代明月 齊永安 常玉光 王 敏 李 妲

(河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 河南省生物遺跡與成礦過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南焦作 454000)

近年來(lái)，微生物碳酸鹽成為沉積學(xué)研究的熱點(diǎn)，核形石因其具有特殊的宏觀構(gòu)造和地質(zhì)意義，與紋理石、疊層石、凝塊石、樹形石和均一石被并列歸為微生物碳酸鹽巖［1］。而在微生物碳酸鹽巖中，核形石作為一種非常重要的顆粒類型受到廣泛關(guān)注。核形石是菌藻類等微生物圍繞核心，通過(guò)自身的鈣化、黏附捕獲顆粒物及碎屑物加積而形成的非固著生長(zhǎng)的非層狀結(jié)核體。核形石一般具有微晶質(zhì)外皮組成的或多或少的同心和紋層，部分重疊包裹著生物或碳酸鹽巖屑核心。常見(jiàn)的核形石由核心和紋層兩個(gè)部分組成，核心一般以生物碎屑、礫屑、菌藻結(jié)黏體等為主，紋層包繞核心形成同心紋層構(gòu)造、由深淺不同的明暗紋層交織疊覆組成［2］。核形石的形成環(huán)境多樣，在各個(gè)地史時(shí)期的陸相和海相沉積中均有發(fā)育，例如陸相環(huán)境中的湖泊、河流中，海相環(huán)境中的淺灘中較強(qiáng)水動(dòng)力的環(huán)境和潮間、潮下帶或潟湖湖中弱水動(dòng)力的環(huán)境，是恢復(fù)古地理環(huán)境的重要指示劑［3～9］。

1 地質(zhì)背景

圖1 豫西寒武系分區(qū)及研究區(qū)域Fig.1 The Cambrian stratigraphic distribution and section locality in western Henan

本文研究的寒武紀(jì)核形石主要分布在華北地層區(qū)豫西分區(qū)澠池—登封小區(qū)的登封王窯剖面(圖1)。該剖面寒武系發(fā)育連續(xù)(圖2左)，第二統(tǒng)辛集組為灰白色及肉紅色含礫鈣質(zhì)石英砂巖，朱砂洞組為灰色微晶白云巖和云斑灰?guī)r，饅頭組一段為灰黃色泥晶灰?guī)r及紫紅色白云巖夾紫色泥巖;第三統(tǒng)饅頭組二段為暗紫色及黃綠色泥巖、灰色泥晶灰?guī)r夾薄層石英砂巖及粉砂巖，饅頭組三段為黃綠色泥巖夾泥質(zhì)條帶鮞?；?guī)r和砂屑灰?guī)r，張夏組為灰色厚層鮞?；?guī)r、鮞粒白云巖、生物碎屑灰?guī)r和微生物巖;芙蓉統(tǒng)三山子組為灰色厚層鮞粒白云巖、粉晶和細(xì)晶白云巖［10］。饅頭組二段厚115.40 m，主要為厚層紫紅色加褐黃色頁(yè)巖，其中夾6層厚度不等的灰?guī)r。該段下部灰?guī)r中產(chǎn)三葉蟲 Yaojiayuella granosa(Walcott)，Y.carinata Zhang at Wang;上部灰?guī)r中產(chǎn)三葉蟲Shuiyuella cf.triangularis Zhang et Yuan，Hsuchuangia luliangshanensis Zhang et Wang。核形石發(fā)現(xiàn)于饅頭組二段下部第二層灰?guī)r中核形石層灰?guī)r，層厚1.7 m(圖2右)。該段下部發(fā)育少量不規(guī)則狀核形石，保存在小型柱狀疊層石的間隙中;中部發(fā)育的長(zhǎng)卵形核形石，與小型柱狀疊層石伴生;上部發(fā)育的球形、橢球形核形石則保存在大型柱狀疊層石之間的水道間。

2 核形石特征描述

圖2 豫西寒武系及饅頭組二段地層柱狀Fig.2 The stratigraphic column of Cambrian and the Second Member of the Mantou Formation，western Henan

登封地區(qū)饅頭組二段中出現(xiàn)最多的是球狀、橢球狀核形石(圖3A，B，D，E)。這類核形石大小從0.3～3 cm不等，平均為1～1.5 cm。核心普遍較小，占核形石直徑的1/3至1/4，組成物有砂屑集合體、菌藻黏結(jié)體和三葉蟲碎屑，以砂屑集合體的核心居多，偶爾可見(jiàn)多個(gè)核心。紋層發(fā)育較好，多為規(guī)則同心狀，可見(jiàn)明顯的明暗交替紋層(圖3C，D)。在偏光顯微鏡下，明亮紋層由微亮晶方解石組成，內(nèi)圈紋層厚度40～50 μm，紋層形態(tài)較為規(guī)則，在包繞方向上厚度變化不大，但局部呈斷續(xù)狀或不規(guī)則的波曲狀(圖3C);外圈紋層厚度可達(dá)200 μm，由微亮晶和泥晶方解石交織在一起組成(圖3D)。暗色紋層由泥晶方解石組成，內(nèi)圈紋層厚度大，一般為200～400 μm，局部可達(dá)500 μm(圖 3C)，外圈紋層厚度小，一般為 150～300 μm(圖3D)，紋層對(duì)稱性很好，在包繞方向上，厚度基本不變，較均勻，局部可見(jiàn)到藍(lán)細(xì)菌的絲狀體。明暗紋層的變化說(shuō)明在核形石形成的早期，富菌藻期時(shí)間跨度明顯大于貧菌藻期;而在核形石形成的晚期，富菌藻期時(shí)間跨度小于貧菌藻期。這表明隨著核形石的生長(zhǎng)，環(huán)境水動(dòng)力條件逐漸增強(qiáng)，顯示出當(dāng)時(shí)形成期弱水動(dòng)力下沉積顆粒不足以供應(yīng)菌藻類的捕捉黏附。此類核形石發(fā)育在大型柱狀疊層石間的水道中，其形成晚于疊層石。第二類核形石呈長(zhǎng)卵形(圖4A，B，C)，粒徑為1～3 cm。核心大，占核形石直徑的3/4以上，由三葉蟲碎屑和砂屑聚集呈長(zhǎng)卵形。紋層圍繞長(zhǎng)卵形的核心發(fā)育，可見(jiàn)不甚明顯的明暗交替紋層，紋層層數(shù)少，一般為2～3層，發(fā)育連續(xù)但不甚規(guī)則。在偏光顯微鏡下，明亮紋層由微晶和泥晶方解石組成，紋層厚度200～300 μm，形態(tài)較為規(guī)則，在包繞方向上厚度有小幅度變化;暗色紋層由泥晶方解石組成，紋層厚度一般為50 μm，在包繞方向上，厚度變化大，局部可達(dá)200 μm。明暗紋層的這種變化說(shuō)明水體能量減弱后，細(xì)粒沉積顆粒的供應(yīng)無(wú)法滿足菌藻類的黏附和捕捉。此類核形石的外圈層均包裹黃色的薄泥層，該泥層的出現(xiàn)對(duì)核形石的生長(zhǎng)具有抑制作用。第三類核形石形態(tài)多為不規(guī)則狀，其核心大多以礫屑和砂屑團(tuán)塊為主，紋層發(fā)育較少(圖4D，E)。此類型核形石發(fā)育在上部波狀疊層石間的空隙中，水動(dòng)力的增加帶來(lái)的碎屑物被攪動(dòng)起來(lái)，其間的菌藻類在水道間邊懸浮邊捕獲黏附沉積物并圍繞礫屑進(jìn)行包繞生長(zhǎng)，形成最終形態(tài)，伴生的疊層石類型共同顯示為潮間帶上部產(chǎn)物。

圖3 登封地區(qū)寒武系第三統(tǒng)饅頭組二段中的球狀、橢球狀核形石Fig.3 The spherical and axiolitic oncoids from the Second Member of the Mantou Formation(Cambrian Series 3)，Dengfeng area

圖4 登封地區(qū)寒武系第三統(tǒng)饅頭組二段中的長(zhǎng)卵形核形石Fig.4 The long cylindrical oncoids from the Second Member of the Mantou Formation(Cambrian Series 3)，Dengfeng area

3 含核形石地層相序特征及沉積環(huán)境分析

登封地區(qū)饅頭組二段中的核形石與疊層石密切共生。從沉積相序上看，核形石所在層段的地層頂、底均為潮上帶泥坪沉積，自下而上包括6段(圖5):

第1段為淺灰色緩波狀、近水平狀疊層石夾不規(guī)則核形石灰?guī)r。下部的疊層石層由灰?guī)r夾薄層土黃色泥巖組成，疊層石灰?guī)r近水平分布;上部疊層石層由純的灰?guī)r組成，紋層間不含泥，主體呈緩波狀，局部為小型柱狀，柱狀疊層石間隙中保存了不規(guī)則狀核形石和礫屑、生物碎屑。具不規(guī)則形態(tài)的團(tuán)塊狀、花瓣?duì)畹暮诵问从沉艘环N淺水低能間歇性弱攪動(dòng)的沉積環(huán)境。曹瑞驥和袁訓(xùn)來(lái)［11］等對(duì)前寒武紀(jì)疊層石的宏觀形態(tài)與水動(dòng)力條件的關(guān)系進(jìn)行闡述后認(rèn)為，近水平緩波狀疊層石發(fā)育在水動(dòng)力很弱的潮上帶，緩波狀疊層石主要為水動(dòng)力較弱的潮間帶，少量潮上帶和潮下帶。由此可見(jiàn)，第1段形成于潮上帶和潮間帶上部。

第2段為土黃色薄層泥巖，形成于潮上泥坪環(huán)境，由大量陸源泥質(zhì)的注入中斷碳酸鹽巖的沉積所致。

第3段為不規(guī)則紋層狀疊層石灰?guī)r和礫屑灰?guī)r，夾有不規(guī)則土黃色泥線，為地殼不規(guī)則振蕩運(yùn)動(dòng)和陸源泥質(zhì)的間斷性注入所致，形成于潮間帶上部。

第4段為淺灰色近水平狀疊層石灰?guī)r與薄層土黃色泥巖互層，灰?guī)r、泥巖交織出現(xiàn)反映環(huán)境周期性動(dòng)蕩和陸源泥質(zhì)的規(guī)則性注入，形成于潮上帶環(huán)境。

第5段為淺灰色波狀、紋層狀疊層石灰?guī)r和長(zhǎng)卵形核形石灰?guī)r夾極薄層的土黃色泥線，局部發(fā)育小型柱狀疊層石灰?guī)r。長(zhǎng)卵狀核形石灰?guī)r呈層狀分布或出現(xiàn)在小型柱狀疊層石的間隙中。多數(shù)核形石外層披有土黃色的泥質(zhì)薄層，說(shuō)明在核形石形成時(shí)陸源泥質(zhì)的間斷性注入有所增強(qiáng)。核形石間發(fā)育有礫屑和生物碎屑，為異地搬運(yùn)而來(lái)充填在核形石的間隙中。第5段為潮間帶中下部的產(chǎn)物。

第6段為淺灰色純凈的大型柱狀疊層石灰?guī)r。球形、橢球形核形石保存在柱狀疊層石之間或圍繞柱狀疊層石充填，核形石間發(fā)育有竹葉狀礫屑和生物碎屑，說(shuō)明強(qiáng)的水動(dòng)力條件造就了大型柱狀疊層石及其間連通的水道，當(dāng)水動(dòng)力條件降低時(shí)，球形、橢球形核形石在水道中或疊層石之上生長(zhǎng)并堆積。因此，該段為潮下帶上部高能環(huán)境的產(chǎn)物。

圖5 登封地區(qū)寒武系第三統(tǒng)饅頭組二段含核形石地層相序及沉積特征Fig.5 The succession and sedimentological features of oncoid-bearing setting from the Second Member of the Mantou Formation(Cambrian Series 3)，Dengfeng area

4 核形石—疊層石組合特征及成因分析

登封地區(qū)饅頭組二段中的核形石和疊層石常組合在一起相伴出現(xiàn)。核形石和疊層石組合自下而上可分成三個(gè)發(fā)育階段(圖6):(1)長(zhǎng)卵形核形石與小型柱狀及波狀疊層石發(fā)育期(圖6A)，潮間帶周期性震蕩變化的水動(dòng)力控制了沉積底質(zhì)的穩(wěn)定性和沉積速率。在高海平面期，由于波浪的反復(fù)沖刷，三葉蟲化石和礫屑被打磨成細(xì)小而均勻的碎屑，這些碎屑相互碰撞聚集成碎屑團(tuán)塊，當(dāng)團(tuán)塊聚集到足夠大時(shí)便不再懸浮，而以跳搖和滾動(dòng)方式被波浪搬運(yùn)。在低海平面期，波浪作用降低，沉積底質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，微生物圍繞長(zhǎng)條形化石碎屑和砂屑團(tuán)塊核心生長(zhǎng)，形成長(zhǎng)卵形核形石(圖4A，B)。在波浪作用影響較小的地帶，長(zhǎng)卵形核形石便不再滾動(dòng)，微生物轉(zhuǎn)而單向向上生長(zhǎng)，不同個(gè)體可相互連接而逐漸演變成小柱狀及緩波狀疊層石(圖4C)。陸源泥質(zhì)的反復(fù)出現(xiàn)不僅中斷了長(zhǎng)卵形核形石圈層的生長(zhǎng)，也將核形石與疊層石層分隔成數(shù)層的薄層狀。與長(zhǎng)卵形核形石伴生的小型柱狀疊層石及緩波狀疊層石的共同出現(xiàn)反映了水動(dòng)力低到中等的潮間帶環(huán)境。(2)球形、橢球形核形石與大型柱狀疊層石發(fā)育期(圖6B)，隨著研究區(qū)海平面的上升，潮下帶上部強(qiáng)烈的波浪作用形成大型柱狀疊層石及其間連通的水道，也將三葉蟲碎屑和礫屑搬運(yùn)到水道中并長(zhǎng)時(shí)間懸浮攪動(dòng)。水動(dòng)力條件的增強(qiáng)帶來(lái)了菌藻類生長(zhǎng)繁殖所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，菌藻類等微生物的胞外聚合物(EPS)也同時(shí)增加了水體的黏稠度，使菌藻類對(duì)顆粒物的捕捉、黏附和包裹過(guò)程更利于進(jìn)行，進(jìn)而形成形態(tài)較規(guī)則的、具多層同心紋層的球形、橢球形核形石。大型柱狀疊層石及其間連通的水道是潮下帶上部強(qiáng)水動(dòng)力的產(chǎn)物［12］，具密集同心紋層的球狀、橢球狀核形石也代表著水體充分?jǐn)噭?dòng)的高能環(huán)境［2，13～15］。

疊層石狀核形石發(fā)育期(圖6C)，隨著海平面下降，在大型柱狀疊層石水道間發(fā)育的球形、橢球形核形石會(huì)停止懸浮滾動(dòng)并基本處于固定海底狀態(tài)，導(dǎo)致紋層僅能原地向上單向生長(zhǎng)，形成與疊層石的過(guò)渡類型:疊層石狀核形石(圖3E)。當(dāng)水動(dòng)力進(jìn)一步降低時(shí)，水流帶來(lái)的碎屑物也減少，柱狀疊層石之間的水道開(kāi)始變窄變小，球形核形石會(huì)停止懸浮滾動(dòng)并原地向上生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)椴畀B層石(圖3F)。

圖6 登封地區(qū)寒武系第三統(tǒng)饅頭組二段含核形石地層相序及沉積特征Fig.6 The succession and sedimentological features of oncoidbearing setting from the Second Member of the Mantou Formation(Cambrian Series 3)，Dengfeng area

5 核形石形成與消亡的控制因素

從河南登封寒武紀(jì)核形石的特征可以看出，核形石等微生物成因構(gòu)造與后生動(dòng)物擾動(dòng)構(gòu)造存在耦合關(guān)系，水動(dòng)力條件是核形石形態(tài)類型變化的決定因素，泥質(zhì)(陸源物質(zhì))供應(yīng)是中斷核形石生長(zhǎng)及其消亡的直接因素。

(1)后核形石等微生物成因構(gòu)造與后生動(dòng)物擾動(dòng)構(gòu)造存在耦合關(guān)系

寒武紀(jì)第二世，微生物成因構(gòu)造在世界各地大量發(fā)育，形成了顯生宙早期的第一幕藍(lán)細(xì)菌鈣化作用事件［16，17］。Sheehan［18］和 Debrenne［19］等認(rèn)為微生物成因構(gòu)造屬于“災(zāi)后泛濫現(xiàn)象”，發(fā)育在寒武紀(jì)第二世晚期古杯動(dòng)物絕滅之后，強(qiáng)調(diào)后生動(dòng)物與微生物在造礁生態(tài)位上的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。根據(jù)作者對(duì)研究區(qū)寒武紀(jì)核形石等微生物成因構(gòu)造與后生動(dòng)物擾動(dòng)構(gòu)造的研究，該區(qū)第二統(tǒng)朱砂洞組微生物成因構(gòu)造與后生動(dòng)物擾動(dòng)構(gòu)造交互出現(xiàn)，第二、三統(tǒng)饅頭組一段、二段碳酸鹽巖沉積中普遍發(fā)育微生物成因構(gòu)造，后生動(dòng)物擾動(dòng)構(gòu)造和生物碎屑灰?guī)r均很少見(jiàn)及;第三統(tǒng)饅頭組三段和張夏組下部后生動(dòng)物擾動(dòng)構(gòu)造與微生物成因構(gòu)造交互出現(xiàn)。張夏組中上部后生動(dòng)物擾動(dòng)構(gòu)造廣泛發(fā)育，不僅出現(xiàn)在薄層鮞?；?guī)r和微晶灰?guī)r中，也大量保存在巨厚層高能灘相鮞?；?guī)r中，而微生物成因構(gòu)造僅局部產(chǎn)出;芙蓉統(tǒng)三山子組以發(fā)育大套微生物成因灰?guī)r和鮞?；?guī)r、白云巖為主夾后生動(dòng)物擾動(dòng)灰?guī)r。根據(jù)上述分析，當(dāng)微生物成因構(gòu)造大量出現(xiàn)時(shí)，后生動(dòng)物擾動(dòng)構(gòu)造則很少保存;而當(dāng)后生動(dòng)物擾動(dòng)構(gòu)造大量發(fā)育時(shí)，微生物成因構(gòu)造則很少見(jiàn)及。在有些層位，二者共存在一起或從微生物成因構(gòu)造逐漸過(guò)渡為后生動(dòng)物擾動(dòng)構(gòu)造。由此可見(jiàn)，豫西寒武紀(jì)核形石等微生物成因構(gòu)造與后生動(dòng)物擾動(dòng)構(gòu)造存在耦合關(guān)系。

(2)水動(dòng)力條件是影響核形石形態(tài)的決定性因素

核形石的形態(tài)可以反映其在海底滾動(dòng)的強(qiáng)度、浪底深度和水體能量，進(jìn)而間接地反映水體的深度［2，9，15，23］。一般認(rèn)為，核形石的形成離不開(kāi)水體的攪動(dòng)作用，近圓形或橢圓形的具密集同心紋層核形石代表一種水體充分?jǐn)噭?dòng)的中到高能環(huán)境，因其常呈懸浮狀態(tài)生長(zhǎng)，菌藻黏結(jié)突出部分受到水流的剝蝕的結(jié)果;而不規(guī)則的形態(tài)則出現(xiàn)在低能環(huán)境中，水體能量和水體深度的變化是核形石形成的直接控制因素［2，9，15，20］。登封寒武系第三統(tǒng)饅頭組二段中的球狀、橢球狀核形石與大型柱狀、半球狀疊層石伴生，反映了水動(dòng)力較強(qiáng)的潮下帶上部和潮間帶下部環(huán)境;長(zhǎng)卵形核形石與小型柱狀疊層石及波狀、紋層狀疊層石伴生，反映了水動(dòng)力低到中等的潮間帶中上部環(huán)境;不規(guī)則狀核形石與不規(guī)則波狀疊層石伴生，則反映了水動(dòng)力較低能的潮間帶上部環(huán)境。

(3)陸源物質(zhì)的注入是抑制核形石生長(zhǎng)直至消亡的直接因素

登封中寒武世饅頭組二段中的圓形或橢圓形核形石及其同層的礫屑和生物碎屑被多次反復(fù)出現(xiàn)的波狀起伏的薄泥層所分隔，說(shuō)明核形石的生長(zhǎng)不時(shí)被陸源泥質(zhì)的注入所干擾，但由于注入的陸源泥質(zhì)量不大，并沒(méi)有中斷核形石的形成，僅僅是將不同時(shí)期形成的核形石和礫屑和生物碎屑分隔開(kāi)來(lái)而已(圖3A，B)。所有的長(zhǎng)卵形核形石均被一層泥質(zhì)薄層所包裹，反映了陸源泥質(zhì)的沉淀完全中斷了單個(gè)核形石的生長(zhǎng)(圖4A，B)。含核形石碳酸鹽巖地層的結(jié)束以大套紅色薄層泥巖的出現(xiàn)為標(biāo)志，說(shuō)明豐富的陸源物質(zhì)供應(yīng)嚴(yán)重破壞了核形石的生長(zhǎng)環(huán)境，渾濁的水體環(huán)境已經(jīng)不再適合核形石的生長(zhǎng)，核形石就此消失。

6 結(jié)論

河南登封地區(qū)寒武系第三統(tǒng)饅頭組二段發(fā)育有三種類型的核形石。其中球狀、橢球狀核形石發(fā)育規(guī)則同心狀的明暗交替紋層，形成于大型柱狀疊層石間的水道中，反映了疊層石和核形石形成時(shí)很強(qiáng)的水動(dòng)力條件，為潮下帶上部高能環(huán)境的產(chǎn)物。長(zhǎng)卵形核形石紋層數(shù)發(fā)育較少，為不規(guī)則的明暗交替紋層，與小型柱狀疊層石伴生，為潮間帶水動(dòng)力低到中等環(huán)境的產(chǎn)物。不規(guī)則狀核形石為團(tuán)塊狀、花瓣?duì)畹炔灰?guī)則的形態(tài)，紋層層數(shù)發(fā)育較少，為潮間帶上部淺水低能間歇性弱攪動(dòng)的沉積環(huán)境，伴生的不規(guī)則波狀疊層石也共同反映了此水動(dòng)力條件。

從河南登封饅頭組二段核形石的特征可以看出，核形石等微生物成因構(gòu)造與后生動(dòng)物擾動(dòng)構(gòu)造存在耦合關(guān)系，水動(dòng)力條件是核形石形態(tài)類型變化的決定因素，核形石的生長(zhǎng)不時(shí)被陸源泥質(zhì)的注入所干擾，含核形石碳酸鹽巖地層的結(jié)束以大套紅色薄層泥巖的出現(xiàn)為標(biāo)志，說(shuō)明豐富的陸源物質(zhì)供應(yīng)破壞了核形石的生長(zhǎng)環(huán)境導(dǎo)致核形石就此消失。

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