黃海永，秦仁月，尹須偉

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

引 言

微生物巖中最大的一類微生物碳酸鹽巖[1-3]受到眾多地質(zhì)工作者的關(guān)注。Riding[2]將微生物碳酸鹽巖劃分為4類：疊層石、凝塊石、樹形石和均一石，后來梅冥相[4]新增了核形石和具有紋理化構(gòu)造的紋理石，并建議將微生物碳酸鹽巖劃分為6類(疊層石、凝塊石、樹形石、均一石、核形石和紋理石)。梅冥相等對核形石所蘊(yùn)含的特殊地質(zhì)意義與生物學(xué)意義予以肯定，認(rèn)為核形石是微生物碳酸鹽巖的一種類型，不能將它當(dāng)作“球狀疊層石”。核形石既具有“球狀疊層石”的特征，又蘊(yùn)含著獨(dú)特的巖石學(xué)涵義，應(yīng)深入研究，以揭示微生物碳酸鹽巖中這一巖石所蘊(yùn)藏的地質(zhì)信息。

核形石(Oncoid)這一非成因的術(shù)語最初是由HEIM A[5]定義的，通常被學(xué)者們描述為具有球形、橢球形態(tài)或同心狀的結(jié)構(gòu)，直徑為幾毫米到數(shù)厘米的碳酸鹽顆粒和單獨(dú)的鈣質(zhì)或非鈣質(zhì)結(jié)核。核形石因其具有與疊層石相似的沉積學(xué)屬性而歸為球狀疊層石[4,6-7]，又以其可遷移的特征而具有與鮞粒相似的屬性[2,4,8-9]，但就如鮞粒常常被認(rèn)為是有機(jī)成因的一樣，核形石也常常被認(rèn)為是微生物成因的[2,10]，并且一個世紀(jì)以來，其生物成因的解釋已得到普遍接受[11]，但古老地層中的核形石往往缺乏直接的微生物作用證據(jù)，使得核形石的成因解釋變得十分困難。本文所研究的高能核形石，主要發(fā)育在鮞粒灘相沉積的上部，與鮞粒的形成具有較為直觀的可對比性，具有豐富的微生物和巖石學(xué)研究意義，可作為進(jìn)一步研究核形石成因的切入點(diǎn)。

寒武紀(jì)地層在華北地臺連續(xù)出露且廣泛發(fā)育[12]，在遼西葫蘆島市三道溝剖面的寒武系苗嶺統(tǒng)張夏組頂部的強(qiáng)迫型海退體系域沉積中發(fā)育一套厚核形石灰?guī)r層，厘米級的核形石集中產(chǎn)出于這套灰?guī)r，代表著一種沉積學(xué)現(xiàn)象。基于野外剖面測量、對鮞粒和核形石宏觀現(xiàn)象的詳細(xì)描述、室內(nèi)在正交偏光顯微鏡下對微觀組構(gòu)的研究及對比，認(rèn)為張夏組核形石形成于高能水體中微生物席或微生物膜的復(fù)雜鈣化過程中，同時也提供了一個了解典型的光合作用生物膜鈣化形成核形石的實例。

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于華北地臺東北緣，區(qū)內(nèi)寒武系分布廣泛，且具有完整的地層序列[13-14]。華北地臺又稱中朝準(zhǔn)地臺，是我國北方較為穩(wěn)定的克拉通地質(zhì)區(qū)域，其南側(cè)以秦嶺—大別造山帶為界，北側(cè)以天山—興蒙造山帶為界，東部和西部邊界分別為郯廬斷裂和祁連造山帶。華北地臺基底形成于1 800 Ma前的陸陸和弧陸碰撞[15]，在古元古代末期，華北地臺發(fā)生一系列南北緣裂解事件。中晚元古代以及早古生代時期，遼東半島及本溪地區(qū)以海相沉積為主要特征。在新元古代早期，華北地臺整體向上抬升，經(jīng)歷長期風(fēng)化剝蝕，其接受沉積時間大概開始于寒武紀(jì)第二世晚期[16]。在寒武紀(jì)期間，華北地臺已經(jīng)進(jìn)入了穩(wěn)定的沉降階段，以淺水碳酸鹽沉積為主，并且形成一個特別的沉積序列[17-19]。華北地臺寒武系苗嶺統(tǒng)發(fā)育較為完整，包含毛莊組、徐莊組、張夏組及崮山組，其沉積相序列呈總體向上變淺的趨勢，代表一個由苗嶺統(tǒng)毛莊組和徐莊組的混合潮坪相紅層泥巖和碳酸鹽巖向張夏組以鮞?；?guī)r為主的緩坡臺地體系過渡的沉積序列[19-23]。其中，華北地臺寒武紀(jì)苗嶺世張夏組沉積晚期的沉積格局如圖1所示，其主要特征為在淺海陸架上覆蓋大量鮞粒沉積物。

1.2 層序地層劃分

呂梁造山運(yùn)動(1 850 Ma前)結(jié)束后，華北克拉通基本上已經(jīng)形成，大部分地區(qū)隆起成為古陸，而在北緣、西緣和南緣形成裂陷谷盆地和被動陸緣盆地[15]，其上沉積了巨厚的淺海碳酸鹽地層，且沉積序列在研究區(qū)都有良好的出露?，F(xiàn)今河北北部和遼西—遼北地區(qū)形成的沉積盆地為燕山裂陷槽(燕遼海盆)，與太行山區(qū)的裂谷盆地一起合稱太行—燕山裂陷槽[13]。研究區(qū)前寒武系組級地層單位的劃分采用天津薊縣剖面的標(biāo)準(zhǔn)[13,24]，包括長城系、薊縣系和青白口系。寒武系昌平組角礫狀白云質(zhì)灰?guī)r平行不整合于青白口系景兒峪組中、薄層白云質(zhì)灰?guī)r之上。寒武紀(jì)時期，覆蓋在華北地臺之上的海洋被稱為“貧乏骨骼的風(fēng)暴?！盵4,25-26]，在研究區(qū)自下往上沉積了第二統(tǒng)的紅層與碳酸鹽巖混合沉積物、苗嶺統(tǒng)的鮞粒灘碳酸鹽臺地序列以及芙蓉統(tǒng)灰泥為主的碳酸鹽臺地沉積序列[27-32]，整體組成一個發(fā)育在二級海平面變化旋回中的退積序列。

葫蘆島地區(qū)苗嶺統(tǒng)由毛莊組、徐莊組、張夏組和崮山組組成，自下往上代表一個從混合潮坪沉積體系(毛莊組和徐莊組下部)到鮞粒灘大片分布的緩坡型臺地沉積體系(張夏組和崮山組上部)的變化序列[28]。張夏組沉積時期，華北地臺主要可分為2個大相帶，從古陸向外依次為白云巖為主的環(huán)潮坪相、灰?guī)r組成的中至緩坡相(圖1)，代表混合潮坪沉積體系到緩坡型碳酸鹽沉積序列的變化。在三道溝剖面上的寒武系苗嶺統(tǒng)張夏組組成一個淹沒不整合三級層序[26,28-29]，與上覆的崮山組和下伏的徐莊組均為典型的淹沒不整合接觸，均表現(xiàn)為具有凝縮性質(zhì)的陸棚相鈣質(zhì)泥巖夾中至深緩坡相泥晶灰?guī)r地層直接覆蓋在鮞粒灘相灰?guī)r地層之上[28](圖2)。張夏組根據(jù)巖性特征和沉積相的旋回特征可識別出3個四級亞層序， 其中最上部的四級層序頂部為強(qiáng)迫型海退體系域沉積[31-34]，薄層泥質(zhì)條帶泥晶灰?guī)r與厚層塊狀鮞?；?guī)r組成潮下型米級旋回，組成高能鮞粒灘相沉積，發(fā)育大型沖刷面，厚度約25 m，厘米級巨型核形石發(fā)育在這套鮞粒灰?guī)r的上部，特別引人注目。這種大面積分布的鮞粒灘類似于Pratt[35]所描述的球粒主導(dǎo)的寒武紀(jì)碳酸鹽臺地，代表寒武紀(jì)多樣化的碳酸鹽臺地類型中一種新的碳酸鹽臺地類型[28]，形成于碳酸鹽沉積速率較高、侵蝕速率較低的沉積過程中。

圖1 華北地臺寒武紀(jì)張夏期沉積相帶(據(jù)文獻(xiàn)[35]修改)Fig.1 Zhangxia sedimentary facies zone of Cambrian in North China Platform(modified by reference[35])

圖2 華北地臺葫蘆島三道溝剖面張夏組地層Fig.2 Stratigraphy of Zhangxia Formation in Sandaogou section of Huludao City,North China Platform

2 核形石宏觀特征

剖面位于葫蘆島市西北約80 km的新臺門鎮(zhèn)三道溝村西南約1.5 km的山上，主要由徐莊組、張夏組和崮山組組成。張夏組上部為一套巨厚(約50 m)的鮞粒灘和核形石灘相灰?guī)r，代表沉積環(huán)境由緩坡相變?yōu)槌毕隆⒊遍g高能環(huán)境，記錄了一個海平面下降階段的沉積過程。

鮞粒灘相灰?guī)r由毫米級的巨型鮞粒構(gòu)成，剖面上鮞粒多為圓形，粒徑大多都在2 mm以上，為典型的巨型鮞粒特征。鮞粒灰?guī)r向上過渡為鮞粒核形石混合顆粒灘相灰?guī)r，核形石粒徑多為1 mm～1 cm(圖3)，再往上則變化為典型的巨型核形石組成的核形石灰?guī)r地層，核形石多為圓形和橢圓形，粒徑在1～4 cm，具有典型的巨型核形石和宏觀核形石的特征[11,27,37-38]。發(fā)育明顯的紋層狀皮層和核心是葫蘆島張夏組核形石最典型的特征，皮層大多由明暗交替的紋層構(gòu)成，核心多為生物骨架化石碎片(如三葉蟲和腕足類等)和巖石碎屑(如微生物碳酸鹽巖碎屑)，或者以鮞粒為核心。也可見以多個顆?；蛏锕羌芩槠瑘F(tuán)塊為核心的多核心核形石及完全由泥晶組成的(不發(fā)育紋層和核心)的泥晶核形石，類似于Han[38]所描述的完全皮層(Full-cortex)的核形石。核形石的紋層主要為泥晶紋層，泥晶紋層圍繞核心向外呈序列式生長，形成同心狀結(jié)構(gòu)，具有明顯的疊層石和鮞粒的沉積學(xué)屬性[27-28]。

圖3 葫蘆島三道溝剖面張夏組核形石宏觀特征Fig.3 Macroscopic features of oncolites of Zhangxia Formation in Sandaogou section of Huludao City

3 核形石微觀特征

3.1 核形石和鮞?；?guī)r微觀特征

如圖4所示，圖4(a)—圖4(c)分別對應(yīng)圖2(a)—圖2(c)中層位的微觀照片。巨型核形石發(fā)育在由生物碎屑或微核形石以及微凝塊組成的基質(zhì)之中，核形石相互間不接觸。核形石發(fā)育清晰的明暗交替的紋層和生物骨架化石構(gòu)成的核心。明-暗紋層包裹著的核心呈不對稱序列式生長，淺色亮晶紋層厚度通常大于暗色泥晶紋層，且明暗紋層組合往核形石邊界具有減薄的趨勢。圖4(b)中可見復(fù)合型核形石，即紋層包裹著2個及以上先形成的核形石生長而形成的核形石，可見被亮晶方解石充填的成巖裂隙。核形石間充填在以生物骨架碎片為核心的放射鮞粒， 鮞粒形態(tài)大致反映核心的形態(tài)。這些以三葉蟲骨架化石或者鈣質(zhì)生物膜碎片為核心的放射鮞粒曾經(jīng)被定義為努亞藻(NuiaMaslov)(圖5)。Han[39]及梅冥相等[28]也曾描述過這樣的鮞粒，并把它當(dāng)作存在疑問的藻類生物。Spincer[40]認(rèn)為“努亞藻”應(yīng)該是一種假化石，而應(yīng)描述為“努亞藻狀的放射鮞?！盵28]，生長在生物膜碎片或生物骨架碎片上的放射狀方解石常被暗色泥晶紋層打斷，隨后重新生長放射方解石，如此重復(fù)形成類似于核形石的明-暗交替的紋層結(jié)構(gòu)，這樣的鮞粒形成似乎與富有機(jī)質(zhì)或富營養(yǎng)條件下放射纖維狀方解石的形成有明顯的關(guān)聯(lián)，努亞藻狀鮞粒的主導(dǎo)性體現(xiàn)寒武紀(jì)“方解石?！钡幕咎攸c(diǎn)[28,41]。下部厚層鮞粒灘相灰?guī)r中發(fā)育典型的同心-放射鮞粒，這些鮞粒多為毫米級，形態(tài)多為比較規(guī)則的圓形，多以生物骨架化石碎片和巖石碎屑為核心，表現(xiàn)出明顯的高能特點(diǎn)。同心-放射鮞粒外部圈層上往往發(fā)育向核心延伸的凹坑，這些凹坑打斷和擾亂了鮞粒的同心紋層，可能代表微生物侵蝕作用(如啃食和挖掘)。

圖4 三道溝剖面張夏組核形石和鮞?；?guī)r微觀特征Fig.4 Microscopic characteristics of oncolite and oolite in Zhangxia Formation of Sandaogou Section

圖5 三道溝剖面張夏組鮞粒灘中的核形石Fig.5 Oncolite in oolitic shoal of Zhangxia formation in Sandaogou section

3.2 核形石微觀特征

葫蘆島張夏組核形石可根據(jù)有無核心和紋層分為3類：發(fā)育核心和紋層的核形石、無紋層也無核心的全皮層核形石和有核心但無紋層的泥晶核形石。第一類又可按核心數(shù)分為單核心核形石和多核心核形石(圖5—圖7)，這類核形石發(fā)育明顯的明-暗交替紋層，紋層具有側(cè)向加厚的特征(圖6)，紋層厚度通常比鮞粒紋層大得多，遠(yuǎn)離核心的紋層具有變薄的趨勢，層數(shù)在十余層到數(shù)十層。高倍顯微鏡下，核形石紋層中發(fā)育密集的順層排列的絲狀鈣化藍(lán)細(xì)菌鞘化石，而且在暗色泥晶紋層中，絲狀藍(lán)細(xì)菌更偏向于順層近平行排列，在微亮晶構(gòu)成的淺色紋層中，這些絲狀體排列方向與紋層走向具有較大的角度，可能代表著這些微亮晶基質(zhì)形成于核形石靜置期間的絲狀鈣化藍(lán)細(xì)菌趨光性生長過程中的活體鞘鈣化作用。而淺色紋層普遍厚于暗色紋層，表明核形石在形成過程中靜置的時間多于在水體中翻滾的時間?？偟膩碇v，絲狀鈣化藍(lán)細(xì)菌在紋層中的分布主要表現(xiàn)為以下4種方式：纏繞疊覆、穿層、凸起以及匍匐或平行排列。構(gòu)成核形石皮層的絲狀鈣化藍(lán)細(xì)菌均具有直徑(20～30 μm)較均勻和泥晶壁(約6 μm)較厚的特征，可與現(xiàn)代織線菌(Plectonema)類比[42-43]，以其纏繞狀的特征可以被歸為葛萬菌組合(GirvanellaGroup)之類的鈣化藍(lán)細(xì)菌[28,42]，類似于齊永安等[44]描述的現(xiàn)代偽枝菌(Scytonema)，而且這樣的暗色泥晶壁可能是絲狀藍(lán)細(xì)菌鞘活體鈣化作用的殘余物，內(nèi)部被亮晶方解石交代的亮晶管可能是藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞列(香毛簇)降解作用的殘余物[28,42]，張夏組核形石中多發(fā)育絲狀體長度更短(約0.5 mm)、直徑較小(約10 μm)、泥晶壁更薄(約2 μm)的絲狀藍(lán)細(xì)菌，這些絲狀藍(lán)細(xì)菌不具纏繞特點(diǎn)，也不呈束產(chǎn)出，因此，可以歸為束線菌(Subtifloria)[45]類的鞘化石,類似現(xiàn)代微鞘菌(Microcoleus)[28,42,45]或鞘線菌(Coleofasciculus)[46-47],從而可以進(jìn)一步類比于現(xiàn)代第谷菌(Tychonema)[43]，代表葛萬菌化石組合(GirvanellaGroup)的一個新類型[28]。

圖6 三道溝剖面鮞粒灘中不對稱生長的核形石Fig.6 Asymmetrically grown oncolite in oolitic shoal in Sandaogou section

圖7 三道溝剖面張夏組單核心和多核心核形石Fig.7 Single-core and multiple-core oncolites in Zhangxia Formation of Sandaogou section

第二類完全皮層的(無核心和紋層)核形石((圖8(a)—(b))往往具有較小的直徑(數(shù)毫米)，邊界不如第一類核形石那樣截然分明，整體由暗色泥晶組成，高倍顯微鏡下，在暗色泥晶中可見纏繞的排列無規(guī)律的可歸為葛萬菌組合的絲狀鈣化藍(lán)細(xì)菌鞘化石。第三類核形石有明顯的核心，但是不發(fā)育紋層，或者紋層不清晰，如圖8(c)、圖8(d)所示，這類核形石類似于第二類，具有不清晰的邊界，質(zhì)地疏松，內(nèi)部由不規(guī)則的網(wǎng)狀絲狀藍(lán)細(xì)菌構(gòu)成，這類核形石可能形成于低能平靜的水體中，核形石未經(jīng)頻繁翻滾，僅由微生物席覆蓋著核心而自由生長，受水能量干擾較小，故而形成這種較疏松的核形石皮層。這些由暗色泥晶構(gòu)成的核形石皮層中散布著可能為黃鐵礦晶體殘余物的黑色小點(diǎn)，黃鐵礦晶體在超微觀測[47]下表現(xiàn)為2種形態(tài)，一是正常的等軸晶系的黃鐵礦晶體，另外一種為莓球狀的黃鐵礦顆粒。

由葛萬菌類絲狀鈣化藍(lán)細(xì)菌構(gòu)成的核形石皮層中發(fā)育自形到半自形的菱形白云石晶體(圖9(a)、圖9(c))，這些白云石晶體密度較高，且往往截斷葛萬菌絲狀體，代表在富有機(jī)質(zhì)和富營養(yǎng)條件下的白云石沉淀作用[28,30]。核形石灰?guī)r中，發(fā)育在核形石間的不規(guī)則暗色泥晶凝塊(圖9(b)，圖9(d))，在高倍鏡下表現(xiàn)為密度較大的相互纏繞的絲狀藍(lán)細(xì)菌構(gòu)成的網(wǎng)狀物， 而這些暗色泥晶可能是藍(lán)細(xì)菌活體鞘鈣化作用或者EPS等有機(jī)質(zhì)降解誘導(dǎo)的碳酸鹽礦物沉淀作用的產(chǎn)物。同樣，這些暗色泥晶中也發(fā)育黃鐵礦晶體的殘余物，代表厭氧細(xì)菌如硫酸鹽還原細(xì)菌(BSR)造成的硫酸鹽還原反應(yīng)在誘發(fā)碳酸鹽礦物原地沉淀和微生物席的早期石化中扮演重要的角色[48-52]，張文浩等[49]將這些超微的BSR和黃鐵礦晶體解釋為海水中缺氧條件下的產(chǎn)物，而Xiao等[47]基于華北地臺張夏組和徐莊組核形石中稀土元素和氧化還原敏感元素(如Mn,Mo,Cr,V 及U等)的地球化學(xué)行為，認(rèn)為張夏組和徐莊組核形石形成于氧化的水體環(huán)境中。

4 討 論

遼西葫蘆島市三道溝剖面寒武系張夏組組成一個完整的淹沒不整合三級層序[23,28,53-54]，并可劃分為3個四級亞層序(圖2)，頂部由高能鮞粒灘相灰?guī)r構(gòu)成，其中發(fā)育一套厚層核形石灰?guī)r，代表海平面下降階段最晚期的沉積記錄。核形石呈橢球形或渾圓形，能夠在擾動的水體環(huán)境中遷移和翻滾，從而具有鮞粒的沉積學(xué)屬性[2,4,13-14,27-28]，其序列式的紋層樣式又代表著核形石具有類似疊層石的沉積學(xué)屬性，而被解釋為球狀疊層石[4,7,27-28]。

4.1 形成機(jī)制

核形石屬于微生物碳酸鹽巖的一種，其形成過程與微生物群落的生長發(fā)育關(guān)系密切[55-58]。核形石形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)受動蕩的水動力條件、攪動和翻轉(zhuǎn)的頻率等因素影響[8,11]，關(guān)于核形石的成因機(jī)制問題，一般認(rèn)為與疊層石成因機(jī)制相似，主要有兩種成因機(jī)制：其一是沉積碎屑顆粒被微生物粘結(jié)和捕獲，如Dahanakaye[55]的定義，即核形石是分泌粘液的藻(菌)類或微生物在生長過程中捕獲、粘結(jié)碎屑物質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)點(diǎn)，圍繞核心加積而成、非固著生長的紋層狀結(jié)核體。其二是微生物通過細(xì)胞內(nèi)代謝活動改變細(xì)胞周圍微環(huán)境的物理化學(xué)條件(如酸堿度等)來誘導(dǎo)碳酸鹽礦物原地沉淀并礦化[57-58]。最初Ginsburg[59]在研究疊層石的成因時，認(rèn)為它是在藍(lán)細(xì)菌等微生物的影響下，通過微生物自身特性而捕獲和粘結(jié)沉積物從而達(dá)到促進(jìn)碳酸鹽礦物沉淀的效果。生物在核形石形成過程中的建設(shè)性作用主要包括兩個方面：其一是生物誘導(dǎo)[57]機(jī)制，也可稱為主動礦化，體現(xiàn)在光合作用主導(dǎo)的微生物膜鈣化和硫酸鹽還原細(xì)菌造成的硫酸鹽還原反應(yīng)[27-29,60]，兩者均通過提高環(huán)境堿度和過飽和度來誘導(dǎo)碳酸鹽的沉淀；另一方面為生物影響機(jī)制[57]或被動礦化，黏性物質(zhì)或者細(xì)胞外聚合物質(zhì)(EPS)在核形石的發(fā)育和礦物沉淀過程中起著關(guān)鍵作用，在生物影響的礦化過程中，盡管其他環(huán)境因素(如脫氣，蒸發(fā)等)也能提高環(huán)境的堿度，但礦物成核過程卻是由EPS的生物學(xué)產(chǎn)生和降解作用控制的[57]。

核形石的形成環(huán)境具有多樣性，并且核形石的形態(tài)豐富，說明其成因也可能具有多樣性。近些年，主流觀點(diǎn)認(rèn)為核形石主要為微生物成因[10,39,44,61-63]。張文浩等[49]通過華北地臺西緣烏海地區(qū)毛莊組核形石的研究，認(rèn)為寒武紀(jì)核形石包殼紋層的形成可能與現(xiàn)代微生物席的礦化機(jī)制有關(guān)，都是微生物與環(huán)境相互作用誘發(fā)碳酸鹽沉淀并礦化有機(jī)質(zhì)的結(jié)果；白瑩等人[64]認(rèn)為北京西郊丁家灘剖面昌平組的核形石直接成因為生物滅絕事件；梅冥相等[6]通過對遼寧地區(qū)多個剖面寒武系核形石的研究，觀察到在核形石中存在絲狀藍(lán)細(xì)菌化石。前人的研究結(jié)果及本文對葫蘆島張夏組核形石的觀察和分析進(jìn)一步證明核形石的微生物成因機(jī)制。葫蘆島張夏組核形石發(fā)育特征性的明-暗交替的紋層，暗色泥晶紋層以及核形石間空隙中充填的暗色泥晶凝塊內(nèi)都發(fā)育著高密度的絲狀鈣化藍(lán)細(xì)菌，這些絲狀藍(lán)細(xì)菌都可歸為葛萬菌組合中的類型，包括2個類型：其一是直徑(20～30 μm)均勻、泥晶壁(約6 μm)及長度較大的纏繞狀的葛萬菌(Girvanella)[42]，類似于現(xiàn)代織線菌(Plectonem)[42-43]和現(xiàn)代偽枝菌(Scytonema)[45]的絲狀或管狀鈣化藍(lán)細(xì)菌；另一類是直徑(10 μm左右)和泥晶壁(2 μm)均比葛萬菌小，類似于現(xiàn)代微鞘菌(Microcoleus)[28,42,45]或鞘線菌(Coleofasciculus)[39]類藍(lán)細(xì)菌，也類似于DelosRios等[43]所描述的現(xiàn)代第谷菌(Tychonema)，這些豐富的鈣化藍(lán)細(xì)菌的出現(xiàn)，為研究核形石的有機(jī)成因提供了直接證據(jù)。

4.2 沉積環(huán)境分析

核形石皮層中致密的微亮晶和暗色泥晶組是核形石在形成過程中不同階段的典型的球狀微生物席或微生物膜的復(fù)雜鈣化作用的產(chǎn)物。在水體能量牽動的核形石翻滾或躍移階段，巨型核形石的暗色泥晶紋層中，絲狀鈣化藍(lán)細(xì)菌大致呈順層平行排布， 體現(xiàn)圍繞核心的微生物席在高能水體中高頻率翻滾的特點(diǎn)。這些絲狀體具有均勻的暗色泥晶壁和直徑， 表明其構(gòu)成的泥晶凝塊是藍(lán)細(xì)菌活體鞘鈣化作用的產(chǎn)物，是一個與大氣二氧化碳濃縮機(jī)制(CCMs)[9,23-24,56]相聯(lián)系的生物調(diào)節(jié)的鈣化作用[9]。如同HAN[39]及XIAO等[47]觀察核形石超顯微組構(gòu)所得出的結(jié)果，核形石中的富有機(jī)質(zhì)暗色泥晶可歸結(jié)為與細(xì)胞外聚合物質(zhì)(EPS)降解過程相聯(lián)系的碳酸鹽成核以及沉淀作用的結(jié)果，表現(xiàn)為微生物膜內(nèi)有機(jī)質(zhì)(如EPS)降解并釋放Mg2+、Ca2+和H+后，絲狀鈣化藍(lán)細(xì)菌鞘或EPS誘發(fā)碳酸鹽礦物原地沉淀[8-10]而在表面生成的非晶質(zhì)碳酸鹽礦物(ACC)，進(jìn)而堆積形成富有機(jī)質(zhì)的暗色泥晶紋層。在淺色紋層中絲狀藍(lán)細(xì)菌與紋層走向之間呈高角度定向，代表藍(lán)細(xì)菌構(gòu)成的微生物膜趨光性生長的特點(diǎn)。這些亮晶方解石結(jié)殼歸結(jié)為絲狀藍(lán)細(xì)菌光合作用驅(qū)動藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)“堿度發(fā)動機(jī)”[28-30,65]改變微環(huán)境內(nèi)的物理化學(xué)性質(zhì)而誘導(dǎo)碳酸鹽礦物(如方解石)的沉淀，該過程由于EPS吸附Ca2+、Mg2+和H+產(chǎn)生“毒化作用”而停止。然而在相對靜置階段，微生物席或微生物膜具有趨光生長的特征，外在因素和內(nèi)在因素共同驅(qū)動的微生物席內(nèi)“堿度發(fā)動機(jī)”[23,30,58]和有機(jī)基質(zhì)(如EPS的異樣細(xì)菌)降解誘發(fā)的有機(jī)礦化[56]機(jī)制引發(fā)碳酸鹽礦物原地沉淀，從而造就間歇性高能氧化水體環(huán)境中的壯觀的沉積學(xué)現(xiàn)象，表明核形石的形成并不僅限于張文浩等[49]認(rèn)為的缺氧環(huán)境。如圖10所示，對比華北地臺不同地點(diǎn)的寒武系內(nèi)產(chǎn)出的核形石，葫蘆島張夏組核形石皮層內(nèi)基本不發(fā)育代表光合作用產(chǎn)生的氧氣氣泡殘余物窗格狀的孔隙[65]，表現(xiàn)出更高能和更氧化的特征。

圖10 華北地臺不同地點(diǎn)寒武系核形石對比Fig.10 Comparison of oncoids of Cambrian among varieties of localities on North-China Platform

張夏組核形石皮層及核形石泥晶凝塊內(nèi)常見黃鐵礦晶體殘余物(圖5—圖7，圖9(d))，表明厭氧細(xì)菌如硫酸鹽還原細(xì)菌(BSR)[66]使硫酸鹽發(fā)生還原反應(yīng)而產(chǎn)生HS-并且升高BSR周圍微環(huán)境的堿度，從而誘發(fā)碳酸鹽礦物原地沉淀和微生物席早期石化[56]。核形石皮層中的白云石晶體可能代表富有機(jī)質(zhì)成巖微環(huán)境[27-28]條件下的白云石化作用，有機(jī)基質(zhì)如EPS的降解釋放Mg2+，與之相聯(lián)系的硫酸鹽還原反應(yīng)促進(jìn)碳酸鈣礦物沉淀，致使Mg2+/Ca2+相對升高而發(fā)生白云石化，形成這種成巖白云石殘余物或者燧石[67]，也可能與Mg黏土如高嶺石和蒙脫石族礦物有關(guān)，尤其是三八面體硅鎂石[3]前體白云石化的產(chǎn)物。盡管有關(guān)核形石形成的諸多細(xì)節(jié)問題仍需要進(jìn)一步研究才能得到合理解釋，但從遼西葫蘆島三道溝剖面寒武系苗嶺統(tǒng)張夏組中的高能核形石中，能夠了解早古生代光合作用生物膜構(gòu)建核形石的一些重要線索。

5 結(jié) 論

(1)遼西葫蘆島市三道溝剖面寒武系張夏組頂部由高能鮞粒灘相灰?guī)r構(gòu)成的強(qiáng)迫型海退體系域中發(fā)育一套厚層的核形石灰?guī)r，是海平面下降階段最晚期的沉積記錄。

(2)核形石發(fā)育清晰的明-暗交替紋層，表現(xiàn)明顯的高能特點(diǎn)，而且皮層及核形石間凝塊內(nèi)發(fā)育絲狀鈣化藍(lán)細(xì)菌化石，表明核形石形成于球狀光合作用微生物席或微生物膜的復(fù)雜鈣化作用，為了解間歇性高能和氧化水體中微生物席或微生物膜代謝行為提供典型實例。

(3)在研究區(qū)寒武系苗嶺統(tǒng)張夏組核形石的泥晶紋層中，可見少量的黃鐵礦晶體殘余物，這一現(xiàn)象說明核形石的形成與厭氧微生物誘發(fā)的沉淀作用具有一定的聯(lián)系。在泥晶紋層發(fā)育豐富的鈣化藍(lán)細(xì)菌鞘化石，這一現(xiàn)象充分說明核形石的形成與微生物活動以及代謝作用具有直接關(guān)系。

致謝：

感謝評審專家給本文提出的建設(shè)性建議和意見,感謝張英杰師兄在論文修改過程中的幫助。