華北下二疊統(tǒng)太原組Zoophycos潛穴中碳酸鹽巖微形體的特征及其意義①

宋慧波 郭瑞睿 王保玉 胡 斌

(1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 河南焦作 454000;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 454000;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院 北京 100083)

0 引言

遺跡化石記錄了古生物的生命活動(dòng)規(guī)律，反映出古生物的行為習(xí)性及其生命活動(dòng)所處的生態(tài)環(huán)境，諸如水體深度、水體能量、水體鹽度和溫度、底層性質(zhì)等。中國(guó)遺跡化石的研究已經(jīng)歷了八十余載，當(dāng)下的研究階段為拓展(創(chuàng)新)研究階段(2004年至今)，其中，從地球生物學(xué)角度對(duì)復(fù)雜遺跡化石進(jìn)行研究逐漸成為新熱點(diǎn)［1］。

Zoophycos(動(dòng)藻跡)是一種大型復(fù)雜遺跡化石，主要發(fā)育于泥質(zhì)沉積和碳酸鹽巖沉積中，可以真正反映水和沉積物界面的情況［2，3，4］，其整體呈螺旋形，具蹼狀構(gòu)造，剖面上為多層的板狀構(gòu)造，具回填紋充填。該遺跡化石從下寒武統(tǒng)到第四系、從陸源碎屑巖到碳酸鹽巖、從濱海至深海沉積環(huán)境均有分布，形態(tài)復(fù)雜且精美，與此同時(shí)，也存在許多未解之謎，如造跡者歸屬與造跡過(guò)程、形成機(jī)理、宏觀與微觀的生態(tài)環(huán)境條件、生物學(xué)目的和指相意義等等。對(duì)造跡生物行為習(xí)性的分類(lèi)與解釋是解釋古環(huán)境的基礎(chǔ)，顯然，不能簡(jiǎn)單地把Zoophycos定為覓食跡。關(guān)于Zoophycos的功能和生物學(xué)目的，目前已經(jīng)提出了五種模式:食沉積物模式［5～9］、食海底表面碎屑物模式［10～12］、垃圾處理模式［13］、地窖儲(chǔ)藏模式［13，14］、微生物培植園模式和化能共生模式［13～20］。其中，后兩種模式與微生物的生長(zhǎng)、繁殖有一定的相關(guān)性。

地質(zhì)微生物是一些具有特殊生理作用的微生物，例如硫化物氧化菌、藍(lán)細(xì)菌、綠硫細(xì)菌和紫硫細(xì)菌、硫酸鹽還原菌等，這些微生物影響著沉積成巖的地球化學(xué)過(guò)程，其生命活動(dòng)改變著遺跡化石造跡者的生存環(huán)境，如氧化還原特性。地質(zhì)微生物及其功能群與遺跡化石的造跡生物是密不可分的，它們或形成食物鏈/網(wǎng)、或在特殊氧化還原及酸堿度上形成寄生、偏害共棲、初級(jí)合作、互利共棲的關(guān)系［13，18，19］。假如這些微生物能夠以化石的形式保存下來(lái)，那么Zoophycos潛穴中應(yīng)該具有與這些微生物形態(tài)類(lèi)似的礦物或礦物集合體。

因此，對(duì)Zoophycos潛穴中碳酸鹽巖的微形體研究非常必要。本文選取了華北下二疊統(tǒng)太原組的三條典型剖面(焦作劉莊剖面、禹州大風(fēng)口剖面和陵川附城剖面)，對(duì)Zoophycos潛穴中碳酸鹽巖微形體進(jìn)行觀察，以期對(duì)探討碳酸鹽巖沉淀過(guò)程、Zoophycos遺跡化石形成機(jī)理及其與微生物的共生關(guān)系有所貢獻(xiàn)。

1 地層及沉積背景

華北下二疊統(tǒng)太原組是在華北陸表海碳酸鹽巖臺(tái)地背景下形成的，為一套濱海、淺海、潟湖和潮坪沉積，其上以灰?guī)r或硅質(zhì)巖頂面為界，與山西組呈整合接觸，其下以最底部一層較穩(wěn)定的灰?guī)r為界，與本溪組整合接觸。太原組以灰—深灰色薄—中厚層狀生物碎屑灰?guī)r為主，自下而上，下二疊統(tǒng)太原組通常分為四段，分別為下部碎屑巖段、下部灰?guī)r段、中部碎屑巖段、上部灰?guī)r段，總厚度一般為70～90 m［21］。下部碎屑巖段由薄—厚層狀細(xì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖和煤組成;下部灰?guī)r段含灰?guī)r2～3層(局部達(dá)4～5層，其中下部2～3層較穩(wěn)定)，主要為深灰色中厚—厚層狀含燧石灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、薄層細(xì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖和煤;中部碎屑巖段由灰白色中厚—厚層狀中—細(xì)粒石英砂巖、薄層粉砂巖和砂質(zhì)泥巖組成，夾2～3層薄煤層及不穩(wěn)定的生物碎屑微晶灰?guī)r(常呈透鏡體，1～3層);上部灰?guī)r段含灰?guī)r4～5層，以灰、深灰色生物碎屑微晶灰?guī)r為主，夾薄層細(xì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和薄煤層(煤線)。

太原組各層灰?guī)r層中發(fā)育大量的實(shí)體化石，例如蜓類(lèi)、腕足類(lèi)、腹足類(lèi)、珊瑚、海百合等。遺跡化石以Zoophycos最為豐富，其他伴生的遺跡化石有Chondrites，Nereites，Palaeophycos，Rhizocorallium，Gordia，Taenidium， Teichichnus， Planolites， Thalassinoides等［22］。根據(jù)Zoophycos潛穴充填物顏色的不同，可將太原組Zoophycos分為四種類(lèi)型，即具黑色、灰色、灰白色、紅色充填物的Zoophycos。

前人已對(duì)華北太原組沉積環(huán)境做過(guò)許多研究［23，24］，該區(qū)太原組的沉積經(jīng)歷了潟湖、潮坪→濱、淺?！鷿暫?、潮坪→濱、淺海→潮坪或三角洲的演變過(guò)程。該區(qū)碳酸鹽巖的沉積過(guò)程中，陸源碎屑間歇性混入，為陸表海緩坡型碳酸鹽巖沉積。

2 樣品分析

河南焦作、禹州和山西附城二疊系太原組碳酸鹽巖中包含不同顏色(黑色、灰色、灰白色和紅色)充填的Zoophycos遺跡化石(圖1)。本文挑取了焦作和附城剖面中遺跡化石清晰、具有代表性的樣品，用錘子砸出新鮮面，并挑選較平整的面作為觀察面，且控制樣品高度在8 mm以下。將樣品用蒸餾水洗凈，置于干燥箱內(nèi)干燥，之后，利用導(dǎo)電膠固定在樣品托上，置于離子濺射儀中噴金。樣品處理完畢后，利用配有能譜儀(型號(hào):INCA-ENERGY 250)的掃描電子顯微鏡(型號(hào):JSM-6390/LV)對(duì)其進(jìn)行精細(xì)觀察及測(cè)定。

圖1 下二疊統(tǒng)太原組中四種顏色的Zoophycos潛穴充填物a.黑色充填物;b.灰色充填物;c.灰白色充填物;d.紅色充填物Fig.1 Four kinds of color filling in Zoophycos burrows from the Lower Permian Taiyuan Formation

本次工作研究Zoophycos潛穴樣品11個(gè)，發(fā)現(xiàn)了各種不同類(lèi)型的碳酸鹽巖微形體，并測(cè)定了其元素組成(表1)。從表1中可以看出樣品的主要成分為CaCO3，在不同顏色的樣品中，F(xiàn)e、Si、P 等元素的含量不盡相同。通過(guò)掃描電鏡觀察，在不同Zoophycos潛穴中共發(fā)現(xiàn)了六種形態(tài)完好的碳酸鹽巖微形體，其形狀分別是:球狀(表面光滑的球狀體、表面具有不定形細(xì)粒結(jié)構(gòu)的球狀體、表面呈刺狀細(xì)粒結(jié)構(gòu)的球狀體和球狀集合體)、桿狀(刺桿狀分枝形網(wǎng)狀體、刺桿狀單體、螺旋桿狀單體、雙列桿狀體、光滑直線形桿狀單體、末端膨大的光滑桿狀體)、簇狀集合體、網(wǎng)狀集合體、瓶狀體和似腦球體。

表1 Zoophycos潛穴樣品中碳酸鹽巖微形體種類(lèi)及元素組成Table 1 Kinds of carbonate micro-shapes and element composition in the samples of Zoophycos burrows

3 碳酸鹽巖微形體的組成及形貌特征

以往的研究表明，碳酸鹽巖中保存完好的地質(zhì)微生物化石有助于研究微生物礦化、佐證微生物引發(fā)碳酸鹽沉淀。例如:龔一鳴等(2007)研究了廣西來(lái)賓早二疊世茅口組深灰色灰?guī)r中發(fā)育的Zoophycos遺跡化石，發(fā)現(xiàn)了其蹼層中存在著的螺旋菌狀、球菌狀微生物化石，其大小約0.4～3.0 μm，分子化石檢測(cè)表明沉積物中存在較多還原態(tài)的硫，反映還原環(huán)境，推測(cè)這些特征可能與硫酸鹽類(lèi)還原菌有關(guān)［25］。楊克紅等(2009)在南海北部幾種不同形貌的冷泉碳酸鹽巖中發(fā)現(xiàn)了碳酸鹽巖球狀集合體，經(jīng)放大后分別呈現(xiàn)蠕蟲(chóng)狀和絲狀，均為微生物結(jié)構(gòu)［26］。溫志鋒等(2010)在柴達(dá)木盆地新近紀(jì)疊層石暗層中發(fā)現(xiàn)了保存完好的微米級(jí)別的微生物球狀構(gòu)造，確定其為類(lèi)似于Coccoid的硫還原微生物，另外發(fā)現(xiàn)的亞微米球狀顆粒一方面是極端條件下微生物體脫水收縮后的產(chǎn)物，另一方面也是疊層石微生物席胞外聚合物質(zhì)的重要組成部分［27］。本次研究發(fā)現(xiàn)的碳酸鹽巖微形體與上述研究成果有一定的相似性(如表面光滑的球狀體)，但也發(fā)現(xiàn)許多新的形態(tài)類(lèi)型。

3.1 碳酸鹽巖球狀體

通過(guò)掃描電鏡的精細(xì)觀察，在Zoophycos充填物中發(fā)現(xiàn)了大量球狀碳酸鹽巖微形體，根據(jù)球體表面形貌、個(gè)體大小及產(chǎn)狀特征，可將這些球狀體進(jìn)一步分為4種類(lèi)型:類(lèi)型1、2、3的球狀體呈單體或多個(gè)獨(dú)立體出現(xiàn)，類(lèi)型4中球狀體呈群出現(xiàn)。

類(lèi)型1為表面光滑的球狀體(圖2)，球狀體保存完好，表面較光滑，含少量碎屑，直徑變化相對(duì)較大，大部分集中于在2～15 μm。圖2f中的球體略扁，扁平面長(zhǎng)29 μm，寬 21 μm，在圖 2h中，球體表面具有裂口。

類(lèi)型2為表面具有不定形細(xì)粒結(jié)構(gòu)的球狀體(圖3)，該類(lèi)型球狀體直徑在2～10 μm之間，外壁具有細(xì)粒結(jié)構(gòu)，細(xì)粒有序排列，但形狀不規(guī)則。其中，部分球狀顆粒相互接觸、呈2個(gè)球狀體連生(圖3e，h)、3個(gè)球狀體連生(圖3g)和4個(gè)球狀體連生(圖3f)產(chǎn)出，有的球粒表面相對(duì)的兩側(cè)向內(nèi)凹(圖3f，g)，有的球粒具有裂紋(圖3h)。

類(lèi)型3為表面呈刺狀細(xì)粒結(jié)構(gòu)的球狀體(圖4)，該類(lèi)型球狀體的直徑在6～9 μm之間，表面均具有刺狀顆粒，在圖4d中，球體表面出現(xiàn)0.1～2 μm的裂紋，露出光滑的內(nèi)部表層。

以上三種類(lèi)型的碳酸鹽巖微形體顆粒均獨(dú)立出現(xiàn)在方解石顆粒之間或縫隙中。

類(lèi)型4為球狀集合體(圖5)，球狀體成群出現(xiàn)、分布密集，嵌于方解石晶體間，直徑較小。圖5a顯示出整體呈葡萄狀或串珠狀的球狀集合體，分布均勻有序，單個(gè)顆粒直徑在0.2～1 μm左右，圖5b顯示出由30個(gè)左右、表面呈蠕蟲(chóng)狀的球狀單體緊密相鄰而成的集合體，球狀單體直徑為2～3 μm(右圖為左圖的放大圖)。

3.2 碳酸鹽巖桿狀體

圖2 類(lèi)型1—表面光滑的碳酸鹽巖球狀體a，b來(lái)源于樣品J-26;c，d來(lái)源于樣品F-6;e，f來(lái)源于樣品F-8;g，h來(lái)源于樣品F-13Fig.2 Type 1—Spheroid-like carbonates with smooth surface

圖3 類(lèi)型2—表面具有不定形細(xì)粒結(jié)構(gòu)的碳酸鹽巖球狀體a來(lái)源于樣品J-3;b，h來(lái)源于樣品J-30;c，d，e，f，g均來(lái)源于樣品J-12Fig.3 Type 2—Spheroid-like carbonates with unshaped surface and fine grain structure

觀察到的另一大類(lèi)碳酸鹽巖微形體呈桿狀或枝桿狀分布，按照表面特征、個(gè)體形狀及分枝的分布狀況，可進(jìn)一步細(xì)分為以下6種類(lèi)型。

圖4 類(lèi)型3—表面呈刺狀細(xì)粒結(jié)構(gòu)的碳酸鹽巖球狀體a來(lái)源于樣品F-13;b來(lái)源于樣品J-13;c，d來(lái)源于樣品J-30Fig.4 Type 3—Spheroid-like carbonates with thorn surface and fine grain structure

圖5 類(lèi)型4—碳酸鹽巖球狀集合體a來(lái)源于樣品J-12;b來(lái)源于樣品F-9Fig.5 Type 4—Spheroid-like carbonate aggregates

類(lèi)型1為刺桿狀分枝形網(wǎng)狀體(圖6a)，桿狀體可見(jiàn)長(zhǎng)達(dá) 50 μm，直徑 2.0～7.5 μm，表面刺的長(zhǎng)度在3～7 μm左右，直徑小于1 μm，具有明顯分枝并連結(jié)成不規(guī)則的網(wǎng)狀形態(tài)。

類(lèi)型2為刺桿狀單體(圖6b)，桿狀體可見(jiàn)長(zhǎng)度達(dá)50 μm，直徑1.5 μm，表面布滿(mǎn)長(zhǎng)短不一的刺，刺的長(zhǎng)度在5～7 μm，直徑小于 1 μm，桿狀單體彼此平行排列，成群產(chǎn)出。

類(lèi)型3為螺旋桿狀單體(圖6c，d)，圖6c中桿狀體長(zhǎng)9 μm，直徑約1 μm，呈螺旋狀倒L形產(chǎn)出;圖6d中桿狀體較細(xì)長(zhǎng)，長(zhǎng)11 μm，直徑約0.9 μm，呈直桿螺旋狀，獨(dú)立分散產(chǎn)出。

類(lèi)型4為雙列桿狀體(圖7)，桿狀單體表面較光滑，呈雙列式緊密相貼，長(zhǎng)度為8～12 μm，單列直徑為 0.55～0.88 μm，獨(dú)立分散產(chǎn)出。

圖7 雙列式排列的碳酸鹽巖桿狀體(類(lèi)型4)a，b來(lái)源于樣品F-13;c，d來(lái)源于樣品J-12Fig.7 Carbonates of rhabditiform with biserial form(type 4)

類(lèi)型5為光滑直線形桿狀單體(圖8)，桿狀單體長(zhǎng)度在15～25 μm之間，橫切面為圓形，直徑在1 μm左右，獨(dú)立分散產(chǎn)出。

類(lèi)型6為末端膨大的光滑桿狀單體(圖9)，圖9a中桿狀體長(zhǎng)7.67 μm，寬0.67 μm，末端膨大處直徑約1 μm;圖 9b 中桿狀體可見(jiàn)長(zhǎng) 15.38 μm，寬 0.77 μm，末端膨大處直徑約1.15 μm，獨(dú)立分散產(chǎn)出。

3.3 碳酸鹽巖簇狀集合體

在河南焦作地區(qū)下二疊統(tǒng)太原組灰?guī)r(L6)中，發(fā)現(xiàn)Zoophycos的紅色充填物內(nèi)產(chǎn)有較多的碳酸鹽巖簇狀集合體(圖10)。該集合體主要組成元素為C、O、Ca、Fe、Si，其中，F(xiàn)e、O 元素的重量百分比最高，二者之和可達(dá)90%。通過(guò)觀察大量樣品發(fā)現(xiàn)，這種碳酸鹽巖集合體呈簇狀出現(xiàn)，可見(jiàn)大量粒狀、針狀、長(zhǎng)片狀結(jié)構(gòu)，集合體周邊被方解石包圍，方解石晶形良好。

3.4 碳酸鹽巖網(wǎng)狀集合體

在河南焦作地區(qū)下二疊統(tǒng)太原組灰?guī)r(L4)中，還發(fā)現(xiàn)Zoophycos的黑色充填物中呈現(xiàn)一種碳酸鹽巖網(wǎng)狀集合體(圖11)，該集合體的網(wǎng)狀單體形狀多樣，彼此交織疊覆，連結(jié)成網(wǎng)，單網(wǎng)形態(tài)不規(guī)則，其化學(xué)成分為 CaCO3。

圖8 光滑直線形碳酸鹽巖桿狀體(類(lèi)型5)a，b，d均來(lái)源于樣品F-13;c來(lái)源于樣品J-30Fig.8 Carbonates of rhabditiform in a straight line with smooth surface(type 5)

圖9 末端膨大的碳酸鹽巖光滑桿狀體(類(lèi)型6)a，b均來(lái)源于樣品F-13Fig.9 Carbonates of rhabditiform with smooth surface and expanding tail end(type 6)

圖10 河南焦作地區(qū)下二疊統(tǒng)太原組中的碳酸鹽巖簇狀集合體a，b，c，d均來(lái)源于樣品J-20Fig.10 Areatus carbonate aggregates in the Lower Permian Taiyuan Formation of Jiaozuo area，Henan province

圖11 河南焦作地區(qū)下二疊統(tǒng)太原組中的碳酸鹽巖網(wǎng)狀集合體(來(lái)源于樣品J-13)Fig.11 Net-like carbonate aggregates in the Lower Permian Taiyuan Formation of Jiaozuo area，Henan province

3.5 碳酸鹽巖瓶狀體

在山西附城地區(qū)下二疊統(tǒng)太原組的兩層灰?guī)r(L1，L7)中發(fā)現(xiàn)了兩種碳酸鹽巖瓶狀體(圖12)，其主要化學(xué)成分為CaCO3。圖12a中的瓶狀體形如花瓶，頂部有開(kāi)口，開(kāi)口周?chē)叩瓮痪?，瓶壁上可?jiàn)凹孔，瓶高 57.1 μm，瓶肚直徑為 33.4 μm，瓶頸直徑11.4 μm;圖12b中的瓶狀體形如一只葫蘆，表面較光滑，殼壁鈣質(zhì)，頂端未見(jiàn)開(kāi)口，總高13 μm，上部直徑5 μm，下部直徑8.9 μm。二者呈孤立狀態(tài)產(chǎn)出。

3.6 碳酸鹽巖似腦球體

在山西附城地區(qū)下二疊統(tǒng)太原組灰?guī)r(L1)中還發(fā)現(xiàn)了另外一種似腦球狀的碳酸鹽巖微形體(圖13)，簡(jiǎn)稱(chēng)為碳酸鹽巖似腦球體，呈孤立狀態(tài)產(chǎn)出。其表面為不定型的細(xì)粒結(jié)構(gòu)，主要化學(xué)成分為CaCO3。圖13a中的似腦球體測(cè)得長(zhǎng)寬為50 μm ×40 μm，由細(xì)小的方解石晶體集結(jié)而成，周?chē)@示出其他較大且不規(guī)則的方解石晶體;圖13b中的似腦球體測(cè)得長(zhǎng)寬為86 μm ×80 μm，中部有一個(gè)開(kāi)口，突顯出立體狀球形體，也是由細(xì)小的方解石晶體集結(jié)而成，與其周?chē)姆浇馐w大小相似。

4 結(jié)論

華北地區(qū)豫西和晉東南一帶下二疊統(tǒng)太原組碳酸鹽巖中的Zoophycos遺跡化石十分豐富，在利用掃描電子顯微鏡對(duì)Zoophycos潛穴中的充填物進(jìn)行超微特征觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)不同顏色充填物中含有多種形態(tài)特征的碳酸鹽巖微形體，經(jīng)研究取得以下認(rèn)識(shí):

(1)在不同Zoophycos潛穴充填物內(nèi)發(fā)現(xiàn)了六大類(lèi)成因與微生物相關(guān)的碳酸鹽巖微形體，包括球狀體、桿狀體、簇狀集合體、網(wǎng)狀集合體、瓶狀體和似腦球體。其中，球狀體又可進(jìn)一步細(xì)分為表面光滑的球狀體、表面具有不定形細(xì)粒結(jié)構(gòu)的球狀體、表面呈刺狀細(xì)粒結(jié)構(gòu)的球狀體和球狀集合體等四種類(lèi)型，桿狀體則可進(jìn)一步細(xì)分為刺桿狀分枝形網(wǎng)狀體、刺桿狀單體、螺旋桿狀單體、雙列桿狀體、光滑直線形桿狀單體和末端膨大的光滑桿狀體等六種類(lèi)型。這些碳酸鹽巖微形體的發(fā)現(xiàn)表明，Zoophycos不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的覓食跡或食物儲(chǔ)藏所，其造跡者很可能與微生物互利共生，并與食物鏈和氧化還原等生態(tài)環(huán)境條件密切相關(guān)。

圖12 山西附城地區(qū)下二疊統(tǒng)太原組中的碳酸鹽巖瓶狀體a來(lái)源于樣品F-8;b來(lái)源于樣品F-13Fig.12 Vase-like carbonates in the Lower Permian Taiyuan Formation of Fucheng area，Shanxi province

圖13 山西附城地區(qū)下二疊統(tǒng)太原組中的碳酸鹽巖似腦球體a來(lái)源于樣品F-6;b來(lái)源于樣品F-8Fig.13 Cerebrum-like carbonates in the Lower Permian Taiyuan Formation of Fucheng area，Shanxi province

(2)本文發(fā)現(xiàn)的微形體中，有一部分具有微生物結(jié)構(gòu)，但尚不能準(zhǔn)確確定是何種微生物，若將地球微生物化石與分子化石的研究相結(jié)合，將有利于確定地球微生物的生物分類(lèi)單位和生態(tài)特征。

(3)此次研究，對(duì)解釋宏體生物與微體生物間的關(guān)系有一定幫助，有助于探索地質(zhì)微生物作用尤其是古生菌對(duì)地球化學(xué)過(guò)程的影響，同時(shí)，也為精細(xì)分析華北地區(qū)下二疊統(tǒng)太原組碳酸鹽巖的形成過(guò)程及其沉積演化提供了新的微觀資料。

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