白瑩，羅平，徐旺林，王珊，龔驥遙

1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083

2.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司第二鉆井分公司，河北廊坊 065007

0 引言

微生物巖是一種與微生物席密切相關(guān)的沉積記錄，包括由微生物席內(nèi)新陳代謝活動(dòng)產(chǎn)生的有機(jī)—無(wú)機(jī)礦物，以及由微生物席捕獲、粘結(jié)席外界顆粒形成的特殊沉積構(gòu)造，可根據(jù)相關(guān)宏觀特征進(jìn)一步分為疊層石、凝塊石、樹(shù)形石、均一石、核形石和紋理石[1?6]。其中疊層石是分布最廣且研究最為詳細(xì)的類(lèi)型，而凝塊石（Thrombolite）一詞則緣自20世紀(jì)60年代。1967年，Aitken首先將加拿大南部落基山地區(qū)寒武統(tǒng)—下奧陶統(tǒng)地層中具有聚集狀凝塊（Clot）結(jié)構(gòu)的巖石命名為凝塊石（Thrombolite），并指出其與疊層石相比缺乏連續(xù)狀紋層構(gòu)造[7?8]。Riding則進(jìn)一步認(rèn)為凝塊石主要由顏色、結(jié)構(gòu)迥異的凝塊和基質(zhì)構(gòu)成，亦可包含除凝塊之外其它組分[1?4]。整體來(lái)說(shuō)，凝塊石具有廣闊的時(shí)空展布范圍。就分布時(shí)代而言，凝塊石多分布在晚新元古代至早奧陶世的生物建隆中，之后受后生動(dòng)物分化影響，其分布豐度銳減并多局限在與極端環(huán)境相關(guān)的地層中，如志留紀(jì)早期、泥盆紀(jì)末期、侏羅紀(jì)早期等生物大滅絕之后，以及第三紀(jì)鹽度事件期間；就產(chǎn)出環(huán)境而言，凝塊石可分布于局限港灣、開(kāi)闊潮下帶、淡水湖、超鹽湖、堿水湖以及熱泉等環(huán)境[1?10]。

凝塊石成分復(fù)雜，分布寬泛，緣自其本身的成因多樣性，同時(shí)也從側(cè)面說(shuō)明凝塊石的研究存在著不小的難度。鑒于凝塊石的整體展布不及疊層石廣泛，加之經(jīng)常和其他類(lèi)型的微生物巖呈共生—過(guò)渡關(guān)系，難以區(qū)別開(kāi)來(lái)，因此前人多將凝塊石放入微生物巖組合中進(jìn)行描述。如Feldmann和Planavsky認(rèn)為現(xiàn)代巴哈馬的疊層石—凝塊石組合緣自被后生動(dòng)物破壞的疊層石，同時(shí)還包括準(zhǔn)同生礦化、次生膠結(jié)和局部碳酸鹽溶解作用的影響[9?10]，Duprazet al.[11]則認(rèn)為真核生物的繁殖才是破壞疊層石的主要元兇；Tanget al.[12-13]通過(guò)分析華北地臺(tái)前寒武紀(jì)疊層石—凝塊石組合，認(rèn)為疊層石與凝塊石分別由絲狀細(xì)菌和球形細(xì)菌構(gòu)建而成；Ridinget al.[1?4]則認(rèn)為絲狀菌可瓦解疊層結(jié)構(gòu)并促進(jìn)凝塊組構(gòu)的發(fā)育。綜上我們可以看到，相關(guān)組合研究多集中在“凝塊石—疊層石組合”方面，而對(duì)于成分更復(fù)雜、非均質(zhì)性更強(qiáng)的凝塊石，卻鮮有研究思路和相關(guān)實(shí)例。

寒武紀(jì)生命大爆發(fā)（Cambrian explosion）后，微生物巖受微生物和后生生物的綜合影響，其結(jié)構(gòu)與組成明顯復(fù)雜于前寒武紀(jì)微生物巖。近幾年來(lái)，有學(xué)者提出引用“微生物席生態(tài)系統(tǒng)礦化作用”的概念和理論進(jìn)行進(jìn)一步的研究。目前與微生物席相關(guān)的研究實(shí)例和培育實(shí)驗(yàn)，主要為復(fù)雜微生物巖的形成提供了四點(diǎn)新思路，包括：1）微生物席內(nèi)存在球狀原生白云石，可視為溝通普通沉積作用和微生物活動(dòng)的橋梁[14?21]；2）與薄微生物席相比，厚微生物席自下而上存在著明顯的分異性，主要表現(xiàn)為微生物群落以及相關(guān)新陳代謝方式的變化[14?21]；3）薄微生物席可形成疊層結(jié)構(gòu)清晰的疊層石，而厚微生物席中，生物成因的多孔狀微組構(gòu)可粘附方解石/白云石沉淀物，進(jìn)而形成凝塊并構(gòu)成粗糙紋層狀至不規(guī)則狀的微生物巖[14?21]；4）球狀—絲狀藍(lán)細(xì)菌或其他可進(jìn)行有氧光合作用的生物，其單獨(dú)或協(xié)調(diào)活動(dòng)可促進(jìn)席內(nèi)礦化作用和碳酸鹽沉淀[22?25]，如活躍的有氧光合作用消耗CO2，導(dǎo)致pH值升高，導(dǎo)致結(jié)晶較差的Mg?Si泡狀細(xì)胞胞外有機(jī)質(zhì)沉淀，以及藍(lán)細(xì)菌和胞外有機(jī)質(zhì)降解，可經(jīng)硫酸還原菌（SRB）誘導(dǎo)成核[26?35]。在以上理論指導(dǎo)下，梅冥相等[15]曾對(duì)位于遼東半島本溪田師傅剖面和大連金州灣剖面的長(zhǎng)山組凝塊石進(jìn)行剖析，為微生物席內(nèi)復(fù)雜的鈣化和沉積現(xiàn)象提供了典型實(shí)例。然而若將微生物席內(nèi)部視為一種獨(dú)特的微環(huán)境，將微生物席內(nèi)沉積看做一個(gè)年輕的沉積學(xué)分支[16?17]，那么在研究微生物席與復(fù)雜的微生物巖時(shí)，其與大沉積環(huán)境的互動(dòng)也應(yīng)被考慮進(jìn)去。

在北京市門(mén)頭溝區(qū)，下葦?shù)榈貐^(qū)的眾多寒武系剖面作為典型教學(xué)剖面，其相關(guān)巖相組合、沉積環(huán)境以及地層劃分對(duì)比特征得到了較為充分的研究。在該地區(qū)第二統(tǒng)昌平組底部，發(fā)育于含燧石角礫白云巖之上的一套豹斑灰?guī)r可與周口店地區(qū)黃院東山梁239高地的下寒武統(tǒng)府君山組豹斑灰?guī)r相對(duì)應(yīng)[18?19]。然而經(jīng)過(guò)實(shí)地踏勘，筆者發(fā)現(xiàn)該套豹斑灰?guī)r含有大量微生物成分，實(shí)則為一套沉積在高能環(huán)境下的凝塊石，若單純套用經(jīng)典豹斑灰?guī)r的相關(guān)定義，恐怕不妥。因此，筆者選取下葦?shù)榈貐^(qū)丁家灘剖面，重點(diǎn)探討了第二統(tǒng)昌平組凝塊石的特點(diǎn)和成因，最后以該段巖層為例，對(duì)凝塊石和豹斑灰?guī)r的區(qū)別進(jìn)行探討，力求為“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)（Cambrian explosion）”之后的凝塊石研究提供一個(gè)典型的分析實(shí)例，有助于恢復(fù)“奧陶世生物大輻射事件（Ordovician radiation）”之前的古地理環(huán)境，重塑“后生動(dòng)物先驅(qū)階段（Pioneer metazoan stage）”的地球演化史[22]。

1 地質(zhì)概況

華北地臺(tái)在青白口系景兒峪組沉積之后，經(jīng)過(guò)近4億年的剝蝕作用形成了一個(gè)“巨型不整合面”，與此同時(shí)華北地臺(tái)北緣拉張形成古亞洲洋，之后的海侵事件導(dǎo)致不整合面上沉積了分布廣泛的昌平組碳酸鹽巖[23?25]。昌平組富含三葉蟲(chóng)、腕足類(lèi)、軟舌螺等化石，自下而上可包括3個(gè)三葉蟲(chóng)帶：Megapala?eolenus，fengyangensis,Redlichiasp.。由于三葉蟲(chóng)和牙形石等年代指向性化石具明顯穿時(shí)性，因此華北地臺(tái)的寒武系地層系統(tǒng)多建立在巖石地層學(xué)的基礎(chǔ)上，即組大致與階對(duì)等，且地層普遍存在著跨統(tǒng)現(xiàn)象。在寒武系四分框架中，昌平組大致位于第二統(tǒng)第四階下部[36?40]，底界年齡約515 Ma，而頂界年齡分歧較大，多集中在509 Ma左右[21?30]。

丁家灘剖面（40°0'1.07″N，116°02'13.35″E）位于北京市門(mén)頭溝區(qū)109國(guó)道邊，西距下葦?shù)楣贩?wù)站約2 km，主要出露元古宙—古生代地層。其中昌平組厚約30 m，整體對(duì)應(yīng)一個(gè)三級(jí)層序，包括海侵體系域（TST）、早期高位體系域（EHST）和晚期高位體系域（LHST）[19]（圖1），其底部以I型層序界面與下伏景兒峪組相隔，發(fā)育一套底礫巖；下部TST厚約8 m，主要由潮間帶凝塊石和疊層石組成，見(jiàn)流水波痕；中部EHST厚約15 m，整體砂屑含量較高，見(jiàn)大量生物潛穴和生物擾動(dòng)構(gòu)造，主要由沉積在潮下高能環(huán)境的凝塊石和核形石組成，可構(gòu)成3個(gè)旋回；上部LHST厚約7 m，主要由疊層石構(gòu)成，大致對(duì)應(yīng)潮間—潮上帶，指示沉積環(huán)境整體變淺。昌平組頂部厚達(dá)數(shù)厘米至數(shù)十厘米的古喀斯特角礫透鏡體/層指示長(zhǎng)時(shí)間暴露，代表I型層序界面[19,24]。

圖1 北京西郊丁家灘剖面位置及寒武系第二統(tǒng)昌平組層序地層劃分示意圖（修改自文獻(xiàn)[24]）Fig.1 Dingjiatan Section Location and sequence stratigraphic division of the Cambrian Changping Formation,Series 2,western Beijing（modified from reference[24]）

2 凝塊石類(lèi)型與特征

昌平組TST和EHST中可見(jiàn)多套層狀凝塊石（圖2a），可與層狀疊層石共生（圖2b，c），其單層厚度多為米級(jí)，整體起伏較小，橫向延伸可達(dá)數(shù)米至數(shù)十米，一般與周邊宿主巖石（多為產(chǎn)自高能環(huán)境的砂屑灰?guī)r，或泥質(zhì)含量很高的泥質(zhì)灰?guī)r，部分可具疊層構(gòu)造）具有明顯的巖性差異，巨觀上符合“生物層（Biostrome）”的定義[4]。宏觀上可見(jiàn)明顯的暗色凝塊和淺色基質(zhì)。筆者從凝塊的形態(tài)出發(fā)，將凝塊石分為斑狀凝塊石、帶狀凝塊石和網(wǎng)狀凝塊石3類(lèi)。其中斑狀凝塊石可歸為Riding分類(lèi)中的粗粒黏結(jié)凝塊石（Coarse agglutinated thrombolites），而帶狀凝塊石和網(wǎng)狀凝塊石屬于次生凝塊石（Post?depositional thrombolites）[1?4]。

圖2 北京西郊寒武系第二統(tǒng)昌平組生物層與凝塊石Fig.2 Biostromes and thrombolites in the Cambrian Changping Formation,Series 2,western Beijing

2.1 斑狀凝塊石

斑狀凝塊石主要見(jiàn)于EHST，為昌平組最常見(jiàn)的凝塊石。宏觀上其風(fēng)化面主要呈黃色、紅褐色，斑紋結(jié)構(gòu)不甚清晰（圖3a），新鮮面可見(jiàn)其由淺色基質(zhì)和不規(guī)則暗色凝塊組成（圖3b）。其中基質(zhì)多以灰質(zhì)為主，主要由微晶方解石構(gòu)成；而白云質(zhì)凝塊多呈雜亂狀分布，大小介于0.5 cm×0.8 cm至3 cm×7 cm，含量約占整體巖石的30%～50%，鏡下見(jiàn)大量細(xì)晶—粉晶白云石（圖3c），可包含兩種顯微凝塊結(jié)構(gòu)。

第一種顯微凝塊包含大量顆粒物質(zhì)，如砂屑、三葉蟲(chóng)碎片和鮞粒，可見(jiàn)少量泥晶物質(zhì)（圖3d）。這些彌散狀暗色泥晶可能為微生物及胞外聚合物（EPS）降解的殘余物質(zhì)，或誘導(dǎo)碳酸鹽礦物沉淀的產(chǎn)物（多由微生物鈣化機(jī)制引起的局部pH值和CO2-3濃度升高導(dǎo)致），也可能包含被捕獲的泥晶物質(zhì)[1?4]。砂屑主要由泥晶物質(zhì)構(gòu)成，與周?chē)膹浬畎瞪嗑ь?lèi)似，可能由微生物參與建造的微晶灰?guī)r碎片改造而成。其整體磨圓度較高，指示其經(jīng)歷過(guò)搬運(yùn)和外界流水改造。三葉蟲(chóng)碎片大多比較完整，可通過(guò)泥晶/微亮晶膠結(jié)物與其他顆粒相互粘連。這種膠結(jié)物不具明顯世代關(guān)系，多與黃鐵礦伴生，可能和與微生物有關(guān)的硫化物氧化反應(yīng)，以及呼吸作用所產(chǎn)生的碳酸鹽溶解作用有關(guān)[15]。碎片周?chē)嗫梢?jiàn)放射纖維狀結(jié)殼，可代表富有機(jī)質(zhì)環(huán)境中生物成因的產(chǎn)物，如脂肪類(lèi)有機(jī)質(zhì)影響下的晶體定向生長(zhǎng)現(xiàn)象[1?4,15]。若從微環(huán)境的角度考慮，砂屑和三葉蟲(chóng)碎片可被看作是捕入厚微生物席中的外界顆粒，并在席內(nèi)發(fā)生了一系列沉淀—膠結(jié)作用。

圖3 斑狀凝塊石特征Fig.3 Characteristics of porphyritic thrombolites

鮞粒（直徑多<0.2 cm）主要包括三種：1）饅頭狀鮞粒（圖3d），多為偏心結(jié)構(gòu)。核心多位于平直端一側(cè)，主要由彌散狀云霧泥晶構(gòu)成，可能代表微生物活動(dòng)的副產(chǎn)物[41?42]；凸起端一側(cè)圈層局部可見(jiàn)黑色小顆粒，可能為微生物鉆孔活動(dòng)的殘余物質(zhì)[43?45]，因此與砂屑相比，該種鮞粒亦可被理解為受微生物改造的微生物成因微晶灰?guī)r碎片。鮞粒凸起端上部可見(jiàn)馬牙狀膠結(jié)物，而平直端則幾乎不發(fā)育，加之平直端多依靠在三葉蟲(chóng)碎片或者其他顆粒上，指示饅頭狀鮞?？赡芫哂懈街再|(zhì)[46]。2）同心圓狀鮞粒，多呈零星狀分布，一般具有核心，多和饅頭狀鮞粒共生。整體圈層數(shù)目較少，部分甚至與皮殼結(jié)構(gòu)、皮殼粒（Cortoid）類(lèi)似。外部一般發(fā)育較厚的富有機(jī)質(zhì)暗色泥晶套，可與芙蓉統(tǒng)鳳山組發(fā)育的底棲有核放射鮞相互對(duì)照[47]。3）放射狀鮞粒（圖3e），多呈聚集狀，大多具有放射狀結(jié)構(gòu)，可能指示其初始成分為低能環(huán)境下的文石。參照Gerdes的現(xiàn)代微生物席培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)[46]，以及梅冥相基于北京西郊寒武系芙蓉統(tǒng)鳳山組生物層的研究成果[37]，可認(rèn)為這三種低能鮞粒均形成于厚微生物席內(nèi)部，因此有悖于整體高能大環(huán)境。它們的存在也代表了席內(nèi)的復(fù)雜鈣化作用，更反應(yīng)了席內(nèi)的非均質(zhì)性和多樣性，從而導(dǎo)致凝塊石具有復(fù)雜的內(nèi)部組成[41,47?49]。

第二種顯微凝塊主要由大量泥晶物質(zhì)和部分顆粒共同組成。鏡下團(tuán)狀泥晶物質(zhì)可具不明顯包殼（圖3f），亦可見(jiàn)與團(tuán)狀泥晶物質(zhì)整體外形相似的單個(gè)綠藻節(jié)片，細(xì)節(jié)上呈藕片狀—管孔狀（圖3g），這可能說(shuō)明團(tuán)狀泥晶物質(zhì)來(lái)源于綠藻節(jié)片的直接降解，但不排除微生物及EPS的降解作用及誘導(dǎo)沉淀作用。若從整體來(lái)看，可見(jiàn)厚微生物席的互動(dòng)形式和組成成分有變復(fù)雜的趨勢(shì)[16?17]。顆粒多集中分布，主要包括砂屑和生物碎片，一般由大量泥晶物質(zhì)粘結(jié)而成（圖3h）。富含破碎狀泥晶物質(zhì)的砂屑與破碎狀生物碎片共生進(jìn)一步指示了微生物作用和動(dòng)蕩水體共存的現(xiàn)象。

2.2 帶狀凝塊石

帶狀凝塊石主要見(jiàn)于昌平組TST下部，多與疊層石存在著側(cè)向或垂向漸變關(guān)系（圖4a）。宏觀上風(fēng)化面一般呈淺灰色，新鮮面呈灰色，見(jiàn)大量鉆孔結(jié)構(gòu)，以及深色帶狀凝塊和淺色基質(zhì)。其中云質(zhì)帶狀凝塊大多介于0.6 cm×0.1 cm至2 cm×7 cm，含量約占整體巖石的40%～60%，而基質(zhì)和疊層結(jié)構(gòu)多由灰質(zhì)組成。部分帶狀凝塊自邊緣向上翹起，與泥裂構(gòu)造較為相似，指示潮間帶間歇性暴露特點(diǎn)[50]；有時(shí)亦可呈撕裂狀（圖4b），凝塊之間及附近多發(fā)育凹凸不平的沖刷面和水流波痕，以及少量毫米級(jí)核形石和砂屑（圖4c），代表了潮間帶往復(fù)性強(qiáng)水動(dòng)力特征[51]。

顯微鏡下可見(jiàn)基質(zhì)中發(fā)育彌散狀泥晶顯微疊層結(jié)構(gòu)（圖4d），垂直紋層分布的鉆孔多被大量生屑、砂屑及顯微凝塊結(jié)構(gòu)充填（圖4e），也可逐漸過(guò)渡為含大量生屑、砂屑的粗粒顯微疊層結(jié)構(gòu)。后者中可見(jiàn)兩種顯微凝塊結(jié)構(gòu)：第一種主要由彌散狀泥晶構(gòu)成，可逐漸過(guò)渡為微生物紋層（圖4f）；第二種主要由團(tuán)塊狀泥晶和包殼顆粒組成，多具粘連呈席的趨勢(shì)（圖4g）。組成帶狀凝塊的顯微凝塊結(jié)構(gòu)與鉆孔中的顯微凝塊結(jié)構(gòu)類(lèi)似，主要以生物碎片為格架，內(nèi)部被大量泥晶、饅頭狀鮞粒以及生屑充填（圖4h），為典型厚微生物席內(nèi)產(chǎn)物。

圖4 帶狀凝塊石特征Fig.4 Characteristics of striped thrombolites

2.3 網(wǎng)狀凝塊石

網(wǎng)狀凝塊石主要見(jiàn)于昌平組TST上部。宏觀上其風(fēng)化面呈中灰色，新鮮面主要呈深灰色，可見(jiàn)深色凝塊主要呈不規(guī)則網(wǎng)格狀，網(wǎng)格大小0.7 cm×1.0 cm至3 cm×4 cm，主要表現(xiàn)為暗色凝塊被封閉在淺色基質(zhì)之間，其中凝塊含量約占整體巖石的60%～80%，多為云質(zhì)，而基質(zhì)則可呈灰質(zhì)—云質(zhì)（圖5a）。鏡下見(jiàn)深色凝塊主要由顯微凝塊結(jié)構(gòu)組成，多與不規(guī)則洞穴伴生，疑似大生物挖掘、擾動(dòng)痕跡（圖5b）。其中洞穴內(nèi)部見(jiàn)大量生屑、砂屑、泥晶物質(zhì)以及顯微凝塊結(jié)構(gòu)，與帶狀凝塊石較為類(lèi)似，具有明顯的厚席特征。

基質(zhì)中可見(jiàn)少量顯微凝塊結(jié)構(gòu)，主要由核形石雛形、砂屑、生屑、泥晶物質(zhì)組成（圖5c）。泥晶物質(zhì)中可見(jiàn)管狀葛萬(wàn)菌（Girvanella）和阿哲菌（Izhella）。這些具有光合作用的藍(lán)細(xì)菌整體保存完好，結(jié)構(gòu)清晰，為藍(lán)細(xì)菌鞘活體鈣化作用的產(chǎn)物[52]。其中單體葛萬(wàn)菌呈管狀，直徑大多集中在20μm左右，管壁多由暗色泥晶物質(zhì)組成，內(nèi)部則由亮晶方解石/白云石充填，見(jiàn)黃鐵礦化菌絲與粒狀黃鐵礦與之伴生，可能指示硫酸還原菌（SRB）的活動(dòng)（圖5d）；阿哲菌集合體多呈西蘭花狀共生，單體多由泥晶物質(zhì)構(gòu)成，中心可被亮晶方解石/白云石充填，橫切面可呈空心花朵狀（圖5e），和腎形菌（Renalcis）相比其菌壁更厚，且菌壁并不分層[53?54]。另外，核形石雛形的圈層中可見(jiàn)窗格狀孔隙，多分布在絲狀菌（葛萬(wàn)菌?）纏繞而成的網(wǎng)狀體中（圖5f），可能為光合作用產(chǎn)生的氧氣氣泡殘留[49]。掃描電鏡顯示核形石內(nèi)部發(fā)育大量直徑為20～30μm的藍(lán)細(xì)菌菌絲（圖5e）。其中內(nèi)部呈放射狀的微米級(jí)球狀白云石與粒狀白云石共生（圖5f），可能與中度嗜鹽好氧細(xì)菌作用有關(guān)[55]。

圖5 網(wǎng)狀凝塊石特征Fig.5 Characteristics of reticular thrombolites

3 凝塊石成因

3.1 初始沉積組分受控于沉積大/微環(huán)境

露頭實(shí)測(cè)和鏡下觀察結(jié)果表明北京西郊寒武系第二統(tǒng)昌平組凝塊石灰?guī)r主要發(fā)育在高能環(huán)境，這種沉積大環(huán)境導(dǎo)致凝塊石中含有大量砂屑和生屑成分；其次，TST凝塊石多發(fā)育在潮間帶，而EHST凝塊石多發(fā)育在潮下帶，這種水體逐漸加深的變化導(dǎo)致指示較淺沉積環(huán)境的蟲(chóng)跡與疊層石僅僅發(fā)育在TST潮間帶凝塊石中。

另外，昌平組微生物巖中可發(fā)育兩種微生物席，對(duì)應(yīng)兩種截然不同的沉積微環(huán)境：第一種為薄微生物席，多形成成層性較好的疊層石，其微生物群落較為單一，僅發(fā)育藻類(lèi)，厭氧微生物和藍(lán)細(xì)菌等等[14,48?49]。薄微生物席具有捕獲粘結(jié)作用，可形成粒度較粗的疊層石，且被捕入席中的顆粒增加了微生物席的復(fù)雜性，有利于向厚微生物席轉(zhuǎn)化；第二種為厚微生物席，多形成微組分復(fù)雜的凝塊石。結(jié)合近年來(lái)針對(duì)形成凝塊石的微生物席培養(yǎng)試驗(yàn)和現(xiàn)代實(shí)例，以及昌平組具體特點(diǎn)，可見(jiàn)這種厚微生物席具有如下特征：1）多由交織成網(wǎng)狀的微生物群落（如葛萬(wàn)菌和阿哲菌）組成，席中微生物可形成多孔狀—不規(guī)則狀微組構(gòu)（如彌散狀泥晶物質(zhì)），并進(jìn)一步形成粗糙紋層狀到高孔隙狀的不規(guī)則微生物巖（如凝塊石）[55?57]；2）其內(nèi)部存在多種生物群落，自厭氧、化能

自養(yǎng)生物（如SRB）至喜氧、光能自氧生物（如藍(lán)細(xì)菌）均有涉及[10,14,55?57]；3）具有黏性并可捕捉各種類(lèi)型顆粒（如三葉蟲(chóng)碎片、砂屑等），亦可在內(nèi)部形成新的礦物和顆粒（如形態(tài)各異的鮞粒及各種膠結(jié)物等）[55?57]。與薄層相比，很明顯厚席的沉積微環(huán)境對(duì)凝塊石的成分和基本特征影響更大一些，如斑狀凝塊石內(nèi)部可見(jiàn)大量低能底棲鮞粒，這與高能大沉積環(huán)境明顯不符。

3.2 沉積大/微環(huán)境與初始沉積組分的互動(dòng)決定最終沉積特征

以TST帶狀凝塊石為例，其多發(fā)育在潮間帶，鏡下可見(jiàn)帶狀凝塊具典型厚席特征。加之1）翹起的帶狀凝塊邊緣指示間歇性暴露環(huán)境；2）而撕裂狀的帶狀凝塊邊緣和指示強(qiáng)水動(dòng)力條件的核型石、砂屑交互共生；3）凝塊間可見(jiàn)明顯沖刷痕跡。那么這些長(zhǎng)條狀凝塊則可看做是被失水干裂以及暫時(shí)性流水分割成多塊的厚席，即沉積大環(huán)境可對(duì)尚未固結(jié)成巖的微生物沉積物進(jìn)行宏觀尺度的改造。值得一提的是，若將水道內(nèi)部發(fā)育的彌散狀包殼核形石仍看做是微生物席內(nèi)的產(chǎn)物，那么厚席也許并不是像普通沉積物那樣被水道完全切割開(kāi)來(lái)，而是更具有一種“藕斷絲連”的特征。

另外，現(xiàn)代巴哈馬凝塊石研究表明，凝塊石產(chǎn)生于微生物和后生動(dòng)物共存的混合底棲生態(tài)系統(tǒng)。微生物和后生動(dòng)物一方面通過(guò)捕獲和被捕獲的形式，直接參與微生物席的構(gòu)成，另一方面通過(guò)鉆孔作用和挖掘改造作用，對(duì)原本形成的微生物巖進(jìn)行改造[58?60]。在帶狀凝塊石和網(wǎng)狀凝塊石中可見(jiàn)大量垂直紋層的鉆孔結(jié)構(gòu)和不規(guī)則的洞穴結(jié)構(gòu)，這些鉆孔和洞穴內(nèi)部中仍有顯微凝塊微組構(gòu)發(fā)育，說(shuō)明這兩種改造作用和微生物席的自身生長(zhǎng)可同時(shí)進(jìn)行。因此，微環(huán)境中各種生物與原始沉積物的互動(dòng)，影響了昌平組凝塊石的微觀特征。

根據(jù)以上分析，筆者建立了北京西郊寒武系第二統(tǒng)昌平組凝塊石沉積模式（圖6）：TST時(shí)期整體沉積環(huán)境為潮間帶，水體較淺，氧氣光照充足，有利于后生動(dòng)物和微生物的快速生長(zhǎng)，因此除卻微生物席對(duì)沉積物的捕獲、粘結(jié)及自身鈣化、石化作用外，席內(nèi)微環(huán)境的鉆孔改造作用也十分常見(jiàn)。在TST下部，水體更淺的潮間帶上部，甚至可以看到失水干裂及暫時(shí)性流水將厚席分割成多塊。至EHST時(shí)期整體沉積環(huán)境為潮下帶，整體水體能量較高，因此和潮間帶相比其席內(nèi)包含更多顆粒成分，這也能從側(cè)面說(shuō)明該環(huán)境下厚微生物席整體粘性較大，加之過(guò)于渾濁動(dòng)蕩的水體不利于生物/微生物的挖掘作業(yè)，遺跡不好保存，因此該環(huán)境下形成的斑狀凝塊石基本由微生物席內(nèi)沉積直接構(gòu)成。

圖6 北京西郊寒武系第二統(tǒng)昌平組凝塊石沉積模式圖Fig.6 Sedimentary model of the Cambrian Changping Formation,Series 2,western Beijing

4 討論

北京西郊寒武系第二統(tǒng)昌平組發(fā)育的凝塊石具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和成分，反映了“寒武紀(jì)微生物巖復(fù)蘇”以及“新元古代后疊層石衰退”這兩個(gè)獨(dú)特的地質(zhì)現(xiàn)象[1?4]。依據(jù)本文及前人研究成果，筆者對(duì)豹斑灰?guī)r和凝塊石的區(qū)別進(jìn)行了進(jìn)一步的探討。

豹斑灰?guī)r和凝塊石均由不規(guī)則豹斑/凝塊和基質(zhì)組成，因此在野外露頭鑒定中，二者很容易混淆。然而從成因上來(lái)看，凝塊石主要為沉積作用的直接產(chǎn)物；而豹斑灰?guī)r則屬于成巖的范疇，一般多源自次生白云石的產(chǎn)生，其中無(wú)機(jī)成因可包括構(gòu)造成因、不均勻白云石化成因以及溶蝕成因等等[18?21]，而有機(jī)成因則多將白云質(zhì)豹斑歸于生物遺跡充填物的白云石化[61?62]。事實(shí)上昌平組以凝塊石為主的微生物巖亦發(fā)育了大量被白云石充填的潛穴，如若用有機(jī)成因來(lái)解釋?zhuān)浜拖鄳?yīng)的豹斑灰?guī)r相比，仍具有較為明顯的微觀差異：1）凝塊石中的潛穴可見(jiàn)十分清晰的微生物結(jié)構(gòu)和顆粒構(gòu)造，而豹斑灰?guī)r的潛穴則多由粉—細(xì)白云石晶粒構(gòu)成，基本不具特殊沉積結(jié)構(gòu)/構(gòu)造。這可能說(shuō)明沉積作用是凝塊石的決定因素，而且白云石化很有可能發(fā)生極早，才可將相關(guān)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及時(shí)固定，避免后期成巖作用的再次改造；而豹斑灰?guī)r則或多或少被解釋為淺埋藏環(huán)境下回流滲透白云石化的產(chǎn)物[18?21,61?62]；2）白云質(zhì)凝塊主要由顯微凝塊構(gòu)成，且相關(guān)SEM圖像中可見(jiàn)菌絲和疑似球狀原生白云石。其中網(wǎng)狀凝塊石基質(zhì)可包含部分白云質(zhì)成分，而基質(zhì)中亦可見(jiàn)包含葛萬(wàn)菌、阿哲菌等藍(lán)細(xì)菌的顯微凝塊結(jié)構(gòu)。這可能說(shuō)明與豹斑灰?guī)r相比，白云質(zhì)凝塊更可能緣自微生物，而并不是潛穴充填物的后期白云石化，加之潛穴之外的顯微凝塊結(jié)構(gòu)亦包含大量白云石，即白云石局限于微生物及相關(guān)物質(zhì)發(fā)育位置，以此區(qū)別于白云石局限于潛穴發(fā)育位置的豹斑灰?guī)r。所以“微生物白云石化”可能是解釋白云質(zhì)凝塊成因的最好模式，即席內(nèi)微生物可通過(guò)新陳代謝活動(dòng)，如SRB的誘導(dǎo)作用提高胞外微環(huán)境的Mg2+飽和度。加之細(xì)胞壁及EPS富含負(fù)電荷基團(tuán)，可促進(jìn)Mg2+克服機(jī)械和化學(xué)動(dòng)力學(xué)，進(jìn)入碳酸鹽晶格，最終形成白云石[58?59]。

5 結(jié)論

（1）北京西郊下葦?shù)榈貐^(qū)下寒武統(tǒng)昌平組底部含燧石角礫白云巖之上發(fā)育的一套豹斑灰?guī)r，實(shí)為發(fā)育在高能環(huán)境下的凝塊石灰?guī)r。

（2）該套凝塊石灰?guī)r主要發(fā)育在昌平組TST和EHST中，巨觀上主要表現(xiàn)為生物層，宏觀上按形態(tài)可分為斑狀凝塊石、帶狀凝塊石和網(wǎng)狀凝塊石3種，其分別發(fā)育在EHST的潮下帶，TST下部的潮間帶上部，TST上部的潮間帶下部，其成因多與厚微生物席相關(guān)，且分別具有不同的微觀結(jié)構(gòu)。其中初始沉積組分受控于沉積大/微環(huán)境，而三者的互動(dòng)決定了凝塊石灰?guī)r的最終沉積特征。

（3）該套凝塊石灰?guī)r的白云質(zhì)凝塊并不局限于潛穴位置，其內(nèi)部見(jiàn)大量保存完好微生物結(jié)構(gòu)和疑似球狀原生白云石，因此這種白云質(zhì)凝塊很可能與微生物白云石化密切相關(guān)，并以此區(qū)別于豹斑局限于生物遺跡位置，且其內(nèi)部充填物為粉細(xì)晶白云石的豹斑灰?guī)r。

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