魯西寒武系第三統(tǒng)張夏組凝塊石特征及其形成環(huán)境研究

陳金勇 韓作振 范洪海 遲乃杰

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 北京 100029;2.山東科技大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院 山東青島 266510;3.山東省地質(zhì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究院 濟(jì)南 250013)

微生物巖是生物沉積巖，即由底棲微生物群落(Benthic Microbial Communities)的生長(zhǎng)和生理活動(dòng)引起黏結(jié)和捕獲碎屑沉積物、表面礦物沉淀及生物礦化作用而產(chǎn)生的生物沉積巖［1］。自前寒武紀(jì)以來，大量微生物碳酸鹽巖發(fā)育于中新元古代和早古生代［2］，其中有疊層石、凝塊石、樹形石和均一石等［3］。隨著研究的深入，梅冥相［4，5］又將其重新分為 6大類:疊層石、凝塊石、核形石、樹形石、紋理石和均一石?？梢?，凝塊石都被歸結(jié)為微生物碳酸鹽巖的重要類型之一。

凝塊石是以加拿大南部落基山寒武—奧陶紀(jì)巖石為依據(jù)命名的［6］。最早是由Aitken(1967)提出“thrombolite”(凝塊石)這個(gè)詞語(yǔ)，并將其定義為“與疊層石相關(guān)的隱藻構(gòu)造，但缺乏紋層而以大型凝塊狀結(jié)構(gòu)為特征”。隨后，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)凝塊石特殊的凝塊狀非紋層組構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，曾將其解釋為“受到生物擾動(dòng)作用和次生成巖作用破壞、改造的疊層石”［7］，但是隨著前寒武紀(jì)等古老的地層中凝塊石的發(fā)現(xiàn)［8］，這一解釋似乎與事實(shí)不相符。更重要的是，Aitken對(duì)凝塊石的定義也存在著兩個(gè)缺陷:①在定義中，他將凝塊石中的“中凝塊”組構(gòu)(mesostructural clots)和大型的凝塊狀結(jié)構(gòu)(macrostructural“clots”)混淆了;②這個(gè)定義具有時(shí)代局限性，其中“隱藻結(jié)構(gòu)”的隱藻(cryptalgal)不全面性。因?yàn)樾纬晌⑸飵r除了藻類生物以外還包括許多細(xì)菌，多年來所稱的“藍(lán)綠藻”也歸為細(xì)菌并稱為“藍(lán)細(xì)菌”［9］。

自Aitken(1967)定義了凝塊石之后，許多學(xué)者對(duì)凝塊石進(jìn)行深入研究，不僅增加了凝塊石的野外描述，而且有些學(xué)者也提出了有關(guān)其成因的假說［1，7，10，11］，以及凝塊石在生物地層學(xué)上的應(yīng)用［8，12］和沉積古環(huán)境的研究［13～15］。但是，統(tǒng)觀這些文獻(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)，由于凝塊石的系統(tǒng)描述缺乏條理清晰的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，而使他們的研究受到了一定的限制，甚至誤用了類似的專業(yè)術(shù)語(yǔ)來描述凝塊石的某些特殊性質(zhì)，使得對(duì)凝塊石產(chǎn)生誤解。因此，對(duì)凝塊石的研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。本文對(duì)魯西寒武系第三統(tǒng)張夏組的凝塊石進(jìn)行了大比例尺野外測(cè)量及巖石薄片顯微鏡鑒定，詳盡描述了凝塊石宏觀和微觀特征，并對(duì)凝塊石形成環(huán)境進(jìn)行探討，為凝塊石的深入研究提供理論基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

魯西地區(qū)位于郯廬斷裂帶以西，是華北板塊東南部的一個(gè)地質(zhì)分區(qū)，主要是山東省濰坊—臨沂一線以西的地區(qū)。西北側(cè)以聊考斷裂、齊廣斷裂為界，東南側(cè)以安丘—莒縣斷裂為界(圖1)。該地區(qū)寒武系從早古生代早中期開始接受沉積，主要為頁(yè)巖、泥巖、粉砂巖、砂巖等碎屑巖與微生物灰?guī)r、鮞?；?guī)r、竹葉狀灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽巖的混合相的淺海沉積。與下伏前寒武紀(jì)花崗巖不整合接觸，上覆地層為奧陶紀(jì)三山子組白云巖。主要地層自下而上包括:李官組、朱砂洞組、饅頭組、張夏組、崮山組、炒米店組。

圖1 魯西寒武系露頭分布及實(shí)測(cè)剖面位置Fig.1 Outcrop distribution and measured sections of the Cambrian in West Shandong province

魯西寒武系第三統(tǒng)張夏組巖相區(qū)域性變化較大，厚約150～180 m，主要包括鮞?；?guī)r、泥晶灰?guī)r、頁(yè)巖、生屑灰?guī)r及多種微生物巖，微生物巖約占30%，主要包括凝塊石、樹形石、核形石、疊層石和附枝菌格架微生物巖，且又以凝塊石為主。其發(fā)育廣泛、出露連續(xù)，研究較多的露頭剖面包括濟(jì)南彩石剖面、萊蕪九龍山剖面(圖2)和沂水馬站剖面等。

2 凝塊石特征

魯西寒武紀(jì)地層發(fā)育大量微生物灰?guī)r，其中，凝塊石主要發(fā)育于寒武系第三統(tǒng)張夏組。比如在萊蕪九龍山剖面，張夏組共出露11層凝塊石，其單層厚度一般為0.25～2.0 m，甚至較厚者可達(dá)2.5 m。

2.1 宏觀特征

圖2 萊蕪九龍山張夏組剖面柱狀圖Fig.2 Columnar section of the Zhangxia Formation in the Jiulong，Laiwu

張夏組地層可以分為上灰?guī)r段、盤車溝段和下灰?guī)r段，其中盤車溝段的厚層頁(yè)巖和灰?guī)r互層，只發(fā)育于魯西地區(qū)東南部剖面(萊蕪九龍山剖面和沂水馬站剖面)。凝塊石主要發(fā)育于上、下灰?guī)r段，其上下界面大多為突變面，呈起伏不平，應(yīng)是潮流沖刷形成的侵蝕面(圖3)。上灰?guī)r段凝塊石的下伏巖性通常為鮞?；?guī)r、生屑灰?guī)r、灰?guī)r與頁(yè)巖互層以及薄板狀泥晶灰?guī)r與生屑灰?guī)r互層，上覆巖性一般為生物碎屑灰?guī)r、泥灰?guī)r、附枝菌格架微生物巖(圖4)。下灰?guī)r段凝塊石的上覆和下伏巖性為鮞?；?guī)r(圖3)和生屑灰?guī)r。凝塊石一般呈生物層和生物丘構(gòu)造(圖5，6a，b)。生物層總體厚度為1～2 m，單層厚度一般為幾厘米到十幾厘米，較為穩(wěn)定(圖5);生物丘大小不一，較小者高為幾十厘米，寬為幾十厘米，較大者高可達(dá)2 m，寬為3～5 m。向上變寬，各生物丘的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致，主要由凝塊和灰泥膠結(jié)物組成，但其形態(tài)以及丘與丘之間的接觸關(guān)系不同，有相切、相交、包裹等，也有呈單個(gè)生物丘出露。丘之間充填物為竹葉狀礫屑、生物碎屑、泥灰、泥質(zhì)團(tuán)塊等。

圖3 (a)凝塊石底部見有海綿化石，下界面為侵蝕面，起伏不平，下伏巖性為鮞?；?guī)r;(b)野外素描圖，凝塊呈不規(guī)則狀，凝塊之間以灰泥膠結(jié)。Fig.3 (a)Saw the sponge fossils at the bottom of thrombolite.The below is a fluctuant erosion surface，overlying oolite.(b)Line drawing of thrombolite.The clots are irregular，mainly cement by lime mud.

在凝塊石中，凝塊通常顏色較深，呈深灰色，有明顯的邊界，凝塊大小一般為0.1～1.5 cm，較大者可達(dá)到2 cm，大多為斑塊狀(圖6c，d)，包括次圓形、月牙形、棒形以及帶有棱角的多邊形，還見有凝塊呈樹枝狀和網(wǎng)狀相連。凝塊之間膠結(jié)物通常為灰泥以及少量白云石，含有少量泥質(zhì)團(tuán)塊(6c)和生物碎屑(生物碎屑主要為三葉蟲、頭足類、腕足類等化石碎片)(圖6d)。而且從張夏組的下灰?guī)r段到上灰?guī)r段，凝塊之間的泥質(zhì)團(tuán)塊逐漸減少，灰泥膠結(jié)物隨之增多。在萊蕪九龍山剖面的下灰?guī)r段凝塊石中含有保存較完整的海綿化石(圖3)。

圖4 附枝菌格架微生物巖與凝塊石共生Fig.4 Epiphyton microbialite and thrombolite

圖5 凝塊石生物層(單層厚度一般為5 cm左右)Fig.5 Thrombolite biostrome(single layer thickness is about 5 cm)

圖6 凝塊石生物丘a.丘狀凝塊石，高1.3 m，寬2 m;b.野外素描圖，兩生物丘之間含有生物碎屑灰?guī)r;c.a中長(zhǎng)方形的放大照片，可見深灰色斑塊狀凝塊，大小為0.1～1 cm，凝塊之間以灰泥膠結(jié)，含有泥質(zhì)團(tuán)塊;d.a中長(zhǎng)方形的放大照片，見有典型的凝塊，含少量三葉蟲化石碎屑(箭頭)。Fig.6 Photographs of thrombolite biohermsa.thrombolite bioherm is 1.3 m high，2 m wide;b.line drawing of thrombolite bioherms，containing bioclastic grainstone between the two bioherm;c.close-up photo of the rectangular in(a)，the size of dark grey irregular clots is 0.1～1 cm.the clots mainly cemented by lime mud，contain pelitic mass;d.close-up photo of the rectangular in(a)，the typical clots，containing a few trilobite fossil clast(arrow).

2.2 微觀特征

在鏡下觀察，凝塊石的主要成分為泥晶方解石，其次是半自形—自形的白云石，呈褐色，菱形，主要分布于縫合線邊上。整體上為斑雜狀結(jié)構(gòu)，在鏡下，凝塊即是一些由暗色附枝菌等藍(lán)細(xì)菌及其周圍泥晶方解石組成的團(tuán)塊，團(tuán)塊之間一般為泥晶方解石以及少量的亮晶方解石和白云石膠結(jié)。含有三葉蟲、棘皮類、頭足類、腕足類等化石碎片。通常，生物碎屑的含量與藍(lán)細(xì)菌呈反相關(guān)系，生屑多時(shí)，藍(lán)細(xì)菌就少;藍(lán)細(xì)菌多時(shí)，生屑就少。

魯西凝塊石主要是由附枝菌(Epiphyton)捕獲和粘結(jié)泥晶顆粒形成的，其次是葛萬菌(Girvanella)和放射狀菌(Actinophycus)。由附枝菌形成的凝塊石基本上遍布每個(gè)剖面的張夏組，附枝菌在大多數(shù)凝塊石中起主導(dǎo)作用;由葛萬菌形成的凝塊石發(fā)育于濟(jì)南彩石和蒙陰桃墟剖面的張夏組;由放射狀菌形成的凝塊石發(fā)育于沂水馬站剖面的張夏組。

附枝菌(Epiphyton)是具有分叉的葉狀體放射叢組成(長(zhǎng)0.3～0.8 mm，寬為 40～80 μm)。其橫截面為圓形的泥球狀，直徑約為30～50 μm(圖7b)。附枝菌樹杈為細(xì)長(zhǎng)圓棒狀，向上三維分叉，因此其縱切面一般為樹枝狀(圖7a)，較長(zhǎng)的可達(dá)到5 mm。菌體一般被泥晶方解石交代，向上分叉，直立生長(zhǎng)(圖7a)，少數(shù)附枝菌發(fā)生重結(jié)晶，由亮晶方解石膠結(jié)。根據(jù)枝杈的直徑大小，枝杈的細(xì)胞狀分割結(jié)構(gòu)及管狀構(gòu)造等，魯西張夏組的附枝菌可分為4類:粗枝杈狀、分段枝杈狀、細(xì)枝杈狀和管狀枝杈狀(Woo et al.，2008)。其構(gòu)成的菌體群落形態(tài)可分為兩大類:灌木狀和房室狀(圖7a，c)。灌木狀群落由放射狀的附枝菌枝杈組成，縱切面多呈灌木狀，向上生長(zhǎng)，菌體周圍為泥晶方解石膠結(jié)，通常具有成層性(圖7a)。灌木狀附枝菌群落在特定的條件下可形成房室狀構(gòu)造，從內(nèi)向外呈放射狀，房室為半圓形或不規(guī)則狀，直徑約為0.5～1.9 mm，房室壁厚為150～300μm。內(nèi)壁較為粗糙，外壁較光滑，房室內(nèi)為亮晶方解石膠結(jié)，壁為泥晶方解石膠結(jié)(圖7c)。其中灌木狀附枝菌群落主要位于凝塊石生物丘的內(nèi)部，而房室狀附枝菌群落則常見于外部邊緣，這與凝塊石形成環(huán)境的水動(dòng)力條件有關(guān)。

圖7 形成凝塊石的微生物類型a.附枝菌的縱切面大多為樹枝狀，向上分叉，直立生長(zhǎng);b.附枝菌的橫切面為圓形或橢圓形的泥球狀，直徑約為50 μm;c.房室狀附枝菌群落;d.葛萬菌呈相互纏繞聚集成小團(tuán)塊狀，大小為10 μm;e.放射狀菌的縱截面，呈放射狀，向上變粗，大小約為100 μm;f.放射狀菌的橫切面，呈圓形或橢圓形，大小約為150 μm。Fig.7 Breedes of microbe formed thrombolitea.Longitudinal section of Epiphyton mostly is dendritic，forked up，upright growth;b.Transverse section of Epiphyton is round or elliptic rodlike.Diameter is about 50 μm;c.chambered Epiphyton thalli;d.Girvanella wind together and become small groups，the size is 10 μm;e.Longitudinal section of Actinophycus is radial，upward coarsening，the size is about 100 μm;f.Transverse section of Actinophycus is round or eclipse，the size is about 150 μm.

在凝塊石中，葛萬菌(Girvanella)呈長(zhǎng)條管狀，管體大小均勻，直徑約為10～20 μm，長(zhǎng)度不等，最長(zhǎng)可達(dá)1 mm左右。大部分葛萬菌為不規(guī)則條帶狀分布，與附枝菌共生，小部分呈相互纏繞聚集成小團(tuán)塊狀或單個(gè)絲體出現(xiàn)(圖7d)，有些葛萬菌也繞著生物碎屑生長(zhǎng)。主要是泥晶方解石膠結(jié)，局部為亮晶方解石膠結(jié)。

放射狀菌(Actinophycus)在縱切面上為放射狀或扇狀排列的管狀體，管狀體基部細(xì)向上變粗，管體直徑約為90～200 μm(圖7e)，其橫切面為圓形至橢圓形(圖7f)，其中心為亮晶方解石膠結(jié)，邊緣為泥晶方解石膠結(jié)。

2.3 特征描述

對(duì)微生物巖野外與室內(nèi)的研究，一般由宏觀到微觀用4種不同等級(jí)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造進(jìn)行觀察與描述，即巨型結(jié)構(gòu)(Megastructure)、大型結(jié)構(gòu)(Macrostructure)、中型結(jié)構(gòu)(Mesostructure)和微型結(jié)構(gòu)［12，17］。巨型結(jié)構(gòu)是指微生物巖所形成的巖層特征，如生物層、生物丘等。大型結(jié)構(gòu)是描述微生物巖的總體特征(一般為幾十厘米至幾米)，如柱狀、穹狀、球狀等。中型結(jié)構(gòu)則是描述在大型結(jié)構(gòu)內(nèi)部用裸眼能夠觀察到的微生物巖的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造(一般為厘米級(jí))，如紋層狀、凝塊狀、樹枝狀等。微型結(jié)構(gòu)是指在顯微鏡下可以觀察到的顯微結(jié)構(gòu)與組分，包括鈣化微生物殘留體、沉積物、膠結(jié)物等。

綜上所述，凝塊石的巨型結(jié)構(gòu)特征為米級(jí)的生物丘和生物層狀，在縱剖面上呈單層狀，由其他沉積物間隔，與薄板狀泥晶灰?guī)r、鮞?；?guī)r、生屑灰?guī)r及其他微生物巖共生。大型結(jié)構(gòu)通常為丘狀、穹狀、層狀，層狀單層厚度較穩(wěn)定，平均為10 cm左右，丘狀和穹狀一般高為幾十厘米，寬也為幾十厘米，較大者高可達(dá)2 m，寬達(dá)3～5 m。各生物丘的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致，主要由凝塊和灰泥膠結(jié)物組成。中型結(jié)構(gòu)特征為凝塊呈深灰色，具有較明顯的邊界，大小通常為0.1～2 cm，大多為斑塊狀、樹枝狀和網(wǎng)狀。凝塊之間多為灰泥和少量白云石膠結(jié)，含有少量泥質(zhì)團(tuán)塊和生物碎屑。微型結(jié)構(gòu)特征是在鏡下觀察，凝塊是一些由暗色附枝菌等藍(lán)細(xì)菌及其周圍泥晶方解石組成的團(tuán)塊，團(tuán)塊之間一般為泥晶方解石以及少量的亮晶方解石和白云石膠結(jié)。其中凝塊石主要是附枝菌(Epiphyton)形成的，其次是葛萬菌(Girvanella)和放射狀菌(Actinophycus)。附枝菌大小為40～80 μm，葛萬菌大小為10～20 μm，放射狀菌大小為 90～200 μm(圖 8)。

圖8 魯西地區(qū)寒武系第三統(tǒng)張夏組凝塊石的主要特征Fig.8 The main features of thrombolite in the Zhangxia Formation(third series of Cambrian)，Shandong province

圖9 魯西地區(qū)張夏組凝塊石的沉積環(huán)境及形成模式Fig.9 Depositional environments and formation model of thrombolite in the Zhangxia Formation，Shandong province

3 凝塊石的形成環(huán)境

在寒武紀(jì)，華北臺(tái)地海侵方向?yàn)闁|南至西北向［18］，隨著相對(duì)海平面持續(xù)上升，碳酸鹽臺(tái)地迅速發(fā)育。根據(jù)凝塊石的宏觀與微觀特征、共生巖性、沉積構(gòu)造及生物組合等特征，表明該地區(qū)為局限臺(tái)地和開闊臺(tái)地相區(qū)，其沉積環(huán)境主要為潮下高能帶、潮下低能帶和灘間海(圖2)。

潮下高能帶水體較淺，水動(dòng)力條件具有簸揚(yáng)作用，屬高能水動(dòng)力沉積環(huán)境。該亞相在魯西地區(qū)的主要巖性為鮞?；?guī)r和顆?；?guī)r，以亮晶方解石膠結(jié)為主，常發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理、羽狀交錯(cuò)層理及平行層理等。

潮下低能帶，此區(qū)域水體位于平均低潮面之下，正常浪基面之上、陽(yáng)光充足、含氧量豐富、波浪和潮汐作用都很弱，其能量大多被海底磨擦消耗掉，水循環(huán)也很弱，只有局部的風(fēng)暴才能引起一定的波浪能，因此是一個(gè)低能帶。有較豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，故此區(qū)域繁殖有大量的藍(lán)細(xì)菌，有利于捕獲水中的鈣離子以及自身發(fā)生鈣化作用，從而形成凝塊石。

灘間海則位于開闊臺(tái)地海水較深的地帶，其水動(dòng)力相對(duì)較弱，其環(huán)境相應(yīng)變得安靜、低能，沉積物以細(xì)粒陸源物質(zhì)和化學(xué)沉積物質(zhì)為主。主要巖性是黃綠色頁(yè)巖、頁(yè)巖與薄板狀泥晶灰?guī)r互層以及少量的生屑灰?guī)r，常發(fā)育水平層理和生物擾動(dòng)構(gòu)造。生屑為三葉蟲、腕足類、棘皮類等化石碎片，見有部分保存較完整的三葉蟲化石，表明了形成環(huán)境的水動(dòng)力很弱。

根據(jù)上述沉積相分析，結(jié)合凝塊石野外觀察、鏡下分析以及與之共生巖相和生物化石組合，來探討張夏組凝塊石的沉積環(huán)境及形成模式(圖9)。從凝塊石的上覆和下伏巖性可以看出潮下高能帶的水動(dòng)力較強(qiáng)，水體較淺。凝塊石呈大型生物丘和生物層構(gòu)造，鏡下觀察，凝塊石主要由大量附枝菌形成的，附枝菌鈣化體保存較完整，縱截面呈樹枝狀，直立向上生長(zhǎng)，且主要以泥晶方解石膠結(jié)，反映了形成凝塊石的水體相對(duì)較深，水動(dòng)力條件弱，具有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和充足的光照強(qiáng)度。因此，在張夏期早期，魯西地區(qū)水體較淺，水動(dòng)力較強(qiáng)，主要為潮下高能帶環(huán)境，形成厚層的鮞?；?guī)r;隨著海侵，海平面相對(duì)上升，當(dāng)水位達(dá)到平均低潮面以下，附枝菌等藍(lán)細(xì)菌開始大量繁殖，進(jìn)行光合作用，捕捉和黏結(jié)碳酸鹽微粒以及發(fā)生自身鈣化，從而形成大量凝塊石;而當(dāng)海平面相對(duì)下降時(shí)，水動(dòng)力逐漸變強(qiáng)，使得附枝菌等藍(lán)細(xì)菌難以生長(zhǎng)，妨礙了附枝菌捕捉和黏結(jié)碳酸鹽微粒等，從而無法繼續(xù)形成凝塊石，逐漸過渡為水體較淺，水動(dòng)力較強(qiáng)的潮下高能帶，開始沉積鮞粒灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r。由于整個(gè)魯西地區(qū)在張夏期屬于陸表海，因此凝塊石的這種沉積模式在張夏期周而復(fù)始的進(jìn)行著。

4 結(jié)論

魯西寒武系第三統(tǒng)張夏組凝塊石主要呈生物丘和生物層狀，其凝塊大多為不規(guī)則狀和網(wǎng)狀，膠結(jié)物以泥晶方解石為主，含少量泥質(zhì)團(tuán)塊和生物碎屑。鏡下觀察，凝塊石主要是由附枝菌形成，其次是葛萬菌和放射狀菌。其中，附枝菌呈枝杈狀向上生長(zhǎng)，橫切面為泥球狀，大小為40～80 μm。附枝菌可形成灌木狀和房室狀兩種群落，由于受水動(dòng)力條件的影響，前者生長(zhǎng)于凝塊石生物丘內(nèi)部，而后者常見于生物丘的外部邊緣。葛萬菌呈細(xì)長(zhǎng)管狀，大小為10～20 μm，經(jīng)常相互纏繞呈不規(guī)則團(tuán)塊狀。放射狀菌呈扇狀管體，向上變粗，大小為90～200 μm，橫切面為圓形、橢圓形。

魯西寒武系凝塊石的沉積環(huán)境為潮下低能帶。該沉積環(huán)境的水動(dòng)力較弱，水體清澈，只是局部具有一定的波浪能，而且該區(qū)域具有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，光照充足，有利于附枝菌的大量繁殖和自身鈣化，從而形成大量的凝塊石生物丘和生物層。

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