四川江油馬角壩地區船山組核形石基本特征及其環境意義①

徐錦龍 洪天求 賈志海 王 偉 羅 雷

(1.合肥工業大學資源與環境工程學院 合肥 230009;2.安徽省地質調查院 合肥 230001)

核形石(Oncoids)作為包殼粒的一種，曾有多種稱謂，如藻灰結核(Oncoids)［1，2］、藻鮞(algal oolites)、藻豆粒(pisolites)［3］、藻球(algal balls)、藻餅(algal biscuits)［4］、疊層石 SS 型(stromatolites)［5］等，均說明了其與菌藻類生物活動有密切的關系。地質歷史中核形石的分布十分廣泛，從震旦紀到現代，從淺海到深海，從海洋到內陸湖泊均有出現，大小從數微米到數十厘米不等，由核心和紋層兩個基本單元組成，其組分主要為灰質和少量磷質、鐵質及錳質等，形狀有圓形、橢圓形、長棒狀和不規則狀等［6］。從上世紀早期到現在，不少學者對其結構構造和其成因進行了研究，并取得了豐富的成果［2，3，7～14］。

我國華南上石炭統船山組中普遍發育俗稱“船山球”的核形石灰巖，分布范圍廣、數量多、沉積厚度1～20 m不等，已成為研究石炭—二疊紀地層劃分和對比的標準因子［15］。四川江油馬角壩地區船山組發育豐富的核形石顆粒灰巖，局部形成至少13層生物碎屑灰巖—核形石灰巖旋回層，其中下部11層核形石從無到有，含量逐漸增加，粒徑逐漸變大;上部2層核形石與之相反，反映了海平面的周期性變化。通過對核形石的鏡下薄片觀察和掃描電鏡的分析發現，研究區的核形石既具有揚子區船山組核形石的共同特點，同時又具有其獨特性。

1 區域地質概況

研究區位于龍門山推覆構造帶的北段(圖1)，石炭紀處于揚子板塊西緣的半封閉海灣環境，發育一套以局限—半局限臺地和開闊臺地相為主的碳酸鹽巖沉積［16］。船山組以灰白色厚層生物碎屑灰巖和核形石灰巖組成良好的旋回層，含豐富的、非有孔蟲、藻類、腕足類和棘皮動物等化石。從巖性組合、沉積特征及總體水體向上變淺的垂向沉積序列看，船山組是海平面周期性變化，海水不斷變淺，沉積物供給較為充足的條件下形成的。它的發育和演化受馬平期周期性冰川事件、區域構造和物源的控制。

圖1 研究區交通及剖面位置圖Fig.1 Sketch map of the traffic and profile position of the study area

研究區船山組核形石灰巖主要產于開闊臺地—臺地邊緣淺灘環境，且不同剖面存在一定的差異。在沉水剖面見至少13層生物碎屑灰巖—核形石灰巖旋回層(單層厚約0.8 m);在雙龍剖面見多層核形石灰巖密集層(圖2-a、b、c)(單層厚度超過5 m);在通口剖面僅見1層核形石灰巖(厚1.5 m)，顏色深，泥質含量高。研究區多層生物碎屑灰巖—核形石灰巖旋回層的出現可能與晚石炭世全球冰期活動有密切的關系［17～19］。

2 核形石的基本特征

核形石的基本特征包括外部形態特征和內部顯微結構特征。核形石的外部形態是核形石分類的基礎，核形石的內部顯微特征(核心結構、紋層類型和圈層“構造”)是劃分核形石類型、推斷沉積環境和形成機制的重要依據。

2.1 核心

核形石由核心和紋層兩個基本單元組成，核心結構是核形石形成的基礎。核心物質在波浪、潮流，傾斜的沉積底質上由重力或動物啃嚙微生物膜的作用下，粘附和捕獲碳酸鹽質點，形成質點紋層圍繞核心呈層狀分布。研究區發育的核心主要由生物碎屑(有孔蟲、腕足類、棘皮動物和藻類等)(圖2-d)、內碎屑 (圖2-c)、重結晶的生物碎屑 (圖2-f)、球粒或早期核形石組成的球狀體(圖2-g)和含藻泥晶結構體(圖2-h)等組成。核心的組分、粒徑和密度與水動力條件一起決定了核心呈懸浮狀或固著水底，進而影響紋層的發育和核形石的整體形態。核心的物質組分可大體判斷核形石的形成環境。如核心為完整的生物碎屑、以窄鹽度的有孔蟲、腕足類、藻類和棘皮動物為主，代表核形石形成于開闊臺地中低能環境。核心物質的形狀影響著核形石形成初始階段的紋層形狀及外部形態，隨著紋層厚度增大，核心的影響逐漸減弱。

2.2 圈層與紋層

紋層是核心的包裹物質，是核形石研究的重點。單元紋層的類型和成因是判定核形石形成環境的重要指標［20］。研究區核形石的包殼中，紋層類型十分復雜，即使用肉眼也能觀察到部分核形石表面呈現深淺不同的多種紋層交織疊覆現象。根據單元紋層的特征可將其分為泥晶紋層、亮晶紋層、凝塊狀紋層、含生物紋層和微生物紋層等5大類。

A泥晶紋層(圖2-f、g):核形石中最常見，手標本下呈暗色，鏡下由暗色泥晶方解石組成，少數富含有機質顏色變深，多數為半連續、不等厚狀紋層，少數為連續、等厚狀紋層，紋層厚0.05～0.2 mm，交織出現在核形石的各個圈層中，構成一個統一的有機整體。由于受到后期成巖作用的影響，紋層的圈數已模糊不清。核心或核形石處于懸浮狀態，捕獲和吸附碳酸鹽質點，藻類的光合作用有利于半連續狀紋層的形成，頻繁與底質接觸發生翻轉，構成良好的圈層，反映了強水動力的作用。

B亮晶紋層(圖2-f，i):由亮晶方解石組成，一般厚度較小，半連續狀為主，紋層厚度變化不大，常分布于泥晶紋層的外圍，其形成可能是生物、生物化學和物理條件共同作用的結果，也可能是泥晶等紋層發生重結晶作用的結果。

C凝塊狀紋層(圖3-d):由雜亂的含藻類泥晶方解石組成，較致密，厚度變化較大，不規則，顆粒邊緣不清楚，常見50～100 μm大小的被亮晶方解石充填的亮點，呈海綿狀構造。以上特征說明紋層形成于水動力較弱的環境，顆粒未發生連續滾動，呈懸浮狀粘結和捕獲碳酸鹽顆粒和生物碎屑。

圖2 核形石的基本特征及其類型Fig.2 The types and basic characteristics of the oncoids

圖3 核形石的基本特征及其類型Fig.3 The types and basic characteristics of the oncoids

D含生物紋層(圖3-e):由微生物捕獲或粘結其它生物碎屑形成的。紋層中可見大量破碎嚴重的小粒度生物碎屑，多為有孔蟲、棘皮動物和藻類。紋層的形成由微生物吸附周邊細小的生物碎屑造成。

E微生物紋層(圖2-h，j，k):由泥晶方解石組成，色暗，藻絲體明顯，順著紋層分布，紋層厚200～1 000 μm，不規則，藻體向外放射狀生長，邊緣波狀起伏，可見藻絲體周邊有大量的泥晶方解石。以上特征說明藻絲體受底質的影響較小，依靠光合作用吸附和捕獲碳酸鹽質點，沉淀于中等能量的水體中。

核形石的圈層通常由兩種或兩種以上的紋層組合而成，常見的是泥晶紋層、微生物紋層和亮晶紋層隨機組合。紋層圍繞核心可以形成完整的同心紋或不完整的同心紋(其中完整的同心紋可以由半連續的泥晶紋層構成)，也可以由幾種不連續的紋層組合而成。

2.3 圈層內部“構造”

圈層內部“構造”主要有“鳥眼”構造、疊層狀構造和泥晶化侵蝕構造等。“鳥眼”主要出現在微生物紋層和凝塊狀紋層中，大小不一、形狀不規則，無內部構造，被亮晶方解石充填，可能為微生物的孔洞或氣泡所形成。疊層狀構造(圖2-h)分布較少，偶見核形石的紋層呈現凸起與凹陷交替出現，與疊層石的生長類似，一層暗紋、一層亮紋交替出現，其形成可能與當時的水動力條件、穩定的懸浮狀態有關。泥晶化侵蝕構造指核形石受到后期成巖作用影響，核形石的核心和紋層被泥晶化作用，如棘皮動物核心被微生物侵蝕，紋層受到泥晶化作用影響而變得模糊(圖2-f)。

2.4 核心與紋層的關系

核心對紋層的發育起到一定的控制作用，核心的初始形狀影響尤為明顯。在相同的水動力作用下，大顆粒不易懸浮、不易發生滾動或較少發生滾動。當紋層較薄時，難以抵消核心原始外形對最終外形發育的影響，隨著紋層加厚，核心的控制作用逐漸減弱，核形石會呈現出一定程度的圓化或橢圓化趨勢，使得核形石以球狀為主。

研究區核形石的核心大小和形態與紋層的發育存在如下關系:(1)當核心很小或圓形時，在相同的水動力條件下，核心易懸浮于水中，核心物質慢慢捕獲和粘附碳酸鹽質點和藻類，呈全方位生長，易形成球形或橢球形(圖2-i)。(2)當核心為短長條狀或不規則狀時，紋層的發育分兩種情況:在水動力較強時，核心懸浮于水體中，易形成全方位的球狀或橢球狀(圖2-k)，但紋層類型較少。當水動力不大時，紋層大致分3個發育階段(圖2-f)，首先圍繞核心形成薄的紋晶套;然后，懸浮在水中，短軸方向上紋層生長快于長軸方向，形成橢球形;最后雖然顆粒較大，但疏松多孔相對密度小，懸浮于水中，紋層均勻生長，形成更大的球形核形石。(3)當核心很大時，核心密度較大，使之不易懸浮在水中，紋層捕獲和粘附少量碳酸鹽質點不利于核形石的生長。因此，在水動力較弱的水體中易形成紋層很薄的核形石(圖2-e，3-h)。(4)當水動力很弱或核心物質的密度較大，不能呈懸浮狀態存在于水體中，而是固著在底質上，由于光合作用的影響，會出現單向生長的半包裹狀，紋層受核心的影響明顯減小，疏密不一，不連續，外形不規則，形成了帽狀核形石(圖3-c)。(5)在復合核形石中，經常出現在相同的水動力條件下，核心稍大的核形石的紋層能捕獲和粘附周邊小的核形石(圖3-d，e，g)或生物碎屑，進而形成復合核形石，但紋層雜亂，不規則。

3 核形石分類

核形石分類問題一直是國內外地質學家研究的熱點，不少學者對其進行了大量的探索，并取得了豐富的成果［1，2，5～9，11～14］。目前比較常用的分類可以歸納為 3類:以 Dahanayake［1］為代表的以“形”分類［15，20］、以 Flügel［22］為代表的以組分分類和以賀自愛［2］為代表的“形”+ 成因環境分類［23，24］。上述分類均針對不同地區和不同層位所進行，都有其各自的優勢，但地史時期形成的核形石的物理、化學和生物條件多樣，勢必造成核形石特征的差異性，各分類之間相互交叉、重復，使得核形石的分類和描述很難達到一致的標準。本文結合研究區核形石的發育特點，以Dahanayake［1］按“形”分類為主線，根據核形石的形態、核心結構與位置和紋層特征將研究區核形石分為大球狀、小球狀、長棒狀、帽狀、不規則狀和復合核形石等6大類。

(1)大球狀核形石(圖2-a，b，f，g，h，i):研究區出現最多的核形石，形態以球狀和橢球狀(直徑大于4 mm)為主，長軸與短軸之比小于2∶1。核心主要以內碎屑為主，少量為重結晶的生物碎屑和小粒徑生物碎屑。紋層為泥晶紋層、含生物紋層、微生物紋層和少量亮晶紋層。同心紋層較密，半連續狀為主。

大球狀核形石的周圍基質中含大量破損嚴重的生物碎屑，亮晶方解石膠結。核形石的外殼邊緣光滑，可見部分核形石核心的生物碎屑遭受到一定的磨圓(圖3-k)。核心的物質組分表明核形石形成于潮下帶低能淺海環境，后經短距離搬運至潮下高能的臺地邊緣灘環境沉積，屬于近原地堆積。表明核形石的形成環境與堆積環境可能不一致。

(2)小球狀核形石(圖2-c，l，3-a):在研究區分布較廣，一般分布于大球狀核形石的下部，核形石與生物碎屑幾乎等大小，生物碎屑保存較好，核形石直徑以2～4 mm為主，球狀、紋層簡單，以泥晶紋層為主。核心生物碎屑與基質中生物碎屑類型、粒徑和完整程度類似，表明核形石形成環境與沉積環境一致。基質中類保存完整，整體分選性好，亮晶方解石膠結表明核形石可能就地堆積，隨著水能力的增大泥晶基質被沖洗掉，可能形成并沉積于中等能量的開闊臺地環境［25］。

(3)長棒狀核形石(圖2-k;3-b):在研究區分布較少，常與球狀核形石伴生，形態為長棒狀，長軸與短軸之比大于2∶1。核心為腕足類、棘皮動物、藻類和藻絲狀體，一般長軸與短軸之比越大，紋層發育越簡單，以泥晶紋層為主，少量微生物紋層。

(4)帽狀核形石(圖3-c，h):在研究區分布較少，僅在有限的層位出現，形態為似半球狀或帽狀。核心較大，成分為內碎屑、團塊和生物碎屑，密度大，加上水動力較弱，不易懸浮，使之以固著生長為主，故核心一半被紋層包繞或有紋層包繞整個核心，但核心明顯偏于一側(偏心狀)，類似于疊層石。由于光合作用、藻類的捕獲和粘附作用影響，一層層向上生長，紋層受核心形狀影響不大，疏密不一，不連續，以泥晶紋層為主，外形極不規則。紋層類型單調，且形成的核形石的粒徑偏大。基質中泥晶方解石含量較大，一般未見亮晶方解石膠結。核形石的外殼邊緣不光滑，凹凸不平，部分基質中含大量的葉狀藻化石，其中以通口剖面最為典型，核形石外表被大量的絲狀藻所包裹，紋層發育較少，表明核形石的形成環境與沉積環境可能相一致，為潮下低能帶的產物。

(5)不規則狀核形石(圖3-d，e，i):在研究區零星分布。一般含多個核心，且核心大小不一，通常一個大核心周邊有多個小核心，總體形態及大小由核心和紋層的多少決定，且外形極其不規則，凹凸不平。紋層以泥晶紋層和微生物紋層為主。不規則狀核形石形成于能量中等的水動力條件下，核心捕獲和粘附碳酸鹽質點，就地堆積，可能形成并沉積于開闊臺地環境。

(6)復合核形石(圖3-f，g):在研究區分布較少。核心為多個生物碎屑或核形石，紋層類型多樣，但一般厚度較薄，邊緣較光滑，其形成可能與藻類捕獲與粘附有關。如幾個獨立發育的單核核形石，在各自發育過程中，其中一個大核形石包殼生長迅速，將臨近正在發育的小核形石包裹其中，共同生長，進而形成復合核形石。

4 核形石的形成環境與沉積環境判斷

核形石主要是通過藻(菌)類自身鈣化、原地沉淀、硫酸鹽還原菌、藻類光合作用、藻類捕獲和粘結等作用而形成的［1，20，26～28］。核形石的沉積環境和形成環境大多數保持一致，只有少數由于風暴作用的影響，才會出現沉積環境與形成環境不一致［15］。筆者通過研究發現核形石可以在多種條件下形成，也可以在多種環境中沉積，即核形石的形成環境和沉積環境并非大多數保持一致。筆者認為中高能條件下沉積的核形石，其沉積環境與形成環境往往不一致，僅在中低能條件下沉積的核形石其沉積環境與形成環境相一致。下面重點探討研究區船山組的三種主要沉積環境:

(1)臺地邊緣灘:灘是研究區船山組核形石沉積的主要環境，核形石灰巖厚度一般比較大，巖層厚度為0.5～3 m(部分可達8 m)，核形石顆粒含量60%以上，部分可達80%。核形石以大球狀、長棒狀為主，可見少量復合核形石和不規則狀核形石。同心紋層發育，以泥晶紋層為主，紋層的厚度是核心厚度2倍以上者居多，邊緣光滑。基質中含大量破碎較嚴重的生物碎屑，以非有孔蟲、類、藻類和棘皮動物為主，見少量泥晶方解石，多為亮晶方解石膠結，偶見膠結物呈二世代結構。以上特征表明核形石形成于水動力較強的高能淺灘環境。

核形石的核心為泥晶碎屑和少量保存完整的生物碎屑，可見核心形成于水動力條件較弱的潮間帶或潮下帶低能環境。在合適的深度、水能量、水溫和沉積速率的影響下，核心懸浮于水體中，在藻類、微生物膜和EPS(胞外聚合物)的作用下捕獲和吸附碳酸鹽和其它生物碎屑，最終形成了核形石。某些核形石在形成的過程中，可能經歷了多期次形成過程。

筆者認為臺地邊緣灘中沉積的以大球狀、長棒狀為主的核形石的形成與沉積環境不一致，即核形石形成于低能的潮間帶或潮下帶，后經搬運在臺地邊緣灘發生沉積。

(2)開闊臺地:開闊臺地沉積的核形石一般位于大球狀核形石的下部，與上部臺地邊緣灘核形石構成多個沉積旋回。在開闊臺地環境沉積的核形石顆粒較小，粒徑普遍小于5 mm，所含生物群常為窄鹽度正常淺海藻類、有孔蟲、棘皮動物和腕足類等，大部分保存完整。核形石以小球狀、小長棒狀為主，其含量明顯比生物碎屑少。整體分選性良好。核形石的核心以生物碎屑為主，同心紋層由于受后期泥晶化作用影響已模糊不清，主要為泥晶紋層，偶見含生物紋層和亮晶紋層。其邊緣凹凸不平，遭受到一定的沖刷磨圓。亮晶方解石膠結，呈二個世代結構，亮晶方解石一期呈針狀或馬牙狀，二期呈粒狀。棘皮動物碎屑周邊泥晶化現象明顯。以上特征表明核形石沉積于開闊臺地，能量中等的環境。

核形石的核心以藻類、有孔蟲、棘皮動物等生物碎屑為主，保存完整，表明其形成于開闊臺地中低能帶，紋層和基質特征也表明其沉積于開闊臺地能量中等環境。以上特征表明核形石的形成環境與沉積環境并非不一致，即核形石的核心物質在中低能淺水條件下形成，隨著水體能量的增大，在原地呈懸浮狀態，捕獲或吸附沉積物，隨著核形石變大和水能量的提高，泥晶基質被沖洗，核形石沉積，使得研究區核形石與生物碎屑粒度相當，紋層少而簡單。

(3)局限臺地:局限臺地核形石主要分布于通口地區和馬角壩的局部地區，一般以帽狀核形石和不規則核形石為主，含量比較低，其形狀往往由核心所決定。核心較大，以內碎屑和藻類為主，紋層較薄，大部分不足核心的一半，全為泥晶紋層。基質中生物碎屑含量比較少，主要為葉狀藻和少量有孔蟲，泥質含量特別高，核形石內部部分白云石化。以上特征表明核形石沉積于局限、能量相對較低的淺水環境。

核形石的核心以內碎屑和藻類為主，核心物質和基質物質相同，泥質含量特別高，這些特征表明，核形石的形成環境與沉積環境一致，即核心捕獲和吸附碳酸鹽質點，隨著粒徑的增大和水環境的變化而就地沉積。

綜上所述，江油馬角壩地區船山組的核形石主要沉積于臺地邊緣灘和開闊臺地環境，少量沉積于局限臺地環境。從縱向上來看，研究區的核形石呈現開闊臺地至臺地邊緣灘的周期性變化。從巖相古地理來看，從南西向北東(北川通口—江油馬角壩—廣元長江溝)，研究區曾出現局限臺地—開闊臺地—臺地邊緣—蒸發臺地的分異;從西向東(江油沉水—江油雙龍)，經歷了至少13層核形石—多層生物碎屑—核形石的周期性變化，且厚度逐漸增加，層數減少。以上特征說明核形石的發育需要合適的海平面變化、水深、溫度和水動力條件。

以大球狀和長棒狀核形石為主，偶見復合核形石，在顆粒組分中占主導地位，圓度較好，粒徑超過厘米級。紋層厚度大于核心厚度。亮晶膠結，基質中顆粒組分與核形石核心組分存在較大的差異。以上特征表明核形石的形成環境與沉積環境不一致，即核形石形成于水動力較弱的局限臺地或開闊臺地環境，強水動力使基質生物碎屑破碎，核形石發生磨圓，搬運并沉積于水動力較大的臺地邊緣灘環境。

核形石含量中等，以小球狀為主，粒徑1～4 cm，核心以生物碎屑為主，保存完整，紋層簡單，大部分紋層厚度小于核心厚度，形成與顆粒灰巖中，亮晶膠結，基質中生物碎屑保存較完整，粒徑和核形石類似，整體分選性較好。以上特征表明核形石的形成環境與沉積環境類似，即在中等能量的開闊臺地環境中，部分生物碎屑作為核心，懸浮于水體中，捕獲和粘附碳酸鹽巖質點形成核形石，當個體增大和水體能量增強時，基質被沖洗，核形石則發生沉積。

核形石含量低(不足20%)，基質中生物含量少，以寬鹽度淺海生物為主，泥晶含量特別高，核心以基質生物和內碎屑為主，紋層簡單，其厚度明顯小于核心的厚度，且易受核心的形狀影響，核形石整體粒徑超過厘米級，紋層外殼極其不光滑。以上特征表明核形石的形成環境與沉積環境一致，即形成并沉積于水動力偏弱的潮下帶。

5 結論

(1)通過對江油地區船山組核形石的基本特征研究，對研究區核形石核心、紋層和圈層“構造”進行了探討，根據內部顯微構造和外部形態特征，將研究區核形石核心和紋層各分成5種類型，認為核心的物質成分對紋層發育影響不大，但核心的初始形狀對紋層的發育具有重大的影響。

(2)根據江油地區船山組核形石的基本形態、核心結構與位置及紋層特征將研究區核形石分為大球狀核形石、小球狀核形石、長棒狀核形石、帽狀核形石、不規則狀核形石和復合核形石等6大類。

(3)通過對江油地區船山組核形石的分布特征的分析，將該區核形石劃分成3種沉積環境，即臺地邊緣灘、開闊臺地和局限臺地，并探討了核形石的形成環境與沉積環境之間的關系，即核形石的形成環境可以與沉積環境一致，也可以不一致。

(4)通過對江油地區船山組核形石的研究，討論了碳酸鹽巖地層中核形石分布、形成環境和沉積環境的耦合關系。高含量、大顆粒、紋層厚度大于核心厚度、紋層復雜、核心組分與基質組分存在較大差異，亮晶膠結的核形石的形成環境與沉積環境不一致，即核形石形成于水動力較弱的局限臺地或開闊臺地環境，強水動力使核形石發生磨圓，基質生物碎屑破碎，進而沉積于水動力較大的臺地邊緣灘環境。中等含量、中等粒度、紋層簡單、與完整生物碎屑共存且粒徑類似、亮晶膠結的核形石的形成環境與沉積環境類似，即部分生物碎屑在中等水動力條件下，處于懸浮狀態，捕獲和粘附碳酸鹽質點，當個體增大和水體環境變化時，核形石就地沉積于中等能量的開闊臺地環境。含量低、粒徑變化大、紋層厚度小于核心厚度、紋層簡單、形狀易受核心的影響，紋層外殼凹凸不平，基質生物含量低、泥晶基質含量特別高的核形石的形成環境與沉積環境一致，即形成并沉積于水動力偏弱的局限臺地環境。

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