河北秦皇島駐操營(yíng)剖面張夏組鮞粒灘疊層石生物丘特征及沉積環(huán)境

朱一丹， 秦仁月

( 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083 )

0 引言

最古老的碳酸鹽疊層石從3.5 Ga[1]追溯到3.7 Ga[2]，地質(zhì)時(shí)代記錄疊層石的痕跡。疊層石最早由KALKOWSKY E[3]用于描述德國(guó)哈爾茨山脈沙漠湖早三疊世鮞?；?guī)r中的碳酸鹽柱和碳酸鹽丘，認(rèn)為疊層石是微生物生長(zhǎng)和新陳代謝作用的產(chǎn)物，也是沉積物通過(guò)捕獲、粘結(jié)和沉淀產(chǎn)生的有機(jī)沉積構(gòu)造，疊層石是微生物成因和層狀的；SEMIKHATOV M A等[4]認(rèn)為疊層石是層狀但不一定是有機(jī)的。疊層石是以藍(lán)細(xì)菌為主導(dǎo)的光合作用微生物席，形成依賴(lài)于復(fù)雜的微生物作用過(guò)程，并與凝塊石、樹(shù)形石、均一石、紋理石及核形石并列為微生物碳酸鹽巖六大類(lèi)[5-6]。

寒武紀(jì)作為顯生宙第一個(gè)紀(jì)，具有獨(dú)特的沉積作用特征和碳酸鹽沉積樣式,包括：大量產(chǎn)生與微生物活動(dòng)相關(guān)的灰泥[7]；伴隨后生動(dòng)物輻射，微生物碳酸鹽巖豐度不斷增加；“顯生宙早期第一幕藍(lán)細(xì)菌鈣化作用事件”的發(fā)生[8-10]；寒武系普遍發(fā)育竹葉狀礫屑灰?guī)r代表的風(fēng)暴沉積[11-13]，寒武紀(jì)海洋被稱(chēng)為“貧乏骨骼的風(fēng)暴?！盵14-15]；寒武紀(jì)第二世晚期造礁古杯動(dòng)物滅絕之后，苗嶺世至芙蓉世處于一個(gè)后生動(dòng)物生物礁多樣性相對(duì)較低的“生物礁間隔期”[16]。

太古宙以來(lái)，微生物生長(zhǎng)代謝產(chǎn)生的沉積物是碳酸鹽沉積物重要組分。近年來(lái)，從微生物碳酸鹽巖的角度，人們研究寒武紀(jì)疊層石，分析外部形態(tài)特征及微觀鏡下特征，揭示疊層石中發(fā)育的微生物類(lèi)型及微生物席特征。研究區(qū)寒武紀(jì)地層出露完整且連續(xù)，基于沉積學(xué)及巖石學(xué)的特征，研究駐操營(yíng)剖面張夏組鮞粒灘中柱狀疊層石的成因機(jī)制及沉積環(huán)境，發(fā)現(xiàn)致密泥晶中絲狀鈣化藍(lán)細(xì)菌鞘化石及窗格狀組構(gòu)、黃鐵礦殘余物、白云石晶體，為研究寒武紀(jì)疊層石的沉積環(huán)境和形成機(jī)制提供案例。

1 地質(zhì)背景

華北地臺(tái)沉積巨厚的淺海相碳酸鹽地層，研究區(qū)位于東北緣(見(jiàn)圖1)，且有良好的沉積序列出露。張夏組沉積時(shí)期，海侵范圍達(dá)到最大，華北地臺(tái)主要分為兩大相帶，除西北小部分為古陸外，其余部分從內(nèi)至外代表混合潮坪沉積體系(以白云巖為主的環(huán)潮坪相)到緩坡型碳酸鹽沉積序列(以灰?guī)r為主的中至緩坡相)的變化；同時(shí)代表一種不符合經(jīng)典的、種類(lèi)豐富的威爾遜碳酸鹽巖相模式，是一種全新的碳酸鹽臺(tái)地類(lèi)型[17]，其中向海一側(cè)為緩坡，向陸一側(cè)為潮坪。

圖1 華北地臺(tái)寒武紀(jì)張夏組沉積期沉積相帶分布(據(jù)文獻(xiàn)[13]修改)Fig.1 Distribution of Cambrian Zhangxia Formation sedimentary facies belts in North China Platform(modified by reference[13])

寒武紀(jì)，華北地臺(tái)大致從第二世開(kāi)始接受沉積，從東南向西北方向逐漸海侵，沉積地層直接超覆在不同時(shí)代的前寒武系之上，形成類(lèi)似于“北美地臺(tái)”[18]的巨型不整合面[19]，具有特征性的沉積序列旋回，沉積旋回地層依次為：底部第二世紅層和碳酸鹽巖混合沉積物、中部苗嶺世由鮞粒灘主導(dǎo)的碳酸鹽臺(tái)地(見(jiàn)圖2)及頂部芙蓉世由碳酸鹽泥主導(dǎo)的碳酸鹽臺(tái)地[20-21]。研究區(qū)寒武系苗嶺統(tǒng)張夏組與下部徐莊組和上覆崮山組為典型的淹沒(méi)不整合接觸[22]，具體表現(xiàn)為凝縮性質(zhì)的陸棚相鈣質(zhì)泥巖直接覆蓋在鮞粒灘相灰?guī)r地層之上，組成一個(gè)完整的淹沒(méi)不整合三級(jí)層序[23]。

毛莊組、徐莊組、張夏組和崮山組構(gòu)成寒武系苗嶺統(tǒng)，自下而上代表一個(gè)從混合潮坪(毛莊組和徐莊組下部)變化到鮞粒灘大片分布的緩坡型臺(tái)地(張夏組和崮山組上部)的沉積序列。張夏組頂部強(qiáng)迫型海退體系域[22]鮞粒灘灰?guī)r中，發(fā)育厚層疊層石生物丘和均一石生物丘；泥質(zhì)條帶狀灰?guī)r與塊狀鮞?；?guī)r間夾厚層塊狀疊層石生物丘構(gòu)成潮下型米級(jí)旋回，代表較慢侵蝕作用下的碳酸鹽沉積。

2 疊層石生物丘

2.1 宏觀特征

秦皇島駐操營(yíng)剖面張夏組頂部強(qiáng)迫型海退體系域發(fā)育疊層石生物丘(見(jiàn)圖3)，主要為大型柱狀和穹窿狀疊層石(見(jiàn)圖4)，柱體高度多為10～50 cm(見(jiàn)圖3-5)，高者可達(dá)數(shù)米級(jí)，寬度多在2～10 cm之間，相間排列，密集生長(zhǎng)，向疊層石上部具有加寬特點(diǎn)，局部可見(jiàn)分叉現(xiàn)象。疊層石間隙表現(xiàn)為泥質(zhì)層和波狀灰?guī)r層交互疊加特點(diǎn)，呈階梯狀，泥質(zhì)層風(fēng)化后形成一定空腔，灰?guī)r層兩邊與疊層石柱體相連，且在疊層石邊界處發(fā)育泥質(zhì)充填物并充填生物潛穴(見(jiàn)圖5(b-c))，紋層不明顯或較為粗糙，主要由深灰色紋層和淺灰色紋層交互疊加，類(lèi)似于“迷宮狀凝塊石”(Favosamaceria cooperi)[24]。更上部沉積單元中疊層石柱體類(lèi)似于棒球棒形態(tài)(見(jiàn)圖5(f))，柱體之間充填物為致密灰泥基質(zhì)，無(wú)分層現(xiàn)象，柱體與充填物界線明顯，柱體表面分布較為密集的縫合線構(gòu)造；穹窿狀疊層石柱體自下而上加寬，平面呈扇形，柱體高度約為20 cm，柱體間隔較大，紋層比較清晰，疊層石之間充填非紋層狀致密灰泥(見(jiàn)圖4(c)、圖5(e))。鮞?；?guī)r單層厚度約為10 cm，鮞?；?guī)r層和疊層石生物丘交互式產(chǎn)出(見(jiàn)圖5(a、d))，符合生物丘的特征[24]和微生物礁的概念[25-27]，類(lèi)似于鮞粒灘中的“藻坪”沉積[28]。

圖2 秦皇島駐操營(yíng)剖面寒武系張夏組地層柱狀圖Fig.2 Stratigraphic column of Cambrian Zhangxia Formation at Zhucaoying Section from Qinhuangdao

圖3 秦皇島駐操營(yíng)剖面寒武系張夏組頂部疊層石生物丘Fig.3 Stromatolitic bioherms at the top of Cambrian Zhangxia Formation of the Zhucaoying Section in Qinhuangdao

圖4 秦皇島駐操營(yíng)剖面柱狀和穹窿狀疊層石宏觀特征Fig 4 Macroscopic feature of columnar and domal stromatolites of the Zhucaoying Section in Qinhuangdao

2.2 微觀特征

2.2.1 石松藻狀鈣化藍(lán)細(xì)菌

顯微鏡下觀察可見(jiàn)，研究區(qū)張夏組頂部柱狀疊層石由均一暗色泥晶和少量微亮晶組成，無(wú)明顯的分層現(xiàn)象。疊層石中普遍發(fā)現(xiàn)石松藻(Lithocodium)狀鈣化藍(lán)細(xì)菌菌落殘余物(見(jiàn)圖6)，表現(xiàn)為暗色致密泥晶基質(zhì)中不規(guī)則亮晶顯微管構(gòu)成毫米級(jí)的網(wǎng)狀物。石松藻狀組構(gòu)被解釋為生物學(xué)屬性不明的鈣化藍(lán)細(xì)菌菌落，近年來(lái)類(lèi)似組構(gòu)被解釋為海綿成因，最新研究解釋為念珠菌(Nostoc)的鈣化殘余物[29]。少量胞網(wǎng)菌(Bacinella)組構(gòu)(見(jiàn)圖6(c-d))，表現(xiàn)為被不規(guī)則暗色泥晶薄膜分隔開(kāi)的微亮晶，且石松藻狀鈣化藍(lán)細(xì)菌菌落殘余物和胞網(wǎng)菌組構(gòu)能局部結(jié)合構(gòu)成石松藻—胞網(wǎng)菌(Lithocodium-Bacinella)沉積組構(gòu)。CHEN J等[30]、PARK J等[31]認(rèn)為石松藻—胞網(wǎng)菌(Lithocodium-Bacinella)組構(gòu)是海綿類(lèi)動(dòng)物的殘余物。暗色致密泥晶及石松藻狀鈣化藍(lán)細(xì)菌菌落中常見(jiàn)散布的黑色小點(diǎn)為黃鐵礦晶體的殘余物(見(jiàn)圖6(e-f))，代表富有機(jī)質(zhì)硫酸鹽還原環(huán)境下硫酸鹽還原細(xì)菌引起硫酸鹽還原反應(yīng)的產(chǎn)物。

圖5 秦皇島駐操營(yíng)剖面張夏組疊層石生物丘宏觀特征Fig.5 Macroscopic characteristics of stromatolitic bioherms from Zhangxia Formation of the Zhucaoying Section in Qinhuangdao

2.2.2 窗格狀組構(gòu)及發(fā)育的絲狀藍(lán)細(xì)菌

致密泥晶基質(zhì)中發(fā)育少數(shù)邊緣比較渾圓的生物潛穴(見(jiàn)圖6(a))和窗格狀組構(gòu)(見(jiàn)圖7(c-d))。窗格狀組構(gòu)由微亮晶充填，形態(tài)極端不規(guī)則，在巖石記錄中是一種由光合作用產(chǎn)生氧氣氣泡的表現(xiàn)。在構(gòu)成石松藻狀組構(gòu)的暗色泥晶中，發(fā)現(xiàn)一類(lèi)絲狀藍(lán)細(xì)菌鞘化石(見(jiàn)圖7(a-b))，長(zhǎng)度可達(dá)0.5mm，甚至更長(zhǎng)，泥晶壁很薄但厚度比較均勻，絲狀體管直徑小于10 m，呈束狀密集生長(zhǎng)在一起，不同于直徑較大且相互纏繞的葛萬(wàn)菌絲狀體(Girvanella)，劃歸為束線菌(Subtifloria)[32]。

圖6 秦皇島駐操營(yíng)剖面疊層石中的石松藻狀和胞網(wǎng)菌狀組構(gòu)Fig.6 Lithocodium and Bacinella inside stromatolites from the Zhucaoying Section in Qinhuangdao

2.2.3 霧心亮邊白云石晶體

顯微鏡下觀察可見(jiàn)，霧心亮邊白云石晶體充填在方解石晶體之間，形成砂糖狀白云石化膠結(jié)物，各白云石晶體大小不一，粒徑最大可達(dá)200 m，最小約為10 m(見(jiàn)圖8)。這種特殊的白云石晶體發(fā)育于致密泥晶基質(zhì)和生物潛穴(見(jiàn)圖6(a、e))，類(lèi)似于復(fù)州灣饅頭組核形石灰?guī)r生物潛穴中的白云石，代表富有機(jī)質(zhì)成巖微環(huán)境中的白云石沉淀物[33]。

3 沉積環(huán)境分析

疊層石作為微生物碳酸鹽巖的一類(lèi)，其形成過(guò)程與微生物生長(zhǎng)代謝密切相關(guān)。疊層石的成因機(jī)制主要有兩種：第一種是微生物通過(guò)粘結(jié)和捕獲碎屑顆粒與(或)形成礦物沉淀點(diǎn)而形成的有機(jī)沉積物[34]，即疊層石中分泌黏液的微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中捕獲、粘結(jié)碎屑物質(zhì)，經(jīng)紋層狀式加積而成；第二種是微生物通過(guò)細(xì)胞代謝改變細(xì)胞周?chē)奈锢砘瘜W(xué)條件，從而使碳酸鹽礦物原地沉積并鈣化[35]，強(qiáng)調(diào)微生物與環(huán)境的相互作用是形成疊層石的關(guān)鍵。GINSBURG R N[36]認(rèn)為，疊層石是在藍(lán)細(xì)菌等微生物的影響下，通過(guò)捕獲、粘結(jié)沉積物，促進(jìn)碳酸鹽礦物沉淀。在疊層石形成過(guò)程中，微生物的主導(dǎo)作用主要體現(xiàn)兩方面：

圖7 秦皇島駐操營(yíng)剖面疊層石中的絲狀鈣化藍(lán)細(xì)菌Fig.7 Filamentous calcified cyanobacteria inside stromatolites from the Zhucaoying Section in Qinhuangdao

圖8 秦皇島駐操營(yíng)剖面疊層石中砂糖狀白云石化Fig.8 Granulated dolomitization inside stromatolites from the Zhucaoying Section in Qinhuangdao

(1)驅(qū)動(dòng)碳酸鹽礦物沉淀的堿度發(fā)動(dòng)機(jī)。研究區(qū)寒武紀(jì)疊層石中發(fā)現(xiàn)絲狀鈣化藍(lán)細(xì)菌(見(jiàn)圖6、圖7(a-b))及黃鐵礦晶體殘余物(見(jiàn)圖6(e-f))，代表光合作用產(chǎn)生氧氣氣泡殘余物[37]的窗格狀組構(gòu)(見(jiàn)圖7(c-d))，以及代表硫酸鹽還原細(xì)菌發(fā)生硫還原作用的黃鐵礦晶體殘余物(見(jiàn)圖6(e-f))，既表明光合作用和硫酸鹽還原作用能提高周?chē)h(huán)境堿度，導(dǎo)致CaCO3過(guò)飽和，從而使碳酸鹽礦物發(fā)生原地沉淀及微生物席早期石化，也表明CaCO3大量沉淀在光合作用和硫還原作用較明顯的位置，加速泥晶紋層的形成和成巖作用[38]。

(2)細(xì)胞外聚合物(EPS)[39]的吸附與鈣化作用。EPS主要依靠從水體中吸附Ca2+，當(dāng)吸附作用超過(guò)EPS吸附Ca2+的能力后，碳酸鹽晶體通過(guò)EPS有機(jī)降解在微生物膜或微生物席表面并發(fā)生鈣化。礦化機(jī)制體現(xiàn)在微生物膜內(nèi)有機(jī)質(zhì)(如EPS)降解釋放Ca2+、Mg2+及H+后，絲狀鈣化藍(lán)細(xì)菌鞘(或EPS)誘發(fā)碳酸鹽礦物發(fā)生原地沉淀[40]。

秦皇島駐操營(yíng)剖面張夏組頂部鮞粒灘相灰?guī)r層與中至淺緩坡相灰?guī)r層明顯產(chǎn)出于海平面下降過(guò)程，構(gòu)成三級(jí)沉積層序的強(qiáng)迫型海退體系域(見(jiàn)圖2)，反映較快沉積物沉積作用、較慢侵蝕作用及海平面下降速率，是一種特別的在海平面下降階段同時(shí)發(fā)生沉積的沉積記錄。其中，發(fā)育在張夏組頂部強(qiáng)迫型海退體系域中的疊層石生物丘，直接覆蓋在鮞?；?guī)r構(gòu)成的硬底之上，且與鮞?；?guī)r層呈交互產(chǎn)出形態(tài)，表現(xiàn)層序地層框架下一種特別的鮞粒灘形成樣式，代表淺水高能動(dòng)蕩環(huán)境下微生物碳酸鹽沉淀作用的產(chǎn)物。

在研究區(qū)生物潛穴和致密泥晶基質(zhì)中發(fā)育霧心亮邊砂糖狀白云石晶體(見(jiàn)圖6(a、e))，代表在富有機(jī)質(zhì)成巖微環(huán)境下白云石沉淀作用[41]及選擇性白云石化[42]，白云石化機(jī)制可能與Mg2+黏土礦物相關(guān)聯(lián)，特別是三八面體硅鎂石。微生物席或微生物膜成巖作用期間EPS的降解釋放Mg2+，同時(shí)硫酸鹽還原反應(yīng)促進(jìn)碳酸鈣沉淀而消耗Ca2+，導(dǎo)致Mg2+/Ca2+升高并發(fā)生白云石化，形成特別的白云石殘余物，代表一種較為特殊的白云石形成機(jī)制。

準(zhǔn)同生期成巖作用對(duì)于疊層石生長(zhǎng)和保存具有重要意義[36,43]，沒(méi)有成巖作用，疊層石無(wú)法形成，更無(wú)法保存。疊層石表面沉積物早期成巖作用主要通過(guò)藍(lán)細(xì)菌的鈣化作用，當(dāng)處于CaCO3過(guò)飽和環(huán)境時(shí)，藍(lán)細(xì)菌絲狀體在藍(lán)細(xì)菌死亡后迅速鈣化，并將捕獲和粘結(jié)的碎屑顆粒包裹、膠結(jié)而形成堅(jiān)硬的骨架，這種鈣化和成巖作用速度較快。并不是所有藍(lán)細(xì)菌都能鈣化形成堅(jiān)硬巖石，因此，研究區(qū)張夏組疊層石生物丘的形成不能歸為藍(lán)細(xì)菌直接建造物，應(yīng)該解釋為由藍(lán)細(xì)菌主導(dǎo)的微生物膜或微生物席內(nèi)復(fù)雜的有機(jī)礦化過(guò)程和早期石化作用的產(chǎn)物。

4 結(jié)論

(1)河北秦皇島駐操營(yíng)剖面寒武系張夏組頂部強(qiáng)迫型海退體系域發(fā)育疊層石生物丘，且生長(zhǎng)在鮞?；?guī)r構(gòu)成的硬底之上，表現(xiàn)明顯的高能特點(diǎn)，是一種特別的在海平面下降階段同時(shí)發(fā)生沉積的沉積記錄。

(2)致密泥晶中發(fā)育絲狀鈣化藍(lán)細(xì)菌鞘化石及窗格狀組構(gòu)，表明疊層石形成于EPS和堿度發(fā)動(dòng)機(jī)緊密耦合的復(fù)雜鈣化作用，疊層石的形成與微生物席或微生物膜的光合作用密切相關(guān)。

(3)致密泥晶構(gòu)成的疊層石可見(jiàn)少量黃鐵礦殘余物，疊層石的形成與硫酸鹽還原細(xì)菌誘發(fā)沉淀作用具有一定的聯(lián)系。霧心亮邊砂糖狀白云石晶體的發(fā)現(xiàn)，為寒武紀(jì)高能水體微生物調(diào)節(jié)環(huán)境促進(jìn)碳酸鹽顆粒沉淀作用提供一個(gè)典型實(shí)例。