山西灵丘刁泉剖面寒武系第三统张夏组核形石

王 皓， 肖恩照

( 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083 )

0 引言

“核形石”指相互独立的圆状或次圆状的毫米至厘米级钙质或非钙质结核[1]。它具有特殊的核心—皮层结构、较不规则的形状及不连续的圈层，区分于鲕粒等包覆颗粒[2]。核形石的形成常归因于围绕核心发生的、以微生物为主导的矿物沉淀作用，以及微生物群落(生物膜)对于包含物的捕获与粘结作用[3-4]。其内部具有似叠层石纹层状结构、钙化有机质残余物、低密度网状体及不连续圈层，核形石也被称为“微生物包覆颗粒”“独立的球状叠层石”或“圆状生长微生物岩”[1,3,5-8]，作为一种单独的微生物岩分类与叠层石、凝块石等并列[9-10]。前寒武纪核形石多产出自海相环境[11-13]，显生宙以来淡水核形石丰度增加。核形石的产出环境演化、水体环境演化及地质记录反映的微生物繁盛变化吻合，代表微生物作用对核形石生长机制的控制[1,11,13]。因此，研究古老地层的核形石，成为还原古气候、古环境、海平面升降变化和沉积环境水体化学条件的重要线索。

华北地台寒武系地层出露连续且沉积现象丰富，核形石在寒武系地层中广泛发育。张文浩等[8]对华北地台西缘寒武系核形石的研究，反映微生物群落对浅海缺氧事件的响应；常玉光等[14]、代明月等[15]研究华北地台南缘寒武系第三统馒头组核形石成因机制；韩作振等[2]在鲁西地区寒武系核形石中发现葛万菌(Girvanella)丝状体；齐永安等[16]、张喜洋等[17]研究豫西寒武纪核形石与后生动物扰动灰岩的耦合关系及其意义。基于宏观、微观、超微观尺度的研究结果，在层序地层框架下，分析山西太行山地区寒武系核形石沉积特征，研究核形石成因机制，为寒武纪微生物岩复苏期及显生宙第一幕蓝细菌钙化作用事件提供较为可靠的研究实例。

1 区域地质概况

研究区位于华北地台中部太行山东南缘、山西省灵丘县东北部大约15 km的柳科乡刁泉村。研究剖面寒武系缺失纽芬兰统的幸运阶、第二阶地层，第二统全部地层及第三统毛庄阶[18-19]，底界为徐庄组下部的潮坪相红层平行不整合覆盖在元古界雾迷山组之上，顶界为凤山组潮坪相白云岩上覆奥陶系冶里组块状泥晶生物丘灰岩[20-22]。其中发育核形石的鲕粒灰岩位于第三统张夏组内部第三个亚层序顶部(见图1)。

图1 山西灵丘刁泉剖面位置及寒武系第三统层序地层划分Fig.1 Profile position and sequence stratigraphic division of Cambrian Series 3 of the Diaoquan section in Lingqiu county, Shanxi province

刁泉剖面寒武系张夏组以多层位发育中薄层至厚层鲕粒灰岩为主要特征。底部为深水陆棚相的含透镜体钙质泥岩，代表海平面快速上升导致的台地淹没事件，形成凝缩段(CS)，与徐庄组顶部的鲕粒灰岩(见图2(a-c))形成的突然相变面可作为张夏组的底界；张夏组顶部的鲕粒灰岩与崮山组底部的深水相钙质泥岩形成的突然相变面，可作为张夏组构成三级层序DS2的顶界(见图2(d))。根据张夏组内部由陆棚相向上变浅为缓坡相至颗粒滩相的旋回性变化，将张夏组划分为3个Ⅳ级层序，张夏组内部的亚层序顶底界与三级层序DS2的类似，为快速海侵形成的典型淹没不整合型层序界面[23-24]。

图2 山西灵丘刁泉寒武系剖面第三统沉积特征

2 核形石沉积特征

2.1 宏观特征

山西灵丘刁泉剖面的核形石发育于张夏组顶部，位于张夏组内部的第三个Ⅳ级亚层序颗粒滩相沉积，形成于厚层鲕粒灰岩。含核形石鲕粒灰岩单层厚度约为4 m，呈层状，与薄层条带泥晶灰岩组成互层，在顶部的鲕粒灰岩中可见泥晶生物丘发育。

露头可见的核形石呈椭圆状、长条状，长轴为0.3～2.0 cm，核心相对圈层具有较深颜色，露头无法识别圈层内部层状结构。垂向上，核形石逐渐密集产出，数量在明显增多后略有减少(见图3)。

2.2 分类

通常根据核心与圈层的形态、组分等特征，对核形石进行分类命名和沉积环境等的类比分析[2,13]。根据核形石的核心数量、圈层的形态及组分等特征，将山西灵丘刁泉剖面的核形石分为5个类型，分别为复合核形石、同心圈层核形石、偏心核形石、泥晶核形石及薄层核形石[2]。

2.2.1 复合核形石

复合核形石具有多个核心，粒径往往较简单核形石的大，通常为椭球状、不规则状(见图4)。山西灵丘刁泉剖面的复合核形石较为常见，约占核形石总体的40%，通常为似圆状、椭球状及长柱状，似圆状及椭球状核形石粒径在0.5～2.0 mm之间，长柱状核形石长轴通常超过2.0 mm。

图3 山西灵丘刁泉剖面张夏组第三个Ⅳ级层序核形石宏观特征Fig.3 Macro characteristics of oncolites from the third Ⅳ level subsquence in Zhangxia formation of the Diaoquan section in Lingqiu county, Shanxi province

图4 山西灵丘刁泉剖面中的复合核形石Fig.4 Composite oncolites from Diaoquan section in Lingqiu county, Shanxi province

复合核形石的形成与微生物席或生物膜的捕获与粘结作用有关。人们将复合核形石的形成描述为，核心稍大的或生长速度相对较快的核形石上附着的微生物席，或生物膜通过分泌的细胞外聚合物(EPS)，捕获并粘结较小的核形石、生物碎屑及鲕粒等颗粒，形成具有多核心的核形石[9,13,25]。根据捕获前后形成的圈层厚度，将复合核形石继续区别为早期复合核形石与晚期复合核形石：早期复合核形石捕获前的圈层较薄，是核形石发育早期通过捕获与粘结附近的复核心而形成的；晚期复合核形石具有明显较厚的捕获前的圈层，代表发育晚期对颗粒的捕获与粘结。同时，可见部分皮壳粒也显示类似的复合发育现象。

2.2.2 同心圈层核形石

同心圈层核形石是指具有微亮晶方解石纹层与暗色致密泥晶纹层交互发育的、似球状叠层石的核形石(见图5)。该类核形石外观呈圆状、似圆状，粒径在0.5～1.5 mm之间，约占核形石总体的20%。同心圈层结构在鲕粒中较为常见，成因：(1)在成岩过程中形成的文石圈层被更稳定的方解石取代；(2)在形成环境中，淡水促使低镁方解石生长，潮汐作用间歇涌入的海水导致微生物成因泥晶圈层的形成[26-27]。

图5 山西灵丘刁泉剖面中的同心圈层核形石Fig.5 Bimineralic oncolites from Diaoquan section in Lingqiu county, Shanxi province

2.2.3 偏心核形石

偏心核形石主要特征为核心偏离核形石的主体中心，伴有生长优势[1]形成的明显的部分圈层增厚现象(见图6)。该类核形石约占核形石总体的20%，呈椭圆状、不规则状，长轴通常大于1.0 mm。在鲁西地区张夏组中，部分核形石中核心的上部皮层有向上生长现象，韩作振等[2]解释为微生物丝状体在大核顶表面上附着而形成较厚圈层，将它与叠层石生长模式类比[2,25]。偏心核形石增厚圈层中垂向生长的泥晶可归类为有机泥晶，可能为生物膜之下捕获的有机黏液及沉积颗粒窝坑中的钙化黏液层形成的[1,9,25]。这类泥晶常以暗色隐晶质的形态包含原地似球粒等颗粒，并以叠层状或块状组构为特征[9]。

2.2.4 泥晶核形石

将圈层及部分核心是由泥晶组成的核形石归类为泥晶核形石。该类核形石通常为似球状，粒径通常超过1.0 mm，较为少见，约占核形石总体的10%。部分泥晶核形石的核心不可见，形态不规则，具有较为粗糙的层状结构，显微镜下可见葛万菌丝状体(见图7)。泥晶核形石是由核形石、集合粒或似球粒经过泥晶化而形成的。核心不发育泥晶核形石是因为在生长过程中核心未发育，或核心可能为有机质，随后被降解及取代[9,27]。泥晶圈层中的葛万菌化石可解释为，微生物外部的多聚糖保护鞘通过钙化产生钙化鞘泥晶,其基质与其他化石的类似, 有时较难确定微生物成因[1,9,25]。

图6 山西灵丘刁泉剖面中的偏心核形石Fig.6 Eccentric oncolites from Diaoquan section in Lingqiu county, Shanxi province

2.2.5 薄层核形石

薄层核形石特征为相对于圈层较大的核心，核心通常由鲕粒、生物碎屑及似球粒组成，可见似棱角状钙化葛万菌碎片。薄层核形石的核心对形态发育具有较为明显的影响，较薄的圈层是因较大体积的核心、环境的扰动不足而继续生长的[2]。

3 核形石成因

山西灵丘刁泉剖面划分的5个类型核形石在形态上有差别，根据微观特征可观察到，核形石具有共性的特征结构——双矿物(微亮晶方解石与暗色泥晶)结构。这种双矿物结构圈层组分特征与偏心鲕、双矿物鲕粒的类似[27]，即前体相非晶质钙碳酸盐(ACC)向文石或方解石的转化机制[28]，以及与微生物席或生物膜中受控于微生物的泥晶沉淀作用有关的暗色泥晶圈层。

根据双矿物结构核形石的扫描电镜观察，双矿物结构核形石的微方解石圈层与暗色泥晶圈层具有相同的元素成分(如Ca、C、O)(见图9)，但晶体结构完全不同(见图9(a-b))。在暗色泥晶圈层中，可见细胞外聚合物(EPS)钙化作用残余物(见图9(c))，同时在亮暗纹层之间可见丝状蓝细菌化石(见图9(d))。EPS钙化作用残余物代表微生物群落(生物膜)共同分泌的、具有化学特性的有机大分子，也代表生物膜在核形石生长过程中粘附过程的证据[12]。在双矿物结构圈层的形成过程中，存在由丝状蓝细菌—葛万菌(见图8(b))为主的生物膜钙化作用，说明核形石的圈层，特别是暗色泥晶圈层是由生物膜钙化作用残余物组成的。此外，蓝细菌钙化作用的发生，主要依靠光合作用吸收CO2和HCO3-产生鞘内的pH变化实现碳酸盐矿物沉淀。葛万菌作为典型的蓝细菌钙化产物[29]，在张夏组核形石内部出现还代表蓝细菌钙化作用的发生，也说明这一时期海水化学条件及大气圈CO2分压下降到10 PAL(present atomosphere level)以下及O2分压上升时，导致蓝细菌鞘内二氧化碳浓缩机制的发生[30]。

图7 山西灵丘刁泉剖面中的泥晶核形石Fig.7 Micrite oncolites from Diaoquan section in Lingqiu county, Shanxi province

图8 山西灵丘刁泉剖面中的薄层核形石Fig.8 Thin-layer oncolites from Diaoquan section in Lingqiu county, Shanxi province

在双矿物结构核形石中，微亮晶方解石圈层具有相对规则的形态，在形态上与鲕粒圈层内部的微亮晶纹层具有一定的相似性。Diaz M R等[28]将该类圈层描述为由过渡相的非晶质钙碳酸盐(ACC)层开始，随后通过ACC向晶体相方解石的转化而形成新的圈层。其中微亮晶方解石圈层形成于短周期水体扰动时期[2]，生物膜或微生物席分泌的EPS侵入核心或泥晶圈层[9]，生成前体相ACC纳米颗粒集合体，并转化为晶体相，受颗粒在扰动环境中经历的机械摩擦作用，无序针状碳酸盐薄层最终生长为较规则的浅色圈层[28]。泥晶圈层可归因于受光合自养生物(如蓝细菌和藻类)消耗CO2导致的泥晶沉淀等复杂过程控制而形成的[1,9]。

根据双矿物结构核形石圈层的研究结果、在山西灵丘刁泉剖面中较为常见的复合核形石表现出的对颗粒的捕获与粘结现象，以及偏心核形石部分圈层呈现出的增厚生长，可对核形石的形成过程作出相应假设。核形石的成因与微生物介导的钙碳酸盐沉淀作用机制有密切关系。在核形石形成的早期阶段，以蓝细菌为主导的薄层微生物席或生物膜围绕核心发育微生物调节的碳酸盐沉淀过程；水体的扰动与微生物控制的钙碳酸盐沉淀作用主导核形石主体的形成。刁泉剖面张夏组核形石微观特征表明，圈层及核心中发育的葛万菌丝状体，代表光合作用丝状蓝细菌在核形石生长过程中的贡献，形成核形石的微生物群落(生物膜或薄层微生物席)是由蓝细菌主导的。此外，核形石的似球状、球状或明显的薄层结构，以及内部圈层和表层的不连续代表水体环境扰动对核形石形成的影响[3]。

图9 双矿物结构核形石扫描电镜照片Fig.9 Scanning electron microscope photos of bimineralic oncolites

4 结论

(1)山西灵丘刁泉剖面张夏组顶部颗粒滩相鲕粒灰岩中发育核形石。在宏观上，核形石与鲕粒共生，其层序地层位置说明产出于相对海平面下降的过程，判断张夏组核形石产出于高能水体环境。

(2)根据微观特征，可将张夏组核形石分为五类：复合核形石、同心圈层核形石、偏心核形石、泥晶核形石及薄层核形石。以复合核形石最为常见，同心圈层核形石与偏心核形石次之，泥晶核形石与薄层核形石相对较少。

(3)张夏组核形石亮、暗纹层交替，葛万菌丝状体及EPS钙化作用残余物代表核形石的微生物成因证据。在核形石中发现葛万菌丝状体鞘的钙化作用残余物，说明这一时期大气圈CO2浓度达到二氧化碳浓缩机制发生的阈值，同时与海水的化学条件(Ca/Mg)适应，满足蓝细菌钙化作用的发生条件。

(4)张夏组核形石的宏观产出位置及微观特征，显示核形石的形成受控于相对海平面下降导致的水体变浅、水动力对底栖沉积物影响增大、光合作用微生物席与生物膜的代谢增加，以及大气圈CO2浓度和海水化学条件。寒武纪鼓山期末，华北地台碳酸盐台地受控于强迫型海退导致的水体变浅、光合作用微生物群落繁盛导致的微生物碳酸盐岩丰度增加。