辽东半岛复州湾剖面寒武系馒头组核形石沉积特征

秦仁月

( 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083 )

0 引言

HEIM A[1]将在瑞士侏罗系陆架灰岩中发现的圆球状或叶状的泥晶颗粒命名为核形石(Oncoid)。这些颗粒内部为非同心纹层，且包裹体的结构时有时无，有时颗粒边界不明显。核形石为保存微生物化石特征的浅海碳酸盐沉积物，RIDING R[2]认为是一种特别的微生物岩(Microbialite)。核形石的纹层围绕核形呈序列式生长，外部表现为球状或椭球状的生物沉积构造，被归为相互不连接的球状叠层石，或具有双重属性的特殊包覆颗粒类型[3-4]。核形石因具有典型的外部球状或椭球状特征，以及不平滑或扰动的圈层、可迁移等特征而具有鲕粒属性。核形石圈层中，保存完好或残余的钙化微生物化石具有明显的微生物成因[4-5]。虽然核形石和鲕粒之间具有相似性，但是核形石的尺度大于鲕粒的，且在成因方面与鲕粒之间也有区别。核形石内部具有与叠层石相似的序列式纹层结构，沉积学属性类似于叠层石[2,6-8]。

基于微生物碳酸盐岩概念和认识，以及对核形石发育的独特微组构研究，且为强调微生物沉积作用的重要性，核形石被作为一种典型的微生物碳酸盐岩类型纳入分类体系而不与叠层石平行使用[2,4,9-10]。核形石作为扰动水体中的产物，常与凝块石(Thrombolite)共生，可以将二者统称为微植石(Microphytolite)[4]。因凝块石中有类似于花纹的组构，认为凝块石等同于花纹石(Catagraphite)，将微植石和核形石总称为花纹石[4-5,7-8]。基于林奈法的分类体系，杜汝霖[11]将核形石划分为具有同心纹层构造、放射状构造，以及同时具有同心纹层和放射状构造的核形石3个亚类，并进一步划分为10个群(如Osagia、Paraosgia和Asterrospheroides等)。曹瑞骥等[12]认为，较为典型的球状核形石与隐藻叠层石属(Cryptpzoon)共同构成球叠层石纲(Sphaerati)。自蓝绿藻的生物学属性被修订为蓝细菌[4,9-10,13]后，“隐藻(Cryptozoon)”概念已经不再适用于描述和解释叠层石和核形石之类的微生物碳酸盐岩的成因过程。核形石是有机矿化过程的产物[3,8,13-14]，如同鲕粒可能形成于复杂的微生物膜钙化作用一样，核形石不能被当作直接的微生物化石进行描述。人们经常使用DAHANAYAKE K[15]的定义描述核形石，即核形石是分泌黏液的藻(菌)类或微生物在生长过程中捕获、粘结碎屑物质和碳酸钙质点，围绕核心加积而成的、非固着生长的纹层状结核体，由核心(core或nuclei)和皮层(cortex或coating)两个基本单元组成[16-17]。研究核形石的形成机理(生物或非生物成因)及与凝块石形成机制之间的差异具有重要意义。

基于野外观察，利用正交偏光显微镜，分析华北地台辽东半岛南部复州湾剖面寒武系第二统馒头组核形石灰岩的宏观及微观特征；根据宏观核形石内部多样化的钙化蓝细菌鞘化石及其表征的微生物活动证据，认为核形石形成于较典型的光合作用生物膜复杂的钙化作用，为了解复杂物理化学环境中微生物的生长方式和分布规律，以及生物膜钙化作用提供典型实例。

1 地质背景

1.1 区域地质概况

研究区位于中国辽东半岛西南部、郯庐断裂以东、浑河断裂以南的区域，属于华北地台东北缘辽东地层分区的太子河—大连地层小区。新元古代早期，随华北地台整体抬升，研究区经历长达2亿多年的风化剥蚀，形成现今准平原化的古地理格局[4,18]。随晚元古代冰期结束后气候的回暖及罗迪尼亚(Rodinia)超大陆裂解后板块的持续离散[4-5]，研究区海平面逐步上升。中、晚元古代和早古生代，辽东半岛主要为海相沉积时期；早古生代，整个华北地台接近古赤道的热带、亚热带区域且靠近冈瓦纳大陆边缘[5]，自寒武纪第二世至中奥陶世时期为典型的巨大陆表海台地[4-5]。研究区大致从寒武纪第二世晚期大面积海侵时期开始沉积，相较于华北地台其他地区，寒武纪接受沉积的时间较晚，形成的第二统沉积序列覆盖在不同时代的前寒武纪结晶基底之上，较大的不整合面可类比于北美地台的“巨型不整合面”[4-5,8,19]。

1.2 层序地层划分

自早古生代开始，华北地台形成于稳定的克拉通(即中—朝地块)之上，沉积巨厚的台地沉积序列，沉积序列在辽东半岛复州湾有良好的出露。研究区寒武系第二统主要为红层与碳酸盐岩混合沉积物[4-5,8]，之上为苗岭统鲕粒滩碳酸盐台地序列[4,8,20]、芙蓉统以灰泥为主的碳酸盐台地沉积序列[4-5,14]。该沉积时期的海洋被称为“贫乏骨骼的风暴海”[1,8,21]。

辽东半岛复州湾寒武系第二统包括碱厂组和馒头组，代表混合潮坪沉积体系到浅缓坡相碳酸盐沉积序列的变化。根据层序地层划分方法，马永生等[20]将华北地台寒武系旋回性的沉积序列[22]划分为9个三级层序，馒头组沉积序列属于其中之一，大致分为3个相带(见图1)，从内至外依次为海岸萨布哈相、局限潮坪相、开阔台地相，代表从红层与碳酸盐岩的混合潮坪沉积到以核形石灰岩为主的缓坡型台地[20,23]。馒头组沉积格局的变化表明相对海平面缓慢下降的过程。辽东半岛南部的馒头组潮上坪相向上变浅为潮间坪相、颗粒滩相(见图2)，呈旋回性变化[24-25]，各个亚层序之间为快速海侵形成的典型淹没不整合型层序界面[26]，顶部的核形石滩为强迫型海退过程的产物[24]，发育于沉积速率较高和侵蚀缓慢的海平面下降过程，反映强迫型海退体系域的基本特征[14,27]。大连复州湾地区的寒武系馒头组内部岩相没有显著变化，大体以碳酸盐岩和海岸萨布哈相红层混合沉积为主，具有良好的生物地层和层序地层序列[27-28]。寒武纪，研究区各个海侵—海退旋回的海水进退方向基本保持北西至南东向不变。复州海盆形成于晚元古代末，其中，与老庄户相当的沉积层为碱厂组，在金县一带覆盖于大林子组之上，馒头组不整合超覆于碱厂组，顶部发育具有代表性的核形石滩。

图1 华北地台馒头组沉积相带(据文献[4]修改)Fig.1 Depositional zonation of the sedimentary period of Mantou Formation in North-China Platform(modified by reference[4])

图2 复州湾和下苇甸寒武系第二统馒头组剖面(据文献[4]修改,剖面位置见图1)Fig.2 Correlation of stratigraphic sections of Mantou Formation of the Series 2 of Cambrian between Xiaweidian and Fuzhou Bay Sections(modified by reference[4],section location inFig.1)

2 核形石滩相灰岩

2.1 宏观特征

辽东半岛南部复州湾剖面馒头组沉积序列为三级强迫海退体系域，顶部的块状核形石灰岩地层厚度约为6 m，为强迫海退的产物[24,29]。该套核形石灰岩厚度较大，发育尺度较均匀的厘米级别的巨型核形石，也可见毫米级别的核形石；为基质支撑[5,30]。巨型核形石彼此不接触，之间的空隙被泥晶基质充填。核形石灰岩基本不发育鲕粒，可见少量核型石碎片，以暗色泥晶凝块、团块和三叶虫等生物碎屑化石为主，表现为颗粒灰岩特征，生物潜穴发育，可见白云石。根据野外剖面和岩石切片，块状灰岩中的核形石形状多为椭圆形和圆形(见图3(a))，也可见破裂的、形态不规则的巨型核形石(见图3(b))；核形石边界不规则，核心不明显。核形石粒径最大为2.0～3.0 cm，多为1.0～1.5 cm，属于宏观核形石(macrooncoids)和巨型核形石(megaoncoids)的范畴[31]。宏观核形石集中发育于强迫海退体系域顶部。在馒头组核形石切面上可见规则或不规则的明暗圈层，核心多为生物碎屑，或受成岩作用改造而不明显；纹层不明显或不发育；皮层在各个方向上的发育程度不尽相等，远离核心的皮层有加厚、变不规则和弯折的趋势，反映核形石在形成时期各个方向上不一致的翻滚频率，非均一的纹层化作用体现核形石的叠层石属性[4,8,10]。

图3 复州湾剖面寒武系第二统馒头组核形石宏观特征Fig.3 Macrofeature of oncoid in Mantou Formation of the Series 2 of Cambrian at Fuzhouwan Section

2.2 微观特征

2.2.1 核形石结构

显微镜下观察可见，核形石发育在大小不等的暗色泥晶凝块的颗粒和亮晶方解石的基质中，为基质支撑的核形石[4,30]。核形石灰岩中也有不发育核形石而呈现类似颗粒支撑的结构，颗粒是由暗色泥晶或微亮晶方解石构成的边界比较圆滑的团块(见图4(a))，尺度较小，且缺乏内部结构，区分于鲕粒相。灰岩的生物潜穴中发育菱形、褐色的雾心亮边白云石(见图4(b))。核形石发育致密的非均质晶质的泥晶皮层(见图3(a)、图4(c-d))，皮层中不发育或发育非均一的纹层。纹层由泥晶(micrite)或凝块状泥晶(clotted micrite)、微亮晶构成，呈重复性序列，序列化作用使核形石具有明显的叠层石属性[4-5,8,12]。大多核形石核心不明显，或以三叶虫碎片化石为核心，或为完全皮层(没有核心)；皮层主要由凝块状泥晶主导，无明显的重复性纹层序列[32]。核形石与充填基质的边界大多较为清晰，局部表现为锯齿状的边界线，代表早期成岩破坏作用(见图4(c-d))。核形石之间的基质中充填各式各样的微凝块和生物碎屑化石，构成研究核形石中多样化组分的基础。

2.2.2 窗格状孔隙

泥晶核形石非平滑的皮层中发育由微亮晶充填的窗格状孔隙(见图5(a)、图6(a))，孔隙大多呈不规则形态，宽度为0.5～0.8 mm，颜色浅且多数切割纹层。这些窗格状孔隙发育在相互缠绕的、由葛万菌(Girvanella)丝状蓝细菌鞘化石构成的网状组构(见图6(b-c))中，类似于蒙古国西部早寒武世的核形石[30,33]。BOSAK T等[34]和PEPE-RANNEY C等[35]在美国黄石国家公园由蓝细菌生物席构成的叠层石上观察到窗格状组构，认为是由光合作用产生的氧气气泡，在上浮过程中被微生物丝状体阻碍形成的、垂直定向的氧气气泡残余物。窗格状孔隙之间常分布较细的垂向葛万菌丝状体，且孔隙纵剖面形似沙漏，MATA S A[33]称之为“砂滤状(hourglass structures)”构造。WILMETH D T等[30]将这种“砂滤状”构造解释为通过不连续翻滚、时而跳跃的间歇性移动，并在下一个水体扰动发生之前具有一定的垂向向上生长的静滞期过程而形成的核形石，“砂滤状”构造的存在指示微生物膜内的代谢活动产物对核形石内部结构的影响。

2.2.3 黄铜矿晶体和钙化微生物

致密的泥晶纹层和暗色泥晶凝块中，可见明显的丝状蓝细菌鞘化石和遍布的黑色小点，其中黑色小点为黄铁矿晶体残余物(见图5(b-c))；丝状蓝细菌鞘化石大多相互缠绕，构成不规则的网状物，称为伪枝菌(Syctonema)[36]，也可与现代织线菌(Plectonema)[37]类比，代表蓝细菌的活体钙化作用。活体钙化作用和早期石化作用使丝状蓝细菌鞘化石较完整地保存下来。将这种内部被亮晶方解石交代而形成的管状物解释为可能的蓝细菌细胞列(香毛簇)的降解作用残余物，划归为葛万菌化石[37]。

在由非均质致密泥晶和微亮晶构成的巨型核形石皮层中，可见与胶须菌(Rivularia)类似的岩枝菌(Apophoretella)和成簇状的、毫米级的基座菌(Hedstroemia)等钙化蓝细菌化石群落(见图7(a-b))，以及栅栏状或成束生长的、类似于尖管菌(Acuasiphonoria)的钙化蓝细菌化石构成的凝块[37-39](见图7(c-d))。偏光显微镜下观察到，核形石内部残留常见的亮晶方解石间隙充填的不规则泥晶网络状组构(见图5(a))，类似于胞网菌(Bacinella)状组构[40]。葛万菌丝状体除发育于核形石内凝块状皮层外，还密集生长于核形石外的暗色凝块；同样，在核形石之间充填的基质中，可见单独的岩枝菌类和基座菌钙化蓝细菌化石构成的凝块(见图8(a-b))，以及较高密度的葛万菌丝状体构成的暗色凝块(见图8(c-d))，还可见在巨型核形石之间的基质中生长的单独的尖管菌丛(见图9(a-b))。此外，在馒头组核形石中发现奥顿菌(Ortonella)[39]属的钙化蓝细菌化石(见图8(g-h))，菌体由放射状排列的丝状体组成，丝体较直，单个丝体直径基本一致，同一条丝体多次对称二分叉，发展出多个分枝，并形成树枝状的菌体，各个分叉节点呈同心排列，形成微弱的环带，分叉角度为20°～50°，相邻丝体又在距中心同一距离处分叉且完全分离。

馒头组核形石灰岩致密泥晶和微亮晶基质中，还发育与基座菌、葛万菌共生的肾形菌(Renalcis)和伽伍德菌(Garwoodia)[41](见图9(e-f))。在肾形菌中发现两个种：Renalcissp.由中等厚度(约为50 μm)的泥晶质壁和近圆形的中空腔室组成，从一个基底向上呈放射状生长，分枝较短，呈腔室样式并互相叠置；Izhellasp.有腔或呈囊状，壁更厚一些，横切面呈空心花朵状。LIU L J等[39]认为，Izhellasp.与Renalcissp.可能是由相似类型的蓝细菌钙化形成的。伽伍德菌是菌丝体从基底向上辐射成丛状，分枝呈近90°角分叉，转而近平行于母菌丝体生长，形成“山形”或“耙形”外貌。由于伽伍德菌的管型菌丝体尺寸较大，很难将它归为蓝细菌范畴，故将其归为微疑源类(Microproblematicum)。肾形菌为周缘染色的凝胶状色球藻科蓝藻群体的不规则排列胶鞘残留，其“壳壁”代表肾形菌经历碳酸盐成岩作用[42]。肾形菌和附枝菌(Epiphyton)是由光合自养型和异养型细菌群落诱导的沉淀作用而产生的，为异养型细菌活动钙化产生石化的生物膜簇(cluster)[43]。肾形菌和附枝菌代表藻类生物生命周期的不同阶段[44]，可将肾形菌和与其相似的属当作蓝细菌疑源类。

图8 馒头组核形石之间充填凝块发育钙化蓝细菌Fig.8 Calcified cyanobacteria in the clots among oncoids of Mantou Formation

3 沉积特征

辽东半岛寒武系第二统馒头组沉积序列三级层序顶部集中发育巨型的泥晶核形石，大多为厘米级别，代表晚期高位体系域的沉积(见图2)。纹层化的皮层包裹核心形成的核形石保留球状叠层石沉积属性。核形石具有球形和椭球形的外部特征，因在水体扰动的环境中可迁移而具有鲕粒特征。近年来，在华北地台寒武系核形石皮层中发现普遍发育的丝状钙化蓝细菌鞘化石，为阐释核形石的生物成因机制提供直接的微生物化石证据。馒头组中宏观和巨型核形石之间充填的基质由凝块状的暗色泥晶和微亮晶组成，致密泥晶和暗色泥晶凝块是核形石的基本构成。巨型核形石中，主导性的暗色泥晶产生于活体蓝细菌底部黏液中的沉淀过程，代表微生物调节的沉淀作用[45]；核形石皮层中的近纹层状微亮晶产生于缺乏异养细菌(降解或死亡)的微生物席(microbial mat)的沉淀过程。辽东半岛核形石具有典型的双矿物结构和多样化的形状，以及内部不连续非纹层化的圈层，表明寒武纪第二统馒头组沉积期的水体扰动对核形石生长的影响。发育于核形石内外暗色凝块的丝状蓝细菌鞘化石密度较高，具有较均匀的直径(约为10 μm)和暗色泥晶壁厚度(1～2 μm)，表明蓝细菌丝状体为活体鞘钙化作用的产物。这些丝状体既可以垂直于纹层，也可以平行于纹层，指示核形石的生长并不严格符合趋光生长模式[46]。

馒头组核形石皮层中发育以胞网菌(Bacinella)状组构为代表的钙化蓝细菌化石残余物，以及以“砂滤状”组构为代表的光合作用产生的氧气气泡残余物[4,34]。在偏光显微镜下，二者可见窗格边缘的暗色泥晶基质中发育明显的丝状蓝细菌鞘化石，为微生物碳酸盐岩形成于典型的光合作用生物膜和微生物席环境提供直接的微生物化石证据，即使丝状体被成岩破坏和矿化后，这些气泡窗孔的生物学解释也可行。尽管巨型核形石内外的凝块中发育密集的葛万菌丝状体，但皮层中的丝状体连续分布且密度更高，微生物膜粘结和捕获泥晶凝块作用只起次要作用。绝大多数微生物席没有形成坚硬的岩石，并非所有蓝细菌主导的微生物席能钙化，通常蓝细菌丝状体保存的完整程度取决于整个埋藏沉积过程中初始钙化与随后风化的成岩作用全过程，且有些核形石中还含有三叶虫化石碎片及其他底栖生物壳化石，但不能将核形石的形成与三叶虫联系起来。

图9 馒头组核形石滩相灰岩多样化蓝细菌Fig.9 Diversified cyanobacteria in the oncolite of Mantou Formation

在馒头组巨型核形石皮层中，可见与现代胶须菌(Rivularia)类似的基座菌(Hedstromia)、岩枝菌(Apophoretella)和尖管菌(Acuasiphonoria)，以及奥顿菌(Ortonella)等钙化蓝细菌化石。蓝细菌的钙化发生在蓝细菌主导的微生物膜或微生物席钙化作用[2]和早期石化前，代表蓝细菌活体鞘钙化作用的产物。核形石皮层和核形石之间凝块基质中，除发育基座菌和尖管菌外，在辽东半岛核形石滩相由暗色泥晶和微亮晶组成的灰岩中也见呈丛状或株状的基座菌和尖管菌，表明蓝细菌的发生并不是特化于核形石的，而是普遍存在于特定的灰岩。

除此之外，还可见较高级的基座菌及肾形菌、伽伍德菌化石。辽东半岛寒武系第二统馒头组较完整地保存多样化的蓝细菌鞘化石，表明馒头组核形石形成于以蓝细菌为主导的微生物席或微生物膜的钙化作用过程[4-5,45]，且生长发育受微生物席内代谢活动的影响。蓝细菌的活体鞘钙化作用是直接与水体溶解无机碳体系中的碳酸钙饱和状态和全碱度联系，与大气圈二氧化碳浓缩机制(CCMs)相关，因此，蓝细菌的钙化发生在CCMs作用时期和过程中。只有在大气二氧化碳分压低于0.36%及O2分压上升时，CCMs才能在钙化蓝细菌中触发。寒武纪，大气二氧化碳分压明显高于0.36%，蓝细菌活体或死亡后的钙化条件与CCMs触发条件背离。由于地球历史时期生物演化过程具有复杂性，并不是所有发现的钙化蓝细菌CCMs都适用于CCMs触发条件。

馒头组核形石灰岩生物潜穴中发育白云石晶体，代表富有机质成岩微环境中的白云石沉淀物[4,47]。白云石晶体分布散乱，表明不是由初始文石质或高镁方解石质矿物组成岩交代而成的，而更可能是硅镁石矿物降解的产物，为微生物席或微生物膜中的细胞外聚合物质(EPS)基质在钙化作用前经历的镁—硅质矿物(硅镁石)、非晶质镁硅酸盐的矿化作用。因此，EPS在钙化后，或在后来的成岩转换期间形成这种特别的白云石残余物[13]。在馒头组核形石皮层中及核形石之间，填充基质的泥晶凝块和微凝块中常见黄铁矿颗粒的残余物，尤其在核形石之间充填的暗色泥晶凝块中，残余物有较高的密度，表明硫酸盐还原细菌造成的硫酸盐还原反应在形成核形石的两个重要过程(微生物沉淀作用和早期石化作用)中起重要作用，为微生物席或微生物膜内的“碱度发动机”(一系列碱化反应)，以及EPS在碳酸盐矿物原地沉淀方面的作用[48-49]。

综上所述，馒头组巨型核形石形成于光合作用生物膜和EPS复杂钙化的环境，以及相对海平面缓慢下降背景下扰动的水体环境，多样化的蓝细菌群落对核形石的生长发育起重要影响。

4 结论

(1)辽东半岛复州湾剖面寒武系第二统馒头组顶部核形石颗粒滩相中发育厘米级的巨型核形石。核形石皮层中可见胞网菌状和“砂滤状”组构，以及多样化的钙化蓝细菌鞘化石，包括可类比现代织线菌的葛万菌丝状体鞘化石、可类比现代较为高级的胶须菌类的基座菌、岩枝菌和尖管菌等钙化蓝细菌鞘化石、肾形菌、伽伍德菌化石，以及奥顿菌属钙化蓝细菌化石。这些微生物化石为研究核形石成因提供丰富的微生物钙化作用证据。

(2)在泥晶基质和暗色凝块的多样化蓝细菌鞘化石核形石皮层，以及核形石之间充填的暗色泥晶凝块中，发育较高密度的黄铁矿颗粒残余物，表明形成核形石的微生物沉淀作用和早期石化作用与硫酸盐还原细菌造成的硫酸盐还原反应之间存在成因联系，说明微生物席内的“碱度发动机”和EPS在碳酸盐矿物原地沉淀方面的作用。