（四）晚二叠世上石盒子期晚时的古气候分析

上古生界成因地层格架与沉积特征分析~

1.石炭系梅山群成因地层格架与沉积特征
据李宝芳等（2000）的研究，华北南部地区南缘的石炭系与华北克拉通陆表海的沉积不同，不仅有下石炭统，而且还是典型的深水浊积岩和盆底扇砾岩（图3-2）。
花园墙组（C1h）下部以远端扇细碎屑浊积岩为主，向上扇面河道充填砂岩增厚，再向上为辫状三角洲和退积辫状河道充填沉积。微量元素指示分别为正常海相、过渡相和陆相，属残留海环境的产物。岩相变化表明，早石炭世杜内期经历了相对海平面下降过程。
杨山组（C1h）是一套潮湿气候下的陆相碎屑含煤沉积，下部由进积变为退积的扇上辫状水道充填沉积，向上转为退积冲积扇，上部含有代表晚期盆地水面略有上升的细碎屑沉积，表明早石炭世韦宪期相对海平面较低。沉积速率大于18m/Ma。
道人冲组（C2d）下部为扇三角洲沉积；中部为辫状河流、三角洲沉积，含复成分砾岩的水下陡坡重力流沉积；上部为碳酸盐－碎屑滨岸沉积。表明经历了相对海平面上升、沉积可容空间增大的过程。
胡油坊组（C2h）上、下部全为深水浊积扇远端相，中部由浊积扇中部水道充填相和水道之间的滨外盆地相组成。反映晚石炭世维斯法期相对海平面较高。微量元素和淡水双壳类化石指示属于淡水环境，而碳酸盐岩层中的苔藓虫的碎片指示为淡化海或微咸水环境。
杨小庄组（C2h）下部为滨海潮坪沉积，中、上部为障壁砂坝砂岩和潟湖潮坪细碎屑岩。中部障壁砂坝砂岩的上部见有煤层。表明晚石炭世斯蒂芬期相对海平面迅速降低。
以上岩相变化，可归纳为两个浅水—深水—浅水的沉积旋回。其中，下部旋回未见底，由下而上是深水扇、陡坡扇、冲积扇和扇三角洲、辫状三角洲沉积。根据南华北南缘下、上石炭统整体沉积相分布情况推测，那里的下部沉积旋回底部应属裂陷海槽前期的浅水沉积（早期陆缘海沉积）；向上依次是陡坡浊积扇、滨海潮坪和障壁潟湖沉积，应属海槽裂陷阶段的边缘沉积产物。上部旋回未见顶，之所以如此可能为推覆构造作用所致。根据花园墙组和胡油坊组砂岩大型交错层理前积纹层的产状、水下分流河道砂岩水道轴的延伸方向和浊积岩底部槽模等古流向标志分析，该区石炭系古水流方向总体上是自南向北，碎屑沉积物主要来自南侧的大别山区。

图3-2 大别山北麓石炭系成因地层及层序地层综合柱状图

（据李宝芳等，2000，略有修改）
2.上石炭统本溪组—太原组成因地层格架与沉积特征
（1）上石炭统本溪组沉积发育特征
从晚石炭世初开始，海水从华北地区的NE和SE方向的两个海侵中心——淮北、徐州、临沂一带及本溪、复州湾至唐山一带侵入，形成两个沉积分布区（图3-3）。随后，海域逐步向西扩展，抵达华北南部的郑州—焉陵—三门峡一线，形成统一的华北盆地，沉积了滨浅海海陆交互相煤系。在临沂、徐州一带含灰岩4～5层，累计厚度14～32m，向南、向北地层厚度和灰岩层数迅速减小。

图3-3 华北本溪期早期沉积分布及晚期灰岩分布图

（据陈钟惠等，1988）
1—灰岩0～3m;2—灰岩3～7m;3—灰岩7～12m;4—灰岩大于12m;5—早期沉积分布区；6—晚期沉积边界；7—郯庐断裂
（2）上石炭统太原组沉积特征
在晚石炭世，华北南部地区的南缘东段被剥蚀夷平，接着发生了大范围沉降，海水由东南方向进一步侵入，形成了广阔的陆表海。由于这里的地形十分平坦，海平面的稍微升降便会引起海岸线的大规模进退，造成了太原组垂向剖面上的旋回结构频繁交替。
这时，在研究区北部发育滨海平原相，西部沿岸地带发育潮坪、潮道，而东北部发育鲁西三角洲，陆源碎屑由N、NE和W等3个方向注入海盆（图3-4）。在临汝—禹县—太康—徐州一线以及阜阳—淮南发育狭长障壁岛，在障壁岛后面发育闭塞的潟湖海湾。所沉积的太原组，主要由碳酸盐岩、碎屑岩、煤层交替组成。灰岩层数可达11层，总厚度达60m。其厚度整体东厚西薄，在鲁西—淮北一带厚180m 左右，向西至宜洛一带仅为34～40m。此外，太原组厚度还存在北厚南薄的趋势。在南部，灰岩所占比例较大，且层数多，砂岩夹层少；向北则灰岩层数减少，砂岩夹层增多。这说明当时的陆表海盆地的沉积中心在淮南一带，陆源碎屑主要来自北部。

图3-4 晚石炭世太原组岩相古地理与煤层分布图

（据李宝芳等，1985）
3.早二叠世早期山西组沉积特征

图3-5 早二叠世早期山西组岩相古地理与煤层分布图

（据李宝芳等，1985）
早二叠世早期的山西组沉积环境基本继承了晚石炭世的古地理格局，但海岸线明显向南迁移至宜阳—平顶山—淮阳—永城—宿县一线。豫西、鲁西两大水系向南形成两个相连的河口湾，河口发育三角洲沉积体系，而侧翼发育潮坪沉积（图3-5）。在南华北地区广泛分布的潮坪，有砂坪、泥坪和砂泥混合坪3种。从砂泥含量的变化看，在华北北部以泥坪为主，在豫西地区以砂泥混合坪为主，在南部的平顶山一带以砂坪为主。在东南部的永城、淮南一带潮坪沉积也很发育，以泥坪、混合坪为主。在潮坪上，除了一般的薄层砂泥及其互层沉积外，还普遍发育潮道和潮沟沉积。
4.早二叠世晚期下石盒子组沉积特征
在早二叠世晚期下石盒子组沉积时，洛阳—新郑—夏邑—滕州一线以北为河流冲积平原，向南发育三角洲平原。同早二叠世早期山西组沉积时相比，海岸线进一步向南推进，到达了平顶山—周口—阜阳—淮南—蚌埠一线，在东南部的蒙城—阜阳—淮南—蚌埠地区发育了一个大型三角洲（图3-6）。前三角洲泥很薄，河口坝往往变成前缘席状砂，呈现分流河道下切作用明显的特点。下石盒子组沉积主要形成于海退阶段，沉积环境的变迁迅速而强烈。随蒙城—阜阳—淮南—蚌埠三角洲不断向南前积，南华北地区的海域不断缩小，海水不断变浅、淡化，并最终退出。

图3-6 早二叠世晚期下石盒子组岩相古地理与煤层分布图

（据李宝芳等，1985）
下石盒子组地层等厚线呈SN向展布，受SN向发育的两大水系的影响，在新乡—郑州—平顶山一线和济宁—砀山—宿县一线厚度分别超过350m和300m。
5.晚二叠世早期上石盒子组沉积发育特征
在晚二叠世早期，上石盒子组沉积又经历了一次海侵－海退旋回。在六煤段沉积时尽管处于海侵初期，豫西、太康和皖北三大三角洲仍然继续向南推进，分流间湾萎缩，淮南一带出现大型障壁砂坝。在七煤段沉积时，海侵达到高峰，海岸线向北推进至禹县—太康—永城一线。这时，除了豫西、太康和皖北等3个大型三角洲外，还发育了平顶山－淮阳障壁砂坝、阜阳－淮南障壁砂坝、永城河口湾等沉积体系（图3-7）。在八煤段沉积时，海水再度南退，北部的三角洲平原推进到驻马店—淮阳—阜阳—宿县一带，东南部出现潟湖海湾。由于六、七煤段处于海侵过程中，三角洲属于半深水类型，分流间湾向陆地方向伸入，分流河道延伸较远，砂体横向连通性差。其中，七煤段形成于较大的海侵期，障壁砂坝走向EW，砂体呈席状展布，但厚度不大。
现存的上石盒子组厚度在皖北的宿县—淮南一带超过500m，向豫西、豫东有减薄的趋势，例如在宜洛、新安、朝川等地，上石盒子组不足200m。在曹县—商丘—柘城一线，上石盒子组含砂率变化受豫西、太康、豫东三大三角洲平原分流河道控制，数值超过40%。厚度大于50m的暗色泥岩，分布于三角洲砂体两侧的低含砂率区，例如菏泽－砀山和新乡－郑州－禹县两个SN向的低含砂率条带。本研究区南部的利辛—蚌埠一带，也是暗色泥岩的发育地区。

图3-7 晚二叠世早期上石盒子组岩相古地理与煤层分布图

（据李宝芳等，1985）
尽管上石盒子组各个煤段向西均有厚度变薄的趋势，但在研究区西部并没有明显的边缘相沉积。例如在济源、洛阳一带，上石盒子组的含砂率仅为20%。这些地区在晚二叠世晚期沉积的平顶山砂岩段，直接覆于八煤段底部层位之上。八煤段顶部缺失数十米之厚，反映上石盒子组八煤段沉积之后，经历过短暂的剥蚀。晚二叠世早期结束之后，由于研究区的古构造、古地理和古气候条件发生了巨大变化，转入陆相沉积发育时期。
6.晚二叠世晚期石千峰组沉积特征
至晚二叠世早期，海水完全退出华北南部，陆表（缘）海沉积结束了。华北板块与扬子板块的对接、碰撞的影响，是在登封的箕山东南坡的石千峰组平顶山砂岩与下伏上石盒子组之间留下了角度不整合面，即所谓的箕山运动（刘和甫等，1990）。
进入晚二叠世晚期，随着研究区南侧的俯冲、碰撞加剧，出现了新的隆起区，古沉积斜坡由原来的向南倾斜转变为向北倾斜，水流方向随之变为自南向北。于是，在豫西至淮南一带，出现了向北进积的三角洲沉积体系（李宝芳等，1989）。在周口坳陷的沉积断面图上，从周参13井到南4井，该段依次出现河流冲积平原、洪泛平原及河口坝、远端坝和前三角洲沉积（图3-8）。
作为辫状三角洲沉积体系的代表，平顶山砂岩段是一套板状交错层理十分发育并以粗碎屑长石砂岩和长石石英砂岩为主的地层，以辫状河道与辫状三角洲充填沉积占优势（郑超等，2003）。平顶山砂岩段在豫西平顶山市北面的擂鼓台一带厚度可达120m，向西、向北都明显变薄。向西至新安石寺厚度减为30m，向北至安阳，钻井揭露为65m，而且砂岩粒度变细，泥质、粉砂质成分增加。向东至掩盖区周口、太康一带，据周参8井、周参7井揭露，该段厚度分别为260m和203m，更向东至永城7638井处变薄为118m。从总体上看，是一个中南部厚，向东、西、北三侧变薄的朵状砂体。该砂岩段自平顶山南侧向东经许昌、周口至沈邱、太和一线及其以北地区均有保存，但在平顶山以南则因后期构造隆起和陆内造山作用而被剥蚀殆尽。

图3-8 晚二叠世晚期石千峰组沉积断面图

（据郑超等，2003）

2.4.3.1　古板块位置决定了石炭纪—二叠纪古气候的总变化趋势
在早石炭世，北半球存在劳亚、中朝、西伯利亚、哈萨克斯坦等古陆，在南半球存在冈瓦纳古陆，在大陆中部赤道附近为古特提斯洋。古地磁资料研究表明，华北石炭纪—二叠纪古地理位置位于赤道以北的低纬度地区（杨振宇，马醒华等，1998）以及南北古陆的分布特征所形成的季风条件，使得晚石炭世研究区气候温暖潮湿。
早二叠世，冈瓦纳大陆发生向右旋转，在亚洲范围内，中朝地块之北与西伯利亚、蒙古之间仍有海域相隔，中朝地块与扬子地块进一步接近，到晚二叠世末期，南北大陆基本合并在一起，到三叠纪完全合并在一起，形成南北伸长状的联合大陆（王鸿祯，杨森楠等，1990；尚冠雄，1995）。大陆的聚拢使古地中海逐渐变小，东特提斯洋自东向西的强大暖流受到南北向联合古大陆的阻挡，东西向的季风中所含的湿气也逐渐减少，从而使得气候逐渐变得干旱。因此，研究区石炭纪—二叠纪气候由潮湿向干旱的总的变化趋势可能与当时大陆的合并有关。
2.4.3.2 海水的进退对石炭纪—二叠纪气候波动产生了重大影响
针对北美阿巴拉契亚晚古生代含煤旋回层研究表明，古气候的短周期变动是受周期性海侵的控制（Cecil,1990），而这种短周期的气候波动实际上是受冰川所控制的绝对海平面变化的表现（H eckel,1995），这种海平面变化控制着基准面的变化以及带到相邻陆地湿气量的变化，从而控制古气候变化。海侵能带来充足的水分，使气候变得潮湿，而海退空气中湿气减少，气候将变得较为干旱。华北地台在晚石炭世—早二叠世曾发生多次海平面的进侵（武法东，陈钟惠等，1993；李增学，魏久传，1996；彭格林等，1999；陈世悦，2000；张鹏飞，邵龙义等，2001），研究区在中晚石炭世和早二叠世早期处于海侵影响范围内，由于海水频繁侵入本区，加上当时古地中海潮湿气流的影响，造成了研究区该期总体上较为潮湿的古气候条件，而没有明显的气候波动现象。晚石炭世末期、早二叠世早期海水开始向南部退缩，使得本区气候逐渐向干旱转变，到早二叠世晚期（下石盒子期）和晚二叠世早期（上石盒子期），海侵的范围主要限于南华北地区如河南、淮南一带，只有偶尔的海侵能够到达研究区，加上当时中朝板块和扬子板块逐渐靠近，从而造成研究区以干旱为主的古气候条件。到晚二叠世晚期和三叠纪，由于古地中海的完全关闭，整个华北地区完全气候干旱。因此，海水进退所造成空气湿气量的变化是影响研究区石炭纪—二叠纪古气候波动的重要因素。

华北地区晚二叠世上石盒子期早、中时的地层，南部豫西—淮南可以出露最佳、研究最详细的豫西云盖山组为代表，仍为含煤地层。而中部地区以山西太原的上石盒子组上部（或中上段）为代表，为杂色非含煤地层。两地共同的植物组合可称为多裂掌叶-平安瓣轮叶-细纹楔拜拉组合带（Psygmophyllum multipartitum-Lobatannulariaheinenois-Sphenobaiera temistriataassemblagezone）。本带已知植物化石在南部约有45属近100种；华北中部相应贫乏，约12属30余种。此植物组合带面貌与华南广泛分布的龙潭组（狭义）、翠屏山组、宣威组中所产植物组合非常相似。而前者所产、腕足类、菊石类等化石为晚二叠世上石盒子期晚时的产物，本植物组合带与之相当，为晚二叠世上石盒子期晚。

1.植物类群和生态特征反映的古气候

本时期植物群总体特征为：①大羽羊齿类和辫轮叶达再度繁盛阶段，前者可达3属18种，后者也有6种，但在华北中部迅速贫乏。②新型种子蕨出现以Psygmophyllum为代表的类群，广泛分布于华北中、南部属种多。③中生代型蕨类Cladophlebis、Chiropteris、Neuropteridium；银杏类Sphenobaiera、Rhipidopsis和Pseudorhipidopsis；苏铁类Pterophyllum、Nilssonia、Taeniopteris等中生代面貌的分子在本组合带中相对数量迅速增加。华北中部与南部相比，共有的代表分子相似，反映热带气候。而大羽羊齿类、莲座蕨目等喜湿植物，因不适应有干旱季节变化而贫化。

晚二叠世上石盒子期早、中时，华北地区已显现出的植物气候分带现象，在上石盒子期晚时更明显。一方面，南部在中期仍然是典型的热带雨林环境，大羽羊齿植物除了有钩状物攀援器官外，还出现有叶具长柄，阔卵形至圆形的单叶。各植物类群的叶级仍以大型叶为主，叶缘以全缘浅波缘为主，这些都是热带雨林区藤本植物所特有的生态特征。虽然单叶复叶的比例相近，与现代的热带雨林区单叶复叶比例为3/4相比，似乎相差较多，但考虑到一些植物类群在二叠纪的演化趋向正是逐渐由复叶演变为单叶。

因此，云盖山组中单复叶的比例相近是由于植物界自身演化形成的。到后期，华北南部也逐渐出现有局部干季现象。此外，华北中部晚二叠世上石盒子期晚时的蕨类植物渐趋贫乏，但共有的新兴分子与裸子分子植物使华北中部和南部仍可以对比。

2.煤的分布

大致沿黄河的流向，在韩城、洛阳、郑州至淄博一线以北已无煤层或煤线，为杂色河湖相沉积。而该线以南，则自北而南由含煤线、不可采薄煤到禹州含可采煤层，表明越向南气候越趋温暖潮湿。

3.古地磁测试反映的古气候

晚二叠世古地磁测试，其中心参数点选择太原（1125°E，378°N）地区。据17个地区测试资料平均结果得知，太原地区晚二叠世古磁极方位为316°±62，古纬度为164°±36，古纬度呈NE46°方向伸展。据此可知，华北板块在晚三叠世呈NE35°方向取位，局部处于低纬度热带地区，与植物类群、生态特征分析结果一致。但根据大羽羊齿类和盾籽类属种的多样度以及煤的分布，晚二叠世上石盒子期晚时仍可以分为两个气候地理亚区，华北中部为干湿热带气候区，华北南部为热带雨林气候区。

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