遼東半島震旦系甘井子組疊層石生長機制研究

苑鼎成,張永利,賴冠明,鞏恩普,王俊杰,李德鵬

東北大學,沈陽,110819

內(nèi)容提要: 遼東半島新元古界震旦系甘井子組疊層石出露完好,宏觀形態(tài)完整,微觀構(gòu)造清晰,是研究新元古代微生物碳酸鹽巖建造的理想對象,對恢復古環(huán)境和古生態(tài)研究具有重要意義。筆者等選擇甘井子組地層為研究對象,根據(jù)巖性特征該組自上而下可分成3段。疊層石出露于下段的底部和上段的頂部,底部疊層石為透鏡狀,頂部疊層石呈大規(guī)模層狀。下段疊層石呈現(xiàn)波紋狀—柱狀—丘狀的形態(tài)組合,上段疊層石呈現(xiàn)波紋狀—柱狀—長柱狀的形態(tài)組合,均為水深不斷增加的結(jié)果。筆者等通過對比現(xiàn)代疊層石生長機制,確定甘井子組疊層石紋層的3層構(gòu)造和形成順序,分析硬質(zhì)基底對于疊層石定殖和疊層石密集生長的控制,厘定環(huán)境變化從微觀到宏觀對于柱體形態(tài)和疊層石規(guī)模的影響,揭示了甘井子組疊層石的形成機制。

疊層石是由微生物在特定環(huán)境下與沉積物相互作用共同形成的生物沉積建造(Awramik et al., 1976),并以紋層構(gòu)造和原位生長為特征(Zhang Yi et al., 2021)。紋層構(gòu)造記錄疊層石原位不斷生長所需要的水深、物質(zhì)來源、水動力、光照等環(huán)境條件(Grotzinger et al., 1999;Vasconcelos et al., 2006;Schopf et al., 2007;Reid,2011),并通過重復疊加進而對整體形態(tài)產(chǎn)生影響(Riding,2008;Riding et al., 2011)。正是由于疊層石能夠記錄重要的古生態(tài)和古地理信息,因此對恢復地質(zhì)歷史時期的微生物碳酸鹽巖建造具有重要意義(Mann et al., 1989; 常玉光等,2013; Wu Yasheng et al., 2021)。

疊層石最早的保存記錄被認為可以追溯到3.7 Ga前(Wu Yasheng,2022),太古宙早期僅零星存在于蒸發(fā)盆地中,到太古宙晚期進一步擴展,古、中元古代達到發(fā)展的頂峰,但是在新元古代卻迅速走向衰落(Riding,2006;Peters et al., 2017)。新元古代全球發(fā)生了諸如大氣增氧事件、超大陸事件、雪球事件、生物爆發(fā)和滅絕事件(龐科等,2021;Zhang Yongli et al., 2023)。 與顯生宙豐富的生物礁系統(tǒng)不同的是,在古生物學方面只能通過簡單的早期生命建造體來了解這些事件(Semikhatov et al., 2000;Goh et al., 2009)。這些事件組合在不同程度上影響了微生物席的定殖、對碳酸鹽巖顆粒的捕獲或沉積、疊層石柱體的形態(tài)變化及疊層石的建造,并反映到疊層石的形成機制中(曠紅偉等,2019)。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于遼寧省大連市復州灣地區(qū)(圖1a、b),構(gòu)造上屬于華北克拉通(龐嵐尹等,2021),新元古代時期已進入穩(wěn)定克拉通階段,呈現(xiàn)典型蓋層沉積特征(鮑志東等,2019)。甘井子組屬于五行山群(五行山群自下到上為長嶺子組、南關(guān)嶺組和甘井子組),但是其地層劃分仍存在較多爭議。卜德安等(1986)認為甘井子組是震旦系的一個地層單位,作為連接南方、北方兩個震旦系間的空缺地層。陳孟莪等(1990)認為其是晚前寒武紀的重要組成部分,且在地層和古生物方面與淮南有較強的相似性。曹瑞驥(2000)將其歸屬于膠遼徐淮區(qū)并劃歸到新元古代晚期。曲洪祥等(2011)將其劃歸為南華系且處于兩次冰期之間,并認為遼南地區(qū)在甘井子組沉積時期氣候較為溫暖。龐科等(2021)根據(jù)生物地層學對比,總結(jié)華北克拉通中、新元古代同位素地球化學和地質(zhì)年代學確定,甘井子組可能歸屬于更早的新元古代拉伸紀。近期通過對比甘井子組和九頂山組微體化石,更加明確了膠遼徐淮地區(qū)生物地層學對比的合理性(Zhang Yongli et al., 2023)。

圖1 遼東半島地理位置及地質(zhì)簡圖:(a)研究區(qū)位置圖(底圖據(jù)自然資源部標準地圖服務(wù)網(wǎng)站,審圖號GS(2019)3333);(b)研究區(qū)地質(zhì)圖(據(jù)揚中柱等,2015)Fig.1 Geographical location and geological map of the Liaodong Penisula:(a) location of the Yuanjiagou profile in Fuzhou Bay area, Liaodong Penisula, North China Craton (base map from the standard map service website of the Ministray of Natural Resources, the figure number GS(2019)3333); (b)geological map of the study area (after Yang Zhongzhu et al., 2015#)

復州灣地區(qū)袁家溝甘井子組為碳酸鹽巖和豐富的硅質(zhì)碎屑組成的潮坪相、潟湖相沉積(曹瑞驥,2000),底部以淺灰色疊層石白云巖為標志與下伏南關(guān)嶺組分界,頂部以白云巖消失并出現(xiàn)深灰色含礫砂屑灰?guī)r為標志被寒武系堿廠組超覆(吳子杰等,2020)。根據(jù)巖性和古生物化石分布,甘井子組劃分為3段(圖2):①下段以淺灰色至深灰色的灰質(zhì)白云巖為主,存在縫合線和鳥眼構(gòu)造,出露透鏡狀疊層石(圖2a);②中段以深灰色至灰色白云質(zhì)灰?guī)r為主,中段地層從下至上依次出露水平層理(圖2b)、硅質(zhì)沉積、白云巖碎屑、鮞粒、風暴巖和條帶狀燧石;③上段以灰白色灰質(zhì)白云巖為主,出露大規(guī)模呈層狀分布的疊層石(圖2c)。

圖2 遼東半島復州灣袁家溝震旦系甘井子組綜合柱狀圖:(a)疊層石整體呈透鏡狀產(chǎn)出,右側(cè)人高1.8 m;(b)灰白色紋層白云巖;(c)疊層石呈層狀產(chǎn)出Fig.2 Comprehensive column of the Ganjingzi Formation, Sinian System (Ediacaran System), in Yuanjiagou, Fuzhou Bay area, Liaodong Penisula:(a)stromatolite mound, the person on the right is 1.8 m tall; (b)grayish-white laminated dolostone; (c)stromatolite biostrome

2 甘井子組疊層石宏觀特征

在對疊層石以往的研究中通常側(cè)重將形態(tài)作為劃分種屬的重點,甘井子組中含有Jurusania、Baicalia、Anabaria及Conophyton的疊層石組合(曹瑞驥等,2006175～210)。該疊層石組合以中小型柱狀疊層石為主,前人對此進行了詳細的系統(tǒng)描述(曹瑞驥,2003)。目前,古生物學分類規(guī)則需要定義分類單元的層次結(jié)構(gòu):形態(tài)物種、形態(tài)屬和物種類型(Kuang Hongwei et al., 2019)。但是在現(xiàn)代疊層石研究中,結(jié)構(gòu)標準主導著物種的定義,而不用具體區(qū)分形態(tài)屬(Riding et al., 2020)。因此,筆者等以疊層石宏觀形態(tài)特征為分類依據(jù),對甘井子組疊層石進行分類及命名。

2.1 甘井子組下段疊層石

復州灣袁家溝甘井子組剖面下段疊層石發(fā)育(圖3a),高約2 m,最寬處約3 m。疊層石發(fā)育在灰白色紋層白云巖基底上(圖3b),被中、薄層含礫屑灰色粉屑灰質(zhì)白云巖所覆蓋,風化面呈灰白色,具刀砍狀構(gòu)造。下段疊層石具有3種不同的形態(tài)分帶,可劃分為3個具體的生長階段。① 第一階段是疊層石開始形成并向上生長的階段,該階段高50 cm,主要由波紋狀疊層石組成。波紋狀疊層石呈不規(guī)則狀,兩個波峰間距約7 cm,波峰處的紋層相較于波谷處更加平滑(圖3c)。波紋狀疊層石暗層厚度為0.5～2 mm,其中較薄的暗層會出現(xiàn)間斷;亮層厚度約為1 mm,充填于暗層之間。② 第二階段高約1 m,主要由柱狀疊層石組成,在波紋狀疊層石上生長。柱體呈圓筒狀,傾斜生長,較少分叉或不分叉,柱體直徑隨柱體生長無明顯變化為3～4 cm,高2～4 cm(圖3d)。柱狀疊層石暗層厚薄不等,厚0.8～1 mm,而亮層厚0.3～0.5 mm。③ 第三階段高約50 cm,由獨立生長的丘狀疊層石組成,覆蓋在柱狀疊層石之上,疊層石柱體數(shù)量相對較少。丘狀疊層石柱體高6～9 cm,寬7～8 cm,柱體向上生長并逐漸膨大(圖3e)。疊層石底部紋層較為圓滑,不對稱生長的紋層內(nèi)具有尖銳狀突起,紋層隨突起疊加逐漸形成丘狀。丘狀疊層石暗層較厚,約1～2 mm,亮層較薄, 約1 mm。

圖3 遼東半島震旦系甘井子組下段疊層石及疊層石柱體形態(tài):(a)疊層石;(b)灰白色紋層白云巖基底;(c)波紋狀疊層石;(d)柱狀疊層石;(e)丘狀疊層石Fig.3 Stromatolite mound and stromatolite column morphology of the Lower Member, Ganjingzi Formation, Sinian System:(a) stromatolites;(b)gray-white lamellar dolostone substrate;(c)corrugated stromatolites;(d)columnar stromatolites;(e)cumulus stromatolites

2.2 甘井子組上段疊層石

袁家溝甘井子組剖面上段疊層石呈層狀產(chǎn)出,在橫向空間的延展達數(shù)百米。上段疊層石底部以波紋狀疊層石的出現(xiàn)為標志,定殖在灰白色灰質(zhì)白云巖基底上(圖4a)。波紋狀疊層石紋層形態(tài)不規(guī)則,厚約10 cm,波峰間距約10 cm。上段疊層石主體由柱狀疊層石組成,根據(jù)疊層石的形態(tài)特征、柱體密度和分叉多少可具體劃分為兩個生長階段。第一個生長階段疊層石生長不規(guī)律,柱體分叉較多,大小不一,大個體疊層石柱體周圍生長小個體疊層石(圖4b、c)。

圖4 遼東半島震旦系甘井子組上段疊層石及宏觀形態(tài):(a)淺灰色灰質(zhì)白云巖基底和波紋狀疊層石;(b)柱狀疊層石;(c)圖(b)框中放大區(qū)域,大個體疊層石被小個體疊層石所包圍;(d)柱狀疊層石縱截面;(e)長柱狀疊層石;(f)圖(e)框中放大區(qū)域,長柱狀疊層石個體;(g)圍繞長柱狀疊層石的灰泥;(h)長柱狀疊層石縱截面;(i)疊層石柱體間的灰泥Fig.4 The stromatolites of the Upper Member, Ganjingzi Formation, Sinian System, in Liaodong Penisula, and their macroscopic morphology:(a)the light grey calcareous dolostone substrate and corrugated stromatolites; (b)columnar stromatolites; (c) the enlarged area of the frame in(b), the large individual stromatolites are surrounded by small individual stromatolites; (d)longitudinal section of columnar stromatolites; (e)the long columnar stromatolites; (f) the enlarged area of the frame in(e), the long column stromatolites; (g)lime mud surrounding the long columnar stromatolites; (h)longitudinal section of the long columnar stromatolites;(i)lime mud between stromatolite columns

柱狀疊層石生長在波紋狀疊層石之上,初始生長間距較大,隨疊層石向上生長,柱體不斷增寬,疊層石柱體開始出現(xiàn)分叉(圖4d),暗層厚約1.5 mm,亮層相較于暗層更薄,不到1 mm。疊層石向四周分叉,分叉包圍中心較大柱體生長,隨疊層石分叉和中心柱體增粗,疊層石柱體間距逐漸減小。第二生長階段,疊層石生長較為密集(圖4e),柱體生長分布規(guī)律(圖4f),同一柱體直徑無明顯增長,多為4～5 cm,暗層厚度不到1 mm,亮層比暗層稍厚,約為1.5 mm。疊層石柱體間出現(xiàn)灰泥堆積(圖4g),較疊層石柱體更為突出并包圍疊層石柱體沉積。疊層石柱體形態(tài)較第一階段更為復雜多樣,橢圓狀、扁平狀、相互交錯的柱體開始出現(xiàn)。在疊層石柱間礫屑較多處,柱體常呈現(xiàn)不規(guī)則彎曲,并在彎曲處開始分叉,新的柱體生長在老柱體的轉(zhuǎn)折處(圖4h)。柱體相較于第一階段更長,柱體間距更小,生長更為密集(圖4i)。

3 甘井子組疊層石建造特征

3.1 甘井子組下段疊層石建造特征

疊層石形態(tài)的改變通常與水深,水體流動速度的變化具有較強關(guān)聯(lián)性(Kuang Hongwei et al., 2019;Thorie et al., 2020),甘井子組上段疊層石中,疊層石具有波紋狀—柱狀—丘狀的形態(tài)組合,呈現(xiàn)出3個不同階段的疊層石生長狀態(tài),分別代表了3種不同的疊層石生長環(huán)境(Mann et al., 1989)。波紋狀疊層石指示水動力較強的潮上帶環(huán)境(Allwood et al., 2006;Patranabis-Deb et al., 2018),柱狀疊層石多指示水動力較弱的潮間帶環(huán)境(Mann et al., 1989;Jahnert et al., 2011),丘狀疊層石個體較大,占據(jù)更多的空間,是在水動力更強的條件下疊層石開始擴散生長的結(jié)果(Zhang Yi et al., 2021)。甘井子組下段疊層石的形態(tài)變化趨近于巴哈馬疊層石從淺至深的形態(tài)變化(Dupraz et al., 2013),反映出疊層石在水體不斷加深的環(huán)境中進行生長(圖5a、b)。

甘井子組下段疊層石基底為紋層白云巖,局部可見鳥眼構(gòu)造,曾處于潮間帶或潮上帶環(huán)境中并多次露出水面(薛耀松等,1984)。隨著水體不斷加深,穩(wěn)定的基底和適宜的環(huán)境為微生物席的生長奠定了基礎(chǔ)(賈志海等,2008)。波紋狀紋層最早形成并平行于紋層白云巖基底進行生長,較強的水動力條件使疊層石難以形成完整的柱體(Carvalho et al., 2018)。水深的增加使水動力逐漸減弱,適宜的水流條件、營養(yǎng)條件和充足的空間促進柱狀疊層石的形成(Jahnert et al., 2011)。在完全淹沒的環(huán)境中,丘狀疊層石逐漸發(fā)育,較弱的水動力條件使得疊層石柱體開始擴散生長,隨疊層石生長柱體直徑不斷增加。

3.2 甘井子組上段疊層石建造特征

甘井子組下段呈層狀產(chǎn)出疊層石的出現(xiàn),表明開放的海洋條件也有利于疊層石的建造者——微生物席的定殖和廣泛生長(Samankassou,1999)。波紋狀疊層石在灰白色灰質(zhì)白云巖基底上開始生長,不規(guī)則的波紋狀疊層石象征定殖生長初期的動蕩環(huán)境(Allwood et al., 2006)。柱狀疊層石在短暫的動蕩環(huán)境中開始生長,較寬的柱體,向四周擴散生長的分叉,較大柱體間距體現(xiàn)第一階段生長的疊層石具備充裕的生長空間。該階段疊層石由于具備適宜的環(huán)境和較弱的水動力條件,疊層石廣泛定殖并呈現(xiàn)擴散生長的趨勢。隨著疊層石生長,疊層石柱體直徑不斷增加,分叉逐漸增多,導致更密集的疊層石柱體的出現(xiàn)(Bowlin et al., 2012)。當疊層石柱體密度到達臨界值,水流會受到疊層石柱體的阻攔,造成水動力條件的改變,進而影響疊層石的形態(tài)特征,導致長柱狀疊層石的出現(xiàn)(Bosak et al., 2013)。第二階段生長的疊層石柱體直徑基本不隨疊層石生長而進行增長,疊層石柱體呈階段性分叉或在柱體發(fā)生加寬時分叉。長柱狀疊層石的生長受到水動力條件和空間的限制,柱體直徑基本不變化,疊層石柱間開始堆積大顆粒沉積物(Knoll et al., 1998),形成疊層石柱體間的灰泥突起。同時由于水深和水動力強度的變化,柱體的長度受到了來自水流所攜帶的礦物顆粒供給的影響。流經(jīng)疊層石柱體的水體流速越快,微生物席在生長和代謝過程中可以吸附和沉淀礦物顆?；蛘卟东@礦物顆粒就越多(Riding et al., 2020),導致疊層石柱體長于第一階段。疊層石柱體在彎曲處開始分叉,彎曲位置疊層石柱體較為破碎,動蕩的環(huán)境影響著第二階段更多樣和復雜的疊層石形態(tài)和疊層石分叉的出現(xiàn)(圖5c、d)。

4 甘井子組疊層石微觀特征

疊層構(gòu)造的內(nèi)部特征能夠記錄水深和水動力強度的細微波動(曹瑞驥,1997),相同的疊層石形態(tài)組合特征可能代表著相同的環(huán)境條件(Zhang Yi et al., 2021)。紋層是疊層石生長的基礎(chǔ)單元,通過紋層構(gòu)造的觀察有助于了解引起甘井子組疊層石發(fā)生形態(tài)變化和建造的微觀因素(Marais,1990;Schidlowski,2001)。

甘井子組下段疊層石內(nèi),柱狀疊層石亮層主要由粉晶灰質(zhì)白云石組成,暗層主要由泥晶碳酸鹽礦物及少量粉晶白云石組成(圖6a)。柱狀疊層石的紋層自下至上有明顯的不同,下部暗、亮層分界不清晰,暗層厚約2 mm、亮層厚約0.5 mm,暗層中出現(xiàn)橢圓形的泥晶團塊。疊層石中部暗、亮層分界較為清晰,厚度有所增加,暗層厚約3～4 mm、亮層厚約1 mm。亮層出現(xiàn)較多自形—半自形白云石,粒徑0.1～0.2 mm不等,暗層局部隆起,凝塊狀沉積物在每個暗層內(nèi)均有分布(圖6d)。中部紋層呈穹窿狀,紋層弧度較下部有增加,紋層內(nèi)包裹一些打碎的泥晶團塊(圖6e),穹窿狀突起的亮層內(nèi)白云石具有菱形解理(圖6f)。疊層石上部暗、亮層逐漸變薄,層厚均為1 mm,且暗層顏色變淺,凝塊增多。疊層石的暗層和亮層間均出現(xiàn)較為清晰的界限,暗層內(nèi)也分化出兩種不同的顏色,分別為深灰色和淺灰色,且具有明顯的分界(圖g),這種深色暗層、淺色暗層、亮層特征筆者等稱其為3層構(gòu)造。

甘井子組下段丘狀疊層石亮暗層分布比較均勻,暗層較厚,約2 mm,亮層較薄,約0.5 mm(圖6b)。疊層石紋層呈穹窿狀,從下到上,疊層石直徑呈增大的趨勢,紋層弧度在疊層石直徑快速增長時逐漸增大,當疊層石直徑增長較慢時弧度逐漸減小。暗層中出現(xiàn)泥晶團塊,一些區(qū)域團塊呈橢球狀,出現(xiàn)在深色暗層內(nèi)(圖6h)。亮層出現(xiàn)在疊層石紋層弧度較大區(qū)域,有時存在于暗層間的縫隙內(nèi),暗層顏色具有明顯的兩分特征。深色暗層、淺色暗層、亮層的三層構(gòu)造特征依然可以觀察到。

甘井子組上段長柱狀疊層石直徑較為均勻,紋層弧度較小(圖6c),亮暗層分界不清晰,疊層石柱間沉積物由灰泥組成(圖6i)。三層構(gòu)造表現(xiàn)為深色暗層,黃色顆粒和顏色較淺的顆粒組成的淺色暗層和較薄亮層(圖6j)。部分區(qū)域暗層出現(xiàn)突起,導致礦物顆粒分布不均,隨著紋層的疊加,突起有增長的趨勢(圖6k)。柱狀疊層石內(nèi)紋層形態(tài)不規(guī)則,有較多突起和斷裂的出現(xiàn)(圖6l),但疊層石未出現(xiàn)新的分叉。

5 甘井子組疊層石生長機制研究

現(xiàn)代疊層石研究是探索地質(zhì)歷史時期中疊層石的一把鑰匙,在研究中—新元古代疊層石時常參照現(xiàn)代疊層石用以解釋其古環(huán)境和古生態(tài)(曹瑞驥等,200617)。目前對于現(xiàn)代疊層石研究重點聚焦于生長在開放海洋環(huán)境中的巴哈馬疊層石,提供疊層石與環(huán)境互相影響關(guān)系的西澳大利亞鯊魚灣疊層石和與前寒武紀具有相似的環(huán)境和地球化學條件的巴西東南部海岸潟湖疊層石(曹瑞驥等,1985;Paterson et al., 2010;Farías et al., 2011;Delfino et al., 2012;常玉光等,2012;Carvalho et al., 2018;Suosaari et al., 2019)。

現(xiàn)代疊層石在經(jīng)歷長時間的宏觀形態(tài)研究,目前向微觀的方向發(fā)展(Foster et al., 2009)。為了深入了解并還原甘井子組疊層生長形成機制,疊層石紋層構(gòu)造、柱體形態(tài)是重點的分析對象,現(xiàn)代疊層石的微生物席內(nèi)發(fā)生的紋層建造,水深、水動力強弱的影響更是重要的借鑒(Vasconcelos et al., 2008)。將甘井子組疊層石生長特征同現(xiàn)代疊層石紋層形成,柱體形態(tài)特征變化,疊層石建造綜合對比分析,才能更好地還原疊層石的生長機制(Dupraz et al., 2006)。

5.1 甘井子組疊層石紋層形成

海水的化學成份在古代與現(xiàn)代有很大不同,導致古代微生物席內(nèi)部生物組成與現(xiàn)代差別較大(Zhang Yongsheng et al., 2018)。在地質(zhì)歷史時期,微生物席內(nèi)的生物群落不斷向復雜化、多樣化進行演化,但是在礦物沉淀方面其基本結(jié)構(gòu)或生化功能與其祖先相似(Luo Mao et al., 2021)。甘井子組疊層石中觀察到的紋層的3層構(gòu)造,與微生物席的組成關(guān)系密切。在現(xiàn)代巴哈馬微生物席常由3層不同顏色的礦物及生物層組成,具有疊層狀構(gòu)造,從上到下依次為綠色藻類層、碳酸鹽巖顆粒層、紫紅色異養(yǎng)細菌層(Baumgartner et al., 2010;Decho et al., 2005; Reid et al., 1995)。在巴西高鹽潟湖中發(fā)現(xiàn)疊層石只是由兩種礦物層組成,分別為泥晶礦物層和礦物層外受細菌影響重結(jié)晶形成的礦物包邊,并無亮層存在,柱狀疊層石的生長過程中紋層間普遍存在空隙(Keim et al., 2020)。鯊魚灣柱狀疊層石紋層呈穹窿狀,空隙分布在礦物紋層之間,隨著疊層石生長,空隙收縮,在疊層石邊緣空隙收縮形成孔洞(Martin-Bello et al., 2019)。疊層石暗層為有機層,亮層為無機礦物層的認識在以往普遍被學者們所接受(嚴賢勤,2015),但是現(xiàn)代通過向疊層石紋層的更微觀和細致研究識別出亮層可能是疊層石形成中的穹窿狀空隙經(jīng)后期經(jīng)碳酸鹽巖重結(jié)晶形成(Keim et al., 2020)。深色暗層是由微生物席綠色藻類層捕獲或黏結(jié)礦物顆粒形成,隨著微生物席的向上生長,深色暗層進入紫紅色異養(yǎng)細菌層并在異養(yǎng)細菌層內(nèi)的酸性條件下將深色暗層溶解并重結(jié)晶形成淺色暗層(Decho et al., 2005)。

甘井子組疊層石紋層的3層構(gòu)造自下到上呈現(xiàn)出深色暗層—淺色暗層—亮層的沉積順序。部分淺色暗層在深色暗層下部出現(xiàn)或圍繞深色暗層,并且兩種暗層的分界不清晰,說明淺色暗層在深色暗層后形成。亮層和暗層間具有明顯的分界線,具有菱形解理的白云巖出現(xiàn)在疊層石的亮層中。白云巖自形—半自形的形態(tài)特征指示其是次生的,可能是重結(jié)晶或交代作用沿紋層間穹窿狀空隙的產(chǎn)物(朱筱敏等,2008175～177)。

甘井子組疊層石紋層的形成可以認為是微生物席捕獲并沉積白云石,使自身向上生長,并將沉積的礦物顆粒保存在微生物席內(nèi)。礦物顆粒在微生物席內(nèi)通過有機物的降解完成固結(jié),形成最初的暗層。微生物席在向上生長的過程中,由于一定的生物作用,在最初的暗層周圍形成重結(jié)晶的礦物包邊,在微生物席的逐漸降解下,暗層發(fā)生輕微的收縮,生成層間空隙,疊層構(gòu)造基本形成(圖7)。

圖7 疊層石生長機制:(a)微生物席收集礦物顆粒;(b)微生物席向上生長,礦物顆粒發(fā)生膠結(jié);(c)礦物包邊生成;(d)、(e)生成疊層狀的暗色薄層;(f)微生物席消失,暗色紋層收縮,疊層構(gòu)造初步生成Fig.7 Growth mechanism of stromatolites:(a)microbial mats collect mineral particles;(b)microbial mats grow upward and mineral particles cement;(c)formation of mineral cladding;(d), (e)formation of lamellar dark thin layer;(f)the microbial mat disappeared, the dark laminae contracted, and the laminae formed initially

5.2 甘井子組疊層石柱體生長

疊層石柱體的形成通常被解釋為微生物席對顆粒進行捕獲或沉積的結(jié)果(Allen et al., 2008)。相較于現(xiàn)代疊層石,前寒武紀疊層石通常是被動接受沉積,關(guān)于捕獲的證據(jù)依然缺少(Bosak et al., 2009)。巴哈馬被動接受沉積的現(xiàn)代微生物席大都定殖在碳酸鹽巖硬質(zhì)基底上(Mann et al., 1989),甘井子組疊層石也發(fā)現(xiàn)相同的現(xiàn)象(圖8)。

圖8 定殖于基底生長的疊層石柱體(箭頭指示疊層石柱體生長方向)Fig.8 Stromatolite columns colonizedin the substrat(arrows indicate the direction of stromatolite columns)

海洋生物在太古代就開始占據(jù)硬質(zhì)基底,硬質(zhì)基底相對于松散沉積物能為生物提供穩(wěn)定的生存環(huán)境(Butterfield,2000)。甘井子組疊層石與底部沉積物間具有明顯的分界,同時底部沉積物具有明顯弧度和起伏特征,說明基底先于疊層石形成并固結(jié)(張永利,200973～100)。硬質(zhì)基底的存在為微生物席的定殖和疊層石的生長提供了一個理想的固定場所。微生物席定殖在硬質(zhì)基底上,并依托于基底的形態(tài)垂直于基底繼續(xù)生長,形成疊層石柱體。疊層石在不斷生長的過程中,柱體從垂直于基底生長逐漸統(tǒng)一向上生長,這可能與微生物席中的生產(chǎn)者——綠色藻類層的親光性密切相關(guān)(Luo Mao et al., 2021)。微生物席作為藍藻和異養(yǎng)細菌的集合體,能發(fā)生光合作用,現(xiàn)代和前寒武發(fā)現(xiàn)的氣泡結(jié)構(gòu)就是在良好光合作用中發(fā)生的產(chǎn)物(Lan Zhongwu et al., 2020)。

研究區(qū)疊層石的向陽生長特性來源于光照會引發(fā)微生物席內(nèi)藻類活性的增強,導致微生物席黏結(jié)更多礦物顆粒(Decho et al., 2005)。更多的沉積礦物由于自重導致碳酸鹽巖顆粒在較低的位置大量沉積,較低位置的紋層加厚,使得疊層石柱體逐漸彎曲向上生長(Dupraz et al., 2006)。甘井子組疊層石彎折方向沉積變薄,背彎方向卻加厚的特征得到了很好的解釋。微觀層面提供了更多的證據(jù),深色暗層通常在傾斜角度較小的生長面上發(fā)育,而淺色暗層所代表的礦物包邊通常在傾斜角度較大的區(qū)域加厚。

甘井子組柱狀疊層石呈現(xiàn)從下段的不分叉到上段的2次分叉或多分叉的特征,對于柱狀疊層石的形態(tài)學分類來說,分叉與不分叉是判斷的關(guān)鍵(Andres et al., 2006;常玉光等,2013)。Bosak等(2013)通過運用定量分析來研究疊層石分叉,認為疊層石分叉可能與微觀結(jié)構(gòu)的破壞有關(guān),紋層的細微變化,在疊層石紋層的反復疊加下能產(chǎn)生更大的變化。現(xiàn)代的數(shù)學模型也證明了這一點,在疊層石生長過程中碳酸鹽巖顆粒在重力的作用下逐漸向柱體邊緣傾斜,沉積物依次疊加,微觀的裂隙最終影響疊層石柱體產(chǎn)生分叉(Dupraz et al., 2006)。光照在這個過程中也產(chǎn)生了影響,光合作用促進微生物席捕獲沉積物的速率,使得礦物顆粒在疊層石柱體表面分布不均,造成疊層石柱體上表面的重力是分布不均的,由此產(chǎn)生更多形態(tài)的分叉(Semikhatov et al., 2000)。但是,更多的對于分叉的影響可能來源于突發(fā)事件——風暴活動,水流變化等因素對于微生物席或疊層石紋層和柱體的破壞(Dupraz et al., 2013)?，F(xiàn)代微生物席常遭受風暴或水流作用被海洋沉積顆粒所破壞或掩埋,疊層石的生長方向受到一定程度的影響,向沉積顆粒較少區(qū)域進行生長(Mann et al., 1989)。甘井子組疊層石的柱體分叉是紋層逐漸積累沉積物并產(chǎn)生斷裂形成的,疊層石微觀層面常出現(xiàn)打碎的泥晶團塊,可能是環(huán)境擾動造成的。疊層石在不斷的側(cè)向生長中由于受到重力或是環(huán)境的變化的影響造成紋層的缺失,疊層石在柱體的斷面繼續(xù)生長,導致柱體生長方向的突然變化,在原有的柱體上產(chǎn)生分叉(圖9)。

圖9 疊層石柱體分叉:(a)白色虛線表示疊層石柱體輪廓,箭頭表示疊層石同一柱體的兩個生長軸心方向,黑框內(nèi)為缺失紋層部分;(b)圖(a)框中放大區(qū)域;(c)紋層變化示意圖Fig.9 Stromatolite column bifurcation:(a)the white dashed line represents the outline of the stromatolite column, the yellow arrows represents the direction of the two growth axes of the same column, and the black frame represents the missing laminae;(b)in the enlarged area of frame(a);(c)schematic diagram of laminar change

疊層石柱體形態(tài)主要為疊層石形態(tài)學特征,影響疊層石柱體的形態(tài)的基礎(chǔ)是疊層石紋層薄厚程度(Dupraz et al., 2006),而微生物席正是疊層石紋層構(gòu)建的發(fā)生工廠(Desnues et al., 2008)。生成現(xiàn)代柱狀疊層石和波紋狀疊層石的微生物席具有不同的藍藻、細菌的組合,柱狀疊層石的微生物席具有較多的真核藻類,而波紋狀疊層石微生物席基本由原核生物構(gòu)成(Dupraz et al., 2006)。更為基礎(chǔ)的生物結(jié)構(gòu)具有更好的穩(wěn)定性和抗外界干擾能力,在較為動蕩和反復掩埋的環(huán)境中不適宜柱狀疊層石微生物席生長(Andres et al., 2006)。波紋狀、柱狀、丘狀等疊層石不同形態(tài)的出現(xiàn)趨近于環(huán)境對于微生物席的影響而不是傳統(tǒng)所認為的基因控制(Burns et al., 2021)。目前國內(nèi)外普遍認為影響疊層石形態(tài)主要因素為水深和水動力條件的變化,疊層石的不斷生長也會對其身處的水深和動力條件產(chǎn)生影響(Chang Yuguang et al., 2013;Bosak et al., 2013)。當疊層石柱體生長到一定的密集程度,經(jīng)過疊層石柱體間的水流會發(fā)生變化,柱間過快的水流會將微生物席捕獲或沉積的大顆粒沉積物進行篩選、運移,造成疊層石柱間灰泥的堆積,使疊層石柱體更加穩(wěn)定,分叉受到限制(Cuerno et al., 2011)。

甘井子組疊層石柱體的形態(tài)、分叉受到水深及水動力條件的影響,適宜的水深及水動力條件才能使微生物席在基底上定殖,由于硬質(zhì)基底的存在使得甘井子組上段疊層石相較于下段疊層石生長更加繁盛。微生物席結(jié)殼在硬質(zhì)基底上,在生長的早期光合作用并不是影響柱體形態(tài)的主要因素,而當疊層石柱體生長到一定的高度光合作用的開始影響疊層石柱體的形態(tài)。早期的波紋狀疊層石生長階段也是微生物席早期的定殖階段,隨著水深的增加,微生物席具有更為廣闊的生長空間,微生物席內(nèi)的生物組成也更為復雜,影響了柱狀疊層石及丘狀疊層石的生長。同時,由于柱體的不斷生長對微生物席所在的水深及水動力條件產(chǎn)生影響,環(huán)境條件的改變對疊層石柱體直徑的增加起到限制作用。甘井子組疊層石分叉多受環(huán)境突然變化的影響,疊層石在動蕩的環(huán)境中分叉,并出現(xiàn)較多的分叉形態(tài)。環(huán)境和微生物席本身均對疊層石柱體的生長產(chǎn)生了一定程度的影響。

5.3 甘井子組疊層石建造

現(xiàn)代疊層石的建造形態(tài)通常由臺地形態(tài)、海浪及風暴活動控制,疊層石的建造形態(tài)及形態(tài)組合與海平面波動具有較強關(guān)聯(lián)(Sanborn et al., 2020)。新元古代早期,由于構(gòu)造活動,蒙古—遼東大陸隆起,造成遼南地區(qū)的海平面波動(Zhang Yongli et al., 2023)。研究區(qū)位于復州潮坪,處于層序地層框架內(nèi)海退演替中的陸架邊緣環(huán)境,沉積在海平面不斷發(fā)生變化的可變環(huán)境中,甘井子時期更是發(fā)生多次海侵,其中甘井子組下段和上段疊層石的出現(xiàn)來源于兩次不同程度的海侵(吳子杰等,2020)。海侵規(guī)模不同對甘井子組疊層石的形態(tài)特征產(chǎn)生了不同程度的影響,甘井子組下段疊層石的海侵程度弱于上段。甘井子組下段疊層石具有波紋狀—柱狀—丘狀的形態(tài)組合,甘井子組上段疊層石具有波紋狀—柱狀—長柱狀的形態(tài)組合,符合水淺至水深的變化。甘井子組下段疊層石在建造形成階段,僅部分區(qū)域的疊層石存在空間進行生長,甘井子組上段疊層石的形成階段海侵規(guī)模更大并且廣泛,使得整個礁體的疊層石的生長達到一定的密度,并限制疊層石的生長。

對疊層石進行從微觀到宏觀的探索,本文中從紋層構(gòu)造—形態(tài)組合—疊層石建造的研究是分析疊層石生長和建造的常規(guī)手段(Andres et al., 2006)。微觀層面觀測到微生物席通過對礦物顆粒的黏結(jié)和捕獲對于疊層石紋層的形成與控制。中等層面既可以觀測到紋層由于重力因素造成的不規(guī)則疊加引起柱體方向的改變,又可以了解疊層石紋層在變動的環(huán)境條件下,紋層的變化不斷疊加,進而產(chǎn)生分叉和不同的柱體形態(tài)。而在宏觀層面,環(huán)境的改變對疊層石的影響是巨大的,不僅可以控制疊層石的形成規(guī)模,還能影響疊層石形態(tài)特征組合。在微觀層面,微生物席自身對于疊層石生長影響較大;在中等層面,微生物席和環(huán)境共同控制疊層石形成;在宏觀層面,環(huán)境控制對疊層石形成規(guī)模的大小和形態(tài)起著主要的控制作用。隨著觀測尺度的擴大,微生物席的影響逐漸減弱,而環(huán)境控制影響逐漸增強。

6 結(jié)論

(1)遼南地區(qū)甘井子組疊層石在袁家溝剖面下段的底部、上段的頂部分別出露,底部出露為透鏡狀,疊層石具有波紋狀—柱狀—丘狀的形態(tài)組合;頂部出露為層狀,疊層石具有波紋狀—柱狀—長柱狀的形態(tài)組合,符合水淺至水深的疊層石形態(tài)變化。

(2)甘井子組疊層石紋層微觀特征具有明顯深色暗層、淺色暗層、亮層3層特征,與現(xiàn)代微生物席組成及疊層石分層特征相似,具有良好的對比性。微生物席捕獲和沉積礦物顆粒最先生成富含有機質(zhì)顆粒的深色暗層。在微生物席內(nèi),礦物顆粒膠結(jié)在深色暗層周圍的形成含有少量有機質(zhì)的淺色礦物包邊。在微生物席向上生長的過程中,碳酸鹽溶液在疊層構(gòu)造的空隙中充填結(jié)晶進而形成亮層。

(3)甘井子組疊層石生長在硬質(zhì)基底上,基底的存在為疊層石的建造者——微生物席提供了可以附著的場所,也為疊層石的生長提供了一定的空間基礎(chǔ)。甘井子組上段疊層石相較于下段疊層石具有更為明顯和廣泛的硬質(zhì)基底,促進了疊層石的大量生長。

(4)將甘井子組疊層石同現(xiàn)代疊層石進行對比研究,確立甘井子組疊層石從紋層到整體的形成機制。在微觀層面疊層石形成主要受微生物席自身因素影響;在中等層面,疊層石柱體形態(tài)既受環(huán)境影響,又受而微生物席影響;在宏觀層面,環(huán)境則成為疊層石形成規(guī)模的主要控制因素。