河南登封地區寒武系第三統饅頭組二段中的核形石及其意義①

代明月 齊永安 常玉光 王 敏 李 妲

(河南理工大學資源環境學院 河南省生物遺跡與成礦過程重點實驗室 河南焦作 454000)

近年來，微生物碳酸鹽成為沉積學研究的熱點，核形石因其具有特殊的宏觀構造和地質意義，與紋理石、疊層石、凝塊石、樹形石和均一石被并列歸為微生物碳酸鹽巖［1］。而在微生物碳酸鹽巖中，核形石作為一種非常重要的顆粒類型受到廣泛關注。核形石是菌藻類等微生物圍繞核心，通過自身的鈣化、黏附捕獲顆粒物及碎屑物加積而形成的非固著生長的非層狀結核體。核形石一般具有微晶質外皮組成的或多或少的同心和紋層，部分重疊包裹著生物或碳酸鹽巖屑核心。常見的核形石由核心和紋層兩個部分組成，核心一般以生物碎屑、礫屑、菌藻結黏體等為主，紋層包繞核心形成同心紋層構造、由深淺不同的明暗紋層交織疊覆組成［2］。核形石的形成環境多樣，在各個地史時期的陸相和海相沉積中均有發育，例如陸相環境中的湖泊、河流中，海相環境中的淺灘中較強水動力的環境和潮間、潮下帶或潟湖湖中弱水動力的環境，是恢復古地理環境的重要指示劑［3～9］。

1 地質背景

圖1 豫西寒武系分區及研究區域Fig.1 The Cambrian stratigraphic distribution and section locality in western Henan

本文研究的寒武紀核形石主要分布在華北地層區豫西分區澠池—登封小區的登封王窯剖面(圖1)。該剖面寒武系發育連續(圖2左)，第二統辛集組為灰白色及肉紅色含礫鈣質石英砂巖，朱砂洞組為灰色微晶白云巖和云斑灰巖，饅頭組一段為灰黃色泥晶灰巖及紫紅色白云巖夾紫色泥巖;第三統饅頭組二段為暗紫色及黃綠色泥巖、灰色泥晶灰巖夾薄層石英砂巖及粉砂巖，饅頭組三段為黃綠色泥巖夾泥質條帶鮞粒灰巖和砂屑灰巖，張夏組為灰色厚層鮞粒灰巖、鮞粒白云巖、生物碎屑灰巖和微生物巖;芙蓉統三山子組為灰色厚層鮞粒白云巖、粉晶和細晶白云巖［10］。饅頭組二段厚115.40 m，主要為厚層紫紅色加褐黃色頁巖，其中夾6層厚度不等的灰巖。該段下部灰巖中產三葉蟲 Yaojiayuella granosa(Walcott)，Y.carinata Zhang at Wang;上部灰巖中產三葉蟲Shuiyuella cf.triangularis Zhang et Yuan，Hsuchuangia luliangshanensis Zhang et Wang。核形石發現于饅頭組二段下部第二層灰巖中核形石層灰巖，層厚1.7 m(圖2右)。該段下部發育少量不規則狀核形石，保存在小型柱狀疊層石的間隙中;中部發育的長卵形核形石，與小型柱狀疊層石伴生;上部發育的球形、橢球形核形石則保存在大型柱狀疊層石之間的水道間。

2 核形石特征描述

圖2 豫西寒武系及饅頭組二段地層柱狀Fig.2 The stratigraphic column of Cambrian and the Second Member of the Mantou Formation，western Henan

登封地區饅頭組二段中出現最多的是球狀、橢球狀核形石(圖3A，B，D，E)。這類核形石大小從0.3～3 cm不等，平均為1～1.5 cm。核心普遍較小，占核形石直徑的1/3至1/4，組成物有砂屑集合體、菌藻黏結體和三葉蟲碎屑，以砂屑集合體的核心居多，偶爾可見多個核心。紋層發育較好，多為規則同心狀，可見明顯的明暗交替紋層(圖3C，D)。在偏光顯微鏡下，明亮紋層由微亮晶方解石組成，內圈紋層厚度40～50 μm，紋層形態較為規則，在包繞方向上厚度變化不大，但局部呈斷續狀或不規則的波曲狀(圖3C);外圈紋層厚度可達200 μm，由微亮晶和泥晶方解石交織在一起組成(圖3D)。暗色紋層由泥晶方解石組成，內圈紋層厚度大，一般為200～400 μm，局部可達500 μm(圖 3C)，外圈紋層厚度小，一般為 150～300 μm(圖3D)，紋層對稱性很好，在包繞方向上，厚度基本不變，較均勻，局部可見到藍細菌的絲狀體。明暗紋層的變化說明在核形石形成的早期，富菌藻期時間跨度明顯大于貧菌藻期;而在核形石形成的晚期，富菌藻期時間跨度小于貧菌藻期。這表明隨著核形石的生長，環境水動力條件逐漸增強，顯示出當時形成期弱水動力下沉積顆粒不足以供應菌藻類的捕捉黏附。此類核形石發育在大型柱狀疊層石間的水道中，其形成晚于疊層石。第二類核形石呈長卵形(圖4A，B，C)，粒徑為1～3 cm。核心大，占核形石直徑的3/4以上，由三葉蟲碎屑和砂屑聚集呈長卵形。紋層圍繞長卵形的核心發育，可見不甚明顯的明暗交替紋層，紋層層數少，一般為2～3層，發育連續但不甚規則。在偏光顯微鏡下，明亮紋層由微晶和泥晶方解石組成，紋層厚度200～300 μm，形態較為規則，在包繞方向上厚度有小幅度變化;暗色紋層由泥晶方解石組成，紋層厚度一般為50 μm，在包繞方向上，厚度變化大，局部可達200 μm。明暗紋層的這種變化說明水體能量減弱后，細粒沉積顆粒的供應無法滿足菌藻類的黏附和捕捉。此類核形石的外圈層均包裹黃色的薄泥層，該泥層的出現對核形石的生長具有抑制作用。第三類核形石形態多為不規則狀，其核心大多以礫屑和砂屑團塊為主，紋層發育較少(圖4D，E)。此類型核形石發育在上部波狀疊層石間的空隙中，水動力的增加帶來的碎屑物被攪動起來，其間的菌藻類在水道間邊懸浮邊捕獲黏附沉積物并圍繞礫屑進行包繞生長，形成最終形態，伴生的疊層石類型共同顯示為潮間帶上部產物。

圖3 登封地區寒武系第三統饅頭組二段中的球狀、橢球狀核形石Fig.3 The spherical and axiolitic oncoids from the Second Member of the Mantou Formation(Cambrian Series 3)，Dengfeng area

圖4 登封地區寒武系第三統饅頭組二段中的長卵形核形石Fig.4 The long cylindrical oncoids from the Second Member of the Mantou Formation(Cambrian Series 3)，Dengfeng area

3 含核形石地層相序特征及沉積環境分析

登封地區饅頭組二段中的核形石與疊層石密切共生。從沉積相序上看，核形石所在層段的地層頂、底均為潮上帶泥坪沉積，自下而上包括6段(圖5):

第1段為淺灰色緩波狀、近水平狀疊層石夾不規則核形石灰巖。下部的疊層石層由灰巖夾薄層土黃色泥巖組成，疊層石灰巖近水平分布;上部疊層石層由純的灰巖組成，紋層間不含泥，主體呈緩波狀，局部為小型柱狀，柱狀疊層石間隙中保存了不規則狀核形石和礫屑、生物碎屑。具不規則形態的團塊狀、花瓣狀的核形石反映了一種淺水低能間歇性弱攪動的沉積環境。曹瑞驥和袁訓來［11］等對前寒武紀疊層石的宏觀形態與水動力條件的關系進行闡述后認為，近水平緩波狀疊層石發育在水動力很弱的潮上帶，緩波狀疊層石主要為水動力較弱的潮間帶，少量潮上帶和潮下帶。由此可見，第1段形成于潮上帶和潮間帶上部。

第2段為土黃色薄層泥巖，形成于潮上泥坪環境，由大量陸源泥質的注入中斷碳酸鹽巖的沉積所致。

第3段為不規則紋層狀疊層石灰巖和礫屑灰巖，夾有不規則土黃色泥線，為地殼不規則振蕩運動和陸源泥質的間斷性注入所致，形成于潮間帶上部。

第4段為淺灰色近水平狀疊層石灰巖與薄層土黃色泥巖互層，灰巖、泥巖交織出現反映環境周期性動蕩和陸源泥質的規則性注入，形成于潮上帶環境。

第5段為淺灰色波狀、紋層狀疊層石灰巖和長卵形核形石灰巖夾極薄層的土黃色泥線，局部發育小型柱狀疊層石灰巖。長卵狀核形石灰巖呈層狀分布或出現在小型柱狀疊層石的間隙中。多數核形石外層披有土黃色的泥質薄層，說明在核形石形成時陸源泥質的間斷性注入有所增強。核形石間發育有礫屑和生物碎屑，為異地搬運而來充填在核形石的間隙中。第5段為潮間帶中下部的產物。

第6段為淺灰色純凈的大型柱狀疊層石灰巖。球形、橢球形核形石保存在柱狀疊層石之間或圍繞柱狀疊層石充填，核形石間發育有竹葉狀礫屑和生物碎屑，說明強的水動力條件造就了大型柱狀疊層石及其間連通的水道，當水動力條件降低時，球形、橢球形核形石在水道中或疊層石之上生長并堆積。因此，該段為潮下帶上部高能環境的產物。

圖5 登封地區寒武系第三統饅頭組二段含核形石地層相序及沉積特征Fig.5 The succession and sedimentological features of oncoid-bearing setting from the Second Member of the Mantou Formation(Cambrian Series 3)，Dengfeng area

4 核形石—疊層石組合特征及成因分析

登封地區饅頭組二段中的核形石和疊層石常組合在一起相伴出現。核形石和疊層石組合自下而上可分成三個發育階段(圖6):(1)長卵形核形石與小型柱狀及波狀疊層石發育期(圖6A)，潮間帶周期性震蕩變化的水動力控制了沉積底質的穩定性和沉積速率。在高海平面期，由于波浪的反復沖刷，三葉蟲化石和礫屑被打磨成細小而均勻的碎屑，這些碎屑相互碰撞聚集成碎屑團塊，當團塊聚集到足夠大時便不再懸浮，而以跳搖和滾動方式被波浪搬運。在低海平面期，波浪作用降低，沉積底質相對穩定，微生物圍繞長條形化石碎屑和砂屑團塊核心生長，形成長卵形核形石(圖4A，B)。在波浪作用影響較小的地帶，長卵形核形石便不再滾動，微生物轉而單向向上生長，不同個體可相互連接而逐漸演變成小柱狀及緩波狀疊層石(圖4C)。陸源泥質的反復出現不僅中斷了長卵形核形石圈層的生長，也將核形石與疊層石層分隔成數層的薄層狀。與長卵形核形石伴生的小型柱狀疊層石及緩波狀疊層石的共同出現反映了水動力低到中等的潮間帶環境。(2)球形、橢球形核形石與大型柱狀疊層石發育期(圖6B)，隨著研究區海平面的上升，潮下帶上部強烈的波浪作用形成大型柱狀疊層石及其間連通的水道，也將三葉蟲碎屑和礫屑搬運到水道中并長時間懸浮攪動。水動力條件的增強帶來了菌藻類生長繁殖所需的營養物質，菌藻類等微生物的胞外聚合物(EPS)也同時增加了水體的黏稠度，使菌藻類對顆粒物的捕捉、黏附和包裹過程更利于進行，進而形成形態較規則的、具多層同心紋層的球形、橢球形核形石。大型柱狀疊層石及其間連通的水道是潮下帶上部強水動力的產物［12］，具密集同心紋層的球狀、橢球狀核形石也代表著水體充分攪動的高能環境［2，13～15］。

疊層石狀核形石發育期(圖6C)，隨著海平面下降，在大型柱狀疊層石水道間發育的球形、橢球形核形石會停止懸浮滾動并基本處于固定海底狀態，導致紋層僅能原地向上單向生長，形成與疊層石的過渡類型:疊層石狀核形石(圖3E)。當水動力進一步降低時，水流帶來的碎屑物也減少，柱狀疊層石之間的水道開始變窄變小，球形核形石會停止懸浮滾動并原地向上生長轉變為波狀疊層石(圖3F)。

圖6 登封地區寒武系第三統饅頭組二段含核形石地層相序及沉積特征Fig.6 The succession and sedimentological features of oncoidbearing setting from the Second Member of the Mantou Formation(Cambrian Series 3)，Dengfeng area

5 核形石形成與消亡的控制因素

從河南登封寒武紀核形石的特征可以看出，核形石等微生物成因構造與后生動物擾動構造存在耦合關系，水動力條件是核形石形態類型變化的決定因素，泥質(陸源物質)供應是中斷核形石生長及其消亡的直接因素。

(1)后核形石等微生物成因構造與后生動物擾動構造存在耦合關系

寒武紀第二世，微生物成因構造在世界各地大量發育，形成了顯生宙早期的第一幕藍細菌鈣化作用事件［16，17］。Sheehan［18］和 Debrenne［19］等認為微生物成因構造屬于“災后泛濫現象”，發育在寒武紀第二世晚期古杯動物絕滅之后，強調后生動物與微生物在造礁生態位上的競爭關系。根據作者對研究區寒武紀核形石等微生物成因構造與后生動物擾動構造的研究，該區第二統朱砂洞組微生物成因構造與后生動物擾動構造交互出現，第二、三統饅頭組一段、二段碳酸鹽巖沉積中普遍發育微生物成因構造，后生動物擾動構造和生物碎屑灰巖均很少見及;第三統饅頭組三段和張夏組下部后生動物擾動構造與微生物成因構造交互出現。張夏組中上部后生動物擾動構造廣泛發育，不僅出現在薄層鮞粒灰巖和微晶灰巖中，也大量保存在巨厚層高能灘相鮞粒灰巖中，而微生物成因構造僅局部產出;芙蓉統三山子組以發育大套微生物成因灰巖和鮞粒灰巖、白云巖為主夾后生動物擾動灰巖。根據上述分析，當微生物成因構造大量出現時，后生動物擾動構造則很少保存;而當后生動物擾動構造大量發育時，微生物成因構造則很少見及。在有些層位，二者共存在一起或從微生物成因構造逐漸過渡為后生動物擾動構造。由此可見，豫西寒武紀核形石等微生物成因構造與后生動物擾動構造存在耦合關系。

(2)水動力條件是影響核形石形態的決定性因素

核形石的形態可以反映其在海底滾動的強度、浪底深度和水體能量，進而間接地反映水體的深度［2，9，15，23］。一般認為，核形石的形成離不開水體的攪動作用，近圓形或橢圓形的具密集同心紋層核形石代表一種水體充分攪動的中到高能環境，因其常呈懸浮狀態生長，菌藻黏結突出部分受到水流的剝蝕的結果;而不規則的形態則出現在低能環境中，水體能量和水體深度的變化是核形石形成的直接控制因素［2，9，15，20］。登封寒武系第三統饅頭組二段中的球狀、橢球狀核形石與大型柱狀、半球狀疊層石伴生，反映了水動力較強的潮下帶上部和潮間帶下部環境;長卵形核形石與小型柱狀疊層石及波狀、紋層狀疊層石伴生，反映了水動力低到中等的潮間帶中上部環境;不規則狀核形石與不規則波狀疊層石伴生，則反映了水動力較低能的潮間帶上部環境。

(3)陸源物質的注入是抑制核形石生長直至消亡的直接因素

登封中寒武世饅頭組二段中的圓形或橢圓形核形石及其同層的礫屑和生物碎屑被多次反復出現的波狀起伏的薄泥層所分隔，說明核形石的生長不時被陸源泥質的注入所干擾，但由于注入的陸源泥質量不大，并沒有中斷核形石的形成，僅僅是將不同時期形成的核形石和礫屑和生物碎屑分隔開來而已(圖3A，B)。所有的長卵形核形石均被一層泥質薄層所包裹，反映了陸源泥質的沉淀完全中斷了單個核形石的生長(圖4A，B)。含核形石碳酸鹽巖地層的結束以大套紅色薄層泥巖的出現為標志，說明豐富的陸源物質供應嚴重破壞了核形石的生長環境，渾濁的水體環境已經不再適合核形石的生長，核形石就此消失。

6 結論

河南登封地區寒武系第三統饅頭組二段發育有三種類型的核形石。其中球狀、橢球狀核形石發育規則同心狀的明暗交替紋層，形成于大型柱狀疊層石間的水道中，反映了疊層石和核形石形成時很強的水動力條件，為潮下帶上部高能環境的產物。長卵形核形石紋層數發育較少，為不規則的明暗交替紋層，與小型柱狀疊層石伴生，為潮間帶水動力低到中等環境的產物。不規則狀核形石為團塊狀、花瓣狀等不規則的形態，紋層層數發育較少，為潮間帶上部淺水低能間歇性弱攪動的沉積環境，伴生的不規則波狀疊層石也共同反映了此水動力條件。

從河南登封饅頭組二段核形石的特征可以看出，核形石等微生物成因構造與后生動物擾動構造存在耦合關系，水動力條件是核形石形態類型變化的決定因素，核形石的生長不時被陸源泥質的注入所干擾，含核形石碳酸鹽巖地層的結束以大套紅色薄層泥巖的出現為標志，說明豐富的陸源物質供應破壞了核形石的生長環境導致核形石就此消失。

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