植物适应亚热带干旱气候[11,23]。大多数中生代蕨类植物喜好阴暗而温暖潮湿的环境，因此，蕨类植物的大量出现被认为是潮湿气候的良好指标[24-25]。银探2井779～1 190 m井段的蕨类植物以桫椤科为主，桫椤科为生长在热带或亚热带潮湿地区的阔叶树，紫萁科为生长于温带亚热带潮湿地区的阔叶树，双扇蕨科为生长于热带或亚热带的湿生灌木，卷柏科和石松科则为生长于热温带半干旱半湿润地区的草本植物，蚌壳蕨科现生种均生活在热带与亚热带温暖潮湿地区[26]。银探2井779～1 190 m井段的蕨类植物反映了温带亚热带湿润的气候。总体来说，孢粉化石所体现的鄂尔多斯西缘早中侏罗世气候类型为温带亚热带湿润气候。

3.2 延安期鄂尔多斯盆地西缘环境与气候特征

综合银探2井孢粉组合分布特征及测井指数，可以发现测井风化指数和地层元素测井所得的Mg/Ca质量分数的比值的变化特征与孢粉组合的分异度、蕨类/松柏类在孢粉组合中的比例的变化特征有较大关联。除此之外，银探2井岩性的变化也与气候变化有关。由于孢粉数据在银探2井并非连续，故只选取960～1 034 m深度段进行讨论(图5)。

针对鄂尔多斯西缘延安期的古环境的相关研究很少，张参[27]认为延安期姬塬环县一带为一大型淡水湖泊，湖盆中心位于延安，银探2井位于该淡水湖泊范围内，发育湖泊沉积。

测井风化指数曲线与w(Mg)/w(Ca)变化趋势相反，根据杜圳等人[28-29]对盆地西缘相邻同气候带地区的分析可以确定，降水量与蒸发量在温度升高时增大，且蒸发量增大程度大于降水量，而在温度降低时相反，这导致银探2井在气温高时w(Mg)/w(Ca)值高，在气温低时w(Mg)/w(Ca)值低，测井风化指数在气温高时指数较低，在气温低时指数较高。蕨类植物通常在湿热气候下更加繁盛，在植物群所占比例增加。但由于蕨类生长在河岸、湖岸和沼泽等靠近水源的地方，易受水位变化影响，水位上涨会导致部分蕨类生长区域被淹没，导致蕨类植物分异度下降，相应的孢子化石分异度也下降。由于松柏类生长在地势较高的山坡上，相应的花粉化石分异度不易受水位变化影响，而松柏类植物喜冷，当温度下降时更加繁茂，分异度增大，花粉化石在孢粉组合中所占比例也相应增加。除此之外，通过对GR测井曲线进行morlet连续小波转换以获取波谱图，再对波谱图进行分析，发现其与孢粉特征所表现的水位变化结果几乎相同(图5)。

根据银探2井中侏罗世早期孢粉组合特征的判断，鄂尔多斯盆地西缘在中侏罗世早期的气候相对潮湿，温度出现明显波动，当温度升高时蒸发量增大(图5(b))，温度降低时蒸发量降低(图5(a))。银探2岩性与气候、水位变化有明显的相关性。绿色泥岩为鄂尔多斯盆地西缘在气候湿冷的背景下的湖相沉积，在此阶段蒸发量较小，湖泊水位上涨(图5(a))；而砂岩为气候湿热的背景下因蒸发量增加导致湖泊水位下降而形成的(图5(b))。银探2井960～1 034 m深度段水位变化反应鄂尔多斯西缘在中侏罗世早期气候摆动。

图5 银探2井气候变化特征和对应的植被群模式Fig.5 Climate change characteristics and corresponding vegetation ideograph of well YT2

3.3 延安期鄂尔多斯盆地西缘气候变化的原因

超级季风自三叠纪时期形成，一直影响联合大陆的气候至白垩纪[30-32]，导致联合大陆出现非纬向性气候带[33-34]。早中侏罗世全球气候带划分如图6所示，鄂尔多斯西缘位于暖温带与热带交汇处[35-36]，邓胜徽等[37]认为鄂尔多斯西缘在中侏罗世位于北方暖温带潮湿气候区南部，紧邻东南热带亚热带半干旱半潮湿气候区与西南热带亚热带干旱气候区的交汇地带。超级季风存在多个旋回与交汇[38](图6)，早中侏罗世， 鄂尔多斯西缘位于超级季风交汇处。早中侏罗世时期，超级季风形成多个热带辐合带，热带辐合带在夏季与冬季存在巨大位置变化[39]，导致季风的地理位置变化，鄂尔多斯西缘附近气候带出现季节性摆动，处于暖温带潮湿气候区与热带干旱气候区交汇处的鄂尔多斯西缘受到影响，出现如图5所示的气候与环境变化。

图6 中侏罗世气候分布与季风运动Fig.6 Climate distribution and monsoon movement in Middle Jurassic

4 结 论

(1)根据孢粉化石特征、孢粉化石组合，银探2井779～1 190 m井段可总结为小桫椤孢Cyathiditesminor-格里斯索普新叉瘤孢Neoraistrickiagristhorpensis-脆弱同心粉Concentrisporitesfragilis-具两气囊花粉Disacciatrileti组合，地层时代为早中侏罗世延安期。

(2)银探2井779～1 190 m的孢粉化石组合整体反映早中侏罗世鄂尔多斯盆地西缘为温带亚热带湿润半干旱气候，环境大体为淡水湖泊。

(3)中侏罗世早期鄂尔多斯西缘的气候存在干冷湿热的交替变化，降水量与蒸发量的共同作用导致研究区湖泊水位发生变化。由于地处暖温带潮湿气候区与热带干旱气候区交汇处，鄂尔多斯西缘在中侏罗世延安期的气候变化与气候带的季节性摆动有关。