根据玛湖凹陷金龙53井鱼化石，探寻地质背景与成因因素

文/微观史纪

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<<·——前言——·>>

鱼类化石是地球沧桑巨变的有力证据，鱼化石的发现对研究古湖泊的水文状况、沉积环境、群落结构、鱼类的生活史、死亡方式和保存特征具有重要意义，已经成为古湖泊研究的重要内容。

国内外学者运用现代鱼类集群等生物死亡分解和埋葬过程观察、室内实验和分析测试等手段，分析鱼类死亡及其化石保存与湖泊物理化学环境的关系，对鱼化石的埋藏和保存过程进行深入分析，研究了鱼化石的地层学和沉积学意义。

鱼类化石

国内学者陈平富对古湖泊学研究中的鱼化石埋藏学方法进行了介绍，陈耿娇等研究认为广西宁明盆地古近纪和新近纪含鱼化石层以淡水湖泊沉积为主，可能夹有部分与海水有关的沉积，徐雅玲借助大量的分析测试结果提出了鱼化石结核形成过程的4个阶段，国外学者ELDER和SMITH对爱达荷州克拉克花盆地鱼化石的埋藏环境作了分析。

认为鱼类化石保存与湖泊水温、水深、食腐动物、含氧量和水流等因素有关，ZANGERL对美国lnois盆地宾夕法尼亚纪炭质页岩中鱼群进行了研究，认为当时潟湖底部浮游植物发育导致鱼类食物短缺死亡，死亡鱼类沉入渴湖底部被似粥状的淤泥快速包裹，阻止了氧化解体形成了精美完整的化石。

总体上看，有关鱼化石埋藏和形成过程的研究较少，尚未发现有关鱼化石与沉积环境关系的详细报道。

金龙53井位于准噶尔盆地西北缘玛湖凹陷的南部(见图1)，其第3回次钻井取心在风城组2段钻遇多层较完整的鱼化石，鱼类化石在湖相地层中发现较少，在钻井岩心中更为少见，玛湖凹陷风城组发育厚层细粒页岩油气储层，已经成为准噶尔盆地油气勘探的重要目标。

图1

以鱼化石埋藏学理论为指导，以金龙53井鱼化石为主要研究对象，分析二叠纪风城组沉积期鱼类死亡埋藏过程和与鱼化石的形成环境，旨在为分析玛湖凹陷二叠纪风城组古湖泊环境提供参考信息，以重建玛湖凹陷二叠纪岩相古地理并指导油气勘探。

<<·——地质背景——·>>

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘，是准噶尔盆地重要的含油气凹陷，凹陷西部以扎伊尔山和哈拉阿拉特山为界，发育乌夏断裂带以及克百断裂带，西南部与中拐凸起相接，东南侧发育达巴松凸起和夏盐凸起，东北侧为石英滩凸起和英西凹陷，面积约为5000km²，金龙53井位于玛湖凹陷西南部，构造位置位于准噶尔盆地西部中拐凸起北斜坡与玛湖叫陷过渡区(见图1)。

该并从井深505.00m开始进行岩屑录井，自上而下所钻地层依次为白垩系吐谷鲁群，侏罗系头屯河组、西山窑组、三工河组、八道湾组，三叠系白碱滩组、克拉玛依组上亚组、克拉玛依组下亚组、百口泉组，二叠系上乌尔禾组、下乌尔禾组、夏子街组、风城组三段、风城组二段、佳木河组(见图2(a))。

风城组岩石类型丰富，发育碎屑岩、火山碎屑岩和火山岩，自下而上分为3段(见图2(b))，风城组一段以灰色砂砾岩和灰色含砾砂岩为主，夹薄层的细砂岩，风城组二段顶部为一套约24m厚的玄武岩。

图2

中下部以细砂岩、粉砂岩为主，夹一层约4m厚的砂砾岩，白云质成分和凝灰质成分较多，风城组三段以粉砂质泥岩和泥质粉砂岩为主，夹一层约4m厚的砂砾岩，鱼化石位于井深5042.03~5042.97m的风城组二段底部。

<<·——鱼化石产状与埋藏环境——·>>

鱼化石产状

金龙53井鱼化石出现在井深5041.80~5042.97m的第3回次岩心中，集中于井深5041.80~5042.50m和5042.50~5042.97m这2段岩心，在井深5041.80~5042.50m地层中发现多层鱼化石其中一处除鱼头部和尾部由于岩心尺寸造成出露不全外，化石整体部位出露完整，鱼鳞清晰，鳞片细密，鳞片大小约4mm，鱼鳍印痕清晰可见，估计此化石长15~20cm(见图3(a))。

图3

根据夏87井发现的同类鱼化石推测为古鳕鱼化石，5041.80~5042.50m岩心段厚约70cm，岩性为粉砂质纹层夹暗色泥质条带互层，无明显层理，单个砂泥纹层厚度变化大，从1~20mm不等，鱼化石多出现在粉砂岩和泥岩的界面上，位于粉砂岩顶面和泥岩底面之间。

根据沉积物总体粒度较细、沉积构造不发育及其薄层粉砂岩和泥岩条带分布特征，推测古沉积环境中流体流动较弱，鱼类在湖泊水动力较弱的泥岩沉积期死亡坠落在半深湖区的湖底被埋藏形成化石。

金龙53井井深5042.50~5042.97m岩心厚47cm，岩性为灰色极细砂质粉砂岩，块状构造，可能有生物扰动，该段砂岩底部发现鱼化石(见图3(b)、(c))，但化石出露不全，完整性较差，出现在5042.97m粉砂岩底面的鱼化石可见清晰的鱼鳞构造，鳞片大小约6mm，但由于岩心尺寸有限，其他结构未能获取，临近纹层发现多层化石碎片和印痕，但出露面积有限。

此处化石产于粉砂岩中，具有轻微的穿越纹层现象，表明最初落入湖底时与湖底沉积物层面不平行，具有流水搬运的特征，该段发育的块状层理也表明沉积物堆积速度快，分选差，水动力较强，死亡的鱼类遗体可能是在这种机制下被搬运到较深水区域埋藏形成化石。

鱼化石围岩特征

鱼化石发育层位的围岩主要为沉凝灰岩、凝灰质粉砂岩和凝灰质细砂岩，根据该段6块样品的薄片观察，所有碎屑岩皆发育凝灰结构，正常沉积物占71%~73%，凝灰质占27%~29%，砂岩中凝灰物质以长石、石英晶屑和安山岩、凝灰岩岩屑为主，正常沉积物主要为石英、长石碎屑及自形晶粒状白云石，白云石局部富集，部分具去云化现象(见图4(a)~(f))。

图4

粉砂岩中凝灰质主要为硅化的火山灰组成，少量晶屑，正常沉积物为水云母化泥质和自形晶粒状白云石(见图4(g)~(j))，火山凝灰的普遍发育表明，火山作用造成的水体缺氧和矿物质浓度升高可能是鱼类中毒死亡的重要原因。

鱼化石的埋藏环境

金龙53井鱼化石发育的第3回次取心为一套细粒沉积岩，主要岩性包括灰色、灰褐色、黑色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩和和细砂岩，夹有大量凝灰岩、凝灰质泥岩和凝灰岩质粉砂岩条带，发育极低角度小型沙纹层理、水平层理、小型沙纹层理、递变层理、软沉积物变形构造和块状层理(见图5)。

图5

在对金龙53井第3回次岩心进行厘米级精细描述基础上，对岩心中发育的岩性和沉积构造特征做了定量的统计，结果显示，该取心段共发育48个岩性段，平均厚度0.17m。

从岩性特征看，仅有一层见有零星的细小砾石外，该取心段粒度最粗的为细砂岩，主体发育粉砂岩和泥岩，在总厚8.08m的岩心中，发育凝灰岩0.15m(1.85%)，泥岩0.08m(0.99%)，泥质粉砂岩1.16m(14.36%)，粉砂岩3.63m(44.93%)，泥质细砂岩0.12m(1.49%)，细砂岩2.56m(31.68%)，含砾细砂岩0.38m(4.70%)，说明该段岩心总体粒度较细。

对岩心中发育的沉积构造类型统计显示，块状层理(1.78m)占岩心厚度22.03%，小型沙纹层理(0.76m)占9.40%，极低角度小型沙纹层理(1m)占12.38%，水平层理(2.28m)占28，22%，变层理(1.88m)占23，27%，交错层理(0.38m)占4，70%，说明沉积水动力条件具有重力流特征但总体水动力较弱。

通过对岩心的岩性、颜色、矿物成分、沉积构造类型、沉积构造序列的综合精细分析，认为该取心段主要发育的异重流以及浅湖到半深湖细粒沉积(见图6)。

图6

这一结论与前人认为风城组早期玛湖凹陷南深北浅的古地理格局相一致，异重流是携带大量泥沙的河流进入湖泊(或海洋)后在河口地区形成的重力流沉积朵叶体，随着水动力向湖泊方向逐渐减弱，异重流沉积物的粒度由河口向湖区不断变细，逐渐融入正常的湖泊沉积之中。异重流沉积朵体近端为水下分流河道和河口坝外前缘，主要发育砂砾质粗粒沉积。

异重流朵体中部以砂质沉积为主，广泛发育交错层理和侵蚀面，局部发育块状层理和递变层理；异重流朵体前端以块状和变形层理为主，交错层理规模减小角度变低，水平纹层明显增加。该取心段的沉积构造组合符合异重流朵体前端的沉积特征，鱼化石埋藏环境推测为半深湖到深湖区。

研究认为，玛湖凹陷二叠系风城组发育碱湖沉积，风二段为强成碱阶段，发育蒸发岩类及大量的碱性矿物，已报道的碱性矿物包括碳钠钙石、硅硼钠石、天然碱、苏打石、氯碳钠镁石、碳钠镁石、偶见石盐、石膏、自生钠长石和方沸石等，碱湖环境微生物和藻类大量生长，导致水体缺氧可能是造成鱼类死亡的重要原因。

另一方面，玛湖凹陷风二段沉积早期，气候半干旱，陆源碎屑物供给较少，火山碎屑岩-沉火山碎屑岩岩相发育，以碱性-亚碱性火山岩为主，远离物源区可见火山灰夹层，这一时期的玛湖的古盐度大于风城组三段和风城组一段。

金龙53井岩心发育多层厚度不等的凝灰质粉砂岩和凝灰岩，水平薄层状凝灰岩可能是火山灰直接沉降的结果，粉砂岩和砂岩中的凝灰质可能是河流通过异重流从陆上搬运到深水区沉积。

火山凝灰为微生物、藻类和挺水植物提供了营养，但对鱼类带来了毒害，干旱的气候导致蒸发作用增强，加剧了湖泊含盐度的升高，造成了鱼类的群体死亡。

火山凝灰

<<·——鱼化石的形成过程——·>>

现代鱼类死亡与埋藏的启示

造成鱼类死亡的原因很多，有些属于个体现象，有些是群体的原因，MCGREW研究认为始新世绿河组Fossil湖鱼类死亡是由于藻类的大量繁殖耗尽水中的CO₂，造成的，鱼类尸体解体程度与其暴露在湖底的时间呈正比，只有在水温较低和一定压力条件下，未经埋葬的鱼尸体才能停留在湖底形成完整化石。

鱼类化石

BUCHHEIM认为始新世绿河组Gosiute湖水碱/盐度突然变化导致鱼类大量死亡，近湖滨和远湖滨水生植物发育使得鱼类尸体保存完好，现代湖滨常见鱼类死亡现象，图7为新疆艾里克湖南岸发现的死鱼个体，死鱼长约50cm，宽约15cm，查阅资料认为其是白鲢(见图7(a))，发现时鱼体平行于岸线，伴随大量芦苇茎秆，有些较早飘浮到岸边的死鱼已经开始腐烂(见图7(b))。

死鱼位于滨湖湖滩，沉积物为含砾砂质沉积和砂质细陈状沉积物，砾石颗粒直径最大达5cm左右，磨圆度高，呈圆到次圆状，砂质沉积物为中到粗砂，分选中等，沿岸发育小型沙(见图7(c))和低角度平湖滩(见图7(d))。此处积环境和沉积物与金龙3井鱼化石相差甚远

图7

水位急剧下降会导致鱼类死亡，图8显示艾里克湖西南部湖汊一些小鱼遗骸沿退水线分布，鱼体长度5~10cm，已经干化但并未腐烂，鱼体保存完好，部分死鱼分布在干裂缝之上，个别跌落在裂缝之中(见图8(a))。

大多数散落在裂缝不发育的砂质滩面上，鱼体长轴平行于退水线呈带状散布(见图8(b)、(c))，死鱼位于艾里克湖的西南端，此处洪水期与广湖相连，枯水期水位下降形成局部注地直至干涸，造成鱼类群体死亡。

图8

死亡后的小鱼被水波推向洼地边缘沿退水线分布，死鱼洼地处于湖泊边缘沼泽地带，生长有芦苇等挺水植物，由于水流循环不畅造成有机质大量堆积，形成黑色软泥(见图8(d))和砂研质层沉积，在泥质较厚的洼地中心区形成干裂(见图8(a)、(d))，此环境虽沉积黑色软泥，但形成的沉积物粒度较粗，分选很差，与金龙53井鱼化石的埋藏环境也不相同。

鱼化石形成过程

根据鱼化石的完整程度、化石的产状特点以及对围岩的沉积相分析，结合前人矿物学和地球化学研究结果，认为鱼类的死亡与火山爆发向湖水输人大量凝灰物质，造成湖水微生物和藻类繁盛，引起湖盆缺氧有关，造成鱼类大量死亡，取心中发育较多的黄铁矿(见图4(k)~(1))，也证明当时的沉积环境为还原环境，因此深湖和半深湖区的还原环境为鱼化石的完整保存提供了条件。

根据对鱼化石的产状及其围岩的沉积环境分析，推测鱼类死亡以后通过2种方式埋藏形成化石，井深5041.80~5042.50m地层的鱼化石保存完好，其围岩为粉砂质纹层夹暗色泥质条带，无明显层理，鱼化石多产于粉砂岩顶面和泥岩底面之间，表明鱼类死亡于粉砂岩沉积之后泥岩沉积之前，这类化石可能是鱼类死亡后其尸体垂直落入半深湖到深湖区，后期逐渐被泥质沉积掩埋形成。

井深5042.50~5042.97m鱼化石层数较多，但化石出露不全，完整性较差，化石有轻微穿越纹层现象，表明被埋藏时鱼类遗骸与湖底沉积物并不平行，可能是被异重流搬运到半深湖或深湖区快速沉积埋藏的。

综合以上分析，认为金龙53井鱼化石的形成经过了以下4个阶段：

1)鱼类生活阶段，在正常的条件下，湖泊水体盐度适中，氧气供给合适，水体微生物种群数量适当，总体水化学条件和营养条件能满足鱼类生活需求，鱼群按照一定的习性在不同深度的水域生活觅食，采食湖泊水体中各种养分 (见图 9 (a) )。

2)死亡垂落阶段，玛湖凹陷二叠纪火山作用频繁，火山喷发将熔岩和火山凝灰直接排放到湖泊中.可能导致湖泊水化学成分骤变，导致鱼类中毒死亡 (见图 9 (b) )，风城组二段沉积时期，气候处于半干旱到干旱时期，湖泊含盐度和嗜盐细菌等微生物增加，造成鱼类中毒死亡，鱼类死亡后被异重流带入深水区，或者垂直落入湖底 (见图 9 (c) )。

图9

图9

3) 埋藏保存阶段，当湖底缺乏沉积物供给时，落入湖底的鱼类遗骸长时间暴露的湖底表面，由于湖泊水体为还原环境条件，抑制了鱼类尸体的腐烂和分解，同时，湖泊异重流有可能将鱼类尸体卷入沉积物中掩埋 (见图 9 (d) )，水质和水动力周期性变化，导致鱼类周期性死亡，造成在多个层位发现鱼化石(见图9 (e) )。

4)石化成岩阶段，鱼类遗骸被埋藏后进入石化成岩阶段，目前对这一过程研究较少，徐雅玲认为鱼体死亡后堆积在缺氧的海底，微细菌迅速在体表面织成一层薄的生物膜，鱼体腐烂产生的 CO₂，气体和海水中的硫酸盐还原形成碳酸钙沉淀，产生的 H₂S 气体与离子结合形成黄铁矿(见图 9(f))，即鱼化石结核。

<<·——结语——·>>

金龙53井风城组二段发现多层鱼化石，根据岩心中发现的鱼化石的完整程度、鱼化石的产状特点，推测鱼化石的埋藏有2种埋藏方式，一种为鱼类尸体是由水流搬运到半深湖或深湖区快速埋藏，另一种为鱼类尸体落入深水区被逐渐埋藏。

通过对岩心的岩性、颜色、矿物成分、沉积构造类型、沉积构造序列进行厘米级精细描述，认为该取心段主要发育异重流以及浅湖到半深湖细粒沉积，鱼化石埋藏区为半深湖到深湖环境。

火山喷发和蒸发作用造成碱湖水化学性质骤变和缺氧可能是鱼类群体死亡的重要原因，金龙53井鱼化石的形成经历了鱼类生活阶段、死亡垂落阶段、埋藏保存阶段和石化成岩阶段等4个阶段，最后形成化石。

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