微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠的構(gòu)成、特征及沉積學(xué)意義

摘 要 【目的】“碳酸鹽（生產(chǎn)）工廠”研究強調(diào)生物群落對碳酸鹽生產(chǎn)過程以及規(guī)模的調(diào)控和特異性影響，在深入認識碳酸鹽巖成因和形成機制方面具有重要價值，是碳酸鹽沉積學(xué)領(lǐng)域關(guān)注熱點和重要方向。雖然該概念的正式提出已有二十多年歷史，但如何從工廠角度解讀地質(zhì)歷史時期，特別是深時特異性、大規(guī)模碳酸鹽巖的發(fā)育過程和影響因素方面仍缺乏系統(tǒng)性認識?！痉椒ā恳院幽显茐羯狡拭婧湎滇纳浇M為例，利用多尺度、網(wǎng)格定量化評價方法對微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠的樣式、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、建造過程等方面進行了詳細闡述?！窘Y(jié)果】研究區(qū)微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠以底棲微生物群落為主要建造者，形成樣式包括疊層石、凝塊石、樹枝石、均一石以及微生物誘導(dǎo)沉積構(gòu)造（MISS）。伴生的顆粒類型包括鮞粒、球粒、生屑、竹葉狀內(nèi)碎屑和微生物巖角礫，主要分布于工廠建造格架間。微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠發(fā)育具期次性，單期工廠發(fā)育規(guī)模較?。ê５字了娓叨炔蛔? m）但空間延伸廣，包括半球狀、穹窿狀、板狀等宏觀形態(tài)；其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括少量單獨的建造樣式，以及廣泛發(fā)育的垂向復(fù)合形式?！窘Y(jié)論】通過分析影響工廠發(fā)育的各類因素，局限潮坪環(huán)境下較高的營養(yǎng)水平對微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠的繁盛可能起到了主要作用，而古丈期總體海侵背景造成適宜微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠發(fā)育的環(huán)境消失，導(dǎo)致工廠最終關(guān)閉。相關(guān)工作的開展提供了一個與現(xiàn)代澳大利亞Hamelin Pool微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠非常相似的古代實例，對認識寒武紀碳酸鹽生產(chǎn)工廠類型、特征和演化規(guī)律方面具有較好的參考價值。

關(guān)鍵詞 微生物巖；碳酸鹽沉積過程；營養(yǎng)條件；古丈期；華北板塊

第一作者簡介 王曾俊，男，2001年出生，碩士研究生，碳酸鹽沉積學(xué)，E-mail： wangzjun2001@163.com

通信作者 李飛，男，教授，博士生導(dǎo)師，碳酸鹽沉積學(xué)和沉積地球化學(xué)，E-mail： lifei@swpu.edu.cn

中圖分類號 P588.24+5 文獻標志碼 A

0 引言

“碳酸鹽（生產(chǎn)）工廠”（carbonate factory）是近年來碳酸鹽巖沉積學(xué)領(lǐng)域研究的一個重要方向，其強調(diào)了生物作為主要建造者在自身和外部環(huán)境因素影響下如何調(diào)控規(guī)模性碳酸鹽沉積物（巖）的形成過程，在研究生物與環(huán)境因素對沉積體系的影響、臺地建造樣式和演化過程，以及碳酸鹽巖有利儲集相帶預(yù)測等方面具有重要價值[1?4]。“碳酸鹽（生產(chǎn)）工廠”早期被定義為大規(guī)模碳酸鹽沉積物匯聚的場所，既包括沉積物的主要產(chǎn)地——潮下帶，也包括分別向岸和向盆地方向搬運后保存有碳酸鹽沉積記錄的濱岸和斜坡環(huán)境[5]?！疤妓猁}（生產(chǎn)）工廠”在大規(guī)模碳酸鹽形成與保存的過程中會受到一系列因素的調(diào)控，如水溫、光照條件、濁度、營養(yǎng)水平、水動力條件、鹽度、海平面變化、碳酸鹽礦物飽和度和海水化學(xué)條件等[6?12]。Schlager[12?14]在前人一系列工作的基礎(chǔ)上總結(jié)、歸納出三種主要碳酸鹽生產(chǎn)工廠類型，即：（1）熱帶淺水工廠（tropical shallow-water factory），主要由光合自養(yǎng)生物及其共生生物構(gòu)成，形成于光照條件良好的熱帶暖水環(huán)境；（2）溫涼水工廠（cool-water factory），主要為異養(yǎng)生物群落構(gòu)成，多集中于光照條件差，營養(yǎng)豐富的溫、冷水環(huán)境；（3）灰泥丘工廠（mud-moundfactory），主要為生物誘導(dǎo)礦化和無機沉淀方式結(jié)合的原地細粒碳酸鹽構(gòu)成，一般形成于富營養(yǎng)環(huán)境。之后，Schlager[12]對工廠體系又進一步完善，用“T工廠”指代“熱帶（tropical）”和“水體上部（top-of-the-watercolumn）”工廠類型，用“C 工廠”代表“溫涼水（coolwater）”和“受控型沉淀過程（controlled-precipitation）”工廠類型，以及用“M 工廠”代表“ 灰泥丘（mudmound）”“泥晶（micrite）”和“微生物（microbes）”參與的工廠類型。其中，“M工廠”在地球上出現(xiàn)時間最早[15]，主要通過有機礦化過程調(diào)控碳酸鹽生產(chǎn)[16]，是本文主要關(guān)注工廠類型?？紤]到“M工廠”包括三種不同的碳酸鹽生產(chǎn)方式，而本文主要強調(diào)底棲微生物群落在“M工廠”形成過程中的作用，因而在后續(xù)論述中將其細化為微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠。

微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠指由底棲微生物群落作為主要建造者，通過黏結(jié)、捕獲作用和有機礦化作用形成碳酸鹽沉積物的環(huán)境、作用方式和建造樣式的總稱。構(gòu)成微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠的樣式按照Grey et al.[17]最新方案包括疊層石、凝塊石、樹枝石、均一石和微生物誘導(dǎo)沉積構(gòu)造（Microbial InducedSedimentary Structures，MISS）；共生的其他碳酸鹽沉積物包括球粒、內(nèi)碎屑、鮞粒和真核生物等[18]。微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠發(fā)育非常廣泛，在海洋及湖泊淺水至深水環(huán)境均可發(fā)育[19?20]，本文著重介紹其在海洋環(huán)境下的特征。受水深條件和營養(yǎng)水平的影響，現(xiàn)代海洋環(huán)境下微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠主要在浪基面之下的中等水深條件發(fā)育[14]，在一些正?；蛳鄬窒薜臏\水環(huán)境中也存在一些實例[21?22]。地質(zhì)歷史時期，微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠在前寒武紀占主導(dǎo)地位[23?24]，隨著后生動物的勃發(fā)在淺水環(huán)境出現(xiàn)明顯衰退[25?28]，但在一些極端事件（如生物絕滅事件后）或局限環(huán)境仍可在淺水環(huán)境廣泛發(fā)育[29?30]?，F(xiàn)代最為典型的微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠保存在澳大利亞鯊魚灣Hamelin Pool[18]；該地區(qū)是一個局限海灣，擁有極高的碳酸鹽礦物飽和度和鹽度，從潮下至潮上環(huán)境發(fā)育類型、豐度、特征、內(nèi)部結(jié)構(gòu)各異的微生物碳酸鹽及其共生建造[22]，是一個研究程度極高的現(xiàn)代實例[18，22，31?33]。雖然微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠在地質(zhì)歷史時期的分布非常廣泛，但是研究程度普遍較低，已有研究主要集中在微生物巖的時空演化序列和對極端事件響應(yīng)方面[34?36]，對工廠自身發(fā)育過程和影響因素方面的研究較為匱乏?？紤]到地質(zhì)歷史時期存在大量微生物碳酸鹽沉積且與環(huán)境演化關(guān)系密切，厘清微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠的建造過程和調(diào)控因素是一個值得探索的重要科學(xué)問題。

本文以河南云夢山剖面寒武系崮山組為例，對苗嶺世古丈期一個典型的Hamelin Pool型微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠進行了解譯，通過詳細刻畫不同工廠樣式的組成和發(fā)育特征，厘清其形成過程和發(fā)育環(huán)境，探索微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠的啟動和關(guān)閉機制，為深時微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠研究提供一個可對比的研究實例。相關(guān)工作的開展有利于了解不同類型碳酸鹽生產(chǎn)工廠的建造樣式和影響因素，并在理解寒武紀海洋淺水生態(tài)系統(tǒng)和沉積過程、微生物群落環(huán)境適應(yīng)性以及有機礦化機制等方面具有一定的參考價值。

1 地質(zhì)背景

華北地區(qū)在寒武紀為一個位于低緯度地區(qū)的獨立地塊，在新元古代至寒武紀早期“大不整合”事件之后開始接受沉積[37]。受寒武紀第二世晚期大規(guī)模海侵事件的影響，華北板塊從周緣向內(nèi)部逐漸被海水覆蓋，形成廣闊的陸表海；板塊整體表現(xiàn)為西高東低、南高北低的古地理格局，且以潮坪和潟湖環(huán)境為主[38]。苗嶺世時，除鄂爾多斯古陸和魯西古陸外，其他地區(qū)大部分被海水覆蓋，從陸地向深水方向依次發(fā)育了潟湖、潮坪、淺灘、緩坡和陸棚環(huán)境，以清水碳酸鹽沉積為主（圖1）。至芙蓉世時，華北板塊受海退影響，碳酸鹽沉積物不斷向較深水區(qū)進積；淺水環(huán)境主要為開闊臺地，古陸周緣則以局限臺地為主[38]。

華北寒武系出露良好，從下至上依次為辛集組、朱砂洞組、饅頭組、張夏組、崮山組、炒米店組，及部分三山子組（穿時），一些地區(qū)寒武系底部缺失辛集組[39]。研究區(qū)位于河南省鶴壁市淇縣與新鄉(xiāng)市衛(wèi)輝交界的云夢山景區(qū)內(nèi)，寒武系朱砂洞組至炒米店組發(fā)育完整，出露情況良好（圖1）。本次研究關(guān)注的崮山組屬苗嶺統(tǒng)古丈階，厚度近30 m，底部以三葉蟲Blackwelderia 開始出現(xiàn)為標志[39?40]，巖性主要為灰色薄—中層條帶狀灰?guī)r、礫屑（竹葉狀）灰?guī)r、泥晶灰（白云）巖、鮞粒灰?guī)r，以及中—厚層微生物巖。崮山組下伏地層為張夏組，巖性以灰色中—厚層鮞?；?guī)r為主，含少量微生物巖和礫屑灰?guī)r；上覆地層為炒米店組，巖性主要為中—厚層細晶白云巖、瘤狀白云巖，以及條帶灰?guī)r、含生物遺跡灰?guī)r和生物擾動灰（白云）巖[39?41]。

2 方法

目前對微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠的研究較為薄弱，還沒有廣為接受的研究方法和實施方案供參考。研究嘗試從工廠生產(chǎn)定量化評價的角度出發(fā)，主要通過系統(tǒng)的野外觀察和統(tǒng)計學(xué)工作，結(jié)合光面特征對典型微生物巖類型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生長過程進行精細刻畫，對工廠發(fā)育的環(huán)境因素和自身建造過程進行分析。對微生物巖形貌特征觀察采用廣泛接受的Shapiro[42]方案，主要對它的宏觀結(jié)構(gòu)、大型結(jié)構(gòu)和中觀結(jié)構(gòu)進行區(qū)分。對微生物巖結(jié)構(gòu)特征描述采用Grey et al.[17]方案（圖2）。野外采用網(wǎng)格法定量統(tǒng)計相關(guān)參數(shù)，步驟包括：（1）對每個微生物巖露頭垂向上按橫縱坐標每10 cm間隔標記并拍攝大量細節(jié)照片，完成詳細觀察描述；（2）室內(nèi)將照片整理后利用CorelDRAW軟件繪制長、寬均為1 cm的密集網(wǎng)格線；（3）根據(jù)野外描述記錄統(tǒng)計網(wǎng)格線內(nèi)不同微生物組構(gòu)寬度、高度、類型占比以及其他參與工廠建造的顆粒類型和分布情況等參數(shù)，輔以少量光面和薄片進行微觀特征驗證。

3 結(jié)果和沉積環(huán)境分析

3.1 研究區(qū)微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠構(gòu)成和發(fā)育特征

研究區(qū)崮山組中記錄的微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠的構(gòu)成具有特殊性。工廠構(gòu)成的基本單元包括疊層石、凝塊石、樹枝石、均一石和MISS構(gòu)造（圖3）。這些單元既可以單獨產(chǎn)出（圖3a～f），也可在空間上相互疊置形成共生關(guān)系（圖4），保存的整體形態(tài)有近球狀（圖4a～c）、大型板狀（圖4d～f）和穹窿狀（圖4g～i）等類型。疊層石產(chǎn)出類型多樣，單體形態(tài)包括柱狀、穹窿狀和層狀等，這些單體常構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)（圖4）。層狀結(jié)構(gòu)疊層石內(nèi)部一般具波狀起伏的紋層（圖4a，b）；穹窿狀疊層石少見，主要為近球狀（圖4a）；柱狀疊層石常見，以條帶狀泥晶灰?guī)r為基底（圖4a，d），部分以層狀和穹窿狀疊層石為基底，柱體以直立狀、分枝狀、匯聚狀和交織狀等較為常見（圖3a，b、圖4a，b，d，e）。凝塊石主要為小型穹窿狀或?qū)訝钚问疆a(chǎn)出（圖3c、圖4a），以次圓形、朵形凝塊為主（圖4e，h）。樹枝石主要發(fā)育于大型穹窿狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，凝塊呈輻射的樹枝狀結(jié)構(gòu)（圖4g，h）。均一石形成于大型穹窿狀結(jié)構(gòu)的頂部，呈薄層狀，內(nèi)部成分均勻，與下伏微生物組構(gòu)緊密接觸而與上覆巖層存在截然界面（圖4a，b），這與泥晶灰?guī)r自然層存在明顯差別（圖4d，e）。MISS構(gòu)造主要發(fā)育于大型穹窿狀微生物巖層頂面，保存在波痕的波脊處，波峰和波谷均較為圓滑，波痕高度不超過3 cm，具典型流水波痕特點（圖3d）。其他參與者還包括鮞粒、內(nèi)碎屑、灰泥，以及少量生物碎屑（圖3e～h）。鮞粒主要保存在微生物層狀結(jié)構(gòu)和凝塊結(jié)構(gòu)內(nèi)（圖3e），或者結(jié)構(gòu)之間的孔洞（圖3f，g），顯示出異地埋藏特征。球粒粒徑主要介于50～80 μm，磨圓極好，內(nèi)部為泥晶化顆粒（圖3h）。內(nèi)碎屑顆粒豐富，主要保存在工廠基本單元周圍，分選較差，磨圓較好（圖3e、圖4a）。工廠發(fā)育的基底主要為被侵蝕的條帶狀泥晶灰?guī)r，向上突出具隆起正地形（圖4）；蓋層主要為具典型超覆特征的鮞粒泥?！w?；?guī)r（圖4a），或者薄層泥晶灰?guī)r（圖4d，g）。

3.2 典型工廠發(fā)育露頭特征與解譯

微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠在崮山組成層性好，側(cè)向延伸一般超過10 m，單層厚度一般不超過1 m，具旋回發(fā)育特點；間隔層位巖性主要為薄層鮞粒巖或泥晶灰?guī)r。單層內(nèi)工廠的基本單元高度大致相同，基底類型（條帶灰?guī)r為主）相似，但各個工廠單元樣式和形貌具差異性（圖4）?，F(xiàn)將三種典型的工廠建造形式詳細介紹如下。

3.2.1 疊層石—凝塊石—均一石近球狀復(fù)合結(jié)構(gòu)

特征描述：疊層石—凝塊石—均一石復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)育于崮山組下部，整體呈近球狀（圖4a，b），高43 cm，寬51 cm，基底為條帶狀灰?guī)r，向上依次為疊層石、凝塊石和均一石，蓋層為鮞粒灰?guī)r。其中基底形狀不規(guī)則，高約12 cm，寬約20 cm，被侵蝕改造特征明顯。疊層石構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)的主體，占比面積61%（以下占比面積均指占整個微生物巖的垂向組構(gòu)面積），高33 cm，寬51 cm，由三個主要的柱體構(gòu)成，彼此在工廠發(fā)育早期相互獨立，晚期有一些紋層的匯聚（圖4b）。柱體間常見鮞粒和內(nèi)碎屑顆粒，以及一些發(fā)育規(guī)模較小的柱狀疊層石或者由破碎疊層石構(gòu)成的角礫，分選、磨圓極差；柱體間組構(gòu)占比面積18%。凝塊石呈穹窿狀，高5 cm，寬51 cm，占比面積14%；表面凹凸不平，主要為深色凝塊狀結(jié)構(gòu)殘余物。單個凝塊為次圓形、橢圓形和朵形，凝塊間可見鮞粒。頂部為帽狀均一石，占比面積7%，高8 cm，寬50 cm，內(nèi)部主要為泥晶組構(gòu)，生物鉆孔豐富（圖4a，紅色箭頭所示）。蓋層為鮞?；?guī)r，沿復(fù)合結(jié)構(gòu)兩側(cè)具典型超覆特征（圖4a，黃色箭頭所示）。

環(huán)境解譯：作為基底的泥晶條帶灰?guī)r中灰泥占主導(dǎo)，推測形成于潮下帶低能環(huán)境，但條帶灰?guī)r被侵蝕、改造特征明顯，周圍為大量竹葉狀礫屑，推測當時受到了風(fēng)暴浪改造。疊層石以大型柱狀結(jié)構(gòu)為主，具抗浪格架，柱體間為豐富的竹葉狀內(nèi)碎屑，推測其形成于潮下帶高能環(huán)境。上覆凝塊石不具有格架結(jié)構(gòu)，且凝塊間主要為灰泥和異地搬運鮞粒，與疊層石組構(gòu)相比，形成環(huán)境水體能量減弱，推測形成于潮間帶。均一石內(nèi)部主要為泥晶組構(gòu)，形成水體能量最低，推測形成于潮間帶上部至潮上帶。隨后，該樣式受海侵過程中鮞粒超覆。該復(fù)合結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代澳大利亞鯊魚灣Hamelin Pool潮坪環(huán)境微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠特征非常相似 [22]。整體來看，該類型工廠形成于潮坪環(huán)境水體能量降低的變淺序列，隨后被海侵初期的鮞粒灘所掩蓋。

3.2.2 疊層石—凝塊石板狀復(fù)合結(jié)構(gòu)

特征描述：疊層石—凝塊石板狀復(fù)合結(jié)構(gòu)同樣發(fā)育于崮山組下部，整體呈板狀（圖4d～f），高60 cm，可見寬度260 cm，存在一系列順層發(fā)育的板狀復(fù)合結(jié)構(gòu)。該工廠基底為條帶狀灰?guī)r和礫屑灰?guī)r，主體為柱狀疊層石，上部為穹窿狀或板狀凝塊石。頂部雖然同樣發(fā)育泥晶灰?guī)r，但其在整個自然層頂部均有出現(xiàn)，并未與下伏板狀復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)成整體，因此本文將這種類型的泥晶灰?guī)r視為蓋層而非均一石。其中，微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠發(fā)育基底為平臺狀泥晶灰?guī)r，寬60 cm，高15 cm，兩端隆起呈脊狀，內(nèi)部可見大量礫屑堆積（高5 cm，寬6 cm），邊緣破碎特征較為明顯（圖4e）。多個柱狀疊層石以平臺狀泥晶灰?guī)r為基底，形成寬60 cm，高40 cm的厚層，面積占比60%（圖4f）。柱狀疊層石在工廠發(fā)育早期較為孤立（高25～30 cm），晚期常發(fā)生匯聚形成大型交織狀結(jié)構(gòu)（圖4d，e）。疊層石柱體之間孔隙主要被鮞粒、球粒和礫屑顆粒充填，面積占比14%。凝塊石寬60 cm，高9 cm，面積占比26%，以深色橢圓形和朵形凝塊為特征，凝塊彼此相連構(gòu)成支架，凝塊間主要為分散的鮞粒和灰泥（圖4d；因抗風(fēng)化能力較弱而發(fā)生內(nèi)凹）。

環(huán)境解譯：該類型與疊層石—凝塊石—均一石近球狀復(fù)合結(jié)構(gòu)具有一定相似性。其中基底條帶狀泥晶灰?guī)r被波浪或風(fēng)暴浪侵蝕、攪動特征明顯，推測形成于易受風(fēng)暴浪影響的潮下帶環(huán)境。柱狀疊層石的大量發(fā)育，以及柱體間充填的礫屑和鮞粒特征，推測形成于潮下帶強水動力環(huán)境。上覆穹窿狀凝塊石層薄，推測形成于潮間帶。泥晶灰?guī)r作為蓋層，可能指示了水體突然加深造成工廠被淹沒。

3.2.3 疊層石—樹枝石—凝塊石穹隆狀復(fù)合結(jié)構(gòu)

特征描述：疊層石—樹枝石—凝塊石穹隆狀復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)育于崮山組下部（圖4g～i），高50 cm，寬180 cm。該復(fù)合結(jié)構(gòu)縱向上以塔狀外形的條帶狀泥晶灰?guī)r為基底，寬60 cm，高15 cm?；纵^陡側(cè)主要發(fā)育樹枝石，呈輻射狀，寬30 cm，高20 cm，面積占比24%（圖4g，h）?；渍戏桨l(fā)育層狀疊層石，較緩側(cè)基底主要為大量礫屑堆積，向上發(fā)育柱狀疊層石并與基底正上方疊層石匯聚形成半球狀；寬70 cm，高30 cm，面積占比28%?？拷椎闹鶢畀B層石緊密相連（寬度小于5 cm），遠離基底的疊層石較為粗壯（近10 cm）。凝塊石與樹枝石接觸關(guān)系較為復(fù)雜，從野外特征上看兩者可能存在漸變和相互轉(zhuǎn)化關(guān)系（圖4g）。凝塊石主要發(fā)育于半球狀結(jié)構(gòu)的上部和相對較緩一側(cè)，單個凝塊以近圓形、橢圓形和披針形為主，面積占比47%。凝塊石被上覆泥晶灰?guī)r覆蓋。在穹隆狀復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部可見少量的鮞粒、球粒和礫屑組分，面積占比約1%。

環(huán)境解譯：根據(jù)（1）基底泥晶灰?guī)r被改造、侵蝕形成塔狀結(jié)構(gòu)，（2）基底內(nèi)部為受軟沉積變形和壓實作用影響的破碎結(jié)構(gòu)，以及（3）基底緩坡處為灰礫巖（礫屑灰?guī)r）等特征，推測該工廠發(fā)育于受風(fēng)暴強烈侵蝕、改造后的淺水環(huán)境。樹枝石和疊層石的發(fā)育可能指示了潮下帶上部強水動力條件。隨后，板狀凝塊石發(fā)育于穹隆狀復(fù)合體之上，指示了水體能量的進一步降低，推測其形成于潮間帶環(huán)境。泥晶灰?guī)r蓋層指示了在海水快速加深過程中工廠發(fā)育停止?；拙徠屡c陡坡環(huán)境沉積物類型和工廠樣式存在明顯不同，其原因可能與底形差異和水動力條件有關(guān)。

4 討論

4.1 云夢山古丈期微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠發(fā)育特點

河南云夢山地區(qū)寒武紀苗嶺世古丈期微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠是深時工廠研究的一個典型實例。從構(gòu)成上看，微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠的建造樣式包括疊層石、凝塊石、樹枝石、均一石和MISS構(gòu)造，涵蓋微生物巖的主要類型。同時，其建造樣式既存在柱狀疊層石等小型單獨建造，還存在疊層石+凝塊石+均一石、疊層石+樹枝石+凝塊石、疊層石+凝塊石等復(fù)合類型（圖4，5）。工廠發(fā)育基底主要為條帶狀泥晶灰?guī)r，且泥晶灰?guī)r往往形成突出底形，如平臺狀和塔狀；蓋層大部分為薄層泥晶灰?guī)r，少量為鮞粒灰?guī)r（圖4）。微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠主要保存在厚層灰?guī)r層內(nèi)（一般為50～100 cm），與泥晶灰?guī)r或鮞?；?guī)r間隔發(fā)育，從目前工作來看至少存在三個期次。另外，工廠發(fā)育范圍較大，單期工廠橫向延伸距離超百米，整體分布面積估計超1 km2。

從內(nèi)部特征來看，研究區(qū)與現(xiàn)代Hamelin Pool微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠具有較高的相似性。從構(gòu)成上看，云夢山崮山組保存的微生物巖以柱狀疊層石為主，類型包括圓柱狀、圓筒狀、鼻甲狀（圖3a，b），且單枝生長過程中可分叉、匯聚，甚至形成交織狀結(jié)構(gòu)（圖4d，e）。凝塊石層總體厚度很少超過30 cm，平鋪板狀外形較為常見，內(nèi)部常保存一些異地埋藏的鮞粒和生屑（圖3c，f）。樹枝石發(fā)育較為少見，可見其形成大型輻射狀結(jié)構(gòu)，且與柱狀疊層石相鄰發(fā)育，顯示出其較強的抗浪能力（圖4g、圖5b）。均一石往往呈現(xiàn)帽狀外形和較為均勻的泥晶組構(gòu)（圖4a）。整體來看，這些特征與現(xiàn)代Hamelin Pool潮坪環(huán)境微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠非常相似。與現(xiàn)代實例相比，云夢山工廠啟動環(huán)境可能更為惡劣，風(fēng)暴攪動特征明顯（大量礫屑和風(fēng)暴侵蝕改造）（圖5a）；大型半球狀、穹窿狀和板狀建造啟動于盛行風(fēng)暴的間歇期（圖5b）。依據(jù)柱狀疊層石、凝塊石和均一石（不普遍）沉積序列，抗浪能力逐漸降低的特點，推測微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠形成于海退環(huán)境。

4.2 影響微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠的主要因素

影響碳酸鹽生產(chǎn)工廠發(fā)育的因素眾多，包括溫度、鹽度、堿度、碳酸鹽飽和度、光照條件、水動力條件、營養(yǎng)水平，以及海水化學(xué)性質(zhì)（如Mg/Ca）等[43]。溫度是調(diào)控生物生存和分布的主要因素之一，暖水環(huán)境有利于降低生物新陳代謝活動的能量損耗[12]，也有利于生物鈣化和維持非生物碳酸鹽顆粒形成所需的高碳酸鹽礦物飽和度條件[12，44]。同時，溫度與碳酸鹽礦物飽和度具有較好的線性關(guān)系[45]，因而暖水條件下飽和度也可以維持在較高水平[9]。鹽度條件指利用生物對鹽度的適應(yīng)性差異（廣鹽性和窄鹽性）調(diào)控生物群落組合分布，特別是在高鹽度環(huán)境下通過抑制窄鹽性生物生存而為微生物群落繁盛創(chuàng)造較好的環(huán)境條件[12，46]。堿度通過調(diào)節(jié)水體中碳酸根和碳酸氫根等離子濃度影響生物骨骼鈣化和方解石補償深度[47]，間接調(diào)控生物分布范圍。另外，高堿度條件有利于微生物鈣化結(jié)構(gòu)的保存[48]。光照指生物主要通過光合作用調(diào)控碳酸鹽產(chǎn)率，進而影響生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成。因此透光性的差別會影響生物和群落類型[1，11]，但以異養(yǎng)細菌為主導(dǎo)的底棲微生物群落與光照條件無大的關(guān)聯(lián)[43]。水動力條件則通過影響顆粒磨圓和顛選、抗浪格架的構(gòu)成和規(guī)模，以及灰泥的形成和搬運等形式影響工廠類型和構(gòu)成[46]。另一方面，水動力條件會顯著影響工廠發(fā)育的基底形態(tài)（圖4，5），這也是制約工廠發(fā)育穩(wěn)定性和規(guī)模的重要因素。特別是風(fēng)暴浪，不僅對海底地形進行侵蝕改造，還通過攪動、搬運等方式影響水體的營養(yǎng)水平和含氧量[49?51]。營養(yǎng)水平是調(diào)控水體初級生產(chǎn)力的主要因素，一般與陸源輸入增強和上升流等帶來的初級生產(chǎn)力的提高有關(guān)[52]。較高的營養(yǎng)水平刺激浮游微生物的繁盛造成底棲生物生存環(huán)境光照受限；同時初級生產(chǎn)力繁盛后，有機質(zhì)降解過程中耗氧量增加進而制約了水體溶解氧水平，因此可認為營養(yǎng)條件是制約工廠類型的關(guān)鍵因素之一[53?54]。最后，海水化學(xué)性質(zhì)對碳酸鹽生產(chǎn)工廠的影響主要體現(xiàn)在長周期尺度上，通過影響參與工廠建造的非骨屑顆粒、重度鈣化（hypercalcifying）生物，以及膠結(jié)物礦物性質(zhì)的方式調(diào)控生產(chǎn)者類型和建造速率[9，11，55]。

研究區(qū)微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠的繁盛可能是當?shù)馗郀I養(yǎng)條件主導(dǎo)下，強水動力條件以及相對局限、咸化水體性質(zhì)等方面綜合作用的結(jié)果。寒武紀早期已存在明確的淺水環(huán)境下后生動物參與熱帶淺水碳酸鹽生產(chǎn)工廠建造的實例[56]，且苗嶺世淺水環(huán)境后生動物參與工廠建造較為活躍[57]，因而研究區(qū)淺水碳酸鹽沉積環(huán)境中后生動物的匱乏與寒武紀生命演化過程并無直接關(guān)聯(lián)。需要注意的是，寒武紀能夠參與淺水生物礁建造的后生動物主要為古杯和其他海綿類等，這些后生動物骨骼殼體較薄且多孔，波浪和風(fēng)暴條件下易被打碎、破壞，難以適應(yīng)強水動力條件[25?26]。研究區(qū)微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠發(fā)育期風(fēng)暴盛行，可見大量的礫屑、鮞粒和風(fēng)暴打碎的微生物巖角礫堆積（圖4，5）。微生物群落主導(dǎo)形成的大型柱狀、近球狀和樹枝狀結(jié)構(gòu)具有明顯格架和黏結(jié)結(jié)構(gòu)，能夠抵御較強水動力條件的影響（圖5）。另一方面，風(fēng)暴盛行的環(huán)境條件帶來大量營養(yǎng)鹽，并且通過交互作用將正常浪基面之下富有機質(zhì)和活性元素（磷、鐵、鋅等）水體帶入潮坪環(huán)境[50]；營養(yǎng)水平的上升有利于微生物群落的繁盛，為工廠建造提供了有利的營養(yǎng)條件[58]。對崮山組沉積相研究的新進展[40]顯示，當時華北整體處于海侵過程，淺水環(huán)境微生物巖記錄并不豐富，分布也較為零星。以河南云夢山地區(qū)為代表的古丈期微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠發(fā)育，從現(xiàn)有證據(jù)來看僅具區(qū)域?qū)傩?。由于研究區(qū)與現(xiàn)代潮坪環(huán)境鯊魚灣相對局限的Hamelin Pool具有很大的相似性，我們推測兩者水體鹽度和飽和度等條件較為相似，即研究區(qū)微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠亦處于碳酸鹽礦物過飽和、鹽度較高的局限環(huán)境。這可能是窄鹽性后生動物難以參與研究區(qū)工廠建造的因素之一。

研究區(qū)微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠的最終關(guān)閉可能與苗嶺世古丈晚期淹沒事件有關(guān)。單一類型碳酸鹽生產(chǎn)工廠的消失一般與區(qū)域或全球范圍內(nèi)氣候、環(huán)境條件的突然改變存在關(guān)聯(lián)。例如，寒武紀第二世第三期華南漢南—米倉山地區(qū)熱帶淺水碳酸鹽生產(chǎn)工廠的消亡與當時氣候由干旱向潮濕轉(zhuǎn)變造成陸源輸入通量的顯著提高有關(guān)[56]。二疊紀—三疊紀之交全球熱帶淺水碳酸鹽生產(chǎn)工廠的崩潰及隨后鮞粒工廠和灰泥工廠的興盛，與全球范圍生物大絕滅及隨后的極端高溫事件有關(guān)[59]。研究區(qū)微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠雖然樣式豐富但單期厚度非常有限（海底至水面高度一般不足1 m），具有很大的環(huán)境局限性，因而突然的海水加深對潮坪環(huán)境微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠的運轉(zhuǎn)帶來致命性打擊（圖5c），工廠類型也會發(fā)生轉(zhuǎn)換（如灰泥工廠）。從研究區(qū)巖石記錄來看，崮山組上段基本為薄層泥晶條帶灰?guī)r和中厚層礫屑灰?guī)r，代表古丈期云夢山地區(qū)整體海平面處于不斷加深的趨勢（直到末期才水體變淺），這也與當時華北板塊和全球海平面變化趨勢總體一致[60?61]。

5 結(jié)論

（1） 研究區(qū)寒武紀苗嶺世古丈期微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠以底棲微生物群落為主要建造者，樣式包括疊層石、凝塊石、樹枝石、均一石，以及MISS構(gòu)造。單期工廠發(fā)育規(guī)模較小但空間延伸廣，包括半球狀、穹窿狀、板狀等宏觀形態(tài)，結(jié)構(gòu)上存在單獨的建造樣式，更多的是以復(fù)合形式構(gòu)成的垂向組合。

（2） 微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠發(fā)育基底為潮下帶具平臺狀、塔狀泥晶灰?guī)r?；壮＞弑磺治g形態(tài)，周圍保存大量竹葉狀礫屑以及異地搬運鮞粒形成的混雜堆積，這些特征指示工廠形成于風(fēng)暴間歇期。單期工廠整體形成于潮坪環(huán)境變淺序列，中止時常被灰泥沉積（泥晶灰?guī)r）掩蓋。

（3） 微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠發(fā)育與營養(yǎng)水平關(guān)系密切。研究區(qū)風(fēng)暴盛行的氣候背景下，通過強烈的海水攪動和再懸浮作用，正常浪基面之下的有機質(zhì)和活性元素（磷、鐵、鋅等）被輸入至潮坪，顯著提高了當?shù)貭I養(yǎng)水平。微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠發(fā)育中止與快速海侵造成工廠被淹沒有關(guān)，而工廠最終關(guān)閉與當時整體海侵背景下研究區(qū)適宜微生物碳酸鹽大規(guī)模發(fā)育的環(huán)境因素（咸化、動蕩、富營養(yǎng)）缺失有關(guān)。

（4）提供了一個與現(xiàn)代澳大利亞鯊魚灣HamelinPool微生物碳酸鹽生產(chǎn)工廠類似的古代實例，通過定量化評價方法對工廠內(nèi)部樣式、類型和構(gòu)成進行了精細解剖，為認識深時碳酸鹽生產(chǎn)工廠發(fā)育和消亡過程提供了一種新的思路。

致謝 感謝云夢山景區(qū)管委會相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)多年來給予的支持和幫助，感謝實驗室龔嶠林、鄧嘉婷、李紅、易楚恒、呂月健、李翔等同學(xué)參與前期野外工作。三位評審專家提出的寶貴意見對論文質(zhì)量提升有很大幫助，學(xué)報編輯部馬素萍等老師為論文評審、校對方面提供了大力支持，在此表示衷心的感謝。

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