魯西寒武系第三統張夏組凝塊石特征及其形成環境研究

陳金勇 韓作振 范洪海 遲乃杰

(1.核工業北京地質研究院 北京 100029;2.山東科技大學地質科學與工程學院 山東青島 266510;3.山東省地質科學實驗研究院 濟南 250013)

微生物巖是生物沉積巖，即由底棲微生物群落(Benthic Microbial Communities)的生長和生理活動引起黏結和捕獲碎屑沉積物、表面礦物沉淀及生物礦化作用而產生的生物沉積巖［1］。自前寒武紀以來，大量微生物碳酸鹽巖發育于中新元古代和早古生代［2］，其中有疊層石、凝塊石、樹形石和均一石等［3］。隨著研究的深入，梅冥相［4，5］又將其重新分為 6大類:疊層石、凝塊石、核形石、樹形石、紋理石和均一石?？梢?，凝塊石都被歸結為微生物碳酸鹽巖的重要類型之一。

凝塊石是以加拿大南部落基山寒武—奧陶紀巖石為依據命名的［6］。最早是由Aitken(1967)提出“thrombolite”(凝塊石)這個詞語，并將其定義為“與疊層石相關的隱藻構造，但缺乏紋層而以大型凝塊狀結構為特征”。隨后，國內外許多學者對凝塊石特殊的凝塊狀非紋層組構進行了深入的研究，曾將其解釋為“受到生物擾動作用和次生成巖作用破壞、改造的疊層石”［7］，但是隨著前寒武紀等古老的地層中凝塊石的發現［8］，這一解釋似乎與事實不相符。更重要的是，Aitken對凝塊石的定義也存在著兩個缺陷:①在定義中，他將凝塊石中的“中凝塊”組構(mesostructural clots)和大型的凝塊狀結構(macrostructural“clots”)混淆了;②這個定義具有時代局限性，其中“隱藻結構”的隱藻(cryptalgal)不全面性。因為形成微生物巖除了藻類生物以外還包括許多細菌，多年來所稱的“藍綠藻”也歸為細菌并稱為“藍細菌”［9］。

自Aitken(1967)定義了凝塊石之后，許多學者對凝塊石進行深入研究，不僅增加了凝塊石的野外描述，而且有些學者也提出了有關其成因的假說［1，7，10，11］，以及凝塊石在生物地層學上的應用［8，12］和沉積古環境的研究［13～15］。但是，統觀這些文獻，可以發現，由于凝塊石的系統描述缺乏條理清晰的專業術語，而使他們的研究受到了一定的限制，甚至誤用了類似的專業術語來描述凝塊石的某些特殊性質，使得對凝塊石產生誤解。因此，對凝塊石的研究具有重要的理論意義和實用價值。本文對魯西寒武系第三統張夏組的凝塊石進行了大比例尺野外測量及巖石薄片顯微鏡鑒定，詳盡描述了凝塊石宏觀和微觀特征，并對凝塊石形成環境進行探討，為凝塊石的深入研究提供理論基礎。

1 地質背景

魯西地區位于郯廬斷裂帶以西，是華北板塊東南部的一個地質分區，主要是山東省濰坊—臨沂一線以西的地區。西北側以聊考斷裂、齊廣斷裂為界，東南側以安丘—莒縣斷裂為界(圖1)。該地區寒武系從早古生代早中期開始接受沉積，主要為頁巖、泥巖、粉砂巖、砂巖等碎屑巖與微生物灰巖、鮞?；規r、竹葉狀灰巖、白云巖等碳酸鹽巖的混合相的淺海沉積。與下伏前寒武紀花崗巖不整合接觸，上覆地層為奧陶紀三山子組白云巖。主要地層自下而上包括:李官組、朱砂洞組、饅頭組、張夏組、崮山組、炒米店組。

圖1 魯西寒武系露頭分布及實測剖面位置Fig.1 Outcrop distribution and measured sections of the Cambrian in West Shandong province

魯西寒武系第三統張夏組巖相區域性變化較大，厚約150～180 m，主要包括鮞?；規r、泥晶灰巖、頁巖、生屑灰巖及多種微生物巖，微生物巖約占30%，主要包括凝塊石、樹形石、核形石、疊層石和附枝菌格架微生物巖，且又以凝塊石為主。其發育廣泛、出露連續，研究較多的露頭剖面包括濟南彩石剖面、萊蕪九龍山剖面(圖2)和沂水馬站剖面等。

2 凝塊石特征

魯西寒武紀地層發育大量微生物灰巖，其中，凝塊石主要發育于寒武系第三統張夏組。比如在萊蕪九龍山剖面，張夏組共出露11層凝塊石，其單層厚度一般為0.25～2.0 m，甚至較厚者可達2.5 m。

2.1 宏觀特征

圖2 萊蕪九龍山張夏組剖面柱狀圖Fig.2 Columnar section of the Zhangxia Formation in the Jiulong，Laiwu

張夏組地層可以分為上灰巖段、盤車溝段和下灰巖段，其中盤車溝段的厚層頁巖和灰巖互層，只發育于魯西地區東南部剖面(萊蕪九龍山剖面和沂水馬站剖面)。凝塊石主要發育于上、下灰巖段，其上下界面大多為突變面，呈起伏不平，應是潮流沖刷形成的侵蝕面(圖3)。上灰巖段凝塊石的下伏巖性通常為鮞?；規r、生屑灰巖、灰巖與頁巖互層以及薄板狀泥晶灰巖與生屑灰巖互層，上覆巖性一般為生物碎屑灰巖、泥灰巖、附枝菌格架微生物巖(圖4)。下灰巖段凝塊石的上覆和下伏巖性為鮞粒灰巖(圖3)和生屑灰巖。凝塊石一般呈生物層和生物丘構造(圖5，6a，b)。生物層總體厚度為1～2 m，單層厚度一般為幾厘米到十幾厘米，較為穩定(圖5);生物丘大小不一，較小者高為幾十厘米，寬為幾十厘米，較大者高可達2 m，寬為3～5 m。向上變寬，各生物丘的內部結構一致，主要由凝塊和灰泥膠結物組成，但其形態以及丘與丘之間的接觸關系不同，有相切、相交、包裹等，也有呈單個生物丘出露。丘之間充填物為竹葉狀礫屑、生物碎屑、泥灰、泥質團塊等。

圖3 (a)凝塊石底部見有海綿化石，下界面為侵蝕面，起伏不平，下伏巖性為鮞粒灰巖;(b)野外素描圖，凝塊呈不規則狀，凝塊之間以灰泥膠結。Fig.3 (a)Saw the sponge fossils at the bottom of thrombolite.The below is a fluctuant erosion surface，overlying oolite.(b)Line drawing of thrombolite.The clots are irregular，mainly cement by lime mud.

在凝塊石中，凝塊通常顏色較深，呈深灰色，有明顯的邊界，凝塊大小一般為0.1～1.5 cm，較大者可達到2 cm，大多為斑塊狀(圖6c，d)，包括次圓形、月牙形、棒形以及帶有棱角的多邊形，還見有凝塊呈樹枝狀和網狀相連。凝塊之間膠結物通常為灰泥以及少量白云石，含有少量泥質團塊(6c)和生物碎屑(生物碎屑主要為三葉蟲、頭足類、腕足類等化石碎片)(圖6d)。而且從張夏組的下灰巖段到上灰巖段，凝塊之間的泥質團塊逐漸減少，灰泥膠結物隨之增多。在萊蕪九龍山剖面的下灰巖段凝塊石中含有保存較完整的海綿化石(圖3)。

圖4 附枝菌格架微生物巖與凝塊石共生Fig.4 Epiphyton microbialite and thrombolite

圖5 凝塊石生物層(單層厚度一般為5 cm左右)Fig.5 Thrombolite biostrome(single layer thickness is about 5 cm)

圖6 凝塊石生物丘a.丘狀凝塊石，高1.3 m，寬2 m;b.野外素描圖，兩生物丘之間含有生物碎屑灰巖;c.a中長方形的放大照片，可見深灰色斑塊狀凝塊，大小為0.1～1 cm，凝塊之間以灰泥膠結，含有泥質團塊;d.a中長方形的放大照片，見有典型的凝塊，含少量三葉蟲化石碎屑(箭頭)。Fig.6 Photographs of thrombolite biohermsa.thrombolite bioherm is 1.3 m high，2 m wide;b.line drawing of thrombolite bioherms，containing bioclastic grainstone between the two bioherm;c.close-up photo of the rectangular in(a)，the size of dark grey irregular clots is 0.1～1 cm.the clots mainly cemented by lime mud，contain pelitic mass;d.close-up photo of the rectangular in(a)，the typical clots，containing a few trilobite fossil clast(arrow).

2.2 微觀特征

在鏡下觀察，凝塊石的主要成分為泥晶方解石，其次是半自形—自形的白云石，呈褐色，菱形，主要分布于縫合線邊上。整體上為斑雜狀結構，在鏡下，凝塊即是一些由暗色附枝菌等藍細菌及其周圍泥晶方解石組成的團塊，團塊之間一般為泥晶方解石以及少量的亮晶方解石和白云石膠結。含有三葉蟲、棘皮類、頭足類、腕足類等化石碎片。通常，生物碎屑的含量與藍細菌呈反相關系，生屑多時，藍細菌就少;藍細菌多時，生屑就少。

魯西凝塊石主要是由附枝菌(Epiphyton)捕獲和粘結泥晶顆粒形成的，其次是葛萬菌(Girvanella)和放射狀菌(Actinophycus)。由附枝菌形成的凝塊石基本上遍布每個剖面的張夏組，附枝菌在大多數凝塊石中起主導作用;由葛萬菌形成的凝塊石發育于濟南彩石和蒙陰桃墟剖面的張夏組;由放射狀菌形成的凝塊石發育于沂水馬站剖面的張夏組。

附枝菌(Epiphyton)是具有分叉的葉狀體放射叢組成(長0.3～0.8 mm，寬為 40～80 μm)。其橫截面為圓形的泥球狀，直徑約為30～50 μm(圖7b)。附枝菌樹杈為細長圓棒狀，向上三維分叉，因此其縱切面一般為樹枝狀(圖7a)，較長的可達到5 mm。菌體一般被泥晶方解石交代，向上分叉，直立生長(圖7a)，少數附枝菌發生重結晶，由亮晶方解石膠結。根據枝杈的直徑大小，枝杈的細胞狀分割結構及管狀構造等，魯西張夏組的附枝菌可分為4類:粗枝杈狀、分段枝杈狀、細枝杈狀和管狀枝杈狀(Woo et al.，2008)。其構成的菌體群落形態可分為兩大類:灌木狀和房室狀(圖7a，c)。灌木狀群落由放射狀的附枝菌枝杈組成，縱切面多呈灌木狀，向上生長，菌體周圍為泥晶方解石膠結，通常具有成層性(圖7a)。灌木狀附枝菌群落在特定的條件下可形成房室狀構造，從內向外呈放射狀，房室為半圓形或不規則狀，直徑約為0.5～1.9 mm，房室壁厚為150～300μm。內壁較為粗糙，外壁較光滑，房室內為亮晶方解石膠結，壁為泥晶方解石膠結(圖7c)。其中灌木狀附枝菌群落主要位于凝塊石生物丘的內部，而房室狀附枝菌群落則常見于外部邊緣，這與凝塊石形成環境的水動力條件有關。

圖7 形成凝塊石的微生物類型a.附枝菌的縱切面大多為樹枝狀，向上分叉，直立生長;b.附枝菌的橫切面為圓形或橢圓形的泥球狀，直徑約為50 μm;c.房室狀附枝菌群落;d.葛萬菌呈相互纏繞聚集成小團塊狀，大小為10 μm;e.放射狀菌的縱截面，呈放射狀，向上變粗，大小約為100 μm;f.放射狀菌的橫切面，呈圓形或橢圓形，大小約為150 μm。Fig.7 Breedes of microbe formed thrombolitea.Longitudinal section of Epiphyton mostly is dendritic，forked up，upright growth;b.Transverse section of Epiphyton is round or elliptic rodlike.Diameter is about 50 μm;c.chambered Epiphyton thalli;d.Girvanella wind together and become small groups，the size is 10 μm;e.Longitudinal section of Actinophycus is radial，upward coarsening，the size is about 100 μm;f.Transverse section of Actinophycus is round or eclipse，the size is about 150 μm.

在凝塊石中，葛萬菌(Girvanella)呈長條管狀，管體大小均勻，直徑約為10～20 μm，長度不等，最長可達1 mm左右。大部分葛萬菌為不規則條帶狀分布，與附枝菌共生，小部分呈相互纏繞聚集成小團塊狀或單個絲體出現(圖7d)，有些葛萬菌也繞著生物碎屑生長。主要是泥晶方解石膠結，局部為亮晶方解石膠結。

放射狀菌(Actinophycus)在縱切面上為放射狀或扇狀排列的管狀體，管狀體基部細向上變粗，管體直徑約為90～200 μm(圖7e)，其橫切面為圓形至橢圓形(圖7f)，其中心為亮晶方解石膠結，邊緣為泥晶方解石膠結。

2.3 特征描述

對微生物巖野外與室內的研究，一般由宏觀到微觀用4種不同等級的結構和構造進行觀察與描述，即巨型結構(Megastructure)、大型結構(Macrostructure)、中型結構(Mesostructure)和微型結構［12，17］。巨型結構是指微生物巖所形成的巖層特征，如生物層、生物丘等。大型結構是描述微生物巖的總體特征(一般為幾十厘米至幾米)，如柱狀、穹狀、球狀等。中型結構則是描述在大型結構內部用裸眼能夠觀察到的微生物巖的結構與構造(一般為厘米級)，如紋層狀、凝塊狀、樹枝狀等。微型結構是指在顯微鏡下可以觀察到的顯微結構與組分，包括鈣化微生物殘留體、沉積物、膠結物等。

綜上所述，凝塊石的巨型結構特征為米級的生物丘和生物層狀，在縱剖面上呈單層狀，由其他沉積物間隔，與薄板狀泥晶灰巖、鮞?；規r、生屑灰巖及其他微生物巖共生。大型結構通常為丘狀、穹狀、層狀，層狀單層厚度較穩定，平均為10 cm左右，丘狀和穹狀一般高為幾十厘米，寬也為幾十厘米，較大者高可達2 m，寬達3～5 m。各生物丘的內部結構一致，主要由凝塊和灰泥膠結物組成。中型結構特征為凝塊呈深灰色，具有較明顯的邊界，大小通常為0.1～2 cm，大多為斑塊狀、樹枝狀和網狀。凝塊之間多為灰泥和少量白云石膠結，含有少量泥質團塊和生物碎屑。微型結構特征是在鏡下觀察，凝塊是一些由暗色附枝菌等藍細菌及其周圍泥晶方解石組成的團塊，團塊之間一般為泥晶方解石以及少量的亮晶方解石和白云石膠結。其中凝塊石主要是附枝菌(Epiphyton)形成的，其次是葛萬菌(Girvanella)和放射狀菌(Actinophycus)。附枝菌大小為40～80 μm，葛萬菌大小為10～20 μm，放射狀菌大小為 90～200 μm(圖 8)。

圖8 魯西地區寒武系第三統張夏組凝塊石的主要特征Fig.8 The main features of thrombolite in the Zhangxia Formation(third series of Cambrian)，Shandong province

圖9 魯西地區張夏組凝塊石的沉積環境及形成模式Fig.9 Depositional environments and formation model of thrombolite in the Zhangxia Formation，Shandong province

3 凝塊石的形成環境

在寒武紀，華北臺地海侵方向為東南至西北向［18］，隨著相對海平面持續上升，碳酸鹽臺地迅速發育。根據凝塊石的宏觀與微觀特征、共生巖性、沉積構造及生物組合等特征，表明該地區為局限臺地和開闊臺地相區，其沉積環境主要為潮下高能帶、潮下低能帶和灘間海(圖2)。

潮下高能帶水體較淺，水動力條件具有簸揚作用，屬高能水動力沉積環境。該亞相在魯西地區的主要巖性為鮞?；規r和顆?；規r，以亮晶方解石膠結為主，常發育槽狀交錯層理、羽狀交錯層理及平行層理等。

潮下低能帶，此區域水體位于平均低潮面之下，正常浪基面之上、陽光充足、含氧量豐富、波浪和潮汐作用都很弱，其能量大多被海底磨擦消耗掉，水循環也很弱，只有局部的風暴才能引起一定的波浪能，因此是一個低能帶。有較豐富的營養物質，故此區域繁殖有大量的藍細菌，有利于捕獲水中的鈣離子以及自身發生鈣化作用，從而形成凝塊石。

灘間海則位于開闊臺地海水較深的地帶，其水動力相對較弱，其環境相應變得安靜、低能，沉積物以細粒陸源物質和化學沉積物質為主。主要巖性是黃綠色頁巖、頁巖與薄板狀泥晶灰巖互層以及少量的生屑灰巖，常發育水平層理和生物擾動構造。生屑為三葉蟲、腕足類、棘皮類等化石碎片，見有部分保存較完整的三葉蟲化石，表明了形成環境的水動力很弱。

根據上述沉積相分析，結合凝塊石野外觀察、鏡下分析以及與之共生巖相和生物化石組合，來探討張夏組凝塊石的沉積環境及形成模式(圖9)。從凝塊石的上覆和下伏巖性可以看出潮下高能帶的水動力較強，水體較淺。凝塊石呈大型生物丘和生物層構造，鏡下觀察，凝塊石主要由大量附枝菌形成的，附枝菌鈣化體保存較完整，縱截面呈樹枝狀，直立向上生長，且主要以泥晶方解石膠結，反映了形成凝塊石的水體相對較深，水動力條件弱，具有豐富的營養物質和充足的光照強度。因此，在張夏期早期，魯西地區水體較淺，水動力較強，主要為潮下高能帶環境，形成厚層的鮞?；規r;隨著海侵，海平面相對上升，當水位達到平均低潮面以下，附枝菌等藍細菌開始大量繁殖，進行光合作用，捕捉和黏結碳酸鹽微粒以及發生自身鈣化，從而形成大量凝塊石;而當海平面相對下降時，水動力逐漸變強，使得附枝菌等藍細菌難以生長，妨礙了附枝菌捕捉和黏結碳酸鹽微粒等，從而無法繼續形成凝塊石，逐漸過渡為水體較淺，水動力較強的潮下高能帶，開始沉積鮞粒灰巖和生物碎屑灰巖。由于整個魯西地區在張夏期屬于陸表海，因此凝塊石的這種沉積模式在張夏期周而復始的進行著。

4 結論

魯西寒武系第三統張夏組凝塊石主要呈生物丘和生物層狀，其凝塊大多為不規則狀和網狀，膠結物以泥晶方解石為主，含少量泥質團塊和生物碎屑。鏡下觀察，凝塊石主要是由附枝菌形成，其次是葛萬菌和放射狀菌。其中，附枝菌呈枝杈狀向上生長，橫切面為泥球狀，大小為40～80 μm。附枝菌可形成灌木狀和房室狀兩種群落，由于受水動力條件的影響，前者生長于凝塊石生物丘內部，而后者常見于生物丘的外部邊緣。葛萬菌呈細長管狀，大小為10～20 μm，經常相互纏繞呈不規則團塊狀。放射狀菌呈扇狀管體，向上變粗，大小為90～200 μm，橫切面為圓形、橢圓形。

魯西寒武系凝塊石的沉積環境為潮下低能帶。該沉積環境的水動力較弱，水體清澈，只是局部具有一定的波浪能，而且該區域具有豐富的營養物質，光照充足，有利于附枝菌的大量繁殖和自身鈣化，從而形成大量的凝塊石生物丘和生物層。

References)

1 Burne R V，Moore L S.Microbialites:Organosedimentary deposits of benthic microbial communities［J］.Palaios，1987，2(3):241-254

2 Riding R.Microbial carbonate abundance compared with fluctuations in metazoan diversity over geological time ［J］.Sedimentary Geology，2006，185(3/4):229-238

3 Riding R.Microbial carbonates:The geological record of calcified bacterial-algal mats and biofilms［J］.Sedimentology，2000，47(1):179-214

4 梅冥相.從凝塊石概念的演變論微生物碳酸鹽巖的研究進展［J］.地質科技情況，2007，26(6):1-9［Mei Mingxiang.Discussion on advances of microbial carbonates from the terminological change of thrombolites［J］.Geological Science and Technology Information，2007，26(6):1-9］

5 梅冥相.微生物碳酸鹽巖分類體系的修訂:對灰巖成因結構分類體系的補充［J］.地學前緣，2007，14(5):222-232［Mei Mingxiang.Revised classification of microbial carbonates:Complementing the classification of limestones［J］.Earth Science Frontiers，2007，14(5):222-232］

6 Aitken J D.Classification and environmental significance of cryptalgal limestones and dolomites，with illustration from Cambrian and Ordovician of southwestern Alberta［J］.Journal of Sedimentary Petrology，1967，37:1163-1178

7 Kennard J M，James N P.Thrombolites and stromatolites:Two distinct types of microbial structures［J］.Palaios，1986，1(5):492-503

8 Aitken J D，Narbonne G M.Two occurrences of Precambrian thrombolites from Mackenzie Mountains，Northwestern Canada［J］.Palaios，1989，4(4):384-388

9 韓作振，陳吉濤，張曉蕾，等.魯西寒武系第三統張夏組附枝菌與附枝菌微生物巖特征研究［J］.地質學報，2009，83(8):1097-1103［Han Zuozhen，Chen Jitao，Zhang Xiaolei，et al.Characteristics of epiphyton and epiphyton microbialites in the Zhangxia Formation(Third Series of Cambrian)，Shandong province［J］.Acta Geologica Sinica，2009，83(8):1097-1103］

10 Baldis B A，Berest M S，Bordonaro O L，et al.Estromatolitos，tromb-olitosy formas afines en el limite Cambrico-Ordovicico del oeste Argentino［J］.II Congresso Lation-Americano de Paleontologia，1981，1:19-30

11 Turner E C，James N P，Narbonne，G M.Taphonomic control on microstructure in Early Neoproterozoic reefal stromatolites and thrombolites［J］.Palaios，2000，15(2):87-111

12 Shapiro R S，Awramik S M.Microbialite morphostratigraphy as a tool for correlating Late Cambrian-Early Ordovician sequences［J］.Journal of Geology，2000，171-180

13 Keller M，Buggisch W，Bercowski F.Facies and sedimentology of Upper Cambrian shallowing-upward cycles in the La Flecha Formation(ArgentinePrecordillera) ［J］.ZentralblattfürGeologieund Pal?ontologie.Teil I，1989，5/6:999-1011

14 De Freitas T，Mayr U.Kilometre-scale microbial buildups in a rimmed carbonate platform succession，Arctic Canada:New insight on Lower Ordovician reef facies［J］.Canadian Petroleum Geology Bulletin，1995，43(4):407-432

15 Glumac B，Walker K R.Selective dolomitization of Cambrian microbial carbonate deposits:A key to mechanisms and environments of origin［J］.Palaios，1997，12(2):98-110

16 Woo J，Chough S K，Han Z Z.Chambers of Epiphyton thalli in microbial buildups，Zhangxia Formation(Middle Cambrian)，Shangdong province，China［J］.Palaios，2008，23(1):55-64

17 韓作振，陳吉濤，遲乃杰，等.微生物碳酸鹽巖研究:回顧與展望［J］.海洋地質與第四紀地質，2009，29(4):29-38［Han Zuozhen，Chen Jitao，Chi Naijie，et al.Microbial carbonates:A review and perspectives［J］.Marine Geology ＆ Quaternary Geology，2009，29(4):29-38］

18 Kwon Y K，Chough S K，Choi D K，et al.Sequence stratigraphy of the Taebaek Group(Cambrian-Ordovician)，mideast Korea［J］.Sedimentary Geology，2006，192(1/2):19-55

19 杜汝霖.前寒武紀古生物學及地史學［M］.北京:地質出版社，1992:1-193［Du Rulin.Precambrian Paleobiology and Geohistory［M］.Beijing:Geological Publishing House，1992:1-193］

20 劉效曾.川西北中三盛統隱藻類碳酸鹽巖特征及其環境意義［J］.沉積學報，1983，1(3):79-88［Liu Xiaozeng.Characteristics and environmental significance of Middle Triassic cryptoalgal carbonates in the northwestern part of Sichuan［J］.Acta Sedimentologica Sinica，1983，1(3):79-88］

21 高建平，朱士興.晉東北地區寒武系微生物巖及其與沉積環境的關系［J］.微體古生物學報，1998，15(2):166-177［Gao Jianping，Zhu Shixing.Cambrian microbialites from the northeastern Shanxi province and their relation to sedimentary environments［J］.Acta Micropalaeontologica Sinica，1998，15(2):166-177］