豫西寒武紀(jì)疊層石的地層展布及控制因素分析

常玉光，孫鳳余，王 敏，楊小偉，尚 陽

（河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454003）

豫西寒武紀(jì)疊層石的地層展布及控制因素分析

常玉光，孫鳳余，王 敏，楊小偉，尚 陽

（河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454003）

在河南省西部寒武系的澠池－登封小區(qū)，共出露23層疊層石，主要集中在饅頭組、張夏組和三山子組。筆者在逐層詳細(xì)描述該疊層石外部宏觀形態(tài)和地層展布的基礎(chǔ)上，分析了疊層石上下地層巖相變化，找出寒武紀(jì)疊層石地層展布的規(guī)律及其控制因素，認(rèn)為影響疊層石地層展布的主要因素有沉積環(huán)境、水動力條件和后生動物干擾等，并討論了疊層石生長與核形石、竹葉狀灰?guī)r和后生動物的相互關(guān)系，提出了疊層石與后生動物共生的生態(tài)位觀點。

疊層石；巖相變化；地層展布；控制因素；寒武紀(jì)；豫西

1 引言

在地球早期生命演化過程中，疊層石－微生物席生態(tài)系統(tǒng)主宰地球海洋近30億年，疊層石作為微生物巖的一種，是一種特殊的生物沉積構(gòu)造，其中記錄了大量的微生物、環(huán)境、地球化學(xué)和地球物理等方面的信息[1]。疊層石的發(fā)現(xiàn)距今已有兩百多年的歷史，在這兩百多年中，人們對疊層石的認(rèn)識在不斷的深化和發(fā)展[2，3]。Kalkow sky（1908）首先定義了“疊層石（Stromatolite）”這一術(shù)語，主要用來描述生物成因、成層、鈣質(zhì)的巖石構(gòu)造[4]，現(xiàn)在一般認(rèn)為疊層石是一種成層的生物沉積構(gòu)造，由藍(lán)細(xì)菌、真核藻類和微生物的生命活動引起的周期性礦物沉淀、沉積物捕捉和膠結(jié)作用所形成[5-7]。

目前，我國疊層石的研究相對集中在元古宙、少量新生代和現(xiàn)代，對于古生代等其它時期疊層石研究的報道較少[8-10]。近年來，作者等在河南省西部的登封關(guān)口、三門峽澠池等地發(fā)現(xiàn)大量寒武紀(jì)疊層石，宏觀形態(tài)特征明顯，多為半球狀、大柱狀、細(xì)柱狀、包心菜狀、叢狀和微型柱狀等，常見分叉，共出露23層。

2 地質(zhì)背景

豫西地質(zhì)構(gòu)造區(qū)經(jīng)歷了印支期、燕山期和喜山期等多期構(gòu)造作用的影響，形成了多期構(gòu)造疊加的局部構(gòu)造，構(gòu)造樣式多樣，其類型和展布又具有自身的規(guī)律和特點。豫西地區(qū)地層由老到新依次為震旦系、寒武系、石炭系、二疊系、三疊系及古近系、新近系、第四系。依據(jù)寒武紀(jì)前古地理和古構(gòu)造格局，寒武紀(jì)巖性組合、沉積特征、巖相和沉積環(huán)境、生物群落等進(jìn)行的綜合分析，華北地層區(qū)寒武系劃分為太行山分區(qū)、豫西分區(qū)及豫東平原分區(qū)，其中豫西分區(qū)劃分為澠池－登封小區(qū)、靈寶－魯山小區(qū)、葉縣－確山小區(qū)和盧氏小區(qū)[11]。

本文研究的寒武系疊層石主要分布在澠池－登封小區(qū)（圖1），以登封關(guān)口剖面為主要觀察剖面，輔以澠池任村剖面。上述剖面寒武紀(jì)地層發(fā)育連續(xù)，早寒武世的辛集組為海侵初期的砂礫巖，朱砂洞組為濱－淺海白云巖，早中寒武世饅頭組為潮坪相碎屑巖（主）和碳酸鹽巖（次）沉積，中寒武世張夏組和晚寒武世的三山子組為濱－淺海碳酸鹽巖[12]。地層中微生物碳酸鹽巖豐富、出露良好、露頭新鮮，相關(guān)層位上，疊層石、微生物巖等比較發(fā)育。

3 豫西寒武紀(jì)疊層石的形態(tài)和地層展布

澠池－登封小區(qū)寒武紀(jì)地層出露連續(xù)，經(jīng)逐層實測和詳細(xì)觀察，共觀察到23層疊層石，其中辛集組和三山子組c段未發(fā)現(xiàn)疊層石，具體出露地層及巖相變化見圖2。

圖1 豫西寒武系地質(zhì)分區(qū)及剖面位置圖Fig.1 Map showing the stratigraphic regions and section localities in Cambrian,western Henan Province

3.1 朱砂洞組疊層石的外部形態(tài)與地層展布

澠池－登封小區(qū)關(guān)口剖面朱砂洞組為一套灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，在第二層出露厚250 cm的密集叢狀疊層石，疊層石多為叢狀、指狀，見等寬、微加寬和加寬分叉，側(cè)向連接穹形，具顏色加深的壁，直徑0.5～3 cm不等，垂直剖面間隙為0.5～1 cm的網(wǎng)格狀；平面為次圓、橢圓或不規(guī)則，疊層石間隙為0.3～0.5 cm不等的網(wǎng)格狀；下部多為寬柱狀，上部為密集叢狀，具體相序見圖2。

3.2 饅頭組疊層石的外部形態(tài)與地層展布

澠池－登封小區(qū)關(guān)口剖面的饅頭組以紫紅色頁巖為特征，夾有灰?guī)r、白云巖、泥巖和砂巖，共出露14層疊層石，可分三段。饅頭組一段為褐黃色、紫紅色薄層泥灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、泥晶白云巖夾紫紅色頁巖，含6層疊層石，具體相序見圖2，從下至上疊層石宏觀形態(tài)描述如下：

第一層：疊層石層厚約30 cm，下部為15～20 cm的大柱狀疊層石，被0.3 cm的紅色薄泥層打斷，上部為10 cm的半球狀疊層石，底為3～10 cm的竹葉狀灰?guī)r層，疊層石間夾不規(guī)則土黃色竹葉狀灰?guī)r和疊礫。

第二層：灰白色夾淺紅色緩波狀、半球狀、柱狀疊層石層，厚約60 cm。自下而上可細(xì)分為3層，第一層為15～20 cm不規(guī)則大緩波狀、半球狀疊層石，直徑約10 cm，多為風(fēng)暴沉積產(chǎn)物；第二層為10 cm較規(guī)則緩波狀疊層石，疊層石間和內(nèi)部多紅色泥；第三層以20～30 cm的柱狀為主，半球狀為輔的疊層石，平面多見融合連環(huán)生長現(xiàn)象，似包心菜狀，單個直徑2～10 cm不等，疊間多填充紅色礫屑，紅色泥較下層少，多為近同期填充，底為肉紅色藻紋層，頂為紅色薄層泥，具體特征見圖3。

第三層：淺紅色下緩波狀，上丘狀、大半球狀疊層石，疊間夾礫屑，整體層厚28 cm。

第四層：下緩波狀，上小緩波狀疊層石，疊間夾小礫屑，整體層厚30 cm。

第五層：下部緩波狀，中部平緩波狀，上部為10 cm厚小半球狀疊層石，整體層厚35 cm。

圖2 豫西寒武紀(jì)疊層石相序圖Fig.2 Lithofacies column of the stromatolites in Cambrian,western Henan Province

第六層：下部mm級雜亂微型柱狀疊層石，直徑小于1 cm，高為1～3 cm，中間為夾多層薄泥層的小柱狀疊層石，上部為較清楚柱狀疊層石，直徑為2～4 cm，多見融合生長現(xiàn)象，整體層厚100 cm。

饅頭組二段以暗紫色云母頁巖、粉砂巖為主，夾灰?guī)r和薄層砂巖，在中上部出露5層疊層石，具體相序見圖2，自下而上疊層石宏觀形態(tài)描述如下：

第一層：下部為35 cm厚含泥細(xì)微型小柱狀疊層石，中部為夾泥質(zhì)條帶小柱狀疊層石，直徑約3 mm，上部為20 cm夾泥質(zhì)條帶小緩波狀疊層石，整體層厚75 cm，頂?shù)捉詾樽霞t色泥頁巖。

第二層：典型特征為夾核形石的疊層石層，整體層厚為118 cm。自下而上可細(xì)分為4層，第一層是以竹葉狀灰?guī)r作底的夾竹葉狀灰?guī)r和少量核形石的緩波狀疊層石層，厚為25 cm；第二層是含泥質(zhì)條帶（外來泥）不規(guī)則小柱狀疊層石，直徑為1～2 cm，厚為40 cm；第三層是含少量紅色泥的小柱狀、偶見大柱狀（3株連接生長）疊層石，一般高不超過10 cm，疊間填充亮晶方解石，夾扁平柱狀核形石（核形石為同生）的疊層石層，厚為30 cm；第四層是大半球狀、大柱狀疊層石層，直徑達(dá)10 cm以上，夾大量以圓形為主的核形石，偶見竹葉狀灰?guī)r，核形石直徑1～25 mm不等，核心見生物介殼，疊層石間填充大量生物碎屑，厚為20 cm；頂為不連續(xù)的3 cm生物碎屑層，具體特征見圖3。

第三層：上部高12 cm，直徑1～20 cm不等的緩波狀疊層石，整體透鏡狀，夾大小不等竹葉狀灰?guī)r。

第四層：藻紋層灰?guī)r，夾薄泥層，局部見大緩波狀、大半球狀大疊層石，高不超過20 cm，直徑達(dá)35 cm，上部見大土黃色和淺灰色鮞粒，下部為竹葉狀灰?guī)r和圍繞竹葉狀灰?guī)r生長的疊層石，見多層疊層石間填充方解石，整體厚140 cm。

第五層：夾泥質(zhì)條帶和生物碎屑的不規(guī)則微小型疊層石層，疊層石不明顯，偶見小柱狀、半球狀疊層石，直徑不超過5 mm，整體不規(guī)則，雜亂似藻灰?guī)r。

圖3 豫西寒武紀(jì)含疊層石層巖性柱狀圖及疊層石特征圖Fig.3 Lithologic column and Feature of the stromatolites in Cambrian,western Henan Province

饅頭組三段以灰色鮞?；?guī)r、粉砂巖、砂巖為主，夾灰黃色、黃綠色、紫色頁巖，頂部出露3層小疊層石層。具體相序見圖2，自下而上外部形態(tài)描述如下：

第一層：底部為近水平狀的竹葉狀灰?guī)r層的不規(guī)則小叢狀、柱狀疊層石，向上明顯加粗，局部團(tuán)塊，填充大量生物碎屑（介殼內(nèi)含大量鮞粒），無分選，整體厚度為80 cm，疊頂為傾斜角度較大的竹葉狀灰?guī)r層，其基質(zhì)為土紅色泥。

第二層：此層自下而上可細(xì)分為5層，基底為43 cm厚凸凹不平的近水平竹葉狀灰?guī)r層，基質(zhì)為土黃色泥；第二層為26 cm的似凝塊狀小疊層石；中部第三層為傾斜或直立簇狀的竹葉狀灰?guī)r層，厚30 cm，基質(zhì)為土黃色泥；向上第四層為60 cm的微生物巖；頂部第五層為25 cm的微小型柱狀、錐形疊層石，直徑為2 mm～1 cm，高度小于1 cm，見局部增厚。

第三層：含豐富生物介殼，與竹葉狀灰?guī)r和鮞粒共生的局部透鏡狀無明顯紋層的小疊層石，厚10～60 cm，底為0.3 cm土黃色泥巖，頂為含生物碎屑鮞粒灰?guī)r，上下層界限明顯。

3.3張夏組疊層石的外部形態(tài)與地層展布

澠池－登封小區(qū)關(guān)口剖面的張夏組下部為灰?guī)r和泥質(zhì)條帶灰?guī)r，中部為厚層鮞?；?guī)r和生物擾動灰?guī)r，上部為鮞粒白云巖。底部出露2層疊層石，具體相序見圖2，自下而上疊層石外部形態(tài)描述如下：

第一層：小疊層石層，疊層石呈束狀、小柱狀，指狀，底部相互連通，直徑一般小于1 cm，整體呈透鏡狀，下部10 cm，小柱狀明顯，疊層石較純，疊層石間被鮞?；?guī)r填充，多處見竹葉狀灰?guī)r團(tuán)塊。

第二層：整體為厚470 cm的含泥（疊層石）微生物鮞?；?guī)r，中間零散分布不規(guī)則含土黃色泥的半球狀疊層石，直徑為5～10 cm，多扁平狀，偶見錐狀，還有少量大小不等，形狀不一的鐵質(zhì)結(jié)核，疊層石內(nèi)包含鮞粒、生物介殼、黃泥圈，橫向上表現(xiàn)不明顯。

3.4 三山子組疊層石的外部形態(tài)與地層展布

澠池－登封小區(qū)關(guān)口剖面的三山子組以白云巖為主，夾多層微生物巖，可分為c、g、z三段，共計出露6層柱狀疊層石，其中z段出露5層，g段1層，c段未見疊層石。z段疊層石具體相序見圖2，自下而上外部形態(tài)描述如下：

第一層：白云巖疊層石層，疊層石為細(xì)柱狀，層面為錐形，局部加粗，直徑1～3 cm，見交叉融合生長，頂部平面為月牙形或同心圓狀，整體層厚254 cm。

第二層：白云巖疊層石層，疊層石為小細(xì)柱狀，直徑0.5～1.5 cm，底部不明顯，含較多砂屑。

第三層：白云巖疊層石層，疊層石為柱狀，常見交叉融合生長，加寬后分叉，直徑1～2.5 cm，單株高度較高，頂部平面為月牙形、同心圓或花瓣狀，整體層厚260 cm，具體特征見圖3。

第四層：白云巖疊層石層，疊層石為細(xì)柱狀，常見多株交叉融合生長，加寬后弱分叉，直徑1～2 cm，單株貫穿整層生長。

第五層：白云巖疊層石層，疊層石為高細(xì)柱狀，錐形，見加粗分叉，上部疊層石直徑為0.5～1.5 cm，單株高度達(dá)60 cm以上，中部顏色加深，下部疊層石變粗，單株變短，見分叉融合生長現(xiàn)象，在疊層石和圍巖中分布大量淺灰色的疑似遺跡化石。

g段出露1層疊層石，具體相序見圖2，其外部形態(tài)描述如下：

底為含藻丘的白云巖藻紋層，疊層石層為指狀、大柱狀，寬1.5～4 cm，高約10 cm，頂為近似平面的白云巖疊層石，頂為厚約20 cm的鮞粒粉晶藻紋層白云巖。

4 豫西寒武紀(jì)疊層石的巖相變化規(guī)律

通過對豫西寒武紀(jì)23層疊層石巖相變化的比較、歸納和總結(jié)，其中朱砂洞組和三山子組的7層疊層石已白云巖化，巖相變化較難識別，總體巖相變化呈現(xiàn)如下規(guī)律：

（1）疊層石發(fā)育要有相對堅硬的底質(zhì)。豫西寒武紀(jì)疊層石中以竹葉狀灰?guī)r和小礫屑作為底的占到16層，還有2層以生物碎屑為底，沒見到以泥巖為底的疊層石相序，說明疊層石生長的底質(zhì)一般凸凹不平且硬度較大。

（2）疊層石發(fā)育附近也比較適合藻類生長。通過出露疊層石上下巖相變化來看，疊層石層處在藻紋層的頂?shù)讓诱嫉?3層，尤其是海水中外源沉積物或者內(nèi)源碎屑物的大量出現(xiàn)往往打破了疊層石正常生長的環(huán)境，疊層石無法生長，進(jìn)而出現(xiàn)含礫或含泥藻紋層，在豫西寒武紀(jì)地層中占住7層。

（3）早古生代大量后生動物開始出現(xiàn)，后生動物活動影響疊層石的生長在豫西寒武紀(jì)地層中也有所體現(xiàn)，在疊層石附近出現(xiàn)大量生物碎屑層和生物擾動層的有6層，這也是造成巖相發(fā)生變化的一個重要原因，但是在疊層石層中也出現(xiàn)有生物介殼和疑似生物遺跡化石的痕跡。

5 豫西寒武紀(jì)疊層石展布的控制因素

通過分析豫西寒武紀(jì)疊層石的地層展布規(guī)律和巖相變化可以看出，疊層石的地層展布主要受控于以下因素：

（1）適合藻類生長的外部環(huán)境。疊層石的出現(xiàn)往往伴生著藻紋層，整個環(huán)境應(yīng)該是非常適合藻類等微生物的生長，此時的整個古海洋是微生物的天堂。

（2）水動力條件。從23層疊層石的地層展布來看，以礫屑和生物碎屑為底的占20層，特別是竹葉狀灰?guī)r占11層，說明疊層石多發(fā)育在風(fēng)暴沉積過后水動力條件減弱但還有一定或較強水動力的環(huán)境。

（3）沉積環(huán)境。疊層石層中一般含泥沙量較少，水體相對較干凈，以內(nèi)源沉積為主，大量外源泥沙的沉積會造成疊層石生長的終斷，12層含礫、含泥藻紋層和泥巖的出現(xiàn)可以說明此點。

（4）后生動物的影響。早寒武世，后生動物大爆發(fā)，在豫西出露的寒武紀(jì)地層中，見多層生物擾動層，特別是在疊層石的頂?shù)讓右惨娪?層明顯的生物擾動或生物介殼碎屑，但在疊層石層內(nèi)卻較少，只有三山子組z段出露的一層疊層石層中見疑似遺跡化石，其余均未見到明顯生物擾動痕跡。

6 討論

（1）疊層石的外部形態(tài)是由疊層體內(nèi)部的菌藻種屬類型和外部的水動力條件聯(lián)合決定的。早中寒武世的疊層石以半球狀和矮柱狀為主，一般含疊層石巖層較薄，晚寒武世的疊層石多為細(xì)柱狀，層也較厚，這與早寒武世海平面變化頻繁，水體較動蕩有關(guān)。

（2）由于在疊層石間隙和疊層體中見到后生動物介殼，同時疊層石生長卻受后生動物干擾較少，可見疊層石生長期間可能有一定量的后生動物，但由于不同的生態(tài)位（如營養(yǎng)生態(tài)位、空間生態(tài)位等），后生動物對疊層石生長的干擾較小。

（3）多處見核形石與疊層石共生現(xiàn)象，特別是在饅頭組二段的第一層疊層石層，大量直徑達(dá)2 cm的大核形石填充在半球狀、大緩波狀疊層石之間，說明此時的古海洋環(huán)境非常適合微生物群落的生長，為核形石的微生物成因提供了一定的佐證。

（4）見疊層體圍繞竹葉狀灰?guī)r延伸生長現(xiàn)象，特別是在饅頭組一段第六層疊層石層中疊層體在傾角較大的竹葉狀灰?guī)r上端頂部生長明顯，為微生物參與竹葉狀灰?guī)r形成的解釋提供一定依據(jù)，同時14層竹葉狀灰?guī)r作為疊層石頂?shù)讓右策M(jìn)一步說明了疊層石與竹葉狀灰?guī)r的共生和相互影響。

[1]曹瑞驥，袁訓(xùn)來.疊層石[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2006，1-368.

[2]Kalkow sky E.Oolith and stromatolith in norddeutschen Buntsandstein[J].Z.Deut.Geol.Ges.,1908,60:68-125.

[3]Riding R.Microbial Carbonates:geological record of Calcified bacterial-algal mats and biofilms[J].Sedimentology,47(suppl.1):2000,179-214.

[4]Javaux E J,Knoll A H,Walter M R.Morphological and ecological complexity in early eukaryotic ecosystems[J].Nature,412:66-69.

[5]溫志峰，鐘建華，劉云田，等.柴達(dá)木盆地中新世疊層石沉積特征及其環(huán)境和構(gòu)造意義[J].地質(zhì)科學(xué)，2005，40（4）：547-557.

[6]華 洪，邱樹玉.賀蘭山中元古代三個疊層石組合及其地層意義[J].地層學(xué)雜志，2001，25（4）：307-311.

[7]曹瑞驥，袁訓(xùn)來.中國疊層石研究進(jìn)展[J].古生物學(xué)報，2009，48（3）：314-32.

[8]朱士興等.中國疊層石[M].天津：天津大學(xué)出版社：1993，1-260.

[9]韓喜球.東太平洋多金屬結(jié)核的疊層石包殼及其沉積環(huán)境意義[J].海洋學(xué)報，2009，22（5）:73-81.

[10]曹瑞驥.前寒武紀(jì)疊層石命名和分類的研究歷史及現(xiàn)狀[J].地質(zhì)調(diào)查與研究，2003，26（2）：80-83.

[11]裴 放.河南省華北型寒武紀(jì)－早奧陶世多重地層劃分與對比[J].河南地質(zhì)，1998，16（3）：183-190.

[12]馮增昭，彭勇民，金振奎，等.中國寒武紀(jì)和奧陶紀(jì)巖相古地理[M].北京：石油工業(yè)出版社，2004，1-200.

Analysis of the Stratigraphic Distribution and the Control Factors on the Stromatolites in Cambrian,Western Henan Province

CHANG Yu-guang,SUN Feng-yu,WANG Min,YANG Xiao-wei,SHANG Yang
(Institute of Resources＆Environment,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China)

In Cambrian strata,23 layer stromatolites crop out in Mianchi-Dengfeng region,western Henan Province,mainly concentrated in the Mantou Formation,Zhangxia Formation and Sanshanzi Formation.In this paper,the authors find out the rule of the stratigraphic distribution and the control factors on the stromatolites in Cambrian by analyzing the lithofacies changes of the layers on the stromatolites.On the basis of the detailed description of the external morphology and stratigraphic distribution,the authors suggust that the mainly influence factors of the stratigraphic distribution are the sedimentary environment,hydrodynamic condition and metazoan interference.The relationship between growth of the stromatolites and oncoides,flat-pebble limestones,metazoan is also discussed in this paper.At the same time,the view of symbiotic niche is put forward between stromatolites and metazoan.

stromatolite;lithofacies change;stratigraphic distribution;control factor;Cambrian;western Henan Province

P534.41

A

1672－4135（2012）01－0016-06

2011-11-28

國家自然科學(xué)

豫西寒武紀(jì)沉積底質(zhì)變革與遺跡方式響應(yīng)（41072003）；河南省生物遺跡與成礦過程重點實驗室開放基金項目：豫西寒武紀(jì)疊層石沉積特征研究（OTMP1002）

常玉光（1976-），男，副教授，在讀博士，主要從事沉積學(xué)和遺跡學(xué)等方面的教學(xué)研究工作，

E-mail:changyg@hpu.edu.cn。