華北地臺寒武系芙蓉統(tǒng)均一石沉積組構分析

殷振軒， 左銀輝， 肖恩照， KHALID Latif

( 1. 成都理工大學 能源學院，四川 成都 610059； 2. 自然資源部極地科學重點實驗室 中國極地研究中心，上海 200136； 3. National Centre of Excellence in Geology, University of Peshawar, 25130 )

0 引言

均一石(Leiolite)由BRAGA J C等[1]提出，描述宏觀上以穹隆狀生物丘構造及顏色差異與普通灰?guī)r區(qū)分的一類相對均一、隱晶質巖性、無紋層或凝塊結構的中等構造微生物成因沉積[2-8]。構成該類生物丘主體的均一石具有貧乏結塊、成層或樹枝狀等構造，在分類研究中并不能簡單歸類為早期微生物巖分類中的疊層石或凝塊石。在微生物碳酸鹽巖分類中，RIDING R E等[2]、DUPRAZ C等[3-4]將均一石作為無明確宏觀組構的單一分類使用；梅冥相等將均一石與疊層石、凝塊石、樹形石，以及后紋理石、核形石一同修訂為微生物碳酸鹽巖的6個大類[6-12]。不同于其他種類微生物碳酸鹽巖，均一石在介觀結構上的貧乏與其顯微鏡下表現復雜非均一性沉積組構，使均一石的成因機理及環(huán)境響應等成為研究重點[6-8, 13]。了解構成微生物席的藍細菌及其分泌的細胞外聚合物的復雜鈣化作用，探討多重微生物膜在不同環(huán)境復雜代謝作用及相應產物，由于缺乏可類比的現代均一石實例，均一石的研究存在一定困難，均一石與碳酸鹽泥丘及粘結巖在形態(tài)及構成上的相似性也造成均一石在概念上的不確定[7]。

華北地臺在寒武紀接受沉積較晚，總體屬于陸表海沉積，紐芬蘭世及第二世以泥巖、粉砂巖與碳酸鹽巖組成的混合沉積為主，苗嶺世中后期至芙蓉世，向上變化為以鮞?；?guī)r及碳酸鹽泥為主的碳酸鹽臺地沉積序列[6,14-20]。華北地臺碳酸鹽巖發(fā)育廣泛[21]，為微生物碳酸鹽巖沉積特征的研究提供實例和理論基礎，梅冥相等[22-23]、常玉光等[24]、辛浩等[25]描述寒武系疊層石生物丘沉積組構；齊永安等[26]、LEE J H等[27]總結凝塊石及相關控制因素；HAN Z Z等[28]、肖恩照等[8,29]探討微生物席在核形石形成過程中的參與機制。

華北地臺寒武系疊層石[25,30-31]與核形石[8,12,29,32-34]研究較多，有關均一石的報道較少，在少數區(qū)域可見均一石生物丘發(fā)育，為寒武系均一石提供研究對象[6-8,13]?；谏綎|及河北地區(qū)均一石，梅冥相等[6-7]探討復雜的多重鈣化作用的形成機制與環(huán)境響應；肖恩照等[8]描述均一石內部復雜的微生物活動信號，印證顯生宙第一幕藍細菌鈣化作用，討論促進鈣碳酸鹽沉淀的微生物新陳代謝機制多樣性；LATIF K等[13]總結均一石內部泥晶與微亮晶成因機制。筆者選取河北淶源祁家峪剖面和山西大同口泉剖面均一石，由宏觀至微觀尺度分析兩個剖面同期均一石的形態(tài)學及碳酸鹽巖微相，討論均一石在沉積組構及環(huán)境響應表現的差異，探討均一石形成過程中微生物席與局部環(huán)境因素的影響，為研究均一石形成機制提供對比實例。

1 區(qū)域地質概況

祁家峪剖面位于河北省淶源縣西10 km處，口泉剖面位于山西省大同市西南約25 km處、華北地臺中北部(見圖1)。華北地臺寒武系芙蓉統(tǒng)可與“炒米店組”相對應，包含長山組及鳳山組，進一步劃分為3個三級層序[6,8]。華北地臺寒武系芙蓉統(tǒng)與廣泛發(fā)育鮞粒灘為特征的苗嶺統(tǒng)之間，以下伏鮞?；?guī)r、上覆鈣質泥巖組成的淹沒不整合型層序界面為底界[6-8,18,19]，而芙蓉統(tǒng)內部鈣質泥巖以向上變化為塊狀灰?guī)r為特點的緩坡型臺地，與下伏苗嶺統(tǒng)以鮞粒為特征的碳酸鹽臺地不同，芙蓉統(tǒng)內部常見以微生物碳酸鹽巖為主導的生物丘[6-8]。寒武系芙蓉統(tǒng)頂界常見白云石化現象，代表與奧陶系之間由變淺和暴露導致的陸上不整合面，指示構造抬升形成的特殊的華北地臺南緣潮坪相帶(見圖1(a))[6-8]。

祁家峪與口泉剖面長山組單獨構成一個三級層序，底界為陸棚相鈣質泥巖與下伏崮山組鮞粒灰?guī)r組成的突然相變面，代表海平面快速上升形成的淹沒不整合型層序界面；頂界為長山組頂部的泥晶灰?guī)r與上覆鳳山組陸棚相鈣質泥巖，同樣為典型的淹沒不整合型層序界面。祁家峪與口泉剖面長山組三級層序的底部為鈣質泥巖構成的凝縮段(CS)；中部高水位體系域(HST)主要由條帶狀泥晶灰?guī)r、泥灰?guī)r及生物潛穴灰?guī)r互層組成；頂部的強迫性海退體系域(FRST)由生物潛穴灰?guī)r與厚層塊狀泥晶灰?guī)r組成，以泥晶灰?guī)r內部發(fā)育的均一石生物丘為特征(見圖1(b))[8,18-19]。

圖1 研究區(qū)位置及剖面長山組層序地層劃分(據文獻[6]修改)Fig.1 Study area location and sequence stratigraphic framework for the Changshan Formation(modified by reference [6])

祁家峪與口泉剖面長山組巖性變化趨勢相似，由底部陸棚相鈣質泥巖，至中部以條帶狀泥晶灰?guī)r等為主的中、深緩坡相，再至頂部淺緩坡相厚層塊狀泥晶灰?guī)r，總體表現為向上變淺(見圖1(b))。兩個剖面均一石發(fā)育層位為三級層序頂部的厚層塊狀泥晶灰?guī)r，構成各自三級層序的強迫性海退體系域，代表相對海平面下降階段形成的產物(見圖2(a、c))。

圖2 均一石生物丘宏觀特征Fig.2 General features of the leiolitic bioherm

2 均一石宏觀特征

祁家峪與口泉剖面均一石在宏觀上具有較為相似的特征，與均一石的均一、隱晶質、無紋層、無凝塊結構的定義較為一致，野外表現為均一性隱晶質，以米級穹窿狀碳酸鹽巖丘體的形式發(fā)育于長山組頂界厚層塊狀泥晶灰?guī)r層，邊界清晰，可見與圍巖之間的突變邊界(見圖2(b、d))，具有早期石化作用特點[6-7,20]。這些丘狀體宏觀上形成較為明顯的巖體起伏，與RIDING R描述的生物丘相符[35]。生物丘主體不發(fā)育明顯組構，顏色差別與周圍塊狀灰?guī)r較易區(qū)分，與相同層序地層位置發(fā)育在鮞?；?guī)r內部的生物丘相比，產出位置雖同為淺緩坡，但發(fā)育在泥晶灰?guī)r中且缺少紋層等特征的均一石生物丘水體環(huán)境更深[6-8]。構成均一石生物丘的致密泥晶代表均勻堆積的結果，表明均一石生物丘可能為淺緩坡動蕩環(huán)境下微生物席底棲生長的產物。

3 均一石微觀特征

顯微鏡觀察結果顯示，祁家峪與口泉剖面的寒武系芙蓉統(tǒng)長山組均一石生物丘內部主要由暗色泥晶與微亮晶組成，含有較多生物碎屑。均一石內部鈣化微生物化石種類較為相似，主要包括附枝菌(Epiphyton)、葛萬菌(Girvanella)及腎形菌(Renalcis)。均一石內部發(fā)育大量黃鐵礦顆粒，說明在均一石形成過程中有藍細菌與異養(yǎng)細菌的參與。

3.1 附枝菌(Epiphyton)

祁家峪和口泉剖面均一石生物丘發(fā)育較為典型的附枝菌(Epiphyton)(見圖3(a-b))。附枝菌在外形上呈分叉的管狀樹狀體，放射狀、扇形狀密集發(fā)育；附枝菌在縱向截面表現為樹枝狀，在橫向截面表現為圓球狀，分枝呈圓棒狀，直徑介于40～90 μm，基本構成主要為暗色泥晶。

圖3 均一石生物丘內部附枝菌Fig.3 Images showing Epiphyton in the leiolitic bioherm

相對于祁家峪剖面，口泉剖面均一石生物丘內部附枝菌(見圖3(c-d))表現為：(1)附枝菌絲狀體分枝的直徑大多更粗更長，直徑大于60 μm；(2)附枝菌絲狀體分枝及主干的中心部位出現中空微亮晶區(qū)域，更接近基座菌(Hedstroemia)的特征[6]。根據附枝菌分枝直徑及其菌落基本形態(tài)，劃分4類附枝菌，為較粗枝杈狀(類型Ⅰ)、分段枝杈狀(類型Ⅱ)、較細枝杈狀(類型Ⅲ)和管狀枝杈狀(類型Ⅳ)。祁家峪剖面均一石生物丘內部主要發(fā)育類型Ⅲ附枝菌[36]，口泉剖面均一石生物丘內部附枝菌發(fā)育較粗大的分支，劃分為類型Ⅰ附枝菌。

3.2 葛萬菌(Girvanella)

祁家峪和口泉剖面均一石生物丘內部發(fā)育豐富的葛萬菌(Girvanella)絲狀體，呈均勻且長度不等的細長管狀，部分較長的個體可達毫米級，為相連細胞列和外部多糖質膠鞘組成的藍細菌化石，代表藍細菌鞘的活體鈣化作用的產物[5,37]。葛萬菌絲狀體外部為一層厚度約為5 μm暗色泥晶鞘壁，內部由亮晶方解石構成，內部直徑為10～20 μm。祁家峪剖面均一石生物丘內部葛萬菌呈不規(guī)則條帶狀分布，有小部分互相纏繞聚集為小團塊或單個絲狀體(見圖4(a- b))?？谌拭婢皇锴饍炔扛鹑f菌絲狀體更具有定向發(fā)育的特點，外部呈同一方向排列的條帶狀分布，葛萬菌條帶群落內部絲狀體相互聚集纏繞，但有一定的定向性(見圖4(c-d))，可能是底棲微生物席受水流的影響而形成的順流定向生長現象。

圖4 均一石生物丘內部葛萬菌Fig.4 Images showing Girvanella in the leiolitic bioherm

3.3 腎形菌(Renalcis)

祁家峪和口泉剖面均一石生物丘內部發(fā)育的腎形菌(Renalcis)在形態(tài)上比較多樣，表現為空的、不規(guī)則球狀(見圖5(a-b))、囊狀(見圖5(d))或直立生長腎臟形狀的束狀體。兩個剖面均一石生物丘內部發(fā)育的腎形菌主體表現為富含有機質的暗色泥晶壁，厚度約為10 μm，中腔直徑約為50 μm，被微亮晶方解石填充。顯微鏡下觀察可見不同形態(tài)的腎形菌菌落密集產出，形成毫米級葡萄狀群體(見圖5(c))。腎形菌被描述為球狀藍細菌菌落的鞘體鈣化產物，對光照、營養(yǎng)物等環(huán)境因素的變化具有更高的忍耐性。

圖5 均一石生物丘內部腎形菌Fig.5 Images showing Renalcis in the leiolitic bioherm

3.4 特殊藍細菌絲狀體化石

口泉剖面均一石內部可見一種以暗色泥晶(見圖6(a-c))為主要構成，集中產出毫米級絲狀體，在形態(tài)上無分叉且個體間無相互纏繞現象，常呈平行排列(見圖6(b))，可見較少的交叉或重疊現象。在外觀上，該類微生物絲狀體化石與葛萬菌絲狀體化石高度相似，內部未見由微亮晶方解石構成的空腔、個體之間無纏繞的平行排列模式，以及這類絲狀體更大的單體長度證明區(qū)別于常見的葛萬菌化石，可類比于現代的織線菌(Plectonema)，代表大氣圈CO2濃縮作用(CCM)機制的結果。

圖6 口泉剖面均一石生物丘內部絲狀微生物化石Fig.6 Images showing filamentous microbial fossils in the leiolitic bioherm from Kouquan Section

3.5 黃鐵礦顆粒

在祁家峪剖面寒武系芙蓉統(tǒng)長山組均一石的致密泥晶組構中，可見一種黑色黃鐵礦顆粒(見圖7)，直徑為5～30 μm，局部可見等粒狀亞微米級黃鐵礦晶體聚集成球形集合體[38]。作為碳酸鹽巖中硫酸鹽還原菌的遺跡化石[38]，黃鐵礦顆粒被描述為微生物席內硫酸鹽還原菌主導的硫酸鹽還原反應產物[39]，指示在均一石形成過程中有厭氧細菌的參與，以及均一石形成過程中復雜的微生物沉淀作用[6]。

圖7 祁家峪剖面均一石生物丘內部黃鐵礦顆粒Fig.7 Images showing pyrite particle in the leiolitic bioherm from Qijiayu Section

4 討論

祁家峪與口泉剖面寒武系芙蓉統(tǒng)長山組具有相似的巖性變化趨勢，以均一石為主體的生物丘發(fā)育在三級層序頂部的強迫性海退體系域，代表兩個剖面均一石為相對海平面下降階段的產物。與相同層序地層位置發(fā)育的疊層石生物丘或核形石相比，均一石生物丘缺乏宏觀上動蕩環(huán)境的指示(發(fā)育于鮞?；?guī)r)，以及自身無明顯紋層等介觀結構特征，指示均一石生物丘發(fā)育于淺緩坡相相對較深的位置。均一石生物丘與塊狀泥晶灰?guī)r之間的明顯邊界表明，均一石生物丘在形成過程中受微生物席約束，其內部顏色較淺的致密泥晶指示微生物席內存在持續(xù)進行的均勻堆積作用[1-2]。兩個剖面均一石生物丘相同的層序地層位置，以及環(huán)境與內部致密泥晶等特征，將均一石生物丘的形成描述為在缺乏風暴等動蕩因素的淺緩坡環(huán)境中，由光合作用微生物席固著后通過內部復雜鈣化作用建造的產物。

均一石微觀特征觀察表明，兩個剖面均一石在微生物化石種類上表現部分相似性，豐富的附枝菌(Epiphyton)、葛萬菌(Girvanella)、腎形菌(Renalcis)的發(fā)育與顯生宙第一幕藍細菌鈣化作用事件及其代表的微生物碳酸鹽的復蘇期相吻合。葛萬菌絲狀體被描述為藍細菌鞘活體鈣化作用的產物，需要研究寒武紀較高的CO2含量及不需要借助CCM機制的藍細菌鞘鈣化作用[7]，葛萬菌與附枝菌等較為典型的鈣化藍細菌化石，代表兩個剖面均一石形成于以藍細菌為主導的光合作用微生物席內復雜的鈣化作用[6]，說明微生物席分泌的細胞外聚合物基質在致密泥晶的均勻堆積過程中發(fā)揮重要作用[3-4,6]。附枝菌的多處發(fā)育對寒武紀第三世末期“附枝菌滅絕事件”，以及可能存在的寒武紀第三世至芙蓉世的生物造礁樣式的轉變等認識產生影響[8]。致密泥晶中可見黃鐵礦顆粒，指示硫酸鹽還原細菌的存在，以及硫酸鹽還原反應及其產生的堿度發(fā)動機在微生物沉淀作用中的貢獻。同時，表明均一石的形成是基于藍細菌主導的光合作用微生物席內部鈣化作用，以及異養(yǎng)細菌對藍細菌及其分泌的細胞外聚合物質(EPS)的降解過程。

祁家峪與口泉剖面在微生物化石特征上存在差異，口泉剖面附枝菌具有更粗大的分支、葛萬菌定向排列、腎形菌數量較多等。同時，口泉剖面均一石可見一種以群落集中出現的、可類比為織線菌(Plectonema)的絲狀微生物化石，織線菌被描述為藍細菌定殖過程中晚期演替的典型群落，指示微生物鉆孔等活動的加劇及藍細菌演替模式向最穩(wěn)定階段的發(fā)展[40]。類似織線菌的絲狀微生物化石的發(fā)現，表明祁家峪和口泉剖面均一石生物丘在相似的形成機制中存在差異。這些差異現象代表局部環(huán)境因素需要研究確定，同時受限于均一石較少的研究報道與可類比的現代實例，分析差異現象對應的局部營養(yǎng)程度與微生物席的環(huán)境響應機制存在困難。祁家峪和口泉剖面寒武系長山組均一石生物丘在微生物化石形態(tài)及種類上存在差異，證明構筑均一石的微生物席具有藍細菌種類多樣性與生態(tài)系統(tǒng)復雜性特征。

5 結論

(1)華北地臺祁家峪和口泉剖面均一石生物丘發(fā)育于三級層序頂部的強迫性海退體系域，代表兩個剖面均一石為相對海平面下降階段的產物。

(2)祁家峪和口泉剖面均一石生物丘內部可見的藍細菌化石種類高度相似，主要為附枝菌(Epiphyton)、葛萬菌(Girvanella)、腎形菌(Renalcis)，與顯生宙第一幕藍細菌鈣化作用和微生物碳酸鹽的復蘇期相吻合，代表兩個剖面均一石具有相近的微生物鈣化成因機制。

(3)黃鐵礦顆粒與藍細菌化石共同發(fā)育，代表均一石的形成是微生物席內鈣化作用與異養(yǎng)細菌降解作用的共同結果。均一石生物丘內部微生物化石形態(tài)特征上的差異，以及在口泉剖面可見的類比于織線菌(Plectonema)的絲狀體化石，代表兩個剖面均一石在局部環(huán)境及微生物多樣性上存在差異。