石炭系是准噶尔盆地周缘出露最广的古生代地层。乌鲁木齐市东南约20 km处的石人子沟和祁家沟地区（图1）是准噶尔盆地南缘石炭系发育最为典型的地区。该区缺失下石炭统，上石炭统主要出露柳树沟组（C₂l）、祁家沟组（C₂q）和奥尔吐组（C₂ae）（新疆维吾尔自治区地质矿产局，1999）。祁家沟组和奥尔吐组富含海相化石，其中四射珊瑚最为常见。

图  1  研究区交通及剖面位置图

①.祁家沟剖面；②.石人子沟剖面

Figure  1.  Location of the study area and the sections

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柳树沟组为一套浅海相喷出岩，火山岩中有少量砂岩、粉砂岩和灰岩透镜体，含海相化石，与上覆祁家沟组为整合或不整合接触，未见下伏地层。祁家沟组为一套浅海相陆源碎屑岩和碳酸盐岩，夹少量的安山玢岩、凝灰质砂岩–粉砂岩，含大量珊瑚、腕足和䗴类化石，与上覆奥尔吐组整合接触。奥尔吐组为一套浅海相外陆架陆源细碎屑岩，夹少量薄层砂质灰岩、透镜状灰岩，含丰富的珊瑚、菊石及腕足类化石，与上覆石人沟组整合接触（新疆维吾尔自治区地质矿产局，1999）。

1.   祁家沟组四射珊瑚的主要类别

研究区柳树沟组为一套火山碎屑岩沉积，化石稀少。晚石炭世四射珊瑚主要集中在祁家沟组和奥尔吐组。其中祁家沟组四射珊瑚最为丰富。王增吉（1989）对乌鲁木齐祁家沟剖面的四射珊瑚做过详细研究，描述四射珊瑚12属，24种和亚种。其中，祁家沟组9属，16种和亚种，分别是Amplexus qijiagouensis，A. xinjiangensis，A. qijaigouensis convexotabulatus，Rotipyllum monophylloides trangulatum，Metriophyllum qijiagouense，M. minor，Bradyphyllum xinjiangense，Zaphrentites urumqiensis，Lophophyllidium pendulum qijiagouense，L. irregulare，L. urumuqiense，Caninophyllum urumuqiense，C. domheri，C. tamugangense，Bothrophyllum ellipticum，Cystilophophyllum minor。曾彩林等（1983）描述祁家沟地区四射珊瑚5属，4种和1相似种。其中祁家沟组3属，2种和1相似种。分别是Cyathocarinia tuberculata，Lophocarinophyllum major和Sochkineophyllum cf. artiense。

笔者依托中国地质调查局西安地质调查中心“北方石炭纪—二叠纪关键地质问题专题调查”工作项目下设专题“天山–兴蒙构造带石炭纪—二叠纪地层对比研究”，于2018年对乌鲁木齐祁家沟和石人子沟地区祁家沟组和奥尔吐组珊瑚化石进行系统采集，鉴定四射珊瑚12属11种、1亚种。其中祁家沟组11属10种1亚种，分别为Cyathocarinia tuberculata Soshkina，Rotiphyllum cuneatum Wu，Metriophyllum minor Wang，Zaphrentites urumqiensis Wang，Lophophyllidium pendulum qijiagouense Wang，Fomichevella hoeli (Holtedahl)，Arctophyllum intermedium Toula，Caninia cornucopiae Michelin in Gervais，Gshelia minor Zeng，Caninella magma Zeng和Pseudozaphrentoides mapingensis (Lee et Yü)。

2.   古气候意义

祁家沟组四射珊瑚按照形态可以分为3类。小型单体无鳞板珊瑚9属15种（包括亚种和相似种）：Amplexus qijiagouensis，A. xinjiangensis，A. qijaigouensis convexotabulatus，Rotiphyllum cuneatum，R. monophylloides trangulatum，Metriophyllum qijiagouense，M. minor，Bradyphyllum xinjiangense，Zaphrentites urumqiensis，Lophophyllidium pendulum qijiagouense，L. irregulare，L. urumuqiense，Lophocarinophyllum major，Cyathocarinia tuberculata， Sochkineophyllum cf. artiense。发育鳞板的单体珊瑚8属10种和亚种，分别是Caninophyllum urumuqiense，C. domheri，C. tamugangense，Bothrophyllum ellipticum，Cystilophophyllum minor， Arctophyllum intermedium，Caninia cornucopiae，Gshelia minor，Caninella magma， Pseudozaphrentoides mapingensis 。丛状复体珊瑚1属1种Fomichevella hoeli。在已知的18个四射珊瑚属中，小型单体无鳞板珊瑚9属，占50%；单体有鳞板珊瑚8属，约占44%；丛状复体珊瑚仅1属，约占6%。在已知的26个种中，小型单体无鳞板珊瑚15种，约占58%；单体有鳞板珊瑚10种，约占38%；丛状复体珊瑚约占5%。从属和种两级分类单元来看，小型单体无鳞板珊瑚都是祁家沟组四射珊瑚动物群的主体，显示较凉水体珊瑚组合特征。这可能与研究区晚石炭世所处的中、高纬度古地理位置有关。研究区晚石炭世位于安加拉植物群的分布范围，植物区系特征显示中纬度温带气候区。研究区祁家沟组（特别是下部）四射珊瑚个体极为丰富，常密集成层保存，数量以发育鳞板的单体珊瑚为主，表明这个珊瑚群生活在适于其生长的正常浅海环境中。这个珊瑚群中几乎不含复体四射珊瑚，可疑的丛状复体珊瑚仅1属1种Fomichevella hoeli，表明其生活在不适宜于复体珊瑚繁盛的环境中。另外，这个珊瑚群分异度低，几乎不含土著分子。丰富而分异度低且缺乏地方性分子是温带生物群的主要特征（殷鸿福，1989）。因此推断祁家沟组四射珊瑚群生活于温带气候条件下。

3.   生活环境

Hill（1938～1941）最早对各类型珊瑚的古生态特征进行了研究，划分出了3个主要的生态群类型：①Cyathoxonia动物群，主要包含一些小型单体无鳞板珊瑚，结构简单，分异度较低。②Caniniid–Clisiophyllid动物群，主要包含大型双带型或三带型鳞板珊瑚，分异度相对较高，结构也更为复杂。③复体造礁类珊瑚，主要包含块状复体类型，能容忍较高水动能环境。这3种类群代表的水动能由低到高。Sando（1980）在美国西部落基山脉和大盆地地区密西西比纪（早石炭世）地层中划分出8种岩相带类型，从深水盆地到河流入海口岩相带依次为A～H；除A和G外，珊瑚可在其他的6个相带中产出，其中B、D、E 等3个岩相带中珊瑚丰度最高；小型单体无鳞板珊瑚多出现在较深水的B相带，而D和E相带则更多产出大型单体或复体类珊瑚。Somerville 等（2007）根据爱尔兰、大不列颠及西班牙西南部早石炭世维宪晚期珊瑚群的组成、保存状况和保存方向、沉积之上相、沉积微相、薄片下的组分及含量等特征综合研究提出了四射珊瑚组合的概念，即RCA（rugose coral associations），并识别出8个四射珊瑚组合（RCA1～RCA8）。其中RCA2位于正常浪基面之上的浅水陆架区，属中–高能的动荡环境，其中发育颗粒灰岩，珊瑚主要是中等丰度和分异度的单体珊瑚及不占优的丛状复体，与Hill（1938～1941）的Caniniid–Clisiophyllid动物群大致相当，珊瑚破损较严重，单体珊瑚鳞板带保存较差。RCA4位于正常浪基面上下的中等水动能浅水陆架区，水体偶尔变浅遭受暴露侵蚀，发育古喀斯特面，富含原地丛状和块状复体珊瑚以及具有较宽鳞板带的大型单体，丰度和分异度非常高，与Hill（1938～1941）的复体造礁珊瑚群（coral–reef）相当，其中复体珊瑚保存相对较好，而单体珊瑚存在磨损现象。RCA8位于正常浪基面下的低能中深斜坡环境，发育泥晶灰岩，光照弱，水体浑浊，珊瑚主要是一些小型单体无鳞板类型，分异度低，偶尔也可见一些具鳞板个体，相当于Hill（1938～1941）的Cyathoxonia动物群。Somerville等（2007）认为RCA8是典型的深水斜坡–盆地分子，但也可以生活在鳞板珊瑚难以生存的水流不畅的浅水浑浊环境中。

在祁家沟组可以识别出2种生态类型的四射珊瑚动物群，一种是Cyathoxonia动物群，以小型单体无鳞板类型为主，几乎不含或者很少含发育鳞板的珊瑚；另一种是Caniniid–Clisiophyllid动物群，以发育鳞板类型为主，偶含丛状复体珊瑚和小型单体无鳞板珊瑚。

Cyathoxonia动物群产于祁家沟剖面祁家沟组中上部，以D18003观察点为代表，四射珊瑚全为单体无鳞板类型，包括Metriophyllum，Lophophyllidium 和Cyathocarinia等，还有Multithecopora和Syingopora 等少量横板珊瑚。Hill（1938～1941）认为Cyathoxonia动物群代表了深水、多泥、浑浊、安静的环境。Sando（1980）认为小型单体无鳞板珊瑚多出现在水深超过100 m的深水盆地。Somerville 等（2007）认为小型单体无鳞板类型珊瑚是典型的深水斜坡–盆地分子，但也可以生活在有鳞板珊瑚难以生存的水流不畅的浑浊浅水环境中。小型单体无鳞板四射珊瑚为主的群落总体上来说生活在不利于四射珊瑚生存的环境中，既可以是深水环境，也可以是浅水环境。王训练等（1996）认为古生代小型单体无鳞板四射珊瑚为主的群落至少可以出现在下列5种不同的环境中：①正常温暖无障壁海岸的大陆斜坡下部深水环境。②大陆边缘断陷盆地中的深水环境。③浅海冷水环境。④有大量碎屑沉积物涌入的温暖正常浅海环境。⑤生物危机阶段的正常浅海环境。

祁家沟剖面祁家沟组中上部（D18003观察点）Cyathoxonia动物群中四射珊瑚保存完整（图2a～图2f），表明这些珊瑚生活在低能环境中。产出四射珊瑚的围岩为生物碎屑泥晶灰岩（图2a、图2b、图2g～图2j）。颗粒都为生物碎屑，含量约30%，主要是海百合碎屑（图2g～图2j），其次还有少量腕足壳体和介形虫。颗粒主要呈条状，次棱角状居多，少量次圆状，部分出现微弱重结晶，大小100 μm到2 mm不等，分选较差。基质主要是灰泥，含量70%左右。这种岩性特征相当于威尔逊（1981）碳酸盐岩标准微相类型中的SMF9，主要发育在正常浪基面之下的深水陆棚（FZ2）或外缓坡环境（Flügel，2006）。笔者认为，这种微相类型代表一种低能环境，不仅可以出现在正常浪基面或其下的深水陆棚（FZ2）或外缓坡环境，还可以出现在局限环境下的低能浅水环境中。祁家沟组与这个小型单体无鳞板珊瑚共生的还有横板珊瑚Syringopora和Multithecopora 。这2个属通常仅出现在极浅海水环境中。因此认为该组合生活在不利于四射珊瑚生存的障壁海低能浅水环境中。

图  2  祁家沟剖面祁家沟组 D18003观察点珊瑚化石与岩性特征图

a. 产小型单体无鳞板四射珊瑚的生物碎屑泥晶灰岩；b. 产丛状复体横版珊瑚（Syringopora sp.）的生物碎屑泥晶灰岩；c～f. 保存完好的小型单体无鳞板四射珊瑚（c～d. Metriophyllum sp.；e.Cyathocarinia tuberculata .；f. Lophophyllidium sp.）；g～j. 生物碎屑泥晶灰岩

Figure  2.  The coral fossils and lithologic characteristics of the observation site D18003 of the Qijiagou Formation in the Qijiagou section

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Caniniid–Clisiophyllid动物群主要产于祁家沟组近底部，在祁家沟剖面和石人子沟剖面上均有产出。在祁家沟剖面上以D18002观察点为代表。四射珊瑚均为单体珊瑚，除3个小型单体无鳞板个体Metriophyllum minor，Zaphrentites urumqiensis和Rotiphyllum cuneatum 的少量个体外，其余均为具鳞板类珊瑚， 以Gshelia和Caninia为代表，均属于Cyathopsidae和Bothrophyllidae两科（图3）。已知的珊瑚属种分异度比较低，仅5属5种，但丰度很大，以发育鳞板带的中大型单体为主，单体珊瑚直径多在20～25 mm，鳞板带都比较窄，轴部构造不发育，缺少复体类型，特别是缺少造礁的块状复体珊瑚。表明这个珊瑚群生活在正常浪基面之上适于珊瑚生存的中–高能正常浅海环境中。

图  3  祁家沟剖面祁家沟组D18002观察点珊瑚化石与岩性特征图

a.含单体四射珊瑚的砂屑灰岩； b.磨损严重的Gshelia sp.；c.外壁轻微磨损的Caninia cornucopiae；d.外壁轻微磨损的Caninia？；e.外部鳞板带已完全磨损的Gshelia sp.；f、g.泥晶生物碎屑灰岩

Figure  3.  The coral fossils and lithologic characteristics of the observation site D18002 of the Qijiagou Formation in the Qijiagou section

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Caniniid–Clisiophyllid动物群在石人子沟剖面以D18030观察点为代表。珊瑚以大型具鳞板类为主，分异度较低，仅计5属5种，包括Caninia cornucopiae， Arctophyllum intermedium，Pseudozaphrentoides mapingensis和 Caninella magma ，含丛状复体珊瑚1属1种Fomichevella hoeli，均属于Cyathopsidae和Bothrophyllidae两科，未见小型无鳞板单体珊瑚。珊瑚外壁相对较薄，隔壁未加厚或加厚不明显，或仅在主部有较明显加厚，均无轴部构造。石人子沟剖面祁家沟组近底部四射珊瑚群面貌与祁家沟剖面总体上相同。它们均生活在正常浪基面之上适于珊瑚生存但不适合造礁的正常浅海环境中。石人子沟剖面祁家沟组近底部四射珊瑚群全由发育鳞板的类型组成，包括1属1种丛状复体珊瑚，四射珊瑚的个体稍大，鳞板带相对较宽，鳞板也更大。这些特征表明石人子沟剖面祁家沟组底部珊瑚群当时生活在海水更加动荡的正常浅海环境中。

综上所述，研究区祁家沟组四射珊瑚组合均生活于正常浪基面之上的浅水环境中。其中祁家沟组中上部Cyathoxonia动物群生活在不利于四射珊瑚生存的较局限的低能浅水环境中，祁家沟组近底部Caniniid-Clisiophyllid动物群生活在正常浪基面之上适于珊瑚繁盛的中–高能正常浅海环境中。

4.   埋藏环境

祁家沟组2个生态类型的四射珊瑚组合埋藏环境完全不同。如前所述，祁家沟组上部Cyathoxonia动物群生活在障壁后的浅水低能环境中。除个别小型单体无鳞板珊瑚个体破损外，大部分珊瑚个体无明显磨损，保存完整（图2）。其他生物碎屑如海百合茎、腕足类和介形虫主要呈条状和次棱角状，分选和磨圆都比较差。这些特征都显示出这个组合为原地埋藏。

与此相反，祁家沟组近底部Caniniid–Clisiophyllid动物群中化石磨损和破损都十分明显（图4、图5），丛状复体珊瑚Fomichevella呈片断保存。一些层位化石分布十分密集，成层保存（图4、图6）。大部分珊瑚外壁几乎完全磨损，鳞板带被不同程度地损坏，一些个体整个鳞板带几乎完全被破坏，仅有加厚的隔壁内端的横板带被保存下来，绝大部分个体已经无法鉴定。鳞板的方向表明珊瑚个体保存方向杂乱无章，有些个体保存方向甚至完全相反，与四射珊瑚的原始生活状态完全不同。说明这些珊瑚化石经过一定距离的搬运，而且在搬运过程中发生过颗粒之间的碰撞和相互摩擦。

图  4  石人子沟剖面祁家沟组下部四射珊瑚保存状态图

a. 标本SRZG-18030-1-20；b. 标本SRZG-18030-1-08；c. 标本SRZG-18030-1-21

Figure  4.  The preservation status of rugose corals in the lower part of the Qijiagou Formation in the Shirenzigou section

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图  5  祁家沟组下部四射珊瑚保存状态及其围岩特征图

a. 标本QJG-18002-1-33；b. 标本QJG-18002-1-34-2；c. 标本QJG-18002-1-32；d. 标本QJG-18002-1-34-1；e. 标本SRZG-18030-1-19-1；f. 标本SRZG-18030-1-19-2

Figure  5.  The preservation status and surrounding rock characteristics of rugose corals in the lower part of the Qijiagou Formation

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图  6  石人子沟剖面祁家沟组下部（D18030观察点）生物碎屑灰岩和砾屑灰岩图

Figure  6.  The bioclastic limestones and calcirudytes of the observation site D18030 in the lower part of the Qijiagou Formation in the Shirenzigou section

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图5显示的祁家沟剖面和石人子沟剖面祁家沟组下部含Caniniid–Clisiophyllid动物群的（含）生物碎屑砂（粉）屑灰岩中没有被完全磨碎的珊瑚化石残骸，清楚表明在四射珊瑚化石搬运过程中大部分化石被完全粉碎，仅极少数珊瑚的横板带由于隔壁加厚而得以保存。粉屑灰岩应为正常浪基面以下的静水低能环境沉积，与珊瑚群的生存环境截然不同。

图4展示的是石人子沟剖面祁家沟组下部富含四射珊瑚化石的生物颗粒灰岩。生物颗粒主要为发育鳞板带的四射珊瑚。珊瑚破损严重，大小不等，形态不规则，无磨圆。鳞板带显示珊瑚排列方向杂乱无章，显示出快速堆积的特征。基质一般都很细，灰泥质，含量少。各种大小的沉积颗粒沉积于同一环境中，显示出快速沉积、分选差的重力流沉积的特征（图6）。这个珊瑚化石群的保存状态和岩相特征表明其形成于静水环境中。其中的珊瑚和其它粗颗粒在经过短距离搬运后便迅速沉积。推测产出这个珊瑚群埋藏的层位岩性为重力流沉积，形成环境为正常浪基面甚至风暴浪基面之下的静水低能环境。

祁家沟剖面祁家沟组 Caniniid–Clisiophyllid动物群（D18002观察点）的围岩主要为颗粒灰岩（图3a），包括砾屑灰岩和砂屑灰岩等，镜下可见泥晶生物碎屑灰岩。泥晶生物碎屑灰岩（图3f、图3g）中生物碎屑杂乱分布，含粗枝藻类、管孔藻类、棘皮类及苔藓虫类，破碎严重，分选磨圆差。个别棘皮类出现泥晶包边现象，颗粒含量占40%～60%，颗粒围绕珊瑚呈现出明显的定向排列特征。此微相相当于威尔逊（1981）标准微相中的SMF5，形成于台缘斜坡下部的低能静水环境。珊瑚的埋藏环境与生活环境差别明显，说明珊瑚是经过搬运后埋藏在台缘斜坡下部的低能静水环境。

祁家沟剖面祁家沟组Caniniid–Clisiophyllid动物群（D18030观察点）保存于海百合碎屑密集分布的泥晶生物碎屑灰岩（图7）中，碎屑普遍较大，最大可达3 mm，散乱排布，无分选，磨圆较差，主要呈棱角状–次棱角状。另外还可见少量藻类碎片，颗粒含量可达80%以上，海百合碎屑占比40%～80%，基质为灰泥，含量较少。相当于威尔逊标准微相中的SMF12–CRIN。此标准微相中海百合碎屑的聚集存在2种形式。一种是原地形成的，出现在开阔陆棚海（FZ2）、前陡坡（FZ4）和丘（FZ5）；另一种是异地形成的，出现在深水陆棚边缘（FZ3）和前陡坡（FZ4）。异地聚集常为碎屑流和浊流作用所致。这与珊瑚埋藏特征反映出来的情况一致。因此，推测该点珊瑚经短距离搬运埋藏在台缘斜坡下的低能静水环境。

图  7  石人子沟剖面祁家沟组下部（D18030观察点）富含海百合碎屑的泥晶生物碎屑灰岩图

Figure  7.  The micritic bioclastic limestones with abundant crinoids fragments of the observation site D18030 in the lower part of the Qijiagou Formation in the Shirenzigou section

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综上所述，祁家沟剖面祁家沟组下部Caniniid–Clisiophyllid动物群可能生活在温带气候条件下的与深水盆地相邻的碳酸盐台地边缘的高能浅水环境中，死后经过短距离搬运，迅速沉积在大陆斜坡中部的静水环境中。

翟晓先（1987）、李育慈等（1993）和曹小兵等（2010）曾报道祁家沟剖面祁家沟组广泛发育近源风暴岩，认为祁家沟组一些层段形成于正常浪击面之下、风暴浪基面之上的环境中。这个部位既可沉积风暴流产生的高能沉积，也可以在风暴间歇期形成近乎静水的低能沉积。

5.   形成过程

准噶尔地区在晚石炭世早期火山活动频繁，包括准噶尔盆地东北部的巴塔玛依内山组和准噶尔南缘柳树沟组发育火山沉积。祁家沟组下部也发育凝灰质砂岩、粉砂岩，说明在祁家沟组沉积早期，该区还伴随有微弱的火山作用。浅海火山喷发在研究区形成了上石炭统柳树沟组，并形成了一系列火山口，构成了环礁的火山岩基座（图8）。随着祁家沟组沉积开始，原来的火山口被海水几乎完全淹没。火山（口）岛周围适合珊瑚生长，于是大批珊瑚附着并迅速生长，逐渐发展成环礁。环礁外围面对海洋，海水能量较高，水体交换活跃，养料丰富，珊瑚生长速度快，珊瑚生长状况明显优于珊瑚礁内侧，形成了以发育具有鳞板带的单体珊瑚或者复体珊瑚为主的Caniniid–Clisiophyllid动物群，以祁家沟组近底部的珊瑚群为代表。环礁中间的洼地由于周围环礁的保护，受到海洋的作用不明显，海水能量较低，形成半封闭的礁湖（如果全封闭则形成潟湖）。礁湖内发育Cyathoxonia动物群，以祁家沟组近中上部的珊瑚群为代表。与祁家沟组中上部Cyathoxonia动物群共生的还有其他海相生物，说明这个环礁的潟湖没有完全封闭，是一个与外海保持比较充分沟通的低能浅水礁湖。这个Cyathoxonia动物群原地保存于礁湖沉积中（图8）。

图  8  环礁与祁家沟组四射珊瑚生态分异示意图

Figure  8.  The diagram of an atoll and the ecological differentiation of rugose corals in the Qijiagou Formation

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环礁礁坪上的Caniniid–Clisiophyllid动物群位于较陡的礁前斜坡边缘，受到海浪冲击破坏而破碎垮塌。在海浪和重力共同作用下，破碎的珊瑚沿着礁前斜坡以重力流方式下滑。在下滑过程中珊瑚个体之间及珊瑚个体与其他碎屑之间发生碰撞摩擦，使珊瑚骨骼进一步遭受破坏，外壁几乎被全部破坏，鳞板带被不同程度地破坏或者全部破坏。以重力流方式下滑的珊瑚个体在礁前斜坡角以重力流方式沉积下来，个体破碎严重，大小混杂，排列方向杂乱无章。一些被严重磨蚀的个体保存在深水沉积的灰泥中。