河北秦皇島駐操營剖面寒武系張夏組均一石生物丘沉積特征

朱一丹

中國地質大學(北京)地球科學與資源學院,北京 100083

0 引言

微生物巖(microbialite)最初由Burne等[1]定義,指由底棲微生物群落捕獲、粘結碎屑沉積物和(或)產生礦化位點而形成的有機沉淀物。微生物巖作為在微生物生長過程中產生的原地底棲沉積物,廣泛用于描述疊層石、凝塊石和相似的發育于湖泊及海洋淺水地帶的丘狀和柱狀結構等。微生物碳酸鹽巖(microbial carbonate)由Riding[2]定義,是微生物巖中最主要的一類,基于宏觀形態特征將其分為4大類,包括:紋層狀疊層石(stromatolite)、凝塊狀凝塊石(thrombolite)、樹枝狀樹形石(dentrolite)和貧乏組構的均一石(leiolite)。后來梅冥相[3]做了部分補充,將核形石(oncolite)和紋理石(laminite)也納入微生物碳酸鹽巖分類體系中。在生物成因灰巖所有類型中,微生物碳酸鹽巖有著最廣泛的地質歷史和地理環境分布,能夠在各種復雜的沉積環境中形成。

均一石這一術語來源于希臘語“leios”,指均一、平滑且無明顯宏觀構造的巖石”[4]。Braga等[5]在描述西班牙東南部中新世陸架碳酸鹽和硅質混合沉積中的微生物丘時,首先將均一石納入微生物巖研究范圍,并將其定義為“相對貧乏且非晶質中等構造”。由于與“隱秘微生物”(cryptomicrobial)同義,曾被Kennard等[6]歸為凝塊石。現在所見到的均一石主要發育在古老地層中,如Riding描述的碳酸鹽泥丘[7],寒武系芙蓉統長山組和鳳山組[8-10]以及苗嶺統崮山組[11]中的均一石生物丘。

河北秦皇島駐操營剖面地層出露良好,從張夏組底部到頂部發育一套完整的三級海平面沉積層序,其中包含3個四級海平面沉積層序;且在三級海平面頂部的強迫型海退體系域中,發育均一石生物丘。通過野外實地考察并采樣,實驗室將樣品制作成普通薄片,以便在偏光顯微鏡單偏光下觀察其微觀組構。基于該均一石的宏觀及微觀特征觀察,對駐操營剖面張夏組中均一石的形成機制以及沉積環境進行研究分析。盡管巴哈馬灘與澳大利亞鯊魚灣無紋層凝塊結構的“疊層石”體、鹽湖中碳酸鹽巖結殼、具有生物穩定性的碎屑微生物沙丘均與地質記錄中的均一石具有一定的相似性[12-13],但迄今為止仍然沒有有關現代均一石的描述。就像近年來在熱泉沉積[14]和高鹽度潟湖[15]中發現絲狀藍細菌形成的樹形石現代類比物那樣,古老均一石的形成機制或許可以為找到現代類比物提供一個思考途徑。

1 地質背景

1.1 構造與沉積背景

河北秦皇島位于華北地臺東北緣,華北克拉通中、新元古代燕山裂陷槽盆地(燕遼海盆)東南邊緣(圖1a)[17]。研究區位于秦皇島市北部山區距市區30 km處(圖1b)。華北地臺整體表現為被動大陸邊緣以及裂陷盆地的特征,其東北緣海相沉積較晚,大致在寒武紀第二世末期開始沉積,形成一個典型的陸表海臺地,其上沉積了巨厚的淺海相碳酸鹽地層[18-19],且沉積序列在研究區都有良好出露。寒武系發育在古生代第一次海侵背景下,此時覆蓋在華北地臺之上的海洋被稱為“貧乏骨骼的風暴海”[20-21]。張夏組沉積時期,海侵范圍達到最大值[22],此時的華北地臺除西北小部分為古陸外,其余部分主要分為2個大相帶,一個是遠離海洋、發育面積較少、以白云巖為主的局限潮坪相,另一個是大面積分布、以灰巖為主的鮞粒灘相(圖2)。

據文獻[23]修編。

1.2 層序地層特征

研究區自下往上沉積第二統紅層與碳酸鹽巖混合沉積物[18]、苗嶺統鮞粒灘主導的碳酸鹽臺地(圖3)以及芙蓉統灰泥為主的碳酸鹽臺地沉積序列[24]。苗嶺統包含毛莊組、徐莊組、張夏組和崮山組。秦皇島寒武系苗嶺統張夏組構成一個完整的淹沒不整合型三級層序(DS3)[25],可進一步劃分為8個四級層序,包括海侵體系域(TST)、高水位體系域(HST)、強迫型海退體系域(FRST)。本文研究的均一石生物丘就發育在張夏組頂部強迫型海退體系域中[26],頂部鮞粒灘相灰巖與泥晶灰巖一起組成潮下型米級旋回[27],代表在高能環境下較慢的侵蝕作用以及較快速的碳酸鹽沉積。上覆崮山組為具有凝縮性質的陸棚相鈣質泥巖夾泥晶灰巖透鏡體,直接覆蓋在含有鮞粒灰巖及夾層的中至淺緩坡相灰巖之上,表現為典型的淹沒不整合接觸[26]。

圖3 研究區地層柱狀圖

2 均一石生物丘

2.1 宏觀特征

河北秦皇島張夏組頂部集中發育一套數十米厚的均一石生物丘,直接覆蓋在疊層石生物丘之上,兩者有明顯的產出差異(圖4a,b)。均一石生物丘表現為灰白色致密均一的塊狀泥晶灰巖,貧乏紋層和凝塊狀或樹枝狀組構,可見沖蝕溝槽,沖溝內充填著細小顆粒組成的灰巖(圖4c),界線比較清晰;局部還可見明顯的泥晶灰巖充填的生物徑跡和生物潛穴(圖4d,e)。張夏組與上覆崮山組可見典型的淹沒不整合界面(圖4f)。

2.2 微觀特征

秦皇島張夏組頂部的均一石生物丘主要由暗色致密泥晶以及少量亮晶方解石構成,局部可見毫米級別的暗色泥晶凝塊(圖5a,b)。這些富集有機質的泥晶凝塊形態極不規則,內部可見絲狀鈣化藍細菌,微凝塊之間還明顯可見皮殼光滑的底棲鮞粒,大小約0.3 mm,表現出較為明顯的與球狀微生物膜鈣化作用相關的顯微組構[28-29]。致密泥晶中可見鈣質海綿化石和三葉蟲骨架碎片化石(圖5c)、較為密集的生物潛穴(圖5d),以及可能是光合作用產生氧氣氣泡殘余物[30]的窗格狀組構。生物潛穴內充填近乎完全白云石化的霧心亮邊白云石晶體,代表富有機質成巖微環境中的白云石沉淀物[31]和選擇性白云石化[32]產物,這些白云石填充物中可見葛萬菌(圖5e,f)。均一石豐富的微觀特征與貧乏構造的宏觀特征形成強烈的對比,反映了組成均一性的不規則增生作用。最為特別的是,均一石致密泥晶中發現鈣化藍細菌化石,以下將對這些藍細菌進行詳細描述。

a. 均一石中的暗色泥晶凝塊;b. a中方框區域放大,可見絲狀鈣化藍細菌(C)及底棲鮞粒(O);c. 均一石中發育的鈣質海綿化石(Sp)及三葉蟲碎屑(S);d. 均一石內的生物潛穴(B),內部為白云石充填物;e. 白云石充填物;f. e中方框區域放大,可見葛萬菌(G)。

2.2.1 基座菌

在均一石生物丘致密泥晶基質中可見單株呈房室狀的基座菌(圖6a,b),這些菌落可發育在窗格狀組構的周圍(圖6c,d),也可構成毫米級別的泥晶團塊(圖6e,f)。菌絲體由泥晶質管構成,直徑較細,多在10～40 μm之間,管可形成狹窄的分叉樹狀體。菌落在縱向上呈扇形束狀體,相鄰的管可能共享共同的壁,或者是共享共同的隔膜。基座菌可以類比于現代膠須菌[33-34]。膠須菌表現為每一個絲狀體或管的異型細胞的終端均朝向菌落的中心,毛發狀絲狀體朝向菌落表面呈放射狀排列,且膠須菌是一種較為典型的固氮藍細菌[34]。

a. 房室狀基座菌;b. a中方框區域放大;c. 發育在窗格狀組構(F)周圍的基座菌群落;d.c中方框區域放大;e,f. 基座菌構成的泥晶團塊。

2.2.2 附枝菌

秦皇島張夏組均一石致密泥晶中,不僅有成簇生長的附枝菌(圖7a,b),也可見單獨產出的附枝菌(圖7c,d)。附枝菌既能生長在暗色致密泥晶中,也能生長在亮晶方解石膠結物中。單個菌體呈直立生長的扇形,長度50～200 μm,聚集在一起可形成大型灌木叢,長度一般不超過2 mm,并且在一定位置二分叉形成樹枝狀結構。“樹枝體”呈粗短的棒狀,長度可達200 μm。附枝菌橫截面表現為實心圓球,由暗色泥晶構成,直徑較基座菌大,多在50～80 μm之間。

a. 灌木叢狀附枝菌,其中F代表窗格狀組構;b. a中方框區域放大;c. 致密泥晶中單個生長的附枝菌;d.c中方框區域放大。

2.2.3 腎形菌

均一石生物丘致密泥晶中發育腎形菌(圖8),其內部中空,被亮晶方解石充填,外部由花瓣狀、囊狀或不規則形態的暗色泥晶壁構成,個體往往相互疊置,組成毫米級別的集合體。腎形菌常常與附枝菌共生,曾被認為是代表藻類生物生命周期不同階段的狀態,也有人解釋為是球狀藍細菌鞘鈣化的產物,從而區別于可能為絲狀鈣化藍細菌的附枝菌[35-36]。

2.2.4 絲狀藍細菌

構成均一石生物丘的暗色致密泥晶基質中,可見較為典型的絲狀鈣化藍細菌鞘化石(圖9)。這些絲狀藍細菌擁有厚度較均勻的泥晶壁(約2 μm),代表絲狀藍細菌活體鞘鈣化作用的產物;管內部被亮晶方解石交代,可能是藍細菌細胞列(香毛簇)降解作用的殘余物[33,36]。菌體具直徑較大(15～25 μm)且相互不纏繞的特點,可以類比于現代第谷菌(Tychonema)[37],表明這類絲狀藍細菌不屬于與現代織線菌(Plectonema)類似的纏繞狀葛萬菌化石,而是葛萬菌類化石組合[33]中一個新類型。

3 討論

3.1 成因機制

構成均一石生物丘的致密泥晶中發育有類比于現代膠須菌的基座菌、附枝菌、腎形菌以及類比于第谷菌的葛萬菌類絲狀藍細菌,在一些毫米級別的絲狀藍細菌鞘化石周圍,可見密集的窗格狀組構(圖6c,圖7a)。窗格狀組構被認為可能是光合作用產生的氧氣氣泡殘余物[30],藍細菌進行光合作用使得周圍環境堿度升高,從而促進碳酸鈣沉淀。葛萬菌類絲狀體內部微亮晶充填的管狀結構,可能為藍細菌細胞列(香毛簇)降解作用的殘余物[2,33,36],而外部均勻的泥晶壁可能是藍細菌活體鞘鈣化作用和細胞外聚合物質(EPS)降解而誘導碳酸鹽原地沉淀作用的產物,指示藍細菌活體鞘鈣化是一個直接與大氣圈二氧化碳濃縮機制(CCM)相聯系的藍細菌生態生理學機制[2,36,38];葛萬菌類絲狀體內的微亮晶方解石充填物代表著華北地臺寒武紀“方解石海”的特點。局部可見鈣質海綿化石及三葉蟲碎片(圖5c),表明寒武紀生命大爆發[39]帶來生物種類多樣性。

以二分叉為標志性特征的附枝菌的生物親和性一直備受爭議。Laval等[40]曾認為附枝菌和現代紅藻有類似的形態而將其解釋為藻類的一種,基于對現代湖泊相微生物巖中較為典型的灌木叢狀組構研究,認為附枝菌是由于異養型絲狀藍細菌(如顫菌(Oscillatoria)和眉菌(Calothrix)等)菌落在微生物席內而不是在微生物席表面的鈣化作用產物;Adachi等[41-42]認為附枝菌是細菌誘導的沉淀物,為異養型細菌活動鈣化作用而產生的可石化的生物膜,是鈣化后的結殼而很可能不是藍細菌;也有研究表明附枝菌可能具有藍細菌類似的趨光性,因而認為它是藍細菌的一種[43]。目前將它歸為藍細菌的認識占主導地位[35-36,43-45],這里也將其歸為藍細菌。如同關于疊層石研究中所描述的那樣,藍細菌是主要的微生物席建造者,即形成微生物碳酸鹽巖中以光合作用為特征的藍細菌。因此,駐操營剖面張夏組均一石中多種鈣化藍細菌的發現,意味著均一石生物丘形成于藍細菌主導的微生物席或微生物膜復雜的鈣化作用。

秦皇島苗嶺統張夏組頂部致密泥晶構成的均一石生物丘,在碳酸鹽礦物原地沉淀過程中,由微生物席內“堿度發動機”(alkanility engine)[46]以及EPS[47]2個要素緊密耦合、共同作用形成,前者改變微環境內的物理化學性質從而誘導碳酸鹽礦物沉淀,后者降解誘發有機礦化。由于成巖作用的影響,絲狀藍細菌很少能完整保存下來,所以在顯微照片中只以線的形式存在,從而與周圍物質產生區別。

3.2 沉積環境

由藍細菌主導的均一石生物丘,發育在河北秦皇島駐操營剖面張夏組頂部強迫型海退體系域中碳酸鹽緩坡上,有利的生態位置能夠支持框架型微生物巖內不同類型生物的生產活動[48],有機體群落聚集,并與它們所粘結的物質一起構建了極其多樣化的生態系統。上覆崮山組以典型的淹沒不整合接觸直接覆蓋在含有鮞粒灰巖及夾層的中至淺緩坡相灰巖之上(圖4f),代表海水入侵海平面突然加深,從而導致下伏鮞粒灘沉積間斷。張夏組頂部強迫型海退體系域中的鮞粒灘相灰巖與泥晶灰巖一起形成潮下型米級旋回,是一種在較高能環境中、較慢侵蝕作用以及較快速碳酸鹽沉積的表現,代表一種特殊的、在基準面下降過程中的沉積。貧乏組構的均一石中可見沖蝕溝槽,且內部充填細小顆粒組成的灰巖(圖4c),界線比較清晰,代表泥晶灰巖組成的均一石和顆粒灰巖共生的特點,意味著研究區曾經過較強的風暴流或水流改造,表明均一石生物丘形成于高能動蕩水體環境中,產出于固著底棲微生物席或微生物膜內碳酸鹽原地沉淀和鈣化。

暗色泥晶凝塊間的底棲鮞粒(圖5b)揭示其同步形成于均一石的建造過程,就像梅冥相等[49]描述遼東半島芙蓉統凝塊石生物丘中的底棲鮞粒一樣,代表富營養條件下放射纖維方解石沉淀[50-51]。均一石局部發育生物潛穴(圖5d),表明后生動物曾居住于形成均一石的微生物席或微生物膜中;生物潛穴內充填的白云石晶體,是由于EPS在微生物席或微生物膜成巖作用期間發生降解釋放Mg2+,且藍細菌進行光合作用促進碳酸鈣礦物沉淀,造成周圍環境Mg2+/Ca2+相對升高發生白云石化,形成白云石,是富有機質成巖微環境中白云石沉淀作用[31]以及異養細菌降解產生特殊選擇性白云石化[32]的結果。微生物巖作為一個龐大的研究領域,目前廣泛研究其油氣勘探開發意義[52-55]。作為相對缺乏的均一石實例,期望駐操營剖面張夏組均一石生物丘的研究,能為今后相關微生物碳酸鹽巖的研究提供一個具體實例和思考途徑。

4 結論

1)河北秦皇島駐操營剖面寒武系苗嶺統張夏組頂部強迫型海退體系域中,發育一套厚層均一石生物丘,是一種特殊的、在基準面下降過程中的沉積記錄。

2)均一石內底棲鮞粒和白云石晶體的發現,表明富營養條件下,均一石產出過程中較為明顯的與球狀微生物膜鈣化作用相關的顯微組構以及白云石選擇性表達。

3)宏觀上顯示出貧乏構造的均一石,在顯微鏡下表現出巨大反差,發現多樣化鈣化藍細菌鞘化石,以及代表光合作用產生氧氣氣泡殘余物的窗格狀組構,表明均一石形成于微生物復雜的代謝作用以及誘發碳酸鹽原地沉淀作用。