渝東北陡山沱組碳酸錳微生物巖沉積環境初探

張懿，陳龍，李建，王東歌，吳慶銘，韋軼，史強，曠紅偉，柳永清，廖志偉

1.重慶市地質礦產勘查開發局205地質隊，重慶 402160

2.重慶大學資源與安全學院煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044

3.中國地質科學院地質研究所，北京 100037

0 引言

錳礦是我國關鍵性礦種之一，國內各錳礦整裝勘查區近年來也獲得了較大的儲備資源量，但是其成因研究相對滯后，特別是沉積型菱錳礦床，其中便包括揚子北緣城口地區陡山沱組頂部的大型菱錳礦床。自2015 年城口錳礦整裝勘查開展以來，先后探獲了高燕、修齊大型錳礦床，整裝勘查區內探獲錳礦各類新增資源量約6 000 萬噸。雖然前人對城口錳礦開展了一系列地層學、沉積學、地球化學及礦床學相關研究，但其沉積環境、錳質來源以及成礦機理等關鍵問題都還存在較大爭議。華南典型的沉積型錳礦包括貴州—重慶—湖南—湖北成冰系大塘坡組錳礦、湖南奧陶系磨刀溪組錳礦、貴州二疊系茅口組錳礦、云南中三疊系法郎組錳礦、云南晚三疊系松桂組錳礦以及重慶城口埃迪卡拉系陡山沱組錳礦等[1]。最新研究成果顯示，華南沉積型錳礦床除松桂組錳礦被認為形成于濱岸沼澤環境之外，一般認為菱錳礦沉積于深水還原環境[2-7]。在城口地區陡山沱組頂部，菱錳礦層穩定存在，厚度0.2～2.0 m 不等，被認為沉積于潟湖、海灣[8]、深水斜坡[9-10]、臺地邊緣淺灘[11]或臺緣斜坡[12]，也有研究者認為鮞粒、球粒、核形石由臺地搬運而來，受原地生長的微生物包覆黏結，沉積后由錳質熱液交代成礦[13]。區域巖相古地理研究顯示城口地區陡山沱組末期處于深水陸棚或斜坡沉積環境[14-18]。雖然，前人通過主微量、稀土等地化分析認為城口錳礦沉積于較深水、較局限的還原環境[7,19-22]，但本次研究發現，城口地區陡山沱組菱錳礦內常見錳質疊層石與代表高能動蕩環境的錳質核形石、鮞粒等共生，是典型的微生物巖，并且局部區域菱錳礦層之上還發育內碎屑結構的含磷巖系，表明研究區含錳巖系的形成環境并非深水還原環境。

本次研究依靠城口錳礦整裝勘查2020年鉆探成果，以陡山沱組野外露頭及鉆井巖心為研究對象，開展沉積學研究，觀測了3 條野外剖面，詳細研究了城口地區陡山沱組各層段巖石學、沉積學特征，觀測了3口鉆井巖心，詳細描述了錳質微生物巖發育規模及沉積結構、構造特征。本文通過系統的沉積學研究，以期揭示城口錳礦沉積環境，為該時期錳成礦作用研究提供更多的證據。

1 地質概況

渝東北城口地區位于揚子板塊北緣，受燕山—喜山期陸內造山作用[23-27]，區域內新元古代地層沿城口—房縣斷裂走向斷續出露。城口—房縣斷裂以南揚子板塊內出露的新元古代地層有成冰系南沱組、埃迪卡拉系陡山沱組以及燈影組。南沱組原稱“明月組”，區域層型剖面位于城口縣高燕鎮明月鄉，本次調查了高燕鎮覃家河剖面，南沱組中上部為紫紅色—青灰色塊狀冰磧礫巖，下部為青灰色厚層—塊狀粗砂巖，南沱組厚度大于800 m。城口地區陡山沱組區域層型剖面原來位于城口縣高燕鎮明月鄉興隆坪，現已無法觀察。在高燕鎮李家溝剖面（圖1a），陡山沱組與南沱組平行不整合接觸，南沱組頂部塊狀冰磧礫巖顏色由青灰色漸變到紫紅色，陡山沱組底部為厚約1 m的透鏡狀砂質細礫巖或含礫粗砂巖，之上為厚約9 m的紫紅色中層狀粉砂巖（圖2）。與峽東地區陡山沱組4分特征不同，城口地區陡山沱組缺失蓋帽白云巖，一直以來采用2分方案[12,19]，在李家溝剖面，陡山沱組1段厚74 m，整體為紫紅色—青灰色薄—中厚層狀中—粗砂巖夾同色粉砂巖或泥巖條帶，中部為肉紅色條帶狀粗晶灰巖與紫紅色粉砂巖互層（圖2），1段中常見槽狀交錯層理、平行層理以及正粒序和沖刷面，偶見低角度交錯層理，且砂巖單層厚度延伸穩定。在高燕礦調ZK117-1井，陡山沱組1段由青灰色薄層狀砂巖逐漸過渡到陡2 段深灰色碳質泥巖，陡2段厚約19 m，整體為灰黑色碳質頁巖夾少量粉砂巖條帶，局部有薄層粉砂巖，陡2 段頂部為厚約0.82 m的含錳巖系，含錳巖系底部為碳質頁巖夾條帶狀微晶菱錳礦，中上部為微晶菱錳礦夾鮞粒狀菱錳礦，見一層厚3 cm的疊層石菱錳礦（圖2）。含錳巖系之上為深灰色薄層狀含錳微晶白云巖，為燈影組1段地層，陡山沱組與燈影組整合接觸。

圖1 研究區地理簡圖（a）研究區鉆孔位置及剖面位置圖；（b）研究區地理位置圖Fig.1 Geographical map of the study area in China(a)location of wells and stratigraphic sections;(b)location of study area

圖2 城口地區埃迪卡拉系陡山沱組綜合地層柱狀圖（資料來自ZK117-1 鉆孔及李家溝剖面，位置見圖1）Fig.2 Comprehensive stratigraphic histogram of Ediacara Doushantuo Formation in Chengkou area(data from well ZK117-1 and Lijiagou section;see Fig.1b for locations)

城口地區燈影組1 段以青灰色—灰色薄層狀泥質白云巖為主，底部白云巖多含錳或含磷，真厚度10～35 m。燈影組2段以灰色—深灰色薄—中層狀微晶灰巖為主，常為條紋條帶狀結構，真厚度50～120 m。燈影組3段主要為灰色薄—厚層狀微晶白云巖、硅質白云巖，頂部穩定存在數十米黑色薄層狀硅質巖，燈影組3段真厚度110～150 m。

2 材料與方法

本次以城口錳礦整裝勘查區楊家壩錳礦工區預查項目2020 年實施的兩個鉆孔ZK8-31 和ZK28-3 為主要研究對象。鉆孔ZK8-31 和ZK28-3 分別在孔深261.3 m（海拔標高+1 030.45 m）和孔深1 561.20 m（海拔標高-411.793 m）揭露了陡山沱組頂部含錳巖系。本次研究在野外觀察編錄了含錳巖系巖心，對含錳巖系巖心進行1/2 劈心取樣，用于全巖主量元素分析，在剩余一半劈心光滑表面采取薄片觀察樣。共采取化學樣63 件，薄片樣39 件（圖3）。室內計算統計了含錳巖系分層真厚度，并形成含錳巖系柱狀圖，共磨制薄片76片，對柱狀疊層石（樣品號ZK8-31-b1）橫截面和縱截面分別切片。為了防止錳質巖石氧化，對所有薄片作全蓋玻處理。在重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室使用Zeiss Scope A1偏光顯微鏡對典型薄片進行了詳細觀察，同時拍攝了典型微生物巖微觀結構照片。

全巖主量元素分析在重慶市地質礦產測試中心完成，另外有10 件外檢樣在重慶市地質礦產研究院完成。全巖樣品用蒸餾水清洗后經過12 h 烘烤，經過粗碎、中碎和細碎加工，磨制成粒度200目（直徑<0.074 mm）的樣品，再經過制樣程序形成測試樣品（參見DZ/T 0130.1—2006、DZ/T 0130.2—2006），而后轉入測試階段，檢測項目為包括Mn、P、TFe、SiO2、MgO、CaO、Al2O3以及燒失量。主量元素分析由波長色散X 射線熒光光譜法完成（參見GB/T 24519—2009），儀器型號AxiosmAxX 射線熒光光譜儀，儀器編號H2017-002，檢測溫度20 ℃，濕度46%。MnO 檢出極限0.1%，P2O5檢出極限0.01%，TFe、SiO2、MgO、CaO、Al2O3檢出極限0.05%，燒失量由高溫灼燒法完成，檢出極限0.01%。其中Mn 含量由MnO 含量換算得出，P 含量由P2O5含量換算得出，實驗誤差和質量評述按DZ 0130.3—2006計算。

3 碳酸錳微生物巖沉積特征

微生物巖早期被定義為由底棲微生物群落誘導形成礦物沉淀或黏結碎屑沉積物而形成的有機沉積體[28]。現在微生物巖定義已經被延伸拓展，認為是微生物成因或推測微生物成因的沉積巖[29]，如吳亞生等[30]認為微生物巖還應該包括微生物骨架巖、微生物黏結巖、非鈣化浮游或漂浮微生物形成的模鑄巖、礦化浮游或漂浮微生物形成的顆粒巖和泥粒巖。常見的微生物巖包括疊層石（stromatolite）、凝塊石（thrombolite）、樹形石（dendrolite）、均一石（leiolite）等類型[30-36]。研究區陡山沱組菱錳礦和含錳白云巖中發育疊層石、樹形石、凝塊石以及核形石等微生物巖或微生物巖結構，它們共生并相互黏結，形成了障積丘礁沉積。

3.1 碳酸錳微生物巖宏觀特征

城口縣楊家壩錳礦預查工區鉆孔ZK8-31 和ZK28-3 揭露了陡山沱組頂部完整的含錳—含磷巖系，總體呈現上磷下錳沉積特征，記錄了3 次含錳巖系—含磷巖系沉積旋回，含錳—含磷巖系整體賦存于黑色頁巖（圖3、表1）。其中，菱錳礦為深灰色或鋼灰色，膠錳礦為黑色，層狀構造，菱錳礦單礦層厚度在29～82 cm 不等，膠磷礦層呈條帶狀，含礦層厚度0.5～18 cm不等。菱錳礦見鮞粒、核形石、疊層石以及微晶結構。

表1 鉆孔含錳巖系化學樣主要元素分析結果（%）Table 1 Major element data from chemical samples of manganese-bearing rock series from drilled wells (%)

圖3 城口楊家壩錳礦預查區陡山沱組含錳巖系地層對比圖（鉆孔位置見圖1）細粒核形石0.1 mm≤直徑<0.5 mm，中粒核形石0.5 mm≤直徑<1 mm，粗粒核形石、鮞粒1 mm≤直徑<4mmFig.3 Comparison of manganese-bearing rock series in Ediacara Doushantuo Formation,Yangjiaba manganese exploration area,Chengkou city (see Fig.1b for locations)

其中，鮞粒直徑2.0～3.5 mm 不等，屬巨鮞，鮞粒渾圓、分選較好，核心及同心紋層在巖心表面清晰可見（圖4a），鮞粒菱錳礦在鉆孔ZK8-31 含錳巖系中厚0.82 m。核形石是指內部具有生物同心紋層構造的團塊狀微生物介導沉積結構[30,36]，也被認為是一種基本層連續或不連續包裹發育的疊層石[34]。在研究區，核形石常呈球狀或不規則球狀，直徑0.1～4.0 mm 不等，但小于0.5 mm 的顆粒在巖心表面難以觀察。核形石少見同心紋層，研究區核形石與鮞粒常共生或形態類似，因此肉眼常難以識別核形石特征（圖4b）。常見核形石發育黏結結構（圖4c），大小不一時黏結結構更易識別，常見核形石被黑色硅質物質膠結，核形石菱錳礦、含錳核形石白云巖在楊家壩預查區厚5～29 cm不等。

疊層石是以藍細菌為主的微生物通過生長和新陳代謝作用粘附和沉淀礦物質或捕獲礦物顆粒形成的一種生物—沉積構造，其基本特征是疊層結構和原地生長[28,31-32]。在研究區，疊層石呈層狀或柱狀，層狀疊層石基本層為厚0.2～2.0 mm不等的明暗紋層（圖4d），常局部上拱呈波狀，上拱程度在0.5～1 cm不等，在鉆孔ZK28-3中十分常見。柱狀疊層石見于鉆孔ZK8-31含錳巖系頂部以及ZK28-3含錳巖系底部，由微上拱的明暗基本層組成，整體為圓柱狀，其柱體直徑一般小于1 cm，柱狀縱切面形態常呈鼻甲狀或指狀，下小上大（圖4e），柱狀疊層石單柱高度0.5～1.5 cm不等。柱狀疊層石基本層局部側向連接，呈假柱狀生長（圖4e），柱狀疊層石常組成層狀疊層石礁，礁最多厚數十厘米。在研究區，常見層狀疊層石—柱狀疊層石或柱狀疊層石—層狀疊層石旋回沉積，疊層石生長微層序頂部常發育內碎屑層或沖刷面等強水動力沉積產物。

圖4 城口地區陡山沱組錳質微生物巖宏觀特征（a）粗粒鮞粒菱錳礦，巖心表面同心紋層清晰可見，粒度分選好，楊家壩ZK8-31-b5；（b）細粒核形石菱錳礦，粒度均勻，巖心表面魚籽狀，鏡下特征顯示黏結生長結構，楊家壩ZK28-3-b13；（c）粗粒核形石菱錳礦，粗粒之間有大量細粒，具黏結結構，巖心表面無法觀察到紋層結構，楊家壩ZK8-31-b2；（d）層狀疊層石含錳白云巖，疊層石之上為厚1 cm的礫屑白云巖，楊家壩ZK28-3-b11；（e）柱狀疊層石菱錳礦，柱體直徑小于1 cm，單柱高度1～3 cm不等，楊家壩ZK8-31-b1；（f）黑色條帶狀膠磷礦，楊家壩ZK28-3-b4Fig.4 Macroscopic characteristics of manganese microbialites in Ediacara Doushantuo Formation,Chengkou

3.2 碳酸錳微生物巖微觀特征

3.2.1 核形石

研究區菱錳礦層中最發育核形石和鮞粒結構（圖5），核形石較鮞粒更為常見，在鉆孔ZK28-3含錳巖系中下部含錳白云巖中也常見核形石結構（圖3）。鮞粒較核形石顆粒更加渾圓，同心紋層也更加規則（圖5a，b），而核形石顆粒外形常呈不規則似球狀，其同心紋層隨外形一致而呈不規則球狀，橫截面有時見同心紋層呈波狀（圖5c，d），偶見紋層局部發育瘤狀結構（圖5e）。錳質鮞粒不但分選較好，且同一層的鮞粒，其明紋層和暗紋層單厚度及其交替頻率十分穩定（圖5a），顆粒總體特征一致，表明其同步形成特征。而同一層的核形石，其粒度大小不均勻（0.1～4.0 mm 不等），同心明暗紋層所占比例也不穩定，以多個顆粒黏結生長為特征（圖5d，f），見巖心表面粒度均勻的核形石在鏡下也呈現黏結結構。錳質鮞粒與核形石核心常為暗色球狀有機質團塊，部分核形石在單偏光下見明顯的放射纖維狀結構（圖5b，c），鮞粒和核形石正交偏光下均呈十字消光特征。偶見核形石同心紋層斷續發育，其內部有大量零散分布的有機質團塊（圖5g）。核形石內部偶見粉砂級石英碎屑（圖5f），可能與黏結捕獲作用有關。核形石與鮞粒有時難以分辨，因為部分核形石顆粒內部紋層結構十分規則。目前，在研究區核形石中還未發現微生物直接參與構建紋層的證據。同一層位中的黏結狀核形石，局部顆粒內部紋層全部消失，形成無內部結構的球粒（圖5h），可能與早成巖階段有機碳參與二次富錳作用有關，因其有機碳來源于核形石富有機質紋層。

圖5 城口地區陡山沱組錳質核形石微觀特征（a）粗粒鮞粒菱錳礦，同心紋層十分規則，楊家壩ZK8-31-b5；（b）粗粒鮞粒菱錳礦，同心紋層十分規則，放射狀顯微結構，楊家壩ZK8-31-b2；（c）粒狀菱錳礦，疑似核形石，外形不規則橢球狀，同心紋層不規則，放射狀顯微結構，楊家壩ZK8-31-b2；（d）粒狀菱錳礦，疑似核形石，黏結結構，楊家壩ZK8-31-b2；（e）中粒核形石菱錳礦，紋層局部有瘤狀凸出，楊家壩ZK28-3-b13；（f）核形石菱錳礦，黏結結構，楊家壩ZK28-3-b13；（g）球粒結構含錳白云巖，球粒外形不規則橢球狀，內部有大量有機質團塊，可能是碳酸錳、有機質聚合體，ZK28-3-b23；（h）內部紋層結構全部消失的粒狀菱錳礦，黏結結構，可能由核形石組成，但由于后期成巖作用消耗了有機質，導致紋層結構消失，正交偏光，十字消光特征，楊家壩ZK28-3-b13Fig.5 Photomicrographs of manganese oncolites in Ediacara Doushantuo Formation,Chengkou

3.2.2 樹形石、疊層石

研究區常見錳質疊層石，發育層狀和柱狀兩種類型。層狀疊層石以基本層在橫向上連續生長為特征，柱狀疊層石以基本層縱向堆疊呈柱狀為特征，二者都由不等厚的明暗基本層堆積組成，其中暗色基本層常占比更高，明暗紋層常突變交替。層狀疊層石基本層結構一般是具支撐結構的帶狀（圖6a，b）、核形石黏結組成的帶狀（圖6c）、紋層狀（圖6d）以及放射纖維狀物質組成的帶狀（圖6e），不同結構的基本層常交替發育（圖6e）。常見核形石黏結生長在層狀疊層石各類型基本層中，但在柱狀疊層石基本層中相對少見（圖6g）。柱狀疊層石基本層結構常呈帶狀，常具支撐結構（圖6f）。樹形石是一種樹枝狀的微生物巖，具有非層狀、不含凝塊結構以及無疊層結構等基本特征[33]。具支撐結構的帶狀由高度80～750 μm樹形石或微型疊層石組成（圖6a，b，f），樹形石具有向上生長的樹枝狀外形特征，內部一般無結構，內部常由于有機質含量不均造成明暗程度局部變化（圖6a，b）。基本層中的微型疊層石外形常與樹形石相似，但內部具有疊層結構（圖6b），見樹形石與微型疊層石組成放射狀（圖6h）。層狀、柱狀疊層石基本層形態遺傳程度都較高。疊層石與核形石共生，黏結生長結構是研究區微生物巖的典型特征。

圖6 城口地區陡山沱組錳質疊層石微觀特征（a，b）層狀疊層石暗色基本層，有支撐結構的板狀基本層，由樹形石及微型柱狀疊層石組成，楊家壩ZK28-3-b17；（c）層狀疊層石微觀特征，紋層局部上凸，基本層由細粒核形石組成，楊家壩ZK28-3-b12；（d）層狀疊層石微觀特征，紋層狀基本層，楊家壩ZK28-3-b12；（e）層狀疊層石微觀特征，微晶結構基本層、核形石組成的基本層及放射狀基本層微旋回，楊家壩ZK28-3-b12；（f）柱狀疊層石基本層特征，有支撐結構的板狀基本層，由樹形石組成，楊家壩ZK8-31-b1；（g）柱狀疊層石與核形石共生，基本層內偶見黏結的粗粒核形石，楊家壩ZK8-31-b1；（h）柱狀疊層石微觀特征，樹形石或微疊層石組成放射狀結構，楊家壩ZK28-3-b28Fig.6 Photomicrographs of manganese stromatolites in Ediacara Doushantuo Formation,Chengkou

3.2.3 凝塊石與其他微生物巖微結構

凝塊石是具有凝塊狀微觀結構的微生物巖[34]，在研究區較為少見，僅在ZK28-3含錳巖系中局部發育，凝塊結構外形呈不規則團塊狀，研究區凝塊結構內部具絲狀、樹枝狀等有機結構（圖7a，b），或凝塊呈網格狀（圖7c，d）。研究區凝塊石與層狀疊層石共生，疊層石中也常見凝塊結構。

圖7 城口地區陡山沱組錳質凝塊石微觀特征（a，b）凝塊結構，發育于層狀疊層石菱錳礦內部，外形不規則，內部有機質呈樹枝狀或絲狀，楊家壩ZK28-3-b12；（c，d）凝塊石，與層狀疊層石共生，外形不規則，內部呈網格狀結構，楊家壩ZK28-3-b29Fig.7 Photomicrographs of manganese thrombolites in Ediacara Doushantuo Formation,Chengkou

除凝塊結構外，研究區菱錳礦或含錳白云巖中還保存了多種典型的微生物巖微結構，如球粒狀結構（圖8a，b）、疑似絲狀有機質結構（圖8c）、管狀結構（圖8d）、規則圓狀有機質結構（圖8e）、纖維狀結構（圖8f）以及放射狀結構（圖8g），還見大量顯微核形石或碳酸錳球粒圍繞樹枝狀凝塊黏結生長（圖8h），它們大多產自錳質疊層石。

研究區微生物巖微結構中目前還未發現微生物化石，不同類型微結構可能與不同微生物主導的胞外聚合物（EPS，extracellular polymeric substance）有關。泥微晶凝塊組成球粒狀微結構一般被認為是好氧、異養細菌或硫酸鹽還原作用降解EPS 的產物[37]。鉆孔ZK28-3 中，球粒狀有機結構具有亮色核心（ZK28-3-b11，圖8a）或具有類似細胞分裂的結構（ZK28-3-b12，圖8b），表明它們可能是某種藍綠細菌。絲狀或管狀微結構可能是藻絲遺體或微小洞穴[34]，在鉆孔ZK28-3 含錳巖系中，絲狀、管狀結構發育于層狀疊層石內部。管狀結構還發育于核形石含錳白云巖，其絲狀結構具有垂直疊層石基本層向上生長的趨勢，但未見明顯藻絲體結構（圖8c）。管狀構造常具有亮色管芯，部分垂直疊層石基本層筆直發育（圖8d），部分無固定生長方向呈彎曲不規則狀（圖8e）。疊層石中放射纖維狀微生物巖微結構可能是顯微微生物誘導礦化的結果[38-39]，鉆孔ZK28-3層狀疊層石中記錄較好的放射狀或纖維狀微結構，它們組成了一種疊層石基本層類型，纖維狀有機結構垂直基本層向上生長或發散生長（圖8f，g）。

圖8 城口地區陡山沱組錳質微生物巖微結構（a）球粒狀結構，楊家壩ZK28-3-b11；（b）球粒狀結構，發育于層狀疊層石中，基本層內有石英、長石碎屑，楊家壩ZK28-3-b12；（c）疑似絲狀有機質結構，組成了層狀疊層石暗色基本層，絲狀物質彎曲不規則，似有向上生長的趨勢，楊家壩ZK28-3-b11；（d）管狀結構，發育于層狀疊層石內部，管狀體筆直或彎曲不規則，部分具有向上生長的趨勢，部分似垂直潛穴，部分平臥生長，楊家壩ZK28-3-b12；（e）規則圓狀有機質結構，發育于球粒狀菱錳礦中，楊家壩ZK28-3-b13；（f）纖維狀結構，發育于層狀疊層石基本層內，楊家壩ZK28-3-b12；（g）放射狀結構，發育于層狀疊層石基本層內，楊家壩ZK28-3-b12；（h）顯微的核形石或碳酸錳球粒圍繞樹枝狀凝塊黏結生長，楊家壩ZK28-3-b12Fig.8 Microstructures of manganese microbialites in Ediacara Doushantuo Formation,Chengkou

長期以來，沉積型錳礦成因普遍被認為與微生物密切相關，世界范圍內各地質歷史時期的沉積型錳礦都具有碳同位素負偏特征，被認為是微生物有機碳參與成錳作用的重要證據，前人認為古代菱錳礦可能是成巖早期異養微生物零星活動的結果[40-42]，各地質時期的成錳事件一般與生物滅絕事件吻合[43-44]，因為生物滅絕會提供大量的有機碳。此外，世界范圍內分布的各時代沉積型和火山—沉積型錳礦石中，微生物結構幾乎無處不在[43]，其中也包括揚子克拉通內湖南民樂—湘潭—花垣、貴州松桃等地區廣泛分布的成冰系大塘坡型錳礦以及城口陡山沱組錳礦[45-49]，但極少量的微生物化石記錄無法明確微生物參與成礦的具體機制，也難以評估碳酸錳成礦過程中微生物作用的重要性[50]。在揚子克拉通區域內，除云南三疊紀琺瑯組斗南錳礦中廣泛發育核形石結構外[5]，很少有微生物巖型菱錳礦實例。城口陡山沱組菱錳礦中記錄的核形石、疊層石、樹形石、凝塊石等類型微生物巖以及各種類型微生物巖微結構，暗示生物直接參與了沉積成錳作用，為研究微生物成錳作用和機制提供了重要的實例。

4 沉積相特征

4.1 碳酸錳微生物巖沉積環境

城口地區陡山沱組1 段砂巖呈紫紅色、青灰色，以長石石英砂巖和巖屑石英砂巖為主，長石以斜長石、正長石為主，長石顆粒黏土化較嚴重，常形成淋濾孔洞被鈣質物質充填，巖屑見泥巖巖屑、粉砂巖巖屑、燧石巖屑、片麻巖巖屑、石英巖巖屑、安山巖巖屑以及玄武巖巖屑，其中泥巖巖屑常因塑性變形呈假雜基假象。砂巖填隙物一般是雜基，有時雜基含量較高而成為雜砂巖，少見鈣質膠結，砂巖分選中等—較差，磨圓度常呈次圓狀—次棱角狀，可能是近源剝蝕、搬運、沉積的結果。砂巖中發育各種層理構造，如槽狀交錯層理、平行層理以及正粒序和沖刷面，常見沖刷面底部為含礫砂巖或細礫巖，偶見低角度交錯層理，砂巖單層延伸厚度非常穩定，是無障壁海岸濱岸相沉積產物。在陜西鎮巴（城口以西）和重慶巫溪（城口以東），陡山沱組下部地層特征與城口地區整體相似，鎮巴地區陡山沱組紫紅色砂巖還發育波痕構造，巫溪地區陡山沱組紫紅色砂巖以含礫粗砂巖為主。除此之外，鎮巴、城口、巫溪地區陡山沱組下部紅色砂巖系中常見紫紅色條帶狀粉砂巖與肉紅色粗晶灰巖互層，是濱外過渡帶混合沉積產物。

城口地區陡山沱組2段整體以黑色泥頁巖為主，夾少量粉砂巖條帶，局部為粉砂巖層，沉積構造只發育水平層理。陡山沱組頂部黑色巖系中發育含錳白云巖、菱錳礦、內碎屑含錳—含磷白云巖、膠磷礦。含錳白云巖或菱錳礦常見疊層石、核形石以及鮞粒沉積（圖4～6、圖9b），見核形石粒度變化形成粒序層理。核形石以黏結結構為特征，常見與疊層石黏結生長，和疊層石一起組成了障積丘礁沉積。含錳巖系之上一般存在含磷巖系，膠磷礦多呈條帶狀賦存于黑色粉砂質泥頁巖（圖9c），含磷白云巖和磷礦以內碎屑結構為特征（圖9e），見交錯層理（圖9a），顯示高能顆粒灘沉積特征。含磷巖系與含錳巖系過渡時，含磷巖系下部常存在明顯的沖刷面以及礫屑層（圖9d），還見磷礦中捕獲了菱錳礦核形石（圖9f），偶見膠磷礦和核形石白云巖交替沉積（圖9g），表明沉積環境內水動力條件由弱變強是逐漸發生的。

圖9 城口陡山沱組含錳—含磷巖系沉積構造（a）交錯層理，發育于含砂凝塊石白云巖中，楊家壩ZK28-3-b7；（b）核形石、層狀疊層石及柱狀疊層石含錳白云巖沉積旋回，楊家壩ZK28-3-b28；（c）粉砂質頁巖夾膠磷礦條帶，楊家壩ZK28-3-b5；（d）內碎屑含錳白云巖，此層之上為膠磷礦礫屑層，楊家壩ZK28-3-b11；（e）砂屑膠磷礦，楊家壩ZK28-3-b4；（f）膠磷礦內捕獲的細粒錳質核形石，錳質核形石正交偏光下呈十字消光特征，與楊家壩ZK28-3-b13 細粒核形石菱錳礦特征一致，楊家壩ZK28-3-b4；（g）膠磷礦、核形石白云巖旋回沉積，楊家壩ZK28-3-b4Fig.9 Sedimentary structures in manganese-and phosphorus-bearing rock series,Ediacara Doushantuo Formation,Chengkou

在陜西鎮巴和重慶巫溪，陡山沱組上部地層也以黑色泥頁巖為主，陡山沱組頂部均發育內碎屑膠磷礦層，巫溪地區還見風暴巖沉積。結合區域陡山沱期沉積特征，認為研究區陡山沱組2 段整體為碳酸鹽巖緩坡沉積，發育潟湖、混積潮間坪、淺緩坡障積丘礁、礁后洼地、潮下淺海、顆粒灘、潮下混積淺海、混積中緩坡等沉積微相（圖10，11）。以高燕ZK117-1 鉆孔為例（圖10），城口地區陡山沱組2 段中下部為黑色泥頁巖夾少量粉砂巖，屬中緩坡沉積，陡山沱組頂部主要為核形石菱錳礦、疊層石菱錳礦以及微晶菱錳礦，核形石和疊層石是障積丘礁沉積，微晶菱錳礦和含錳白云巖是潮下淺海沉積，黑色頁巖夾微晶菱錳礦條帶是礁后洼地沉積，整體顯示沉積水體逐漸變淺。以楊家壩ZK28-1 鉆孔和ZK8-31 鉆孔為例，陡山沱組頂部為黑色頁巖過渡到含錳—含磷巖系，由中緩坡沉積環境過渡到淺緩坡沉積環境，含錳—含磷巖系整體記錄了3 次含錳巖系—含磷巖系的沉積旋回。粉砂質頁巖夾膠磷礦、含錳（磷）白云巖及錳礦化白云巖是潮下淺海沉積，鮞粒菱錳礦、砂屑白云巖及砂屑膠磷礦是鮞粒灘或顆粒灘沉積，疊層石菱錳礦和核形石菱錳礦是障積丘礁沉積。含錳巖系過渡到含磷巖系的每個沉積旋回都顯示了從淺緩坡下部往淺緩坡上部過渡的沉積特征。

圖10 城口高燕ZK117-1 鉆孔陡山沱組2 段地層沉積相綜合柱狀圖Fig.10 Stratigraphic and sedimentary facies comprehensive column of member II,Ediacara Doushantuo Formation,in well ZK117-1,Gaoyan,Chengkou

城口高燕南東、修齊南西，高粱坪地區陡山沱組頂部菱錳礦層逐漸尖滅，取而代之的是含錳粉砂巖，說明陡山沱組末期仍有古陸持續供給陸源碎屑物質，高粱坪地區含錳粉砂巖之下黑色頁巖中發育少量含錳白云巖，陡山沱組中下部特征與高燕地區一致。城口南西川東北開江地區，五探1井揭露的震旦系缺失陡山沱組，燈影組與南沱組不整合接觸[51]，前人認為該地區陡山沱期存在開江古陸[14,52-54]，可能是研究區南西陡山沱組時期的陸源碎屑物源區，導致研究區在陡山沱組2 段時期碳酸鹽巖緩坡沉積具有混積特征（圖11）。這種古地理格局類似于同時期陜西鎮巴地區，鎮巴以西陡山沱時期存在的米倉山—漢南古陸為鎮巴地區持續提供了物質來源。鎮巴地區陡山沱組頂部以灰色中—厚層狀中—粗砂巖為特征，內部發育礫屑磷礦層[18]，內部發育平行層理、槽狀交錯層理以及羽狀層理等，是淺緩坡潮下淺灘、顆粒灘以及潮汐通道沉積特征。而靠近古陸區域陡山沱組是無障壁海岸濱岸相沉積，如南江楊壩剖面，陡山沱組早中期該地區持續剝蝕，并未接受沉積，在陡山沱組晚期才沉積了約50 m 的濱岸相砂巖、含礫粗砂巖[14]。

綜上，城口陡山沱組1段為缺失蓋帽的無障壁海岸沉積，陡山沱組2段是具有混積特征的碳酸鹽巖緩坡沉積（圖11），陡山沱組末期沉積水體逐漸變淺的特征與區域內陡山沱組過渡到燈影組的特征一致。碳酸錳微生物巖主要沉積于淺緩坡下部障積丘礁沉積環境。

圖11 城口地區埃迪卡拉系陡山沱組二段沉積模式圖Fig.11 Sedimentary model of member II,Ediacara Doushantuo Formation in Chengkou area

4.2 微生物巖盆地演化動力學

研究區陡山沱組1 段碎屑巖沉積是南沱冰期之后快速充填補齊的沉積階段（圖12），而后進入較為穩定的陡山沱組2段碳酸鹽巖緩坡沉積階段，但是受持續陸源碎屑物質輸入影響，以粉砂質泥頁巖沉積為主，在巫溪地區，泥頁巖中夾多層泥晶白云巖。陡山沱組末期，研究區廣泛發育障積型生物丘礁沉積，是碳酸鹽巖緩坡向碳酸鹽巖臺地演化的前奏。燈影組則同揚子克拉通大部分區域一致，均屬于碳酸鹽巖臺地沉積環境（圖12）。

圖12 城口地區埃迪卡拉紀陡山沱期地質年代沉積演化示意圖Fig.12 Sedimentary evolution diagram of Ediacaran Doushantuo Period in Chengkou area

在碳酸鹽巖緩坡向碳酸鹽巖臺地演化過程中，疊層石、核形石障積丘礁具有關鍵作用，疊層石礁的抗浪作用存在保證了核形石原地沉積，逐漸成規模的黏結沉積形成了障積丘礁，為更廣闊的礁后區域沉積核形石或疊層石提供可能。因為在水動力足夠強時，疊層石或核形石沉積速率都會減緩或停止沉積，研究區含錳巖系中常見的內碎屑層便是強水動力條件沉積產物。疊層石礁和障積丘礁持續發育加速了臺地形成過程，因為生物建隆造礁作用不但減緩了碳酸鹽巖緩坡坡度，還形成了障壁，使得沉積區域內水體逐漸變淺的同時也形成了類似于鑲邊臺地臺緣環境。在研究區，水體變淺也意味著沉積水動力變強，研究區內含磷巖系均記錄于含錳巖系之上，且含磷巖系以內碎屑沉積為特征。另外，微生物主導的碳酸鹽巖沉積，其沉積速率較普通化學沉積作用快得多，加之以微疊層石礁為代表的點礁向核形石黏結丘礁轉變使得造礁作用達到頂峰，使得研究區在陡山沱組晚期從碳酸鹽巖緩坡快速向碳酸鹽巖臺地沉積環境轉變。綜上，微生物巖的造礁作用是研究區域陡山沱末期碳酸鹽巖緩坡向碳酸鹽巖臺地過渡的盆地演化動力學因素。

在城口以西四川萬源地區，埃迪卡拉系陡山沱組頂部也存在磷—錳巖系，但總體呈現下磷上錳的特征[55]。在城口地區，大渡溪區域是典型的磷礦沉積區，大渡溪以東和以西都是錳礦沉積區，大渡溪區域局部只有磷礦沉積，大渡溪大部分區域含磷巖系下部均穩定存在含錳巖系，類似于修齊楊家壩ZK28-3鉆孔。在四川萬源，大竹河楊家壩—鐘亭區域是磷礦沉積區，該區域以西是錳礦沉積區，但錳礦之下存在幾米至十米不等的磷礦沉積，含磷—含錳巖系賦存于黑色巖系[55]，其含錳—含磷巖系特征與城口地區一致，造成其下磷上錳的原因可能與Rodinia 超大陸持續裂解造成區域構造差異沉降有關系。需要注意的是萬源往西至紫陽屈家山一帶，含錳巖系賦存于紅色砂泥巖，研究認為其成因完全受熱液作用控制[56]，其含錳巖系上下均不存在含磷巖系，可能是因其更加靠近米倉山—漢南隆起，同沉積斷裂帶來的差異沉降更容易接受碎屑巖充填補齊作用，導致磷無法沉積。

5 結論

（1）揚子北緣城口地區埃迪卡拉系陡山沱組頂部發育微生物巖碳酸錳礦床，以沉積疊層石、核形石、樹形石以及凝塊石為特征，微生物巖中常見黏結生長結構，發育凝塊結構、球粒狀結構、絲狀結構、管狀結構、纖維狀結構以及放射狀結構等典型的微生物巖微結構。

（2）揚子北緣城口地區城口陡山沱組1 段為缺失蓋帽的無障壁海岸沉積體系，陡山沱組2段是具有混積特征的碳酸鹽巖緩坡沉積體系，微生物巖型菱錳礦主要發育于淺緩坡下部障積丘礁沉積環境。陡山沱組末期城口地區沉積水體逐漸變淺，沉積記錄以含錳巖系向含磷巖系過渡為特征。微生物巖型菱錳礦為研究沉積型錳礦提供了新思路，為生物參與成錳作用提供了新證據。

（3）揚子北緣城口地區陡山沱組末期障積丘礁的發育是加速碳酸鹽巖緩坡向燈影組碳酸鹽巖臺地演化的重要盆地演化動力學因素。

致謝 感謝重慶市地質礦產勘查開發局205 地質隊礦產地質研究院黃治清總工程師對研究工作的大力支持；感謝審稿專家對本文提出的寶貴意見和建議，感謝編輯付出的辛勤工作；另外還有羅俊豪同志參加了野外地質工作，在此一并感謝。