豫西濟(jì)源二疊紀(jì)末—三疊紀(jì)初陸相微生物成因構(gòu)造及其古環(huán)境意義

鄭偉，齊永安，邢智峰，白萬(wàn)備，陳百兵，李小燕

1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454003 2.河南省生物遺跡與成礦過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南焦作 454003

豫西濟(jì)源二疊紀(jì)末—三疊紀(jì)初陸相微生物成因構(gòu)造及其古環(huán)境意義

鄭偉1,2，齊永安1,2，邢智峰1,2，白萬(wàn)備1，陳百兵1，李小燕1

1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454003 2.河南省生物遺跡與成礦過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南焦作 454003

在豫西濟(jì)源地區(qū)發(fā)現(xiàn)的陸相微生物成因構(gòu)造(Microbially Induced Sedimentary Structures，MISSs)，主要發(fā)育在孫家溝組和劉家溝組，可分為2大類即微生物席生長(zhǎng)構(gòu)造和微生物席破壞構(gòu)造，8小類即生長(zhǎng)脊構(gòu)造、瘤狀突起、曲形脫水裂痕、紡錘狀脫水裂痕、似正弦狀構(gòu)造、樹(shù)枝狀脫水裂痕、多邊形脫水裂痕和直脊?fàn)蠲撍押邸ｇR下分析顯示具有大“U”形脊、定向排列的石英顆粒、近平行的暗色黏土礦物條帶及懸浮排列的云母顆粒等微生物成因特征。通過(guò)與魯山、黎城中元古界以及宜陽(yáng)、柳林早三疊系微生物成因構(gòu)造對(duì)比研究，認(rèn)為研究區(qū)的微生物成因構(gòu)造具有較為特殊的埋藏學(xué)特征，受二疊紀(jì)末災(zāi)變事件、適宜的沉積條件和氣候因素控制，代表著研究區(qū)以微生物群落為主、后生動(dòng)物稀少、植被貧乏、氣候炎熱和水土流失嚴(yán)重等特征的一種陸相災(zāi)后生態(tài)系。

微生物成因構(gòu)造；二疊紀(jì)末大滅絕；陸地生態(tài)系；豫西濟(jì)源

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者相繼在中—新元古代海相碎屑巖中報(bào)道了有關(guān)微生物席形成的沉積構(gòu)造，證明了微生物主導(dǎo)著前寒武紀(jì)的化石記錄，而中奧陶世后生生物大輻射后，后生生物逐漸增加，生物擾動(dòng)率加大，藍(lán)細(xì)菌等微生物在海洋沉積環(huán)境中受到抑制[1]。然而，近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，在一些特殊的時(shí)間段和一些極端的沉積環(huán)境中，微生物能出現(xiàn)在陸棚海相沉積環(huán)境中，甚至出現(xiàn)在湖泊、河流等陸相沉積環(huán)境中，這些已經(jīng)被報(bào)道，主要出現(xiàn)在晚泥盆世[2]、二疊紀(jì)末[3-8]等大滅絕事件時(shí)期，而更近的陸相微生物成因構(gòu)造是發(fā)育在白堊紀(jì)末的河流環(huán)境中[9-10]。

現(xiàn)代微生物成因沉積構(gòu)造多局限在陸和海的過(guò)渡區(qū)，如淺的潟湖和鄰近區(qū)域的過(guò)渡帶、潮間帶、潮間和潮上帶的過(guò)渡帶、潮上帶和薩布哈等[11]。這些地方往往有一定的暴露，潛穴和動(dòng)物痕跡往往是最少的，水流的快速波動(dòng)影響了水深、鹽度、水流和溫度等，形成了對(duì)底棲生物不利的沉積環(huán)境，使微生物得以繁榮?，F(xiàn)代微生物席是由藍(lán)細(xì)菌和其他菌類及其胞外聚合物(EPS)形成微生物膜，在生命活動(dòng)中通過(guò)這些膜捕捉、捆綁、黏結(jié)和障積等形成的層狀體[12]。微生物席是一個(gè)復(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)，具雙層結(jié)構(gòu)，上層是由絲狀菌捕獲、障積沉積物形成的強(qiáng)韌性織網(wǎng)層；下層是有球狀菌及其胞外聚合物黏結(jié)形成的不透氣的致密層[13]。由于微生物膜幾乎能在地球任何表面繁殖并促成最宜溫度、鹽度以及營(yíng)養(yǎng)水平的有利環(huán)境[14]，所以微生物席生長(zhǎng)速度較快，在適宜的環(huán)境條件下能在2周內(nèi)形成厚2 cm的席層[12]；數(shù)周內(nèi)在突尼斯北部的現(xiàn)代潮坪便沿海岸形成了長(zhǎng)達(dá)數(shù)十千米的微生物席覆蓋區(qū)[15-16]。因此，微生物席不僅通過(guò)捕捉、捆綁、黏結(jié)和障積等對(duì)沉積物表面有穩(wěn)固和平滑作用，而且通過(guò)其生命活動(dòng)以及生物化學(xué)作用對(duì)沉積環(huán)境有重要的影響[12,14]。

微生物成因構(gòu)造(Microbially Induced Sedimentary Structures，MISSs)是微生物群落活動(dòng)與沉積環(huán)境相互作用及微生物新陳代謝、生長(zhǎng)、破壞和腐爛等在沉積表面形成的各種沉積構(gòu)造[12-13,15,17]。微生物的保存是有多種因素影響，不但是環(huán)境因素，還有埋藏條件、微生物鈣化等。在碳酸鹽巖沉積環(huán)境中，疊層石以及鮞?？赡苁峭ㄟ^(guò)微生物早期的黏結(jié)作用形成的，疊層石等容易識(shí)別、有較長(zhǎng)的研究歷史[18-19]。而碎屑巖中的微生物成因構(gòu)造因保存條件復(fù)雜，被較少的保存，且識(shí)別較為困難，中元古代的微生物成因構(gòu)造往往被認(rèn)為是遺跡化石或泥裂[20]，使硅質(zhì)碎屑微生物席的研究較落后。而且過(guò)去的20年，對(duì)前寒武紀(jì)海相環(huán)境中的微生物成因構(gòu)造研究的成果相對(duì)較多、較成體系，顯生宙的微生物席研究則涉及的相對(duì)較少、體系相對(duì)分散，而顯生宙極端環(huán)境中的陸相微生物席研究更是較少涉及。本研究是描述、研究豫西濟(jì)源大峪鎮(zhèn)方山剖面首次發(fā)現(xiàn)的二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交的陸相微生物成因構(gòu)造，通過(guò)沉積環(huán)境以及微生物成因構(gòu)造宏、微觀特征分析，探討其微生物成因，與其他地區(qū)中元古代以及二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交的微生物成因構(gòu)造進(jìn)行對(duì)比，論述微生物成因構(gòu)造與二疊紀(jì)末災(zāi)變事件之間的關(guān)系及其出現(xiàn)的古環(huán)境意義。

1 地質(zhì)背景和地層

濟(jì)源盆地(圖1a)南鄰秦嶺造山帶，西北緊靠太行山脈，東部到開(kāi)封凹陷西界[21]，它是在晚古生代華北克拉通的基礎(chǔ)上繼承和發(fā)展起來(lái)的中生代盆地[22]；為中生代、新生代受印支、燕山和喜山等運(yùn)動(dòng)改造的盆地[23]，古近紀(jì)為張性斷陷盆地，基底為太古界至下元古界的結(jié)晶巖以及中上元古界、古生界沉積巖系[24]。濟(jì)源大峪鎮(zhèn)方山剖面(圖1b)位于濟(jì)源盆地內(nèi)，發(fā)育連續(xù)的二疊紀(jì)—三疊紀(jì)陸相地層沉積，地層接觸清晰，主要為平頂山砂巖段、孫家溝組和劉家溝組等，為河流—三角洲沉積環(huán)境[24]。華北板塊在晚古生代末發(fā)生了較大變化，秦嶺微板塊加劇了與華北板塊的碰撞擠壓，使北淮陽(yáng)及其北部隆升，與北秦嶺一起形成相對(duì)穩(wěn)定的華北板塊南緣的物源區(qū)，華北盆地進(jìn)入克拉通內(nèi)陸坳陷盆地演化階段[22]，豫西地區(qū)發(fā)育了干旱氣候條件下的孫家溝組和劉家溝組河流—湖泊相碎屑巖沉積[25]。河南省的孫家溝組和劉家溝組主要分布在濟(jì)源、義馬、宜陽(yáng)、登封、滎陽(yáng)及鞏義、禹州、平頂山等地[26]。

2 沉積環(huán)境與微生物成因構(gòu)造

本文所研究的大峪鎮(zhèn)方山二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交的陸相剖面，位于河南省濟(jì)源市小浪底水庫(kù)北側(cè)(圖1a、b)，露頭較好，實(shí)測(cè)剖面主要包括上石盒子組平頂山砂巖段(未見(jiàn)底)、孫家溝組和劉家溝組(未見(jiàn)頂)，三者均呈整合接觸關(guān)系(圖1c)。平頂山砂巖段(未見(jiàn)底)厚約36.6 m，主要為黃綠色中厚層中細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖，夾少量泥頁(yè)巖層，楔狀、板狀交錯(cuò)層理等沉積構(gòu)造發(fā)育；孫家溝組厚約120 m，從下到上可以分為2部分，下部主要為紫紅色泥巖，夾中—薄層細(xì)粒石英砂巖或粉砂巖，發(fā)育較多微生物成因構(gòu)造以及鈣質(zhì)結(jié)核，上部主要是紫紅色中厚層細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖，中部夾有多層似核形石層或礫巖層以及泥巖層，發(fā)育楔狀交錯(cuò)層理、板狀交錯(cuò)層理等沉積構(gòu)造；劉家溝組厚約100 m(未見(jiàn)頂)，也可分成2部分，下部與孫家溝組上部相似，主要為紫紅色中薄中細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖夾礫巖層或泥巖層，但向上礫巖和泥巖逐漸變少，發(fā)育有微生物成因構(gòu)造，上部主要為紫紅色中、厚中細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖，層理較為發(fā)育，見(jiàn)有波痕。

以往的濟(jì)源二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交的陸相地層剖面研究主要為濟(jì)源動(dòng)物群的研究。楊鐘健[27]在濟(jì)源槐疙瘩嶺上石盒子組上部發(fā)現(xiàn)了迷齒類等8種四足動(dòng)物，命名為濟(jì)源動(dòng)物群，認(rèn)為時(shí)代屬于晚二疊世，并可與南非內(nèi)齒獸帶和前蘇聯(lián)的Ⅲ帶對(duì)比。李錦玲[28]通過(guò)與其他相同時(shí)代的動(dòng)物群與濟(jì)源動(dòng)物群對(duì)比研究認(rèn)為，除了恐頭獸類無(wú)法證實(shí)其存在外，畢氏螈類其他6屬6種均是動(dòng)物群的成員。Liuetal.[29]對(duì)濟(jì)源動(dòng)物群及新材料進(jìn)一步研究，認(rèn)為化石層位仍屬上石盒子組，其濟(jì)源動(dòng)物群可以與俄羅斯Sokolki組合帶的Ilinskoe亞帶和南非的小頭獸組合帶進(jìn)行對(duì)比，時(shí)代約2.56億年。而徐莉等[24]則認(rèn)為化石層位為孫家溝組底部。雖然學(xué)者對(duì)標(biāo)志化石層位歸屬組有異議，但是該化石層位對(duì)二疊紀(jì)末災(zāi)變事件以及地層劃分有重要的意義。

2.1 沉積環(huán)境分析

根據(jù)剖面巖石巖性特征、沉積構(gòu)造等(圖2a)，將研究區(qū)巖相劃分為泥頁(yè)巖相，水平層理粉砂巖相，楔狀交錯(cuò)層理細(xì)砂巖相，楔狀、板狀交錯(cuò)層理中粗砂巖相和礫巖相。

泥頁(yè)巖相，主要有紫紅色泥頁(yè)巖組成，厚約0.5～5 m，水平層理發(fā)育，偶夾有鈣質(zhì)結(jié)核，厚度多超過(guò)1 m(圖2b)，指示著三角洲平原的分流間沼澤、天然堤或三角洲前緣的分流間灣沉積。

水平層理粉砂巖相(圖2c)，多是由砂泥互層構(gòu)成，一般是泥厚砂薄，發(fā)育有鈣質(zhì)結(jié)核、小型波狀層理、水平層理、小波痕以及微生物成因構(gòu)造等，微生物成因構(gòu)造類型主要為曲形裂痕、直脊?fàn)盍押垡约岸噙呅瘟押鄣龋畡?dòng)力較弱，多指示著三角洲平原的分流間沼澤、湖濱或三角洲前緣的分流間灣沉積。

圖1 豫西濟(jì)源地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖及地層序列a.河南地層分區(qū)圖；b.方山剖面位置圖；c.地層柱狀圖(顏色為巖石顏色)Fig.1 Geological setting of the study area and stratigraphic succession Permian-Triassic boundary in Jiyuan, western Henana. Henan stratigraphic sub-region; b.locations of the studied sections c. stratigraphic section of the studied sections

楔狀交錯(cuò)層理細(xì)砂巖相(圖2d)，主要有紫紅色或灰黃色細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖組成，厚度一般0.5～2 m，發(fā)育波痕構(gòu)造、小型到中型楔狀交錯(cuò)層理，層理較亂，在夾有薄層泥的砂巖表面發(fā)育微生物成因構(gòu)造，且往往與波痕共生，微生物成因構(gòu)造的類型主要為紡錘狀脫水裂痕、皺飾構(gòu)造和似正弦狀構(gòu)造等，水動(dòng)力相對(duì)較強(qiáng)，指示河口沙壩、遠(yuǎn)端沙壩或湖灘等。

楔狀、板狀交錯(cuò)層理中粗砂巖相(圖2e)，多由紫紅色中粗粒長(zhǎng)石石英砂巖組成，厚0.2～1 m，大型楔狀交錯(cuò)層理或板狀交錯(cuò)層理發(fā)育，偶見(jiàn)大波痕，水動(dòng)力較強(qiáng)，代表分流河道或河口沙壩沉積。

礫巖相(圖2f)，主要有粉紅色、紫紅色礫巖或核形石組成，厚約0.4～2 m，在孫家溝組和劉家溝組發(fā)育很多層，有的層理發(fā)育成楔狀交錯(cuò)層理狀，有的成疊瓦狀構(gòu)造，核形石礫巖圈層發(fā)育、多呈同心狀，水動(dòng)力較強(qiáng)，指示分流河道、河床滯留沉積或水下河道。

根據(jù)巖相以及剖面整體沉積特征(圖1c)，主要?jiǎng)澐殖?個(gè)亞相，湖濱亞相、洪泛平原亞相和三角洲前緣亞相，10個(gè)微相即湖灘、河床滯留沉積、沼澤、天然堤、分流河道、水下河道、河口壩、遠(yuǎn)端沙壩、潮下帶和潮間帶。

(1) 湖濱亞相。該相主要發(fā)育在上石盒子組平頂山砂巖段和劉家溝組下部，主要有泥頁(yè)巖相、水平層理粉砂巖相以及楔狀交錯(cuò)層理細(xì)砂巖相組成。平頂山砂巖段包括3厚層灰黃色細(xì)砂巖、1層厚粉砂巖和3層砂泥互層(砂厚泥薄，且向上逐漸變厚)，無(wú)微生物成因構(gòu)造發(fā)育；而劉家溝組下部主要發(fā)育楔狀交錯(cuò)層理細(xì)砂巖相和楔狀、板狀交錯(cuò)層理中粗砂巖相，發(fā)育較為豐富的微生物成因構(gòu)造、波痕和楔狀交錯(cuò)層理等。主要有湖灘微相、潮下帶微相和潮間帶微相。

圖2 豫西濟(jì)源地層及沉積構(gòu)造a.方山剖面；b.厚層泥巖；c.水平層理；d.楔狀交錯(cuò)層理；e.板狀交錯(cuò)層理；f.大型楔狀交錯(cuò)層理Fig.2 Strata and sedimentary structures in Jiyuan, western Henana. Fangshan section; b. thick mud stone; c. horizontal bedding; d. wedge cross-bedding; e. tabular cross-bedding; f. large tabular cross-bedding

(2) 三角洲平原亞相。該相主要發(fā)育在孫家溝組下段，主要有泥頁(yè)巖相、水平層理粉砂巖相和礫巖相組成，包括多層厚紫紅色泥巖，夾有礫巖層，發(fā)育微生物成因構(gòu)造，主要發(fā)育在13層、14層的砂泥互層的砂巖表面上，類型多樣。主要有滯留沉積、分流沼澤微相、分流河道微相和天然堤微相。

(3) 三角洲前緣亞相。該相主要發(fā)育在孫家溝組上段和劉家溝組，主要有水平層理粉砂巖相、楔狀交錯(cuò)層理細(xì)砂巖相、礫巖相以及楔狀、板狀交錯(cuò)層理中粗砂巖相組成，發(fā)育微生物成因構(gòu)造、波痕等構(gòu)造，微生物成因構(gòu)造類型多樣。主要有分流河道微相、水下河道微相、河口壩微相以及遠(yuǎn)端沙壩微相，包括了多個(gè)整體水進(jìn)的沉積旋回。

從剖面總體分析(圖1c)，濟(jì)源方山沉積環(huán)境大概可分為：下部三角洲湖灘沉積；中下部三角洲平原沉積，包括分流沼澤、天然堤和水上分流河道等；中上部為湖濱沉積以及水下河道、河口沙壩和遠(yuǎn)端沙壩沉積旋回交互沉積，向上基本穩(wěn)定在三角洲前緣沉積，整體上為陸源充足的緩慢的水進(jìn)辮狀河三角洲沉積。

2.2 陸相微生物成因構(gòu)造

2.2.1 濟(jì)源地區(qū)微生物成因構(gòu)造總體特征及分類

濟(jì)源地區(qū)的微生物成因構(gòu)造主要發(fā)現(xiàn)在孫家溝組下部和劉家溝組下部(圖1c)，孫家溝組的微生物成因構(gòu)造主要發(fā)育在灰白色或紫紅色砂泥互層的薄板狀細(xì)砂巖、粉砂巖的表面，甚至發(fā)育在泥質(zhì)粉砂層表面，微生物成因構(gòu)造顆粒含泥質(zhì)物較多，與其他沉積構(gòu)造伴生的少，僅有鈣質(zhì)結(jié)核發(fā)育；劉家溝組的微生物成因構(gòu)造主要發(fā)育在紫紅色砂巖層面上，砂巖顆粒成熟度高、磨圓度中等，多與波痕共生。在微生物成因構(gòu)造分類上，我們采用Schieber的分類方法[30]，將微生物成因構(gòu)造分成微生物席生長(zhǎng)構(gòu)造、微生物席破壞構(gòu)造、微生物席新陳代謝構(gòu)造和微生物席腐爛構(gòu)造。根據(jù)其分類方法及野外描述，濟(jì)源地區(qū)的微生物成因構(gòu)造主要有2類，一類是微生物席生長(zhǎng)構(gòu)造，主要發(fā)育在劉家溝組下部，孫家溝組較少，該構(gòu)造發(fā)育不多，規(guī)模較小。另一類是微生物席破壞構(gòu)造，這類構(gòu)造是研究區(qū)發(fā)育較多且較為普遍的構(gòu)造，規(guī)模大小不一，有單層的，有多層的，主要發(fā)育在孫家溝組和劉家溝組下部地層中。孫家溝組的微生物成因構(gòu)造主要在厚層泥巖夾的薄層砂巖、粉砂巖表面或?qū)又?；劉家溝組的微生物成因構(gòu)造，主要在中厚層砂巖和薄層泥間的砂巖表面上，多與波痕共生。

2.2.2 微生物席生長(zhǎng)構(gòu)造

微生物席生長(zhǎng)構(gòu)造是席生長(zhǎng)或發(fā)育過(guò)程中微生物群落活動(dòng)以及生長(zhǎng)方式、速率發(fā)生改變等在沉積物表層形成的沉積構(gòu)造，多數(shù)是席的生長(zhǎng)使沉積物和水體附近發(fā)生了明顯的變化而留下的特殊的沉積構(gòu)造[11-12,30]。研究區(qū)的生長(zhǎng)構(gòu)造發(fā)育較少，主要有生長(zhǎng)脊構(gòu)造(圖3a，c)，發(fā)育在孫家溝組下部或劉家溝上部。孫家溝組生長(zhǎng)構(gòu)造，脊長(zhǎng)2～5 cm，脊高1～2 mm，表面巖石顆粒相對(duì)較粗，含泥質(zhì)物相對(duì)較多，發(fā)育在洪泛平原沼澤或天然堤環(huán)境中；鏡下觀察生長(zhǎng)脊構(gòu)造發(fā)現(xiàn)，微生物席層與石英顆粒分界明顯(圖3b紅線處)，兩處顯示微生物席向上生長(zhǎng)的構(gòu)造，一處較明顯的向上生長(zhǎng)(綠色箭頭所示)，另一處則剛顯示雛形(黃色箭頭所示)。而劉家溝組生長(zhǎng)構(gòu)造與波痕共生，既有生長(zhǎng)脊構(gòu)造也有瘤狀突起(圖3c)。瘤狀突起(圖3c紅色箭頭所示)高出層面1～4 mm，直徑2～4 mm；生長(zhǎng)脊構(gòu)造(圖3c綠色箭頭所示)高出層面2～6 mm，脊寬2～9 mm，有些生長(zhǎng)脊已經(jīng)被后期風(fēng)化剝蝕而裸露，發(fā)育在湖濱環(huán)境。整個(gè)平面上覆蓋了一層微生物席，非常光滑，但二者的成因截然不同，下層的微生物席因光合作用產(chǎn)生氣體向上未能突破席而突出表面形成瘤狀突起，而生長(zhǎng)脊則是由于微生物席的局部過(guò)量生長(zhǎng)導(dǎo)致側(cè)向擴(kuò)張形成的[11-12]。

2.2.3 微生物席破壞構(gòu)造

微生物席破壞構(gòu)造是在微生物席形成之后，席與沉積表層暴露受物理或化學(xué)作用而發(fā)生開(kāi)裂、脫水、卷曲、變形或者被搬運(yùn)后再沉積而形成的相關(guān)沉積構(gòu)造[12,20]。破壞構(gòu)造因多發(fā)育在砂巖中，所以又常被一些學(xué)者稱作“砂裂”[20]。濟(jì)源地區(qū)陸相地層中的破壞構(gòu)造主要有曲形脫水裂痕、紡錘形脫水裂痕、多邊形脫水裂痕、樹(shù)枝狀脫水裂痕、直脊?fàn)蠲撍押?、皺飾?gòu)造和似正弦狀構(gòu)造。

(1) 曲形脫水裂痕。研究區(qū)曲形脫水裂痕有兩種，一種為單曲形脫水裂痕(圖3d)，發(fā)育在孫家溝組下部的洪泛平原環(huán)境中，呈長(zhǎng)曲形，脊較長(zhǎng)，有的長(zhǎng)達(dá)20 cm，脊寬不一，寬2～5 mm，脊顆粒以粉砂為主，圍巖泥巖較多。另一類為小曲形脫水裂痕(圖3e)，主要發(fā)育在孫家溝組下部的湖濱環(huán)境中，多呈彎月形，脊長(zhǎng)2～5 cm，脊寬0.3～0.5 mm，與單曲形構(gòu)造不同的是表明覆蓋有一層氧化膜。

(2) 紡錘形脫水裂痕。紡錘形脫水裂痕發(fā)育在劉家溝組下部的湖濱環(huán)境中，多與波痕伴生，主要為鳥(niǎo)足狀裂痕(圖3f)。鳥(niǎo)足狀裂痕與波痕共生，多發(fā)育在波痕表面，與多發(fā)育在波谷的似正弦狀微生物成因構(gòu)造有較大區(qū)別，該種構(gòu)造在波谷和波峰處不間斷，有的在脊兩端變尖，脊寬2～6 mm，由于在脊部不間斷，一些呈鳥(niǎo)足狀。

(3) 樹(shù)枝狀脫水裂痕。樹(shù)枝狀脫水裂痕在孫家溝組下部和劉家溝組下部均有發(fā)育，孫家溝組樹(shù)枝狀脫水裂痕(圖3g)，脊呈灰白色，比圍巖顏色較淺，顆粒較圍巖純凈，脊邊緣有捕捉的泥巖顆粒，圍巖含泥巖相對(duì)多些；鏡下薄片觀察，脊處有細(xì)小顆粒條帶層，其兩側(cè)顆粒具有定向性(圖3h)，一般認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)是微生物席捕捉顆粒、抵抗水流改造的證據(jù)[11-12]。劉家溝組樹(shù)枝狀脫水裂痕(圖3i)，脊與圍巖顏色一致，脊突起表面1～3 mm，圍巖表面具氧化膜。這兩種樹(shù)枝狀脫水裂痕形狀大體相同，但是脊與圍巖顆粒不同以及圍巖砂巖顆粒的純潔度不同，與二者所處的沉積環(huán)境不同所致，孫家溝組下部主要是洪泛平原沉積，致使圍巖和脊有較多泥質(zhì)沉積物，而微生物席捕獲的泥巖顆粒也相對(duì)較多，這個(gè)特征也是研究區(qū)微生物成因構(gòu)造區(qū)別于其他地區(qū)的典型特點(diǎn)；而劉家溝組下部發(fā)育的樹(shù)枝狀脫水裂痕，由于在湖濱環(huán)境，其砂巖顆粒相對(duì)純凈、均一。

(4) 在研究區(qū)發(fā)現(xiàn)了一種特殊的微生物成因構(gòu)造，即皺飾構(gòu)造和似正弦狀構(gòu)造(圖3j)。該構(gòu)造是皺飾構(gòu)造和似正弦狀構(gòu)造共生，主要發(fā)育在劉家溝組下部湖濱環(huán)境中。皺飾構(gòu)造主要形成在波痕的表面，顯現(xiàn)出疙瘩皺飾狀，波痕為干涉波痕，為兩期波痕形成，是微生物席覆蓋在波痕表面阻礙、捆綁流水波痕所形成，其上明亮的氧化膜為微生物席殘留物。而似正弦狀脫水裂痕(Manchuriophycus構(gòu)造)(圖3j紅色箭頭所指)，是微生物席脫水裂痕的一種特殊構(gòu)造，由生長(zhǎng)在波谷的相對(duì)較厚的微生物席脫水、干裂產(chǎn)生，在波谷內(nèi)多呈似正弦曲線狀蜿蜒分布[11-12]。濟(jì)源地區(qū)發(fā)育的這種構(gòu)造，在波谷內(nèi)多呈紡錘狀或似正弦形，個(gè)別呈近直線形，在波谷內(nèi)延伸較長(zhǎng)(圖3j紅色箭頭所示處)，長(zhǎng)可達(dá)12 cm，一些小裂痕穿過(guò)波峰，且波峰上的裂痕規(guī)模較波谷內(nèi)小。由于微生物席在波谷內(nèi)厚、波峰處薄，一般該構(gòu)造在波谷內(nèi)限制性發(fā)育，微生物席會(huì)在波谷和波峰處選擇性的生長(zhǎng)。

圖3 豫西濟(jì)源地區(qū)陸相二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交的微生物成因構(gòu)造及鏡下特征a，b.生長(zhǎng)脊構(gòu)造及鏡下微觀構(gòu)造(孫家溝組)；c.生長(zhǎng)脊構(gòu)造(黃色箭頭所指)和瘤狀突起(紅色箭頭所指)(劉家溝組)；d.單曲形脫水裂痕(孫家溝組)；e.小曲形脫水裂痕(劉家溝組)；f.鳥(niǎo)足狀脫水裂痕(劉家溝組)；g，h.樹(shù)枝狀脫水裂痕及微觀特征(孫家溝組)；i.樹(shù)枝狀脫水裂痕(劉家溝組)；j.似正弦狀脫水裂痕(紅色箭頭所示，劉家溝組)。圖中硬幣直徑為2 cm。Fig.3 Microbially induced sedimentary structures in terrestrial Permian-Triassic boundary in Jiyuan

(5) 多邊形脫水裂痕。多邊形脫水裂痕是研究區(qū)發(fā)育最多的微生物席破壞構(gòu)造，有多層的多邊形脫水裂痕，其上下層均為多邊形脫水裂痕，上下層脊大小不一，脊以細(xì)砂和粉砂為主，圍巖為砂和泥質(zhì)混合物。孫家溝組大型多邊形脫水裂痕(圖4a)，脊寬2～3 cm，長(zhǎng)10～20 cm，圍巖為相對(duì)純凈的粉砂、細(xì)砂巖，而脊顯示出微生物捕獲的泥巖、砂巖顆粒。微觀顯示脊下有一層較為明顯的、顆粒較其他大的、呈近平行排列的石英顆粒(圖4b紅色箭頭)，且石英顆粒磨圓度不好、棱角比較分明、純凈度較高。該特征被認(rèn)為是微生物席或絲狀體物質(zhì)有選擇性的捕獲、捆綁礦物顆粒的結(jié)果，而石英顆粒的定向排列也被認(rèn)為是微生物席抵制水流或其他流體等改造而形成的，這往往是識(shí)別碎屑巖中微生物席存在的重要標(biāo)志，也是微生物席(膜)存在的重要證據(jù)之一[12,31-32]。在石英顆粒下部的較小的石英顆粒較規(guī)則，有一層放大后發(fā)現(xiàn)其間有規(guī)則排列的石英顆粒，顆粒間有也近定向排列的黏土巖顆粒，多為明亮的云母顆粒，且越接近脊這種現(xiàn)象較多，而向下并未發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象(圖4c綠色箭頭所示)；表明在適宜的環(huán)境條件下，微生物在石英顆粒周圍生長(zhǎng)蔓延并捕獲其他礦物顆粒來(lái)充填縫隙，然后在縫隙處堆積；云母顆粒可能是被微生物團(tuán)塊捕捉而呈定向性[8]。

(6) 直脊?fàn)蠲撍押?圖4d)。該脫水裂痕主要發(fā)育在孫家溝組下部，一般呈單直脊?fàn)?，脊較長(zhǎng)，約10～30 cm，脊寬較均一，突出巖層面約1～3 mm，脊周邊的圍巖及氧化膜因風(fēng)化而剝蝕，脊中顆粒較雜亂，顆粒較圍巖砂巖顆粒粗，與微生物席捕獲沉積物有關(guān)。

鏡下微觀分析發(fā)現(xiàn)，脊呈大“U”形，且含暗色黏土礦物，比圍巖顆粒明顯發(fā)暗，邊界明顯(圖4e)。研究表明，泥裂是泥質(zhì)沉積物的脫水作用(單純的物理作用)所致，其縱向切割較深，能形成較為典型的“V”型。而砂巖顆粒沒(méi)有黏性，一般是不會(huì)收縮的，所以較難形成V型的泥裂[33]。這說(shuō)明濟(jì)源陸相微生物成因構(gòu)造與泥裂有著本質(zhì)的區(qū)別，應(yīng)該是微生物席暴露、干燥、脫水而形成的，這些特征也是微生物成因構(gòu)造區(qū)別泥裂的一個(gè)標(biāo)志[14]。在脊的下邊有層呈近平行的暗色條帶(圖4f)，條帶上部的顆粒不規(guī)則，有大有小，但整體上也呈近平行排列，條帶上浮有云母顆粒。通過(guò)能譜對(duì)暗色條帶中暗色物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn)(圖4g)，暗色物質(zhì)成分主要為O，Si，Al等，是黏土巖的主要成分，說(shuō)明暗色條帶為黏土礦物條帶。Schieber[30]指出黏土礦物層也能和微生物席一樣暴露、收縮而形成微生物成因構(gòu)造。圖4f中的黏土礦物層以及層下面的顆粒間黏土礦物，表明了微生物席較快的向上生長(zhǎng)、繁殖，在成巖過(guò)程中可能因干燥脫水后被黏土礦物所替代。黏土礦物條帶近平行以及上部的大小不規(guī)則、磨圓度差的石英顆粒的特征，被認(rèn)為是與微生物席阻礙、捕獲和捆綁有關(guān)[16,34]。

3 討論

3.1 濟(jì)源地區(qū)微生物成因構(gòu)造與二疊紀(jì)末大滅絕事件的關(guān)系

眾所周知，微生物成因構(gòu)造多出現(xiàn)在中新元古代、顯生宙極端環(huán)境以及現(xiàn)代海相環(huán)境中，發(fā)育在陸相環(huán)境的較少。那么研究區(qū)的陸相微生物成因構(gòu)造的出現(xiàn)是否與二疊紀(jì)末災(zāi)變事件有關(guān)，它對(duì)研究區(qū)微生物成因構(gòu)造的出現(xiàn)有何影響？一些學(xué)者指出顯生宙以來(lái)，微生物成因構(gòu)造僅僅出現(xiàn)在一些極端環(huán)境中或后生生物擾動(dòng)少的地方[35-36]。然而，Daviesetal.[37]對(duì)近年來(lái)報(bào)道的微生物成因構(gòu)造總結(jié)分析指出，它不但普遍出現(xiàn)在前寒武紀(jì)和顯生宙的各類特殊時(shí)期，而且出現(xiàn)在顯生宙以來(lái)的各個(gè)紀(jì)，以寒武紀(jì)、三疊紀(jì)的海相中發(fā)育最多。在現(xiàn)代沉積環(huán)境中也發(fā)育微生物成因構(gòu)造，比如墨西哥灣[38]、紅海沿岸[39]、突尼斯薩布哈[40]、莫哈韋沙漠[41]以及埃及Aghormi湖[42]等。這說(shuō)明有可能微生物群落存在地史的各個(gè)時(shí)期，由于受到各種因素的影響，一些時(shí)期可能比較繁盛，處于優(yōu)勢(shì)地位而保存下來(lái)，一些時(shí)期可能處于劣勢(shì)地位而并未保存。Daviesetal.[37]指出適宜的沉積體系和沉積環(huán)境或者環(huán)境的改變，也能為微生物提供適宜繁殖和保存條件，就如現(xiàn)代海洋微生物成因構(gòu)造保存一樣。一些學(xué)者指出自寒武紀(jì)以來(lái)后生生物與微生物一直存在著此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，微生物的大量出現(xiàn)和繁殖與后生生物減少有很大關(guān)系[43]，后生生物既能通過(guò)鉆孔物破壞微生物席也能吞食微生物席，嚴(yán)重限制了微生物席的發(fā)育[44]，生物擾動(dòng)強(qiáng)度以及后生生物的破壞程度是微生物成因構(gòu)造形成和保存的重要的因素[31,36,45]。所以說(shuō)，生物擾動(dòng)和適宜的沉積環(huán)境是微生物成因構(gòu)造發(fā)育的重要因素。因此，我們認(rèn)為大滅絕事件使后生生物驟減，形成了適宜的沉積環(huán)境以及低強(qiáng)度的生物擾動(dòng)，為濟(jì)源地區(qū)微生物成因構(gòu)造的形成和保存提供了良好的發(fā)育條件。從微生物成因構(gòu)造在地史時(shí)期的廣泛分布以及在現(xiàn)代環(huán)境中的發(fā)育，說(shuō)明大滅絕事件是為微生物成因構(gòu)造的發(fā)育創(chuàng)造了有利條件，而并非必要的條件。

圖4 豫西濟(jì)源地區(qū)陸相二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交的微生物成因構(gòu)造及鏡下微觀特征a.大型多邊形脫水裂痕；b.定向排列的石英顆粒(小紅色箭頭所指)；c.顆粒間近平行的、不連續(xù)云母顆粒(黃色箭頭所指)；d.直脊?fàn)蠲撍押?；e.大“U”型脊；f. 近平行的暗色條帶(紅色箭頭所指)；g.暗色黏土礦物(SEM)。圖中硬幣直徑為2 cmFig.4 Microscopic feature of microbially induced sedimentary structures in terrestrial Permian-Triassic boundary in Jiyuana. large polygonal desiccation cracks; b. directed arrangement of quartz grains (small red arrows); c. parallel and discontinuous mica grains(small yellow arrows); d. straight ridge desiccation cracks; e. large “U” ridges; f. parallel clay minerals stripe(red arrows); g. dark clay minerals(SEM). Coin diameter is 2 cm

3.2 濟(jì)源地區(qū)微生物成因構(gòu)造的埋藏學(xué)特征及古環(huán)境意義

當(dāng)前報(bào)道的微生物成因構(gòu)造多發(fā)育在海相環(huán)境中，陸相環(huán)境的微生物成因構(gòu)造發(fā)育的較少且大多發(fā)育在與海相環(huán)境相似的湖相環(huán)境中，像濟(jì)源地區(qū)發(fā)育在河湖環(huán)境中的較少。我們通過(guò)與豫西魯山中元古代云夢(mèng)山組、山西黎城中元古代常州溝組、宜陽(yáng)和柳林早三疊紀(jì)劉家溝組的微生物成因構(gòu)造(表1)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的微生物成因構(gòu)造宏微觀特征與中元古代微生物成因構(gòu)造有著很大不同；與宜陽(yáng)、柳林地區(qū)劉家溝組微生物成因構(gòu)造既有較多的相似性，也有不同之處。研究區(qū)劉家溝組與宜陽(yáng)和柳林地區(qū)的微生物成因構(gòu)造有較多相似性，而研究區(qū)孫家溝組的微生物成因構(gòu)造則有明顯的不同，一是宜陽(yáng)和柳林地區(qū)微生物成因構(gòu)造均發(fā)育在劉家溝組的紫紅色長(zhǎng)石石英砂巖層面上，而研究區(qū)微生物成因構(gòu)造既發(fā)育在劉家溝組紫紅色長(zhǎng)石石英砂巖層面上，也發(fā)育在孫家溝組的紫紅色或灰白色粉砂巖表面，且顆粒不純凈，泥質(zhì)較多；二是研究區(qū)孫家溝組微生物成因構(gòu)造則發(fā)育在河流三角洲在洪泛平原環(huán)境中，微生物成因構(gòu)造表面泥質(zhì)物較多，且少有氧化膜。這些特征均表現(xiàn)出了研究區(qū)孫家溝組和劉家溝組，特別是孫家溝組微生物成因構(gòu)造特殊沉積環(huán)境和埋藏學(xué)特征。

一些學(xué)者研究認(rèn)為微生物成因構(gòu)造多發(fā)育在中等水動(dòng)力條件環(huán)境條件下，且多出現(xiàn)在相對(duì)純凈的被認(rèn)為是透明沉積物的細(xì)砂巖和粉砂巖的層面上[34]。那么為什么微生物成因構(gòu)造能在研究區(qū)孫家溝組陸相洪泛平原的砂泥互層中出現(xiàn)？我們認(rèn)為有3個(gè)主要因素。首先大滅絕事件，全球性的二疊紀(jì)末生物大滅絕事件，造成了陸地生態(tài)系統(tǒng)的崩潰，使約70%的陸地物種滅絕[46]。由于后生生物驟減，生物的掘穴能力和強(qiáng)度減弱，為微生物群落創(chuàng)造了有利的環(huán)境，使其大量繁殖，迅速形成較厚的微生物席覆蓋在沉積物表面上，為微生物成因構(gòu)造的形成創(chuàng)造了有利的條件。其次是氣候原因，研究區(qū)發(fā)育大量的紫紅色的泥巖指示了強(qiáng)氧化環(huán)境[24]，鈣質(zhì)結(jié)核和似核形石礫巖的多層發(fā)育，代表了炎熱的氣候下水土流失的嚴(yán)重[47]，惡劣的環(huán)境抑制了后生生物的復(fù)蘇，也為微生物成因構(gòu)造創(chuàng)造了有利的條件。再者是適宜的沉積條件。研究表明微生物成因構(gòu)造多發(fā)育在海泛面上[36]，水侵期間一般為饑餓沉積，這就為海(湖)濱等地方的微生物群落繁盛提供了有利條件，使微生物席快速向上生長(zhǎng)增厚而超過(guò)沉積作用成為主體[48]。晚古生代末秦嶺微板塊加劇了與華北板塊的碰撞擠壓，使北淮陽(yáng)及其北部隆升，使華北陸地原先向南流的水改為向北流[49]，并逐步向北水進(jìn)，到濟(jì)源地區(qū)形成了有益于微生物成因構(gòu)造形成的間歇暴露的三角洲洪泛平原沉積環(huán)境。3個(gè)因素的綜合影響，使微生物成因構(gòu)造能夠在研究區(qū)陸相洪泛平原上發(fā)育，并具有了特殊的埋藏學(xué)特征。

微生物成因構(gòu)造出現(xiàn)在中元古代以來(lái)的各個(gè)地史時(shí)期以及現(xiàn)代環(huán)境中，顯生宙以來(lái)除寒武紀(jì)其他多出現(xiàn)在幾個(gè)災(zāi)變事件時(shí)期，而微生物成因構(gòu)造在顯生宙災(zāi)變事件時(shí)期的出現(xiàn)，一般都代表著一種比較特殊的生態(tài)環(huán)境。研究區(qū)發(fā)育的陸相微生物成因構(gòu)造表明，大滅絕事件后的微生物群落在陸地的繁盛，紫紅色泥巖、多層礫巖和鈣質(zhì)結(jié)核的發(fā)育代表著氣候炎熱、水土流失嚴(yán)重等等，均表明研究區(qū)是一個(gè)典型的二疊紀(jì)大滅絕后的陸相生態(tài)系統(tǒng)。我們根據(jù)研究區(qū)微生物成因構(gòu)造的宏微觀特征、埋藏學(xué)特征和沉積環(huán)境的分析以及與宜陽(yáng)剖面的對(duì)比研究，認(rèn)為該陸相生態(tài)系具有以微生物群落為主、后生動(dòng)物稀少、植被貧乏、氣候炎熱和水土流失嚴(yán)重等特征，它代表了研究區(qū)的災(zāi)后陸相生態(tài)系，甚至是豫西地區(qū)一個(gè)典型的二疊紀(jì)末災(zāi)變事件后的陸相生態(tài)系代表。通過(guò)對(duì)該生態(tài)系的對(duì)比研究，為揭示豫西地區(qū)二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交的生物大滅絕事件對(duì)陸地生態(tài)環(huán)境影響以及生物復(fù)蘇有重要的生態(tài)指示意義。

表1 豫西云夢(mèng)山組、山西黎城常州溝組、宜陽(yáng)和柳林劉家溝組以及研究區(qū)微生物成因構(gòu)造宏微觀特征對(duì)比

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)巖相、沉積相分析，認(rèn)為研究區(qū)二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交的沉積環(huán)境整體上為陸源充足的水進(jìn)辮狀河三角洲沉積。

(2) 將研究區(qū)的微生物成因構(gòu)造劃分為2種類型,微生物席生長(zhǎng)構(gòu)造和微生物席破壞構(gòu)造，8類構(gòu)造形態(tài)即生長(zhǎng)脊構(gòu)造、瘤狀突起、曲形脫水裂痕、紡錘狀脫水裂痕、似正弦狀構(gòu)造、樹(shù)枝狀脫水裂痕、多邊形脫水裂痕和直脊?fàn)蠲撍押郏荤R下微觀分析脊顯示大“U”形結(jié)構(gòu)、石英顆粒定向排列、黏土礦物條帶以及捕獲的近平行的云母顆粒等特征，表明研究區(qū)微生物成因構(gòu)造是微生物群落與沉積環(huán)境相互作用的產(chǎn)物。

(3) 通過(guò)研究認(rèn)為微生物成因構(gòu)造形成的受多種因素控制，后生生物干擾和適宜的沉積環(huán)境為重要因素，二疊紀(jì)末災(zāi)變事件是其形成有利的條件，而非必要條件。研究區(qū)發(fā)育在洪泛平原具有特殊埋藏特征的陸相微生物成因構(gòu)造的形成，主要受二疊紀(jì)末災(zāi)變事件、適宜的沉積條件和氣候因素控制，代表著研究區(qū)以微生物群落為主、后生動(dòng)物稀少、植被貧乏、氣候炎熱和水土流失嚴(yán)重等特征的一種典型的災(zāi)后陸相生態(tài)系。

致謝 感謝評(píng)審專家提出的寶貴修改意見(jiàn)。

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CharacteristicsandPaleoenvironmentalSignificanceofMicrobiallyInducedSedimentaryStructures(MISSs)inTerrestrialP-TBoundaryinJiyuan,WesternHenanProvince

ZHENG Wei1,2, QI YongAn1,2, XING ZhiFeng1,2, BAI WanBei1, CHEN BaiBing1, LI XiaoYan1

1.InstituteofResourceandEnvironment,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo,Henan454003,China2.KeyLaboratoryofBiogenicTraces&SedimentaryMineralsofHenanProvince,Jiaozuo,Henan454003,China

We have firstly reported the presence of eight kinds of microbially induced sedimentary structures (MISSs) or sedimentary surface textures, including growth ridges, growth postulas, curved desiccation cracks, spindle-shaped cracks, “Manchuriophycus” structures, dendritic desiccation cracks, polygonal desiccation cracks and desiccation cracks from the terrestrial upper Permian Sunjiagou Formation and lower Triassic Liujiagou Formation in Jiyuan western Henan. Large U ridges, oriented sand quartz, mica grains and thin clayey laminae arranged parallel to bedding plane are the main features visible under the microscope. A series of evidence indicate that the Jiyuan MISSs are of biogenic origin. Compared with MISSs of the Mesoproterozoic Yunmengshan Formation in Lushan, the Mesoproterozoic Changchougou Formation in Licheng, Lower Triassic Liujiagou Formation in Yiyang and Liulin, we concluded that microbially induced sedimentary structures has special taphonomic characteristics and was controlled by the end-Permian mass extinction, sedimentary environments and climate factor in Jiyuan. MISSs of Jiyuan stands for terrestrial ecosystems following the end-Permian mass extinction with rich microbial community, scarce metazoan, poor plant, hot weather and serious soil erosion.

microbially induced sedimentary structures; the end-Permian mass extinction; terrestrial ecosystems; Jiyuan; western Henan province

1000-0550(2017)06-1121-12

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.06.004

2016-08-23；收修改稿日期2016-12-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41772110，41472083，41202071)[FoundationNational Nature Science Foundation of China, No. 41772110，41472083，41202071]

鄭偉，男，1979年出生，副教授，地球生物學(xué)和沉積學(xué)，E-mail: zhengw99@hpu.edu.cn

齊永安，男，教授，E-mail: qiya@hpu.edu.cn

P512.2

A