瑪湖凹陷金龍53井魚化石埋藏環境及成因分析

張昌民，張磊，趙康，安志淵，張祥輝

1.長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100 2. 中國石油新疆油田分公司勘探開發研究院，新疆 克拉瑪依 834000

魚類化石是地球滄桑巨變的有力證據[1]，魚化石的發現對研究古湖泊的水文狀況、沉積環境、群落結構、魚類的生活史、死亡方式和保存特征具有重要意義，已經成為古湖泊研究的重要內容[2]。國內外學者運用現代魚類集群等生物死亡分解和埋葬過程觀察、室內實驗和分析測試等手段，分析魚類死亡及其化石保存與湖泊物理化學環境的關系[3-10]，對魚化石的埋藏和保存過程進行深入分析[11]，研究了魚化石的地層學和沉積學意義[12-14]。國內學者陳平富對古湖泊學研究中的魚化石埋藏學方法進行了介紹[2]；陳耿嬌等研究認為廣西寧明盆地古近紀和新近紀含魚化石層以淡水湖泊沉積為主，可能夾有部分與海水有關的沉積[14]；俆雅玲借助大量的分析測試結果提出了魚化石結核形成過程的4個階段[11]。國外學者ELDER[6]和SMITH[8]對愛達荷州Clarkia盆地魚化石的埋藏環境作了分析，認為魚類化石保存與湖泊水溫、水深、食腐動物、含氧量和水流等因素有關；ZANGERL對美國Illinois盆地賓夕法尼亞紀炭質頁巖中魚群進行了研究，認為當時潟湖底部浮游植物發育導致魚類食物短缺死亡，死亡魚類沉入潟湖底部被似粥狀的淤泥快速包裹，阻止了氧化解體形成了精美完整的化石[9]。總體上看，有關魚化石埋藏和形成過程的研究較少，尚未發現有關魚化石與沉積環境關系的詳細報道。

金龍53井位于準噶爾盆地西北緣瑪湖凹陷的南部(見圖1)，其第3回次鉆井取心在風城組2段鉆遇多層較完整的魚化石。魚類化石在湖相地層中發現較少，在鉆井巖心中更為少見。瑪湖凹陷風城組發育厚層細粒頁巖油氣儲層，已經成為準噶爾盆地油氣勘探的重要目標。筆者以魚化石埋藏學理論為指導，以金龍53井魚化石為主要研究對象，分析二疊紀風城組沉積期魚類死亡埋藏過程和與魚化石的形成環境，旨在為分析瑪湖凹陷二疊紀風城組古湖泊環境提供參考信息，以重建瑪湖凹陷二疊紀巖相古地理并指導油氣勘探。

圖1 準噶爾盆地瑪湖凹陷構造位置與金龍53井井位 Fig.1 Tectonic location of Mahu sag in Junggar basin and well location of Well Jinlong 53

1 地質背景

瑪湖凹陷位于準噶爾盆地西北緣，是準噶爾盆地重要的含油氣凹陷[15-17]，凹陷西部以扎伊爾山和哈拉阿拉特山為界，發育烏夏斷裂帶以及克百斷裂帶，西南部與中拐凸起相接，東南側發育達巴松凸起和夏鹽凸起，東北側為石英灘凸起和英西凹陷[16,17]，面積約為5000km2。金龍53井位于瑪湖凹陷西南部，構造位置位于準噶爾盆地西部中拐凸起北斜坡與瑪湖凹陷過渡區(見圖1)，該井從井深505.00m開始進行巖屑錄井，自上而下所鉆地層依次為白堊系吐谷魯群，侏羅系頭屯河組、西山窯組、三工河組、八道灣組，三疊系白堿灘組、克拉瑪依組上亞組、克拉瑪依組下亞組、百口泉組，二疊系上烏爾禾組、下烏爾禾組、夏子街組、風城組三段、風城組二段、佳木河組(見圖2(a))。

風城組巖石類型豐富，發育碎屑巖、火山碎屑巖和火山巖，自下而上分為3段(見圖2(b))：風城組一段以灰色砂礫巖和灰色含礫砂巖為主，夾薄層的細砂巖；風城組二段頂部為一套約24m厚的玄武巖，中下部以細砂巖、粉砂巖為主，夾一層約4m厚的砂礫巖，白云質成分和凝灰質成分較多；風城組三段以粉砂質泥巖和泥質粉砂巖為主，夾一層約4m厚的砂礫巖。魚化石位于井深5042.03～5042.97m的風城組二段底部。

圖2 金龍53井鉆遇地層以及風城組地層柱狀圖Fig.2 Stratum encountered during drilling of Well Jinlong 53 and stratum histogram of Fengcheng Formation

2 魚化石產狀與埋藏環境

2.1 魚化石產狀

金龍53井魚化石出現在井深5041.80～5042.97m的第3回次巖心中，集中于井深5041.80～5042.50m和5042.50～5042.97m這2段巖心。在井深5041.80～5042.50m地層中發現多層魚化石，其中一處除魚頭部和尾部由于巖心尺寸造成出露不全外，化石整體部位出露完整，魚鱗清晰，鱗片細密，鱗片大小約4mm，魚鰭印痕清晰可見，估計此化石長15～20cm(見圖3(a))，根據夏87井發現的同類魚化石推測為古鱈魚化石[18]。5041.80～5042.50m巖心段厚約70cm，巖性為粉砂質紋層夾暗色泥質條帶互層，無明顯層理。單個砂泥紋層厚度變化大，從1～20mm不等；魚化石多出現在粉砂巖和泥巖的界面上，位于粉砂巖頂面和泥巖底面之間。根據沉積物總體粒度較細、沉積構造不發育及其薄層粉砂巖和泥巖條帶分布特征，推測古沉積環境中流體流動較弱，魚類在湖泊水動力較弱的泥巖沉積期死亡墜落在半深湖區的湖底被埋藏形成化石。

金龍53井井深5042.50～5042.97m巖心厚47cm，巖性為灰色極細砂質粉砂巖，塊狀構造，可能有生物擾動。該段砂巖底部發現魚化石(見圖3(b)、(c))，但化石出露不全，完整性較差。出現在5042.97m粉砂巖底面的魚化石可見清晰的魚鱗構造，鱗片大小約6mm，但由于巖心尺寸有限，其他結構未能獲取。臨近紋層發現多層化石碎片和印痕，但出露面積有限。此處化石產于粉砂巖中，具有輕微的穿越紋層現象，表明最初落入湖底時與湖底沉積物層面不平行，具有流水搬運的特征。該段發育的塊狀層理也表明沉積物堆積速度快，分選差，水動力較強，死亡的魚類遺體可能是在這種機制下被搬運到較深水區域埋藏形成化石。

注：(a)第15塊巖心的頂面，5042.27m；(b)第17塊巖心的底面，巖心截面全景圖，5042.97m；(c)第17塊巖心的底面，巖心截面局部放大圖，5042.97m。圖3 金龍53井第3回次取心第14塊到第17塊巖心中發現多處魚化石Fig.3 The found of many fish fossils in the cores of blocks 14 to 17 in the third coring of Well Jinlong 53

2.2 魚化石圍巖特征

魚化石發育層位的圍巖主要為沉凝灰巖、凝灰質粉砂巖和凝灰質細砂巖。根據該段6塊樣品的薄片觀察，所有碎屑巖皆發育凝灰結構，正常沉積物占71%～73%，凝灰質占27%～29%。砂巖中凝灰物質以長石、石英晶屑和安山巖、凝灰巖巖屑為主。正常沉積物主要為石英、長石碎屑及自形晶粒狀白云石，白云石局部富集，部分具去云化現象(見圖4(a)～(f))。粉砂巖中凝灰質主要為硅化的火山灰組成，少量晶屑。正常沉積物為水云母化泥質和自形晶粒狀白云石(見圖4(g)～(j))。火山凝灰的普遍發育表明，火山作用造成的水體缺氧和礦物質濃度升高可能是魚類中毒死亡的重要原因。

注：(a)凝灰質細砂巖，5039.85m，單偏光；(b)凝灰質細砂巖，5040.48m，單偏光；(c)凝灰質細砂巖，5041.02m，單偏光；(d)凝灰質細砂巖，5041.02m，正交偏光；(e)凝灰質粉砂巖，5044.18m，單偏光；(f)凝灰質粉砂巖，5044.18m，正交光；(g)凝灰巖，不均勻發光，5044.18m，熒光；(h)凝灰巖，5047.18m，單偏光；(i)凝灰巖，5047.18m，正交偏光；(j)凝灰巖，局部微弱發光，5047.18m，熒光；(k)粒間孔中球粒狀黃鐵礦集合體，5042.18m，掃描電鏡；(l)粒間孔中粒狀黃鐵礦，5043.22m，掃描電鏡。圖4 金龍53井第3回次取心典型微觀特征Fig.4 Typical microscopic characteristics of the third coring in Well Jinlong 53

2.3 魚化石的埋藏環境

金龍53井魚化石發育的第3回次取心為一套細粒沉積巖，主要巖性包括灰色、灰褐色、黑色粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖和和細砂巖，夾有大量凝灰巖、凝灰質泥巖和凝灰巖質粉砂巖條帶。發育極低角度小型沙紋層理、水平層理、小型沙紋層理、遞變層理、軟沉積物變形構造和塊狀層理(見圖5)。

注：(a)深灰色凝灰質粉砂巖夾凝灰巖條帶，極低角度交錯層理，5046.48～5046.58m；(b)灰黑色粉砂質泥巖夾凝灰巖條帶，水平層理，4889.00～4889.11m；(c)深灰色凝灰質粉砂巖，小型沙紋層理，5046.86～5046.94m；(d)異重流沉積向上變細層序，下部顯示侵蝕面，發育多個向上變細旋回，頂部變為灰黑色粉砂質泥巖， 5040.53～5040.75m；(e)細砂巖遞變為凝灰質粉砂巖和粉砂質凝灰巖，遞變層理，巖心上顯示2個正遞變旋回，4885.56～4885.67m；(f)細砂巖夾凝灰質粉砂巖條帶，顯示軟沉積物變細構造，5041.08～5041.16m；(g)含凝灰極細砂，塊狀層理，5043.64～5043.75m。圖5 金龍53井第3回次取心典型沉積現象Fig.5 Typical sedimentary phenomena of the third coring in Well Jinlong 53

在對金龍53井第3回次巖心進行厘米級精細描述基礎上，對巖心中發育的巖性和沉積構造特征做了定量的統計，結果顯示，該取心段共發育48個巖性段，平均厚度0.17m。

從巖性特征看，僅有一層見有零星的細小礫石外，該取心段粒度最粗的為細砂巖，主體發育粉砂巖和泥巖。在總厚8.08m的巖心中，發育凝灰巖0.15m(1.85%)，泥巖0.08m(0.99%)，泥質粉砂巖1.16m(14.36%)，粉砂巖3.63m(44.93%)，泥質細砂巖0.12m(1.49%)，細砂巖2.56m(31.68%)，含礫細砂巖0.38m(4.70%)，說明該段巖心總體粒度較細。

對巖心中發育的沉積構造類型統計顯示，塊狀層理(1.78m)占巖心厚度22.03%，小型沙紋層理(0.76m)占9.40%，極低角度小型沙紋層理(1m)占12.38%，水平層理(2.28m)占28.22%，遞變層理(1.88m)占23.27%，交錯層理(0.38m)占4.70%，說明沉積水動力條件具有重力流特征，但總體水動力較弱。

通過對巖心的巖性、顏色、礦物成分、沉積構造類型、沉積構造序列的綜合精細分析，認為該取心段主要發育的異重流以及淺湖到半深湖細粒沉積(見圖6)，這一結論與前人認為風城組早期瑪湖凹陷南深北淺的古地理格局相一致[16, 19，20]。異重流是攜帶大量泥沙的河流進入湖泊(或海洋)后在河口地區形成的重力流沉積朵葉體，隨著水動力向湖泊方向逐漸減弱，異重流沉積物的粒度由河口向湖區不斷變細，逐漸融入正常的湖泊沉積之中。異重流沉積朵體近端為水下分流河道和河口壩外前緣，主要發育砂礫質粗粒沉積；異重流朵體中部以砂質沉積為主，廣泛發育交錯層理和侵蝕面，局部發育塊狀層理和遞變層理；異重流朵體前端以塊狀和變形層理為主，交錯層理規模減小角度變低，水平紋層明顯增加。該取心段的沉積構造組合符合異重流朵體前端的沉積特征，魚化石埋藏環境推測為半深湖到深湖區。

圖6 金龍53井第3回次取心巖心沉積相柱狀圖Fig.6 Sedimentary facies histogram of the third coring core in Well Jinlong 53

研究認為，瑪湖凹陷二疊系風城組發育堿湖沉積，風二段為強成堿階段，發育蒸發巖類及大量的堿性礦物，已報道的堿性礦物包括碳鈉鈣石、硅硼鈉石、天然堿、蘇打石、氯碳鈉鎂石、碳鈉鎂石、偶見石鹽、石膏、自生鈉長石和方沸石等[21-23]。堿湖環境微生物和藻類大量生長，導致水體缺氧可能是造成魚類死亡的重要原因。另一方面，瑪湖凹陷風二段沉積早期，氣候半干旱，陸源碎屑物供給較少，火山碎屑巖-沉火山碎屑巖巖相發育，以堿性-亞堿性火山巖為主，遠離物源區可見火山灰夾層，這一時期的瑪湖的古鹽度大于風城組三段和風城組一段[16, 24]。金龍53井巖心發育多層厚度不等的凝灰質粉砂巖和凝灰巖，水平薄層狀凝灰巖可能是火山灰直接沉降的結果，粉砂巖和砂巖中的凝灰質可能是河流通過異重流從陸上搬運到深水區沉積。火山凝灰為微生物、藻類和挺水植物提供了營養，但對魚類帶來了毒害，干旱的氣候導致蒸發作用增強，加劇了湖泊含鹽度的升高，造成了魚類的群體死亡。

3 魚化石的形成過程

3.1 現代魚類死亡與埋藏的啟示

造成魚類死亡的原因很多，有些屬于個體現象，有些是群體的原因。MCGREW研究認為始新世綠河組Fossil湖魚類死亡是由于藻類的大量繁殖耗盡水中的CO2造成的，魚類尸體解體程度與其暴露在湖底的時間呈正比，只有在水溫較低和一定壓力條件下，未經埋葬的魚尸體才能停留在湖底形成完整化石[5]。BUCHHEIM認為始新世綠河組Gosiute湖水堿/鹽度突然變化導致魚類大量死亡，近湖濱和遠湖濱水生植物發育使得魚類尸體保存完好[3]。

現代湖濱常見魚類死亡現象。圖7為新疆艾里克湖南岸發現的死魚個體，死魚長約50cm,寬約15cm，查閱資料認為其是白鰱(見圖7(a))，發現時魚體平行于岸線，伴隨大量蘆葦莖稈，有些較早飄浮到岸邊的死魚已經開始腐爛(見圖7(b))。死魚位于濱湖湖灘，沉積物為含礫砂質沉積和砂質細礫狀沉積物，礫石顆粒直徑最大達5cm左右，磨圓度高，呈圓到次圓狀，砂質沉積物為中到粗砂，分選中等，沿岸發育小型沙壟(見圖7(c))和低角度平坦湖灘(見圖7(d))。此處沉積環境和沉積物與金龍3井魚化石相差甚遠。

注：(a)平行湖岸線死亡的白鰱；(b) 正在解體的死魚，伴隨大量蘆葦莖稈平行于岸線分布；(c) 湖灘地帶發育的小型浪成沙壟；(d)低角度平坦湖灘。圖7 艾里克湖南岸死魚形態及其沉積環境Fig.7 Morphology and sedimentary environment of dead fish on the South Bank of Alice Lake

水位急劇下降會導致魚類死亡。圖8顯示艾里克湖西南部湖汊一些小魚遺骸沿退水線分布, 魚體長度5～10cm，已經干化但并未腐爛，魚體保存完好。部分死魚分布在干裂縫之上，個別跌落在裂縫之中(見圖8(a))，大多數散落在裂縫不發育的砂質灘面上，魚體長軸平行于退水線呈帶狀散布(見圖8(b)、(c))。死魚位于艾里克湖的西南端，此處洪水期與廣湖相連，枯水期水位下降形成局部洼地直至干涸，造成魚類群體死亡，死亡后的小魚被水波推向洼地邊緣沿退水線分布。死魚洼地處于湖泊邊緣沼澤地帶，生長有蘆葦等挺水植物，由于水流循環不暢造成有機質大量堆積，形成黑色軟泥(見圖8(d))和砂礫質互層沉積，在泥質較厚的洼地中心區形成干裂(見圖8(a)、(d))。此環境雖沉積黑色軟泥，但形成的沉積物粒度較粗，分選很差，與金龍53井魚化石的埋藏環境也不相同。

注:(a)死魚分布在干裂縫之上，個別跌落在裂縫之中；(b)死亡的魚體長軸平行于退水線呈帶狀散布；(c)死亡的魚體散落在裂縫不發育的砂質灘面上；(d)黑色泥質沉積物。圖8 艾里克湖干湖汊中的死魚沿著退水線呈帶狀分布Fig.8 Stripe distribution of the dead fish in the dry branch of Alice Lake along the recession line

3.2 魚化石形成過程

根據魚化石的完整程度、化石的產狀特點以及對圍巖的沉積相分析，結合前人礦物學和地球化學研究結果，認為魚類的死亡與火山爆發向湖水輸入大量凝灰物質，造成湖水微生物和藻類繁盛，引起湖盆缺氧有關，造成魚類大量死亡。取心中發育較多的黃鐵礦(見圖4(k)～(l))，也證明當時的沉積環境為還原環境，因此深湖和半深湖區的還原環境為魚化石的完整保存提供了條件。

根據對魚化石的產狀及其圍巖的沉積環境分析，推測魚類死亡以后通過2種方式埋藏形成化石。井深5041.80～5042.50m地層的魚化石保存完好，其圍巖為粉砂質紋層夾暗色泥質條帶，無明顯層理，魚化石多產于粉砂巖頂面和泥巖底面之間，表明魚類死亡于粉砂巖沉積之后泥巖沉積之前，這類化石可能是魚類死亡后其尸體垂直落入半深湖到深湖區，后期逐漸被泥質沉積掩埋形成。井深5042.50～5042.97m魚化石層數較多，但化石出露不全，完整性較差，化石有輕微穿越紋層現象，表明被埋藏時魚類遺骸與湖底沉積物并不平行，可能是被異重流搬運到半深湖或深湖區快速沉積埋藏的。

綜合以上分析，認為金龍53井魚化石的形成經過了以下4個階段：

1)魚類生活階段。在正常的條件下，湖泊水體鹽度適中，氧氣供給合適，水體微生物種群數量適當，總體水化學條件和營養條件能滿足魚類生活需求，魚群按照一定的習性在不同深度的水域生活覓食，采食湖泊水體中各中養分(見圖9(a))。

注：(a)氣候濕潤，植被發育，水體鹽度適中，魚類在不同深度水域生活；(b)氣候半干旱-干旱，火山作用強烈，只發育小型植被，沉積物中含有大量的火山灰，湖泊水體局部增溫或湖泊水體缺氧，導致魚類死亡，垂直落入湖底；(c)氣候干旱，只發育小型植被，湖泊含鹽度高，造成魚類死亡，垂直落入湖底；(d)湖底為還原環境，魚類尸體一定程度保存完好，被細粒沉積物掩埋；(e)陣發性的濁流將魚類尸體埋藏；(f)氣候濕潤，植被發育，水體鹽度適中，魚類在不同深度水域生活。圖9 瑪湖凹陷金龍53井魚化石的形成過程Fig.9 Formation process of fish fossils from Well Jinlong 53 in Mahu Depression

2)死亡垂落階段。瑪湖凹陷二疊紀火山作用頻繁，火山噴發將熔巖和火山凝灰直接排放到湖泊中，可能導致湖泊水化學成分驟變，導致魚類中毒死亡(見圖9(b))，風城組二段沉積時期，氣候處于半干旱到干旱時期，湖泊含鹽度和嗜鹽細菌等微生物增加，造成魚類中毒死亡。魚類死亡后被異重流帶入深水區，或者垂直落入湖底(見圖9(c))。

3)埋藏保存階段。當湖底缺乏沉積物供給時，落入湖底的魚類遺骸長時間暴露的湖底表面，由于湖泊水體為還原環境條件，抑制了魚類尸體的腐爛和分解。同時，湖泊異重流有可能將魚類尸體卷入沉積物中掩埋(見圖9(d))。水質和水動力周期性變化，導致魚類周期性死亡，造成在多個層位發現魚化石(見圖9(e))。

4)石化成巖階段。魚類遺骸被埋藏后進入石化成巖階段，目前對這一過程研究較少，俆雅玲認為魚體死亡后堆積在缺氧的海底，微細菌迅速在體表面織成一層薄的生物膜，魚體腐爛產生的CO2氣體和海水中的硫酸鹽還原形成碳酸鈣沉淀，產生的H2S氣體與離子結合形成黃鐵礦(見圖9(f))，即魚化石結核[11]。

4 結論

1)金龍53井風城組二段發現多層魚化石。根據巖心中發現的魚化石的完整程度、魚化石的產狀特點，推測魚化石的埋藏有2種埋藏方式:一種為魚類尸體是由水流搬運到半深湖或深湖區快速埋藏，另一種為魚類尸體落入深水區被逐漸埋藏。

2)通過對巖心的巖性、顏色、礦物成分、沉積構造類型、沉積構造序列進行厘米級精細描述，認為該取心段主要發育異重流以及淺湖到半深湖細粒沉積，魚化石埋藏區為半深湖到深湖環境。

3)火山噴發和蒸發作用造成堿湖水化學性質驟變和缺氧可能是魚類群體死亡的重要原因。金龍53井魚化石的形成經歷了魚類生活階段、死亡垂落階段、埋藏保存階段和石化成巖階段等4個階段，最后形成化石。