豫西下三疊統(tǒng)劉家溝組微生物成因沉積構(gòu)造

于水情，邢智峰，周　虎

豫西下三疊統(tǒng)劉家溝組微生物成因沉積構(gòu)造

于水情，邢智峰，周虎

（河南理工大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003）

微生物成因沉積構(gòu)造（MISS），是微生物與沉積物相互作用的結(jié)果，可作為地質(zhì)時(shí)期微生物群活動(dòng)的重要標(biāo)識(shí)。至目前為止，MISS主要發(fā)育在前寒武紀(jì)淺海潮間帶上部至潮上帶下部及顯生宙生物大滅絕后微生物繁盛時(shí)期的淺水環(huán)境。文中豫西宜陽(yáng)劉家溝組發(fā)育了形態(tài)多樣的MISS，主要為微生物席破壞相關(guān)構(gòu)造，尤其以多邊形網(wǎng)狀和紡錘狀脫水裂痕最多。該研究區(qū)發(fā)育的多種MISS類(lèi)型，指示了該區(qū)域的一些古環(huán)境特征。

劉家溝組；微生物城因病沉積構(gòu)造；沉積環(huán)境

微生物，在地球上是所有新陳代謝的途徑，是無(wú)所不在的巨大生物量，在前寒武紀(jì)中居于統(tǒng)治地位。30多年前，微生物學(xué)的一個(gè)重要變化是確認(rèn)“藍(lán)細(xì)菌”代替“藍(lán)綠藻”［1，2］，術(shù)語(yǔ)“微生物席”替代了“藻席”并得到廣泛的接受和應(yīng)用［3］。微生物席是微生物生命活動(dòng)的主要產(chǎn)物，它是纏繞的絲狀和球狀微生物，通過(guò)自身分泌的黏液質(zhì)，黏結(jié)或沉淀沉積物，并膠結(jié)成的一種席狀組織。近些年來(lái)關(guān)于由微生物成因形成的沉積構(gòu)造的研究，受到許多學(xué)者的關(guān)注與重視，主要集中在前寒武紀(jì)中-新元古界，被稱(chēng)為“Microbially Induced Sedimentary Structures（簡(jiǎn)稱(chēng)MISS）”的一種沉積現(xiàn)象。MISS是微生物群及其生命活動(dòng)與沉積物相互作用，在水體界面附近形成的一種生物—沉積構(gòu)造，是微生物群生命活動(dòng)的重要產(chǎn)物。迄今發(fā)現(xiàn)的最古老的MISS見(jiàn)于澳大利亞約34.8億年前的古太古代Dresser組［4］；最早的陸生MISS見(jiàn)于南非18億年前的古沙漠沉積［5］以及蘇格蘭12億年前的Stoer群河湖相沉積［6］。這說(shuō)明元古代的生物不局限于海洋環(huán)境而且還延伸到了內(nèi)陸環(huán)境。目前報(bào)道的MISS主要是集中在中-新元古代海相沉積中。

在我國(guó)關(guān)于MISS的研究剛剛起步，主要集中在華北地臺(tái)中元古界，以薊縣、北京延慶、魯山等剖面為研究對(duì)象，其中云夢(mèng)山組［7、8］、大紅峪組［9］、串嶺溝組［10］、黃旗口組砂巖［10、11］及高于莊組［11］非疊層石碳酸鹽巖（以灰?guī)r為主）中均發(fā)育有大量的MISS。

圖1　豫西宜陽(yáng)劉家溝組地層柱狀圖

1　區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)屬華北地層區(qū)-豫西地層分區(qū)，位于華北板塊南部的近邊沿地帶，在晚古生代時(shí)期發(fā)生的地殼運(yùn)動(dòng)主要是海西運(yùn)動(dòng)階段，它是一次大規(guī)模的海侵沉積，運(yùn)動(dòng)過(guò)后華北板塊出現(xiàn)了新的抬升區(qū)和沉降區(qū)［12］；晚二疊世，由于華北板塊向南仰沖、華南板塊向北俯沖的擠壓抬升，導(dǎo)致海水逐漸退去，華北板塊轉(zhuǎn)為陸相沉積［13］，此時(shí)的孫家溝組，海水退出，南部隆起，形成了以陸緣近海-湖相為主的陸相沉積環(huán)境；三疊紀(jì)研究區(qū)古地貌格局轉(zhuǎn)變成為南東高、北西低，在早期，湖盆面積進(jìn)一步縮小，該地區(qū)形成以洛陽(yáng)為沉積中心的半封閉內(nèi)陸盆地，氣候更加炎熱，沉積了一套河流沖積—濱湖相紅色砂頁(yè)巖建造：早、中三疊世主要為河流、濱淺湖環(huán)境［14］。由于本地區(qū)受上述地質(zhì)背景的影響，認(rèn)為劉家溝組為近海的濱淺湖環(huán)境。本文所選剖面位于宜陽(yáng)縣大雨淋村李溝煤礦附近，出露良好。從平頂山砂巖段開(kāi)始，自下而上劃分為孫家溝組、劉家溝組、和尚溝組和二馬營(yíng)組［15］。劉家溝組為早三疊世早期，地層總厚度114.07m，是以一套紫紅色中-細(xì)粒石英砂巖及夾有粉砂巖和泥巖的沉積。與其下伏地層孫家溝組呈整合接觸，是以劉家溝組底部一層紫紅色中厚層礫巖為明顯標(biāo)志劃分界限，屬晚二疊世陸源近海湖相沉積；與其上覆地層和尚溝組也呈整合接觸，是以劉家溝組頂部富含泥礫孔洞的灰紅色厚層狀中粒石英砂巖為標(biāo)志劃分界限（圖1），屬早三疊世晚期河流-淺湖相沉積。本文是以劉家溝組MISS為主要研究對(duì)象，主要描述其構(gòu)造特征及對(duì)古環(huán)境的指示。

圖2　微生物席生長(zhǎng)相關(guān)構(gòu)造

圖3　微生物席破壞相關(guān)構(gòu)造-脫水裂痕

2　劉家溝組微生物成因沉積構(gòu)造及其特征

宜陽(yáng)劉家溝組的沉積構(gòu)造發(fā)育豐富的層理構(gòu)造（楔狀、板狀交錯(cuò)層理，平行層理及水平層理等）及層面構(gòu)造（波痕、脫水裂痕、層面突起等）。其中以層面構(gòu)造的各種形態(tài)脫水裂痕最為多見(jiàn)，主要發(fā)育在泥質(zhì)粉砂質(zhì)中細(xì)粒砂巖交互的地方，且常與波痕共生，它們是由微生物與沉積物相互作用的結(jié)果，是微生物成因形成的沉積構(gòu)造，即MISS。據(jù)Schieber對(duì)MISS在宏觀上的分類(lèi)方案［16］，我們把本研究區(qū)MISS分為3大類(lèi)：席生長(zhǎng)、席破壞和席腐爛相關(guān)構(gòu)造。其中席破壞相關(guān)構(gòu)造最多。

2.1微生物席生長(zhǎng)相關(guān)構(gòu)造

微生物席生長(zhǎng)構(gòu)造是微生物席在發(fā)育過(guò)程中由于微生物群落活動(dòng)和生長(zhǎng)方式、速率發(fā)生變化而在席表面形成的各種構(gòu)造。本研究區(qū)劉家溝組發(fā)育的生長(zhǎng)構(gòu)造包括：瘤狀突起、波痕補(bǔ)丁和微生物席紋層。

1）瘤狀突起：發(fā)育于劉家溝組上、下段，由微生物席的局部過(guò)量生長(zhǎng)產(chǎn)生，層面上表現(xiàn)為0.5～1cm 不等的密集突起物，但隆起較低（圖2-A、B）；

2）波痕補(bǔ)?。喊l(fā)育在劉家溝組中段，是微生物席的夷平作用形成的波痕補(bǔ)丁，波痕被微生物席覆蓋的區(qū)域，由于微生物席的存在夷平了波痕；在沒(méi)有定居微生物席的區(qū)域，波痕才得以保存（圖2-C）；

3）微生物席紋層：發(fā)育在劉家溝組中、上段，從巖石縱向上，可看見(jiàn)清晰的黑色有機(jī)質(zhì)殘留層，和細(xì)砂巖層交互出現(xiàn)（圖2-D）。

2.2微生物席破壞相關(guān)構(gòu)造

席破壞構(gòu)造是指微生物形成席之后由于沉積表層的暴露或其它因素而遭受物理、化學(xué)作用的破壞而發(fā)生破裂（碎）、卷曲、變形、褶皺、脫水或被搬運(yùn)再沉積而形成的一系列相關(guān)構(gòu)造，本研究區(qū)劉家溝組發(fā)育了各種形態(tài)的脫水裂痕構(gòu)造，包括紡錘狀、多邊形網(wǎng)狀、曲形和樹(shù)枝狀脫水裂痕。這種構(gòu)造是因暴露時(shí)間長(zhǎng)短不同和席層的厚度不同而形成的，從孤立的紡錘狀裂痕到網(wǎng)狀的脫水裂痕［10、17、18、19］。

1）紡錘狀脫水裂痕：劉家溝組較為多見(jiàn)，主要分布在該組中、上段，波痕和非波痕處都有分布，是微生物席在暴露后脫水形成的；有時(shí)會(huì)因多次脫水疊加形成鳥(niǎo)足狀，可能是微生物席經(jīng)歷了多次地面暴露和水流沖刷。它的形成包括干旱時(shí)暴露、脫水收縮、微生物席產(chǎn)生的裂隙、裂隙被充填等過(guò)程［17］（圖3-A、B，其中B為底面上的紡錘狀脫水裂痕）；

2）多邊形網(wǎng)狀脫水裂痕：本研究區(qū)這種裂痕發(fā)育也較多，位于劉家溝組中、上段。在砂巖層面上發(fā)育形成不規(guī)則的網(wǎng)狀，一般有三角形、四邊形、五邊形等，長(zhǎng)度、寬度大都不均勻。這種網(wǎng)狀裂痕構(gòu)造與泥裂很相似，泥裂橫斷面上有“V”型構(gòu)造，而網(wǎng)狀裂痕構(gòu)造沒(méi)有。這些裂痕構(gòu)造多與波痕共生，位于波谷內(nèi)［20］。本組發(fā)育的大型多邊形脫水裂痕構(gòu)造，是由砂脊交互形成的多邊形結(jié)構(gòu)。砂脊寬2.5～14mm，突出層面0.5～2mm不等，脊長(zhǎng)9.5～49.5cm，與波痕伴生存在（圖3-C、D）；

3）曲形脫水裂痕：特殊的多邊形網(wǎng)狀脫水裂痕，發(fā)育較少，位于劉家溝組中、下段。砂脊彎曲程度較大，交互形成環(huán)狀、近環(huán)狀等，砂脊寬2mm左右（圖3-E）；

4）樹(shù)枝狀脫水裂痕：是多邊形網(wǎng)狀脫水裂痕的另一種特殊形態(tài)，形狀像樹(shù)枝狀的構(gòu)造，粗大的主干和細(xì)小的分支形成網(wǎng)狀。位于劉家溝組中段，發(fā)育在砂巖層面上且單一，砂脊寬度為毫米級(jí)，長(zhǎng)度可達(dá)十多厘米（圖3-F）。

2.3微生物席腐爛相關(guān)構(gòu)造

席腐爛構(gòu)造多指由埋藏的微生物席腐爛分解而產(chǎn)生的氣體在沉積物表層形成的各種構(gòu)造［17、21-24］。如氣隆構(gòu)造，是微生物席腐爛產(chǎn)生的氣體影響席下的沉積層面及微生物席本身而形成；肯尼亞波痕，是大量氣泡由于較強(qiáng)烈的作用產(chǎn)生似波痕狀的皺飾構(gòu)造，具波峰平坦且波谷陡峭的特征。目前對(duì)現(xiàn)代微生物席的研究也證明了這一點(diǎn)。當(dāng)微生物席表面的韌性不足以抵擋氣泡產(chǎn)生的壓力時(shí)，氣隆構(gòu)造會(huì)破裂而產(chǎn)生氣體逃逸構(gòu)造，如砂火山（圖4-A），是氣體逃逸后形成了向內(nèi)凹陷形似火山噴發(fā)的形狀。在劉家溝組中主要是砂火山及肯尼亞波痕（圖4-B）的發(fā)育，位于該組中段。

圖4　微生物席腐爛相關(guān)構(gòu)造

3　結(jié)論與討論

總體來(lái)說(shuō)，劉家溝組MISS類(lèi)型豐富多樣，主要發(fā)育在中細(xì)粒砂巖、粉砂巖與泥巖的接觸面上，且常與波痕伴生。在整個(gè)劉家溝組，除頂、底部外大多都有MISS發(fā)育，主要以席破壞構(gòu)造為主，尤其以形態(tài)多樣的脫水裂痕最多，劉家溝組地層由老到新是以紡錘狀為主逐漸變?yōu)橐远噙呅尉W(wǎng)狀為主的脫水裂痕，這是由于微生物席暴露時(shí)間逐漸變長(zhǎng)，當(dāng)時(shí)的環(huán)境在逐漸遠(yuǎn)離海岸，說(shuō)明MISS是在較淺的環(huán)境發(fā)育，也說(shuō)明劉家溝組為淺水環(huán)境，因此認(rèn)為當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境為濱淺?；?yàn)I淺湖；而又由于華北地區(qū)受到當(dāng)時(shí)地質(zhì)背景的影響，二疊晚期已轉(zhuǎn)為陸相沉積，由此可認(rèn)為宜陽(yáng)劉家溝組的環(huán)境為湖泊相濱淺湖亞相沉積。下三疊統(tǒng)劉家溝組處于二、三疊之交生物大滅絕時(shí)期之后，這種由于生物大滅絕及微生物大肆泛濫造成的微生物成因形成的沉積構(gòu)造，指示了劉家溝組的MISS為一種錯(cuò)時(shí)相沉積。

謝樹(shù)成等（2007）對(duì)華南地區(qū)浙江長(zhǎng)興的二、三疊紀(jì)之交的環(huán)境進(jìn)行了研究，提出了在地球上最大一次生物滅絕期——二、三疊紀(jì)之間出現(xiàn)了以2-甲基藿烷為主的藍(lán)細(xì)菌的大量繁盛，而這種繁盛與海洋無(wú)脊椎動(dòng)物的滅絕呈負(fù)相關(guān)關(guān)系［25］。華南地區(qū)這一研究與本文下三疊統(tǒng)劉家溝組的環(huán)境具有可對(duì)比性，都是MISS大量發(fā)育，微生物大肆繁盛。華北劉家溝組微生物的繁盛與謝樹(shù)成等（2007）在華南浙江長(zhǎng)興研究的早三疊世殷坑組藍(lán)細(xì)菌繁盛的時(shí)期是相一致的。這些現(xiàn)象說(shuō)明了當(dāng)時(shí)后生動(dòng)物的貧乏及以藍(lán)細(xì)菌為主的微生物席的大量出現(xiàn)，造就了劉家溝組發(fā)育大量MISS。反之，MISS的大量發(fā)育，指示了后生動(dòng)物貧乏的特征，同時(shí)也確立了劉家溝組是處于二疊紀(jì)末期生物大滅絕后發(fā)育的地層。

［1］ Krumbein W. E.， Cyanobakterien—Bakterien oder Algen Littman-Druck［J］. Oldenburg: Oldenburger Symposiun fiber Cyanobakterien. 1979，1～130

［2］ Rippka R， Deruelles J， Waterbury J B， Herdman M， Stanier R Y. Generic assignments， strain histories and properties of pure cultures of cyanonacieria［J］. Journal of General Microbiology， 1979，111:1～161

［3］ Brock T D， Madigan M T， Martinko J M， Parker J.， Biology of Microorganisms［J］. New Jersey: Prentice Hall， 1994， 1～909

［4］ Noffke N.， Christian Daniel， et al.， Microbially induced sedimentary structures recording an ancient ecosystem in the ca. 3.48 billion-year-old Dresser Formation， Pilbara， Western Australia［J］. Astrobiology， 2013， 13（12）: 1103-1124

［5］ Eriksson P.G.， Simpson E.L.， Eriksson K.A.， Bumby A.G.， George L.， Steyn G.L.， Sarkar S.， Muddy roll-up Structures in Siliciclastic interdune beds of the ca.1.8 Ga Waterberg Group， South Africa［J］. Palaios， 2000， 15（3）: l77～183

［6］ Prave A R ， Life on land in the Proterozoic: Evidence from the Torrodonian rocks of northwest Scotland［J］. Geology， 2002， 30: 811～814

［7］ 邢智峰.豫西中元古界云夢(mèng)山組微生物成因沉積構(gòu)造研究［D］.學(xué)位論文，2010：71～88

［8］ 湯東杰，史曉穎等.微生物席成因構(gòu)造形態(tài)組合的古環(huán)境意義—以華北南緣中-新元古代為例［J］.地球科學(xué)，2011，36（6）：1033～1043

［9］ 梅冥相，孟慶芬，劉智榮.微生物形成的原生沉積構(gòu)造研究進(jìn)展綜述［J］.古地理學(xué)報(bào)，2007，9（4）：353～367

［10］ 史曉穎，王新強(qiáng)，等.賀蘭山地區(qū)中元古代微生物席成因構(gòu)造—遠(yuǎn)古時(shí)期微生物群活動(dòng)的沉積標(biāo)識(shí)［J］.地質(zhì)論評(píng)，2008，54（5）：577～588

［11］ 梅冥相，高金漢等.中元古界非疊層石灰?guī)r中的MISS：以北京延慶千溝剖面高于莊組第三段為例［J］.地學(xué)前緣，2009，16（5）：207～218

［12］ 邵濟(jì)安.中朝板塊北緣中段地殼演化［M］.北京大學(xué)出版社，1991.

［13］ 袁澤東.豫西地區(qū)大地構(gòu)造特征及其演化［J］ .煤炭技術(shù)，2010，29（3）：167-170.

［14］ 王惠勇.豫西洛陽(yáng)-伊川地區(qū)晚古生代、早中生代沉積體系與巖相古地理恢復(fù)［D］.山東科技大學(xué)，2006.

［15］ 陳江峰，等.宜陽(yáng)地質(zhì)實(shí)習(xí)及野外地質(zhì)工作方法［M］.河南理工大學(xué)，2012.

［16］ Schieber J.， Microbial mats in the silisiclastic rock record: a summary of the diagnostic features. In: Eriksson P. G， Ahermann W， Nelson D. R， et a1. Eds. The Precambrian Earth: Tempos and Events［M］. Amsterdam: Elsevier， 2004， （12）: 663～673

［17］ Schieber J.， Microbial mats on muddy substrates — examples of possible sedimentary features and underlying processes. In: Schieber J.， Bose P.K.， Eriksson P.G.， et a1.， eds. Atlas of Microbial Mat. Features Preserved within the Clastic Rock Record［M］. Amsterdam: Elsevier， 2007，117～134

［18］ Eriksson P. G.， Schieber J.， Bouougri E.， Classification of structures 1eft by microbialmats in their host sediments. In: Sehieber J.， Bose P K.，Eriksson P G.， et a1.， eds. Atlas of Microbial Mat Features Preserved within the Clastic Rock Record［M］. Amsterdam: Elsevier， 2007， 39～52

［19］ Bose S.， Chafetz H.S.， Topographic control on distribution of modern microbially induced sedimentary structures （MISS）: A case study from Texas coast［J］. Sedimentary Geology， 2009， 213: 136～149

［20］ 黃秀，張釗等.豫西中元古代汝陽(yáng)群微生物形成的沉積構(gòu)造簡(jiǎn)介［J］.中國(guó)地質(zhì)，2010，37（5）：1399～1404.

［21］ Gerdes G.， Klenke T.， Noffke N.， Microbial signatures in peritidal siliciclastic sediments: acatalogue［J］. Sedimentology， 2000， 47（2）: 279～308.

［22］ Noffke N.， Gerdes G. ， Klenke， T.， et al.， A microscopic sedimentary succession of graded sand and microbial mats in modem siliciclastic tidal flats［J］. Sedimentary Geology， 1997， 110: 1～6

［23］ Noffke N.， Gerdes G.， Klenke T.， et al.， Microbially Induced Sedimentary Structures: A New Category within the Classification of Primary Sedimentary Structures［J］. J. Sediment. Res.，2001a， 71（5）: 649～656

［24］ Noffke N.， Gerdes G.， Klenke Th.， Krumbein W.E.， Microbially induced sedimentary structures indicating climatological， hydrological and depositional conditions within Recentand Pleistocene coastal facies zones （southern Tunisia） ［J］. 2001b， Facies. V. 44: 23 30

［25］ 謝樹(shù)成，黃咸雨等，二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交環(huán)境的不穩(wěn)定性和生物危機(jī)的多階段性：浙江長(zhǎng)興微生物分子化石記錄［J］. 地球科學(xué)，2007，37（5）：629～635

Microbial Induced Sedimentary Structure in the Lower Triassic Liujiagou Formation in West Henan

YU Shui-qing XING Zhi-feng ZHOU Hu
（College of Resources and Environment， Henan University of Technology， Jiaozuo， Henan 454003）

Microbial induced sedimentary structures （MISS） were the result of the interaction between microorganism and sediment and have been studied as biosignature. So far， MISS were developed in shallow subtidal to supratidal environments in the Precambrian， and shallow water from the microbial flourish after biological extinction in Phanerozoic. MISS such as microbial mat destruction features， especially spindle-shaped and polygonal desiccation cracks were well developed in the Liujiagou Formation in Yiyang， western Henan，indicating sedimentary environment of the Liujiagou Formation.

Liujiagou Formation； microbial induced sedimentary structures； sedimentary environment

P534.51

A

1006-0995（2015）04-0483-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.04.001

2014-11-10

于水情（1982-），女，河南周口人，助理講師，碩士研究生，主要從事古生物學(xué)與地層學(xué)

邢智峰（1973-），河南焦作人，副教授，主要從事地球生物學(xué)研究工作