2019, Vol. 28
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2. 自然资源部 东北亚古生物演化重点实验室, 辽宁 沈阳 110034;
3. 中国地质调查局 沈阳地质调查中心, 辽宁 沈阳 110034;
4. 辽宁省地质勘查院有限责任公司, 辽宁 大连 116100;
5. 中国科学院 南京地质古生物研究所, 江苏 南京 210008
2. Key Laboratory for Evolution of Past Life in Northeast Asia, Ministry of Natural Resources, Shenyang 110034, China;
3. Shenyang Center of Geological Survey, CGS, Shenyang 110034, China;
4. Liaoning Institute of Geological Exploration Co., Ltd., Dalian 116100, Liaoning Province, China;
5. Nanjing Institute of Geology and Palaeontology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China
中国东北地区中三叠统分布零星，研究薄弱.辽东主要见于本溪林家崴子一带的林家组，辽西主要见于南票砂锅屯-富隆山一带的富隆山组.林家组时代一直有很大的争议.小林贞一于1942年最初记载为上白垩统[1]，王钰等[2]认为林家组平行不整合于下伏的紫红色大峪组之上，而大峪组又发现晚白垩世后出现的槐叶萍属（Salvinia）植物化石，故林家组时代最老也不可能老于晚白垩世，有可能是第三系.由于目前已不再使用第三系这一地层单位，因此王钰所说的第三系应该是指现在所说的古近系.潘广等[3]认为郑家屯附近地区的红色岩层在岩性上与华北石千峰统上部类似，而与大峪组不同，应另立郑家组代表这一地区的岩性地层单位.关于上覆于郑家组之上的林家组，潘广等认为基本上是一套灰绿色沉积，因为所发现的孢粉化石包括原始松柏类型、瘤面三缝孢、粒面三缝孢、园面三缝孢和刺面三缝孢，与库兹涅茨克中上二叠统某些类型可比，可定为上二叠统[3].然而该论文并未附有相应的描述和图版，其鉴定可靠性无法进一步核实.张武等[1]根据地层对比、植物大化石、孢粉化石、鱼类化石、昆虫化石等方面综合研究，提出了林家组属于中三叠统的观点.然而，由于林家组含有许多古生代植物分子，并且缺少可靠的早、中三叠世标准化石肋木属，尤其是缺乏锆石U-Pb年龄，而使林家组的时代是否真正属于中三叠世仍有存疑，乃至该植物群未能收入李星学等1995年主编的《中国地质时代植物群》一书中[4].
近来，在国家自然科学基金（编号31470324）等项目和沈阳师范大学古生物学院院长、自然资源部东北亚古生物演化重点实验室主任孙革支持下，展开了新一轮林家生物群研究，尤其是对该生物群时代论证和标准化石寻找方面进行了较为深入的工作.在标准化石研究方面，2018年在第五届巴黎国际古生物大会公布了少林肋木（Pleuromeia shaolinii）初步研究成果[5].最近又在林家组最底部发现了变质凝灰质粉砂岩，并进行了碎屑锆石U-Pb年龄的测定.锆石U-Pb年龄结合标准化石、地层对比、岩性特征、接触关系，林家组时代问题应当能得到最终解决.
1 区域地质背景辽宁本溪中三叠世林家组位于辽宁本溪太子河北岸林家崴子附近（图 1a~c），本溪中三叠世林家组中上部由黄绿色石英砂岩和页岩夹紫色及黑色页岩组成；下部由灰黄、灰白色长石石英砂岩和砾岩组成（图 1d）.林家组产植物、昆虫和鱼类化石，其沉积环境属河流湖泊相.该组平行不整合于郑家组之上（图 1e）；并未见上覆地层.出露厚度为158.4 m [6].郑家组又称红砬组.最近在位于林家崴子垃圾填埋场附近（125°41′19.27″E，41°16′51.78″N）的林家组底部发现一层不连续的灰白色变质凝灰质粉砂岩，厚度约1 cm（图 1e）.
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图 1 林家组分布区域地质背景 Fig.1 Geological background of Linjia Formation a-本溪地区地理位置图（geographic map of Benxi area）；b-本溪林家崴子位置及交通图（location and traffic map of Linjiawaizi，Benxi）；c-本溪林家崴子地质图（geologic map of Linjiawaizi）；d-本溪林家崴子林家组地层柱状图（stratigraphic column of Linjia fm. in Linjiawaizi）；e-林家组和郑家组之间的平行不整合（parallel unconformity between Linjia fm. and Zhengjia fm.）；1-第四系（Quaternary）；2-林家组（Linjia fm.）；3-郑家组（Zhengjia fm.）；4-二叠系（Permian）；5-石炭系（Carboniferous）；6-奥陶系（Ordovician）；7-寒武系（Cambrian）；8-化石产地（fossil site）；9-断层（fault）；10-剖面（section）；11-细粒长石石英砂岩（fine-grained feldspathic quartz sandstone）；12-粗粒长石石英砂岩（coarse-grained feldspathic quartz sandstone）；13-页岩（shale）；14-粉砂岩（siltstone）；15-细粒石英砂岩（fine-grained quartz sandstone）；16-中粗粒石英砂岩（medium to coarse-grained quartz sandstone）；17-含粒砂岩（pebbly sandstone）；18-砾岩（conglomerate）；19-郑家组顶部的砾石（gravel at the top of Zhengjia fm.）；20-林家组底部的灰白色凝灰质粉砂岩（offwhite tuffaceous sandstone at the bottom of Linjia fm.）；21-平行不整合面（parallel unconformity plane）；22-林家组底部的砾石（gravel at the bottom of Linjia fm.） |
碎屑锆石取自林家崴子垃圾填埋场附近的林家组底部所发现一层灰白色变质凝灰质粉砂岩，编号为：SYNU-LJ-L1-01.岩石具变余粉砂结构，块状构造.主要由绢云母（68%）、粉砂石英（28%）和斜长石（4%）组成；副矿物见不透明金属矿物.另外岩石内残留有几颗原岩凝灰岩的碎粒，凝灰岩部分石英呈他形粒状，粒径0.1~0.05 mm，边部被熔蚀呈次圆状、港湾状.绢云母均为原岩内泥质等组分蚀变而来，呈细鳞片状展布，干涉色鲜艳.粉砂石英呈他形粒状，粒径0.02~0.07 mm，个别发育波状消光.粉砂斜长石呈他形板状，粒径约0.05 mm左右，个别颗粒隐约可见聚片双晶.
2.2 测试和分析方法整个分析工作委托北京中科矿研检测技术有限公司.岩石经过碎样、淘洗、强磁选、电磁选、酒精或重液选后镜下挑出纯锆石.对其中透明度较高、晶形较完好、内部无裂隙有代表性的150颗锆石进行制靶，而后进行透射光和反射光拍摄，再给样品镀金后放入扫描电镜，拍摄阴极发光图片.通过反射光、透射光及阴极发光图像综合分析，选择晶型好、环带清晰的30颗锆石样品（图 2）测年.
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图 2 林家组变质凝灰质粉砂岩（SYNU-LJ-L1-01）碎屑锆石阴极发光图像、年龄及年龄频谱 Fig.2 CL images, ages and frequency spectrum of the detrital zircons in metamorphic tuffaceous siltstone from Linjia Formation 01~30-01~30号碎屑锆石阴极发光图像和年龄（CL images and ages of detrital zircons in Nos. 01-30 samples）；a-01~30号碎屑锆石年龄频谱（frequency spectrum of detrital zircons in Nos. 01-30 samples）；b-最年轻的锆石年龄频谱（frequency spectrum of the newest detrital zircon） |
锆石激光剥蚀采用美国New Wave Research公司生产的激光剥蚀进样系统（UP193ss），激光剥蚀直径为35或50 μm，激光能量密度为13~14 J/cm2，频率为8~10 Hz.采用TEMORA作为外部锆石年龄标准.采用208Pb校正法对普通铅进行校正，利用NIST612玻璃标样作为外标计算锆石样品的Pb、U和Th的含量.同位素数值用美国Thermofisher公司Element Ⅱ型HR-ICP-MS质谱仪来测定.
当前，对于放射成因组分积累较少的年轻锆石一般采用206Pb/238U年龄代表锆石的形成时间；对于放射成因组分积累较多古老的锆石（前寒武纪），则一般采用207Pb/206Pb年龄[7-8]，例如，张海华等[9]在研究突泉盆地林西组碎屑岩过程中对于年龄小于1000 Ma的锆石，采用206Pb/238U年龄；对于大于1000 Ma的锆石采用207Pb/206Pb年龄.数据分析是用中国地质大学刘胜勇研发的ICPMSDataCal软件和Kenneth R. Ludwig开发的Isoplot同位素数据处理软件.
2.3 测试结果样品（SYNU-LJ-L1-01）中所挑选的30颗锆石U-Pb同位素测试结果见表 1.从表 1中可见有4颗锆石的年龄最轻，集中在300 Ma之内（图 2a、b）；有26颗锆石年龄超过1000 Ma，主要集中在2个时间段，分别是在古元古代和古元古代晚期至新太古代早期（图 2a）.
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表 1 林家组变质凝灰质粉砂岩锆石U-Pb年龄 Table 1 Zircon U-Pb ages of the metamorphic tuffaceous siltstones in Linjia Formation |
对于年龄小于1000 Ma的4颗锆石，采用206Pb/238U年龄；对于大于1000 Ma的锆石采用207Pb/206Pb年龄.年龄小于1000 Ma的4颗锆石分别为：SYNU-LJ-L1-01-03，255±4 Ma；SYNU-LJ-L1-01-04，213±4 Ma；SYNU-LJ-L1-01-20，239±5 Ma和SYNU-LJ-L1-01-29，251±4 Ma.其平均年龄为239.5±4.1 Ma.
2.4 讨论尽管所发现的凝灰质粉砂岩是经过变质的，但这种变质主要体现在古元古代晚期至新太古代早期的锆石颗粒中，如锆石颗粒SYNU-LJ-L1-01-25，年龄为2457±28 Ma，该锆石颗粒阴极发光图片（图 2-25）外周有明显的一圈白边.其他近同一时代的锆石，如SYNU-LJ-L1-01-06，07，08，09，10，14及15锆石均有类似现象.而年龄最轻的4颗锆石，总体晶形保存完好，说明未受到明显变质影响[8].在这4颗锆石中以编号为SYNU-LJ-L1-01-20的锆石晶形保存最完好，有清晰的岩浆锆石特征，即扫描电子显微镜下可见晶体表面具直线型生长纹，晶体内部可见自形生长环带，结晶具备自形、晶面简单、晶棱尖锐、细长柱状、平直棱柱面发育习性，因此属于典型的岩浆锆石.这颗锆石的年龄为239±5 Ma，十分接近平均年龄239.5±4.1 Ma.根据2018年国际年代地层表，中三叠世拉丁期在237~242 Ma.因此林家组沉积下限应该在中三叠世.
通过本次变质凝灰质粉砂岩碎屑锆石年代学研究，获取林家组最古老锆石年龄为2679 Ma，反映林家崴子一带存在新太古代变质基底，这与辽东本溪其他地区分布太古宇鞍山群相符合[6].
2.5 测年结论凝灰质粉砂岩是一种含有火山活动痕迹的陆源碎屑岩.尽管所发现的林家组底部凝灰质粉砂岩总体上是经过变质的，但变质的凝灰质粉砂岩锆石颗粒主要集中在古老的年龄段，在新形成的锆石颗粒中并未发现明显变质的痕迹.最年轻的锆石颗粒平均年龄（239.5±4.1 Ma）与晶形最完好的锆石颗粒年龄（239±5 Ma）几乎一致，说明林家组应该形成在早三叠世之后.
3 动植物化石20世纪80年代初正式发表的林家组植物化石有30属，49种[1].在已发表的属种中，尚不包括肋木属植物化石.最近，在林家组分布的林家崴子一带的前甸子发现了少林肋木（Pleuromeia shaolinii），初步研究结果公布在第五届巴黎国际古生物大会上[5].在所发现的植物化石中肋木属是全球早、中三叠世的标准化石，二叠纪和晚三叠世中均没有发现[10]，束脉蕨属（Symopteris）是典型的欧亚区中国北方中晚三叠世代表植物[1, 4]，中国似查米亚属（Sinozamites）是中国北方三叠纪的代表植物[1, 11].史威登堡果属（Swedenborgia）是早三叠世至早白垩世重要的松柏类植物[12-14].林家植物群有不少典型的晚古生代分子，以华夏植物群代表分子之一瓣轮叶属（Lobatannunlaria）[1, 4]最具有代表性.但该属在早二叠世到晚三叠世均有发现[15-17]；而安加拉植物群代表分子之一掌叶属（Psygmophyllum）分布时代也是从二叠纪到晚三叠世[18-19].此外，在林家植物群还找到中国中三叠世到早白垩世均有分布的昆虫索德蠊属（Sogdoblatta）[20].因此从化石证据来看，林家植物群归入中三叠世是合理的.
4 区域地层对比林家组出露于辽东本溪林家崴子一带，位于于华北板块[21].华北板块主要包括陕西、宁夏、山西、山东、河南、河北、辽宁，其次还包括吉林南部、内蒙古阴山以南、甘肃东南部、青海东北部、安徽北部和江苏西北部（图 3a）.
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图 3 本溪在华北板块的位置和华北板块主要地区区域地层对比 Fig.3 Location of Benxi in North China Plate and regional stratigraphic correlation a-本溪在华北板块的位置（location of Benxi）；b-华北板块主要地区区域地层对比（stratigraphic correlation of major areas）；l-肋木属（Pleuromeia） |
林家组下部为黄绿色、灰白色砾岩、砂岩，交错层理发育；上部为黄绿色长石石英砂岩及紫、黑色页岩，与下伏的郑家组平行不整合接触.林家组与陕西铜川漆水河剖面二马营组（纸坊组）可做对比.二马营组底部是一层厚约4 m的细砾岩，与林家组底部砾岩可做对比；二马营组下段为紫灰、黄绿色块状细砂岩夹粉砂质泥岩；上段为暗紫色粉砂质泥岩夹页岩（包括炭质页岩）和细砂岩，总体上与林家组可作对比.漆水河剖面二马营组与下伏和尚沟组整合接触，但在韩城薛峰川剖面两者是平行不整合接触[22-23]，因此两者接触关系总体上视作平行不整合.山西、河南和河北二马营组总体与陕西二马营组相似，但此三省二马营组底部与下伏和尚沟组均为整合接触，仅在河南济源仙口秋树沟剖面二马营组底部为砾岩[24-26].林家组所在的辽宁东部本溪地层系统可与华北地台主要省份陕西、山西、河南和河北的地层系统对比（图 3b），下三叠统均为紫红色岩系.不同的是林家组下部有一个明显的沉积间断.
5 时代分析林家组自小林贞一1942年记载[27]以来，就一直产生争议.争议的关键原因是林家组存在古生代典型华夏植物群分子瓣轮叶属及安加拉植物群分子掌叶属等古生代成分，并缺乏典型的早、中三叠世标准化石肋木属.此外尽管林家组与华北地台中三叠统二马营组地层作对比，但林家组的岩性与上石盒子组颇为相似（图 3b，表 2），且这里构造较为复杂.如果没有绝对年龄佐证，较难最终确定其时代.
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表 2 林家组属于中三叠世的锆石、古生物和地层证据 Table 2 Evidences of zircons, fossils and stratigraphy for Linjia Formation assigned to Middle Triassic |
基于上述原因，近来所发现的变质凝灰质粉砂岩所提供的碎屑锆石U-Pb年龄证实了林家组形成最早不会早于中三叠世（表 2）；而所发现的肋木属植物化石，作为全球早、中三叠世标准化石，证明林家组形成最早不会早于早三叠世、最晚不会晚于中三叠世.此外，整个华北地台并未发现中二叠统与上二叠统红色岩系之间有平行不整合接触关系（图 3b，表 2）.因此如果林家组属中二叠统，郑家组属上二叠统，地层发生倒转后，两者之间不应该存在平行不整合接触关系.但事实上，两者之间存在平行不整合关系.因此在缺乏其他有力证据支持下，不应该将林家组和郑家组归入古生代.而将林家组归入中三叠统，将郑家组归入下三叠统是合理的.此外，还有束脉蕨属、中国似查米亚属、史威登堡果属和索德蠊属均证明林家组是在早三叠世后形成的（图 3b，表 2）.
另一方面尽管以瓣轮叶属为代表的古生代分子的存在，然而东亚多处已发现该属存在上限为晚三叠世.而掌叶属上限也可能达到晚三叠世.因此结合地层对比、岩性特征、平行不整合接触关系、锆石测年及其他动植物化石证据，可以确认林家组确实属于中三叠世（表 2）.
6 结论林家组出露于辽宁东部本溪林家崴子一带.该组以往时代的研究，尽管结合了地层和化石证据，但一直有很大的争议.其原因来自于两方面.一方面由于未能找到凝灰岩或凝灰质碎屑岩，因此无法获得锆石U-Pb年龄佐证；另一方面由于未找到早、中三叠世标准化石肋木属，因此缺乏最有力的化石证据.近来，从所发现的凝灰质粉砂岩中获取的碎屑锆石年龄证明林家组形成最早不会早于中三叠世；而所发现的肋木属植物化石，作为全球早、中三叠世标准化石，证明林家组形成最早不会早于早三叠世、最晚不会晚于中三叠世.因此结合地层对比、岩性特征、平行不整合接触关系及其他动植物化石证据综合判断，林家组确实属于中三叠统.
致谢: 感谢沈阳师范大学古生物学院院长孙革教授，中国地质科学院陈宣华教授，中国地质调查局沈阳地质调查中心张武教授、钟辉教授级高级工程师、赵斌工程师，辽宁省本溪市国土局本溪国家地质公园办公室刘洋主任，北京中科矿研检测技术有限公司刘力先生，北京德严科技有限公司辽宁区域经理齐永强先生对研究工作的大力支持和帮助.
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