古气候与古植物演化及其对油页岩形成的影响

通过分析矿区古植物化石的区系组成及植物群特征、孢粉组合特征及碳同位素特征反映古气候的变化，再进一步研究古气候通过影响层序地层、古生物发育程度、沉积介质条件等因素控制着本区油页岩形成。

(一)植物群特征及其古气候

达连河矿区始新统地层产大量、多种类的植物化石被称为依兰植物群。贺超兴、陶君容(1994、1990)对产于达连河组下煤层上顶板的砂岩及碳质砂页岩中(以下称为A段植物群)及含煤段顶部油页岩段中(以下称为B段植物群)的植物化石，进行了详细研究，为矿区古气候、古环境分析提供了重要依据。

已有研究表明含煤段煤层间A段植物群以分布于亚热带常绿阔叶林的壳斗科Fa-gaceae、樟科Lauraceae以及木兰科Magnoliaceae等科属的植物种类最多，类型也较为丰富。它们均是亚热带常绿阔叶林的重要建群属种，植物群所反映的植被具明显的亚热带性。从植物群各属植物的地理分布来看，大多数是亚热带分布的，其中的多数落叶乔灌木属种也为亚热带分布。少数温带分布的植物如柳属Salix及桦木科Betulaceae的植物叶痕化石较少且保存均不完整，表明它们可能系山区分布或零星分布于林下的植物，随运移而至沉积盆地。植物群的另一个特点是含有较多的喜湿植物，如水杉属Metasequoia、水松属Glyptostrous、Macclintnckia等及水生植物菱属Trapa反映出植物群生存的环境极其湿润，降水充沛。植物组合中发现了松属Pinu化石，表明沉积盆地周围很可能有一定的低山针阔叶林的存在。油页岩段中B段植物群，以中生植物水杉属、水松属及暖温带落叶成分桦木科Betulaceae、栎属Quercus、槐属Sophora、柳属Salix，椴树属Tilia，蔷薇属Rosa等温带乔灌木占优势，大多数属均为暖温带分布，常绿植物科属的植物化石均较少。与A段植物群相比，可以看出常绿属种大为减少，而落叶科属则明显增加。显示出该植物群所反映的古气候也应为降水较多的暖温带气候。植物叶相特征分析，A段植物群全缘叶比例为38%。气候诺模图(图5-9)得出其古气候为年均温13.2℃，年温差20℃;B段植物群全缘叶比例为30%，古气候年均温为11℃，年温差25℃。表明植物区系组成完全不同，显示出气候随时代发生了演变，而使区系逐渐发展到现代的寒温带气候和植被。可以认为在始新世我国东北地区乃至东北亚均发生了气温降低过程，并导致了植物区系的迁移和演替。

以上分析可以看出，依兰植物群具有两个不同时段的植物区系，可以区别的植物组成，A段植物群的植被主要为亚热带常绿阔叶—落叶阔叶混生林，并有湿生沼泽、湖泊及山地针叶阔叶林的存在，当时的古气候为温热多雨，植物繁茂的北亚热带气候;B段植物群所反映的植被系暖温带落叶阔叶林植被，植物群组成以暖温带落叶乔灌木为主，并含有水生植物莲、槐叶萍等以及湿生植物水杉、水松、稍木等，其气候应为温暖湿润，季相分明，降水充足的暖温带气候。A段与B段植物群反映了早始新世至晚始新世气温降低趋势，这一变化趋势与James Zachos2001研究全球气候自65Ma前至现代的变化趋势、旋回及异常资料所得出的温度变化趋势相一致，充分表明始新世的全球气候变冷过程在东北亚地区也发生过。古气候变化影响古生物发育程度，矿区自下而上不同时期古气候变迁导致了本区植物区系的迁移和演替，气候变冷，降低生物繁盛程度，生产力变小，提供的有机质相对较少，生成的油页岩在同等条件下含油率较低。

(二)孢粉组合与古气候分析

依兰煤田达连河组各岩段含有丰富的孢粉化石。本次研究工作在YL04-3孔油页岩段、含煤段中采取了油页岩孢粉样品，并由中国科学院南京地质古生物研究所鉴定，孢粉组合与古气候情况分析如下:

1.含煤段(始新世早期)

达连河组下部含煤段中油页岩孢粉组合反映了以热带—亚热带常绿和阔叶落叶树为主的森林植被。446m处样品(样号043-2-1，)孢粉丰富，但比较单一，主要以热带、亚热带的成分为主，包括有海金沙科的海金沙孢、紫树科的吉林粉、木兰科的木兰粉、杉粉、紫树粉等。温带的成分偏少，包括有柳粉、椴粉、栗粉等。依据孢粉组合及这些孢粉母体植物的现代生态分析可以推测早始新世依兰地区处于亚热带，气候温热而湿润。

图5-9 依兰古近纪植物组合的古气候图( 据贺超兴、陶君容略修改，1994)

2. 油页岩段 ( 始新世中晚期)

达连河组中部的油页岩段孢粉组合，反映了以亚热带常绿和阔叶落叶树为主的森林植被。热带、亚热带的主要成分有海金沙、杉科、山桃核、常绿栎类、枫香、榆 ( 部分) 、紫树等。温带的成分相对较少，包括有柳粉、胡桃粉、桤木粉、桦粉、枥粉、榛粉、苗榆、栗粉、栎粉、榆粉、椴粉以及某些裸子植物的松柏类等。古植被面貌反映盆地可能有所扩展，周围生长着较多的杉科植物和少量桤木、柳等树种，在平原坡地及沟谷中，生长着丰富的铄树及榛、榆等乔木灌木及少量山核桃、枫香、紫树等亚热带乔木，在离湖沼稍远的空旷地散生有稀疏的麻黄小灌丛。在盆地附近丘陵山地，生长着温带的桦、胡桃、栗等落叶阔叶林，还有亚热带罗汉松、雪松等常绿针叶林。

油页岩段沉积时期气候变化情况大体如下:沉积初期，427. 5m 处样品 ( 样号 043-4-1，) 孢粉组合以杉粉、松粉、栗粉、榆粉含量较高，此外样品中含少量旱生植物花粉麻黄粉，推测为温暖略偏干旱气候。401. 6m 处样品 ( 样号 043- 8) 孢粉组合比较单调主要为松科之松粉和冷杉粉，推测气温偏凉。

沉积中期，378. 4m 处样品 ( 样号 043-11) 含少量孢粉，组合中大多为中生或较温暖偏湿的壳斗科、榆科、胡桃科和阿丁枫科植物花粉，裸子植物中指示气候较凉的松科花粉基本未见，主要为亚热带的杉科花粉，因此推测气候为暖湿偏热环境。

沉积中后期，361. 0m、320. 0m 两个样品具相似孢粉组合，组合以裸子植物和被子植物花粉为主，裸子植物中以松科松粉，冷杉、云杉粉及杉科之杉粉为主，被子植物以落叶中生植物为主，指示为暖温带至北亚热带气候，样品中均含少量旱生植物花粉麻黄粉，推测为温暖中生气候略偏干旱。

表 5-2 达连河矿区 YL04-3 井孢粉组合与古气候分析

表5-2可以看出，油页岩段自下而上从沉积开始至结束，气候变化至少经历如下四个阶段:

(1)气候温暖较干旱，接近中南亚热带

(2)气候接近暖温带，气温最低，偏冷

(3)气候次暖，中生偏湿，接近北亚热带—暖温带。

(4)气候再次变暖，中生偏干，接近暖温带

综合上述分析结果，孢粉植物群面貌反映的古气候从含煤段沉积开始至油页岩段结束呈现向气候温和、温度下降的发展趋势，而且油页岩段沉积时期内气候波动性大，曾交替出现炎热与偏冷气候带，影响古生物发育，降低了有机质生产能力，说明古近纪始新世时，我国东北地区古气候受环太平洋气候带的影响比较明显，矿区孢粉组合基本反映了古气候发展演化情况。

(三)碳同位素特征

干酪根碳同位素主要与原始有机质的来源及沉积环境有关，一般腐泥型有机质相对富集轻同位素¹²C，其δ¹³C值低，而腐殖型有机质及煤层则因含较多的木质素而富含¹³C值，δ¹³C值较高。矿区干酪根碳同位素异常与有机质类型、气候相关，干酪根为腐殖腐泥型的4个样品(样号43-11、43-4-1、02、21)δ¹³C值均小于-25.2‰，对应含煤段亚热带气候，油页岩段间歇出现的炎热气候，反映气候偏热，干酪根为腐泥腐殖型的6个样品δ¹³C值均大于-25.2‰，对应气候偏暖、偏凉。值得说明的是，气候的变化、水体的深浅、湖水的补给以及沉积物供给速率的高低等因素都会影响碳同位素δ¹³C值的变化，在温湿气候条件下，大气降水补给充足时，会不断“冲淡”湖盆水体中重同位素的浓度，出现较低的δ¹³C值;而在干热气候条件下，随着水体蒸发会浓缩重同位素的组分，表现为较高的δ¹³C值。

图5-10 达连河矿区YL04-3井油页岩碳同位素、有机质丰度与气候变化关系