河北秦皇島駐操營剖面張夏組鮞粒灘疊層石生物丘特征及沉積環境

朱一丹， 秦仁月

( 中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院，北京 100083 )

0 引言

最古老的碳酸鹽疊層石從3.5 Ga[1]追溯到3.7 Ga[2]，地質時代記錄疊層石的痕跡。疊層石最早由KALKOWSKY E[3]用于描述德國哈爾茨山脈沙漠湖早三疊世鮞粒灰巖中的碳酸鹽柱和碳酸鹽丘，認為疊層石是微生物生長和新陳代謝作用的產物，也是沉積物通過捕獲、粘結和沉淀產生的有機沉積構造，疊層石是微生物成因和層狀的；SEMIKHATOV M A等[4]認為疊層石是層狀但不一定是有機的。疊層石是以藍細菌為主導的光合作用微生物席，形成依賴于復雜的微生物作用過程，并與凝塊石、樹形石、均一石、紋理石及核形石并列為微生物碳酸鹽巖六大類[5-6]。

寒武紀作為顯生宙第一個紀，具有獨特的沉積作用特征和碳酸鹽沉積樣式,包括：大量產生與微生物活動相關的灰泥[7]；伴隨后生動物輻射，微生物碳酸鹽巖豐度不斷增加；“顯生宙早期第一幕藍細菌鈣化作用事件”的發生[8-10]；寒武系普遍發育竹葉狀礫屑灰巖代表的風暴沉積[11-13]，寒武紀海洋被稱為“貧乏骨骼的風暴海”[14-15]；寒武紀第二世晚期造礁古杯動物滅絕之后，苗嶺世至芙蓉世處于一個后生動物生物礁多樣性相對較低的“生物礁間隔期”[16]。

太古宙以來，微生物生長代謝產生的沉積物是碳酸鹽沉積物重要組分。近年來，從微生物碳酸鹽巖的角度，人們研究寒武紀疊層石，分析外部形態特征及微觀鏡下特征，揭示疊層石中發育的微生物類型及微生物席特征。研究區寒武紀地層出露完整且連續，基于沉積學及巖石學的特征，研究駐操營剖面張夏組鮞粒灘中柱狀疊層石的成因機制及沉積環境，發現致密泥晶中絲狀鈣化藍細菌鞘化石及窗格狀組構、黃鐵礦殘余物、白云石晶體，為研究寒武紀疊層石的沉積環境和形成機制提供案例。

1 地質背景

華北地臺沉積巨厚的淺海相碳酸鹽地層，研究區位于東北緣(見圖1)，且有良好的沉積序列出露。張夏組沉積時期，海侵范圍達到最大，華北地臺主要分為兩大相帶，除西北小部分為古陸外，其余部分從內至外代表混合潮坪沉積體系(以白云巖為主的環潮坪相)到緩坡型碳酸鹽沉積序列(以灰巖為主的中至緩坡相)的變化；同時代表一種不符合經典的、種類豐富的威爾遜碳酸鹽巖相模式，是一種全新的碳酸鹽臺地類型[17]，其中向海一側為緩坡，向陸一側為潮坪。

圖1 華北地臺寒武紀張夏組沉積期沉積相帶分布(據文獻[13]修改)Fig.1 Distribution of Cambrian Zhangxia Formation sedimentary facies belts in North China Platform(modified by reference[13])

寒武紀，華北地臺大致從第二世開始接受沉積，從東南向西北方向逐漸海侵，沉積地層直接超覆在不同時代的前寒武系之上，形成類似于“北美地臺”[18]的巨型不整合面[19]，具有特征性的沉積序列旋回，沉積旋回地層依次為：底部第二世紅層和碳酸鹽巖混合沉積物、中部苗嶺世由鮞粒灘主導的碳酸鹽臺地(見圖2)及頂部芙蓉世由碳酸鹽泥主導的碳酸鹽臺地[20-21]。研究區寒武系苗嶺統張夏組與下部徐莊組和上覆崮山組為典型的淹沒不整合接觸[22]，具體表現為凝縮性質的陸棚相鈣質泥巖直接覆蓋在鮞粒灘相灰巖地層之上，組成一個完整的淹沒不整合三級層序[23]。

毛莊組、徐莊組、張夏組和崮山組構成寒武系苗嶺統，自下而上代表一個從混合潮坪(毛莊組和徐莊組下部)變化到鮞粒灘大片分布的緩坡型臺地(張夏組和崮山組上部)的沉積序列。張夏組頂部強迫型海退體系域[22]鮞粒灘灰巖中，發育厚層疊層石生物丘和均一石生物丘；泥質條帶狀灰巖與塊狀鮞粒灰巖間夾厚層塊狀疊層石生物丘構成潮下型米級旋回，代表較慢侵蝕作用下的碳酸鹽沉積。

2 疊層石生物丘

2.1 宏觀特征

秦皇島駐操營剖面張夏組頂部強迫型海退體系域發育疊層石生物丘(見圖3)，主要為大型柱狀和穹窿狀疊層石(見圖4)，柱體高度多為10～50 cm(見圖3-5)，高者可達數米級，寬度多在2～10 cm之間，相間排列，密集生長，向疊層石上部具有加寬特點，局部可見分叉現象。疊層石間隙表現為泥質層和波狀灰巖層交互疊加特點，呈階梯狀，泥質層風化后形成一定空腔，灰巖層兩邊與疊層石柱體相連，且在疊層石邊界處發育泥質充填物并充填生物潛穴(見圖5(b-c))，紋層不明顯或較為粗糙，主要由深灰色紋層和淺灰色紋層交互疊加，類似于“迷宮狀凝塊石”(Favosamaceria cooperi)[24]。更上部沉積單元中疊層石柱體類似于棒球棒形態(見圖5(f))，柱體之間充填物為致密灰泥基質，無分層現象，柱體與充填物界線明顯，柱體表面分布較為密集的縫合線構造；穹窿狀疊層石柱體自下而上加寬，平面呈扇形，柱體高度約為20 cm，柱體間隔較大，紋層比較清晰，疊層石之間充填非紋層狀致密灰泥(見圖4(c)、圖5(e))。鮞粒灰巖單層厚度約為10 cm，鮞粒灰巖層和疊層石生物丘交互式產出(見圖5(a、d))，符合生物丘的特征[24]和微生物礁的概念[25-27]，類似于鮞粒灘中的“藻坪”沉積[28]。

圖2 秦皇島駐操營剖面寒武系張夏組地層柱狀圖Fig.2 Stratigraphic column of Cambrian Zhangxia Formation at Zhucaoying Section from Qinhuangdao

圖3 秦皇島駐操營剖面寒武系張夏組頂部疊層石生物丘Fig.3 Stromatolitic bioherms at the top of Cambrian Zhangxia Formation of the Zhucaoying Section in Qinhuangdao

圖4 秦皇島駐操營剖面柱狀和穹窿狀疊層石宏觀特征Fig 4 Macroscopic feature of columnar and domal stromatolites of the Zhucaoying Section in Qinhuangdao

2.2 微觀特征

2.2.1 石松藻狀鈣化藍細菌

顯微鏡下觀察可見，研究區張夏組頂部柱狀疊層石由均一暗色泥晶和少量微亮晶組成，無明顯的分層現象。疊層石中普遍發現石松藻(Lithocodium)狀鈣化藍細菌菌落殘余物(見圖6)，表現為暗色致密泥晶基質中不規則亮晶顯微管構成毫米級的網狀物。石松藻狀組構被解釋為生物學屬性不明的鈣化藍細菌菌落，近年來類似組構被解釋為海綿成因，最新研究解釋為念珠菌(Nostoc)的鈣化殘余物[29]。少量胞網菌(Bacinella)組構(見圖6(c-d))，表現為被不規則暗色泥晶薄膜分隔開的微亮晶，且石松藻狀鈣化藍細菌菌落殘余物和胞網菌組構能局部結合構成石松藻—胞網菌(Lithocodium-Bacinella)沉積組構。CHEN J等[30]、PARK J等[31]認為石松藻—胞網菌(Lithocodium-Bacinella)組構是海綿類動物的殘余物。暗色致密泥晶及石松藻狀鈣化藍細菌菌落中常見散布的黑色小點為黃鐵礦晶體的殘余物(見圖6(e-f))，代表富有機質硫酸鹽還原環境下硫酸鹽還原細菌引起硫酸鹽還原反應的產物。

圖5 秦皇島駐操營剖面張夏組疊層石生物丘宏觀特征Fig.5 Macroscopic characteristics of stromatolitic bioherms from Zhangxia Formation of the Zhucaoying Section in Qinhuangdao

2.2.2 窗格狀組構及發育的絲狀藍細菌

致密泥晶基質中發育少數邊緣比較渾圓的生物潛穴(見圖6(a))和窗格狀組構(見圖7(c-d))。窗格狀組構由微亮晶充填，形態極端不規則，在巖石記錄中是一種由光合作用產生氧氣氣泡的表現。在構成石松藻狀組構的暗色泥晶中，發現一類絲狀藍細菌鞘化石(見圖7(a-b))，長度可達0.5mm，甚至更長，泥晶壁很薄但厚度比較均勻，絲狀體管直徑小于10 m，呈束狀密集生長在一起，不同于直徑較大且相互纏繞的葛萬菌絲狀體(Girvanella)，劃歸為束線菌(Subtifloria)[32]。

圖6 秦皇島駐操營剖面疊層石中的石松藻狀和胞網菌狀組構Fig.6 Lithocodium and Bacinella inside stromatolites from the Zhucaoying Section in Qinhuangdao

2.2.3 霧心亮邊白云石晶體

顯微鏡下觀察可見，霧心亮邊白云石晶體充填在方解石晶體之間，形成砂糖狀白云石化膠結物，各白云石晶體大小不一，粒徑最大可達200 m，最小約為10 m(見圖8)。這種特殊的白云石晶體發育于致密泥晶基質和生物潛穴(見圖6(a、e))，類似于復州灣饅頭組核形石灰巖生物潛穴中的白云石，代表富有機質成巖微環境中的白云石沉淀物[33]。

3 沉積環境分析

疊層石作為微生物碳酸鹽巖的一類，其形成過程與微生物生長代謝密切相關。疊層石的成因機制主要有兩種：第一種是微生物通過粘結和捕獲碎屑顆粒與(或)形成礦物沉淀點而形成的有機沉積物[34]，即疊層石中分泌黏液的微生物在生長過程中捕獲、粘結碎屑物質，經紋層狀式加積而成；第二種是微生物通過細胞代謝改變細胞周圍的物理化學條件，從而使碳酸鹽礦物原地沉積并鈣化[35]，強調微生物與環境的相互作用是形成疊層石的關鍵。GINSBURG R N[36]認為，疊層石是在藍細菌等微生物的影響下，通過捕獲、粘結沉積物，促進碳酸鹽礦物沉淀。在疊層石形成過程中，微生物的主導作用主要體現兩方面：

圖7 秦皇島駐操營剖面疊層石中的絲狀鈣化藍細菌Fig.7 Filamentous calcified cyanobacteria inside stromatolites from the Zhucaoying Section in Qinhuangdao

圖8 秦皇島駐操營剖面疊層石中砂糖狀白云石化Fig.8 Granulated dolomitization inside stromatolites from the Zhucaoying Section in Qinhuangdao

(1)驅動碳酸鹽礦物沉淀的堿度發動機。研究區寒武紀疊層石中發現絲狀鈣化藍細菌(見圖6、圖7(a-b))及黃鐵礦晶體殘余物(見圖6(e-f))，代表光合作用產生氧氣氣泡殘余物[37]的窗格狀組構(見圖7(c-d))，以及代表硫酸鹽還原細菌發生硫還原作用的黃鐵礦晶體殘余物(見圖6(e-f))，既表明光合作用和硫酸鹽還原作用能提高周圍環境堿度，導致CaCO3過飽和，從而使碳酸鹽礦物發生原地沉淀及微生物席早期石化，也表明CaCO3大量沉淀在光合作用和硫還原作用較明顯的位置，加速泥晶紋層的形成和成巖作用[38]。

(2)細胞外聚合物(EPS)[39]的吸附與鈣化作用。EPS主要依靠從水體中吸附Ca2+，當吸附作用超過EPS吸附Ca2+的能力后，碳酸鹽晶體通過EPS有機降解在微生物膜或微生物席表面并發生鈣化。礦化機制體現在微生物膜內有機質(如EPS)降解釋放Ca2+、Mg2+及H+后，絲狀鈣化藍細菌鞘(或EPS)誘發碳酸鹽礦物發生原地沉淀[40]。

秦皇島駐操營剖面張夏組頂部鮞粒灘相灰巖層與中至淺緩坡相灰巖層明顯產出于海平面下降過程，構成三級沉積層序的強迫型海退體系域(見圖2)，反映較快沉積物沉積作用、較慢侵蝕作用及海平面下降速率，是一種特別的在海平面下降階段同時發生沉積的沉積記錄。其中，發育在張夏組頂部強迫型海退體系域中的疊層石生物丘，直接覆蓋在鮞粒灰巖構成的硬底之上，且與鮞粒灰巖層呈交互產出形態，表現層序地層框架下一種特別的鮞粒灘形成樣式，代表淺水高能動蕩環境下微生物碳酸鹽沉淀作用的產物。

在研究區生物潛穴和致密泥晶基質中發育霧心亮邊砂糖狀白云石晶體(見圖6(a、e))，代表在富有機質成巖微環境下白云石沉淀作用[41]及選擇性白云石化[42]，白云石化機制可能與Mg2+黏土礦物相關聯，特別是三八面體硅鎂石。微生物席或微生物膜成巖作用期間EPS的降解釋放Mg2+，同時硫酸鹽還原反應促進碳酸鈣沉淀而消耗Ca2+，導致Mg2+/Ca2+升高并發生白云石化，形成特別的白云石殘余物，代表一種較為特殊的白云石形成機制。

準同生期成巖作用對于疊層石生長和保存具有重要意義[36,43]，沒有成巖作用，疊層石無法形成，更無法保存。疊層石表面沉積物早期成巖作用主要通過藍細菌的鈣化作用，當處于CaCO3過飽和環境時，藍細菌絲狀體在藍細菌死亡后迅速鈣化，并將捕獲和粘結的碎屑顆粒包裹、膠結而形成堅硬的骨架，這種鈣化和成巖作用速度較快。并不是所有藍細菌都能鈣化形成堅硬巖石，因此，研究區張夏組疊層石生物丘的形成不能歸為藍細菌直接建造物，應該解釋為由藍細菌主導的微生物膜或微生物席內復雜的有機礦化過程和早期石化作用的產物。

4 結論

(1)河北秦皇島駐操營剖面寒武系張夏組頂部強迫型海退體系域發育疊層石生物丘，且生長在鮞粒灰巖構成的硬底之上，表現明顯的高能特點，是一種特別的在海平面下降階段同時發生沉積的沉積記錄。

(2)致密泥晶中發育絲狀鈣化藍細菌鞘化石及窗格狀組構，表明疊層石形成于EPS和堿度發動機緊密耦合的復雜鈣化作用，疊層石的形成與微生物席或微生物膜的光合作用密切相關。

(3)致密泥晶構成的疊層石可見少量黃鐵礦殘余物，疊層石的形成與硫酸鹽還原細菌誘發沉淀作用具有一定的聯系。霧心亮邊砂糖狀白云石晶體的發現，為寒武紀高能水體微生物調節環境促進碳酸鹽顆粒沉淀作用提供一個典型實例。