河北秦皇岛驻操营剖面寒武系张夏组均一石生物丘沉积特征

朱一丹

中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083

0 引言

微生物岩(microbialite)最初由Burne等[1]定义,指由底栖微生物群落捕获、粘结碎屑沉积物和(或)产生矿化位点而形成的有机沉淀物。微生物岩作为在微生物生长过程中产生的原地底栖沉积物,广泛用于描述叠层石、凝块石和相似的发育于湖泊及海洋浅水地带的丘状和柱状结构等。微生物碳酸盐岩(microbial carbonate)由Riding[2]定义,是微生物岩中最主要的一类,基于宏观形态特征将其分为4大类,包括:纹层状叠层石(stromatolite)、凝块状凝块石(thrombolite)、树枝状树形石(dentrolite)和贫乏组构的均一石(leiolite)。后来梅冥相[3]做了部分补充,将核形石(oncolite)和纹理石(laminite)也纳入微生物碳酸盐岩分类体系中。在生物成因灰岩所有类型中,微生物碳酸盐岩有着最广泛的地质历史和地理环境分布,能够在各种复杂的沉积环境中形成。

均一石这一术语来源于希腊语“leios”,指均一、平滑且无明显宏观构造的岩石”[4]。Braga等[5]在描述西班牙东南部中新世陆架碳酸盐和硅质混合沉积中的微生物丘时,首先将均一石纳入微生物岩研究范围,并将其定义为“相对贫乏且非晶质中等构造”。由于与“隐秘微生物”(cryptomicrobial)同义,曾被Kennard等[6]归为凝块石。现在所见到的均一石主要发育在古老地层中,如Riding描述的碳酸盐泥丘[7],寒武系芙蓉统长山组和凤山组[8-10]以及苗岭统崮山组[11]中的均一石生物丘。

河北秦皇岛驻操营剖面地层出露良好,从张夏组底部到顶部发育一套完整的三级海平面沉积层序,其中包含3个四级海平面沉积层序;且在三级海平面顶部的强迫型海退体系域中,发育均一石生物丘。通过野外实地考察并采样,实验室将样品制作成普通薄片,以便在偏光显微镜单偏光下观察其微观组构。基于该均一石的宏观及微观特征观察,对驻操营剖面张夏组中均一石的形成机制以及沉积环境进行研究分析。尽管巴哈马滩与澳大利亚鲨鱼湾无纹层凝块结构的“叠层石”体、盐湖中碳酸盐岩结壳、具有生物稳定性的碎屑微生物沙丘均与地质记录中的均一石具有一定的相似性[12-13],但迄今为止仍然没有有关现代均一石的描述。就像近年来在热泉沉积[14]和高盐度潟湖[15]中发现丝状蓝细菌形成的树形石现代类比物那样,古老均一石的形成机制或许可以为找到现代类比物提供一个思考途径。

1 地质背景

1.1 构造与沉积背景

河北秦皇岛位于华北地台东北缘,华北克拉通中、新元古代燕山裂陷槽盆地(燕辽海盆)东南边缘(图1a)[17]。研究区位于秦皇岛市北部山区距市区30 km处(图1b)。华北地台整体表现为被动大陆边缘以及裂陷盆地的特征,其东北缘海相沉积较晚,大致在寒武纪第二世末期开始沉积,形成一个典型的陆表海台地,其上沉积了巨厚的浅海相碳酸盐地层[18-19],且沉积序列在研究区都有良好出露。寒武系发育在古生代第一次海侵背景下,此时覆盖在华北地台之上的海洋被称为“贫乏骨骼的风暴海”[20-21]。张夏组沉积时期,海侵范围达到最大值[22],此时的华北地台除西北小部分为古陆外,其余部分主要分为2个大相带,一个是远离海洋、发育面积较少、以白云岩为主的局限潮坪相,另一个是大面积分布、以灰岩为主的鲕粒滩相(图2)。

据文献[23]修编。

1.2 层序地层特征

研究区自下往上沉积第二统红层与碳酸盐岩混合沉积物[18]、苗岭统鲕粒滩主导的碳酸盐台地(图3)以及芙蓉统灰泥为主的碳酸盐台地沉积序列[24]。苗岭统包含毛庄组、徐庄组、张夏组和崮山组。秦皇岛寒武系苗岭统张夏组构成一个完整的淹没不整合型三级层序(DS3)[25],可进一步划分为8个四级层序,包括海侵体系域(TST)、高水位体系域(HST)、强迫型海退体系域(FRST)。本文研究的均一石生物丘就发育在张夏组顶部强迫型海退体系域中[26],顶部鲕粒滩相灰岩与泥晶灰岩一起组成潮下型米级旋回[27],代表在高能环境下较慢的侵蚀作用以及较快速的碳酸盐沉积。上覆崮山组为具有凝缩性质的陆棚相钙质泥岩夹泥晶灰岩透镜体,直接覆盖在含有鲕粒灰岩及夹层的中至浅缓坡相灰岩之上,表现为典型的淹没不整合接触[26]。

图3 研究区地层柱状图

2 均一石生物丘

2.1 宏观特征

河北秦皇岛张夏组顶部集中发育一套数十米厚的均一石生物丘,直接覆盖在叠层石生物丘之上,两者有明显的产出差异(图4a,b)。均一石生物丘表现为灰白色致密均一的块状泥晶灰岩,贫乏纹层和凝块状或树枝状组构,可见冲蚀沟槽,冲沟内充填着细小颗粒组成的灰岩(图4c),界线比较清晰;局部还可见明显的泥晶灰岩充填的生物径迹和生物潜穴(图4d,e)。张夏组与上覆崮山组可见典型的淹没不整合界面(图4f)。

2.2 微观特征

秦皇岛张夏组顶部的均一石生物丘主要由暗色致密泥晶以及少量亮晶方解石构成,局部可见毫米级别的暗色泥晶凝块(图5a,b)。这些富集有机质的泥晶凝块形态极不规则,内部可见丝状钙化蓝细菌,微凝块之间还明显可见皮壳光滑的底栖鲕粒,大小约0.3 mm,表现出较为明显的与球状微生物膜钙化作用相关的显微组构[28-29]。致密泥晶中可见钙质海绵化石和三叶虫骨架碎片化石(图5c)、较为密集的生物潜穴(图5d),以及可能是光合作用产生氧气气泡残余物[30]的窗格状组构。生物潜穴内充填近乎完全白云石化的雾心亮边白云石晶体,代表富有机质成岩微环境中的白云石沉淀物[31]和选择性白云石化[32]产物,这些白云石填充物中可见葛万菌(图5e,f)。均一石丰富的微观特征与贫乏构造的宏观特征形成强烈的对比,反映了组成均一性的不规则增生作用。最为特别的是,均一石致密泥晶中发现钙化蓝细菌化石,以下将对这些蓝细菌进行详细描述。

a. 均一石中的暗色泥晶凝块;b. a中方框区域放大,可见丝状钙化蓝细菌(C)及底栖鲕粒(O);c. 均一石中发育的钙质海绵化石(Sp)及三叶虫碎屑(S);d. 均一石内的生物潜穴(B),内部为白云石充填物;e. 白云石充填物;f. e中方框区域放大,可见葛万菌(G)。

2.2.1 基座菌

在均一石生物丘致密泥晶基质中可见单株呈房室状的基座菌(图6a,b),这些菌落可发育在窗格状组构的周围(图6c,d),也可构成毫米级别的泥晶团块(图6e,f)。菌丝体由泥晶质管构成,直径较细,多在10～40 μm之间,管可形成狭窄的分叉树状体。菌落在纵向上呈扇形束状体,相邻的管可能共享共同的壁,或者是共享共同的隔膜。基座菌可以类比于现代胶须菌[33-34]。胶须菌表现为每一个丝状体或管的异型细胞的终端均朝向菌落的中心,毛发状丝状体朝向菌落表面呈放射状排列,且胶须菌是一种较为典型的固氮蓝细菌[34]。

a. 房室状基座菌;b. a中方框区域放大;c. 发育在窗格状组构(F)周围的基座菌群落;d.c中方框区域放大;e,f. 基座菌构成的泥晶团块。

2.2.2 附枝菌

秦皇岛张夏组均一石致密泥晶中,不仅有成簇生长的附枝菌(图7a,b),也可见单独产出的附枝菌(图7c,d)。附枝菌既能生长在暗色致密泥晶中,也能生长在亮晶方解石胶结物中。单个菌体呈直立生长的扇形,长度50～200 μm,聚集在一起可形成大型灌木丛,长度一般不超过2 mm,并且在一定位置二分叉形成树枝状结构。“树枝体”呈粗短的棒状,长度可达200 μm。附枝菌横截面表现为实心圆球,由暗色泥晶构成,直径较基座菌大,多在50～80 μm之间。

a. 灌木丛状附枝菌,其中F代表窗格状组构;b. a中方框区域放大;c. 致密泥晶中单个生长的附枝菌;d.c中方框区域放大。

2.2.3 肾形菌

均一石生物丘致密泥晶中发育肾形菌(图8),其内部中空,被亮晶方解石充填,外部由花瓣状、囊状或不规则形态的暗色泥晶壁构成,个体往往相互叠置,组成毫米级别的集合体。肾形菌常常与附枝菌共生,曾被认为是代表藻类生物生命周期不同阶段的状态,也有人解释为是球状蓝细菌鞘钙化的产物,从而区别于可能为丝状钙化蓝细菌的附枝菌[35-36]。

2.2.4 丝状蓝细菌

构成均一石生物丘的暗色致密泥晶基质中,可见较为典型的丝状钙化蓝细菌鞘化石(图9)。这些丝状蓝细菌拥有厚度较均匀的泥晶壁(约2 μm),代表丝状蓝细菌活体鞘钙化作用的产物;管内部被亮晶方解石交代,可能是蓝细菌细胞列(香毛簇)降解作用的残余物[33,36]。菌体具直径较大(15～25 μm)且相互不缠绕的特点,可以类比于现代第谷菌(Tychonema)[37],表明这类丝状蓝细菌不属于与现代织线菌(Plectonema)类似的缠绕状葛万菌化石,而是葛万菌类化石组合[33]中一个新类型。

3 讨论

3.1 成因机制

构成均一石生物丘的致密泥晶中发育有类比于现代胶须菌的基座菌、附枝菌、肾形菌以及类比于第谷菌的葛万菌类丝状蓝细菌,在一些毫米级别的丝状蓝细菌鞘化石周围,可见密集的窗格状组构(图6c,图7a)。窗格状组构被认为可能是光合作用产生的氧气气泡残余物[30],蓝细菌进行光合作用使得周围环境碱度升高,从而促进碳酸钙沉淀。葛万菌类丝状体内部微亮晶充填的管状结构,可能为蓝细菌细胞列(香毛簇)降解作用的残余物[2,33,36],而外部均匀的泥晶壁可能是蓝细菌活体鞘钙化作用和细胞外聚合物质(EPS)降解而诱导碳酸盐原地沉淀作用的产物,指示蓝细菌活体鞘钙化是一个直接与大气圈二氧化碳浓缩机制(CCM)相联系的蓝细菌生态生理学机制[2,36,38];葛万菌类丝状体内的微亮晶方解石充填物代表着华北地台寒武纪“方解石海”的特点。局部可见钙质海绵化石及三叶虫碎片(图5c),表明寒武纪生命大爆发[39]带来生物种类多样性。

以二分叉为标志性特征的附枝菌的生物亲和性一直备受争议。Laval等[40]曾认为附枝菌和现代红藻有类似的形态而将其解释为藻类的一种,基于对现代湖泊相微生物岩中较为典型的灌木丛状组构研究,认为附枝菌是由于异养型丝状蓝细菌(如颤菌(Oscillatoria)和眉菌(Calothrix)等)菌落在微生物席内而不是在微生物席表面的钙化作用产物;Adachi等[41-42]认为附枝菌是细菌诱导的沉淀物,为异养型细菌活动钙化作用而产生的可石化的生物膜,是钙化后的结壳而很可能不是蓝细菌;也有研究表明附枝菌可能具有蓝细菌类似的趋光性,因而认为它是蓝细菌的一种[43]。目前将它归为蓝细菌的认识占主导地位[35-36,43-45],这里也将其归为蓝细菌。如同关于叠层石研究中所描述的那样,蓝细菌是主要的微生物席建造者,即形成微生物碳酸盐岩中以光合作用为特征的蓝细菌。因此,驻操营剖面张夏组均一石中多种钙化蓝细菌的发现,意味着均一石生物丘形成于蓝细菌主导的微生物席或微生物膜复杂的钙化作用。

秦皇岛苗岭统张夏组顶部致密泥晶构成的均一石生物丘,在碳酸盐矿物原地沉淀过程中,由微生物席内“碱度发动机”(alkanility engine)[46]以及EPS[47]2个要素紧密耦合、共同作用形成,前者改变微环境内的物理化学性质从而诱导碳酸盐矿物沉淀,后者降解诱发有机矿化。由于成岩作用的影响,丝状蓝细菌很少能完整保存下来,所以在显微照片中只以线的形式存在,从而与周围物质产生区别。

3.2 沉积环境

由蓝细菌主导的均一石生物丘,发育在河北秦皇岛驻操营剖面张夏组顶部强迫型海退体系域中碳酸盐缓坡上,有利的生态位置能够支持框架型微生物岩内不同类型生物的生产活动[48],有机体群落聚集,并与它们所粘结的物质一起构建了极其多样化的生态系统。上覆崮山组以典型的淹没不整合接触直接覆盖在含有鲕粒灰岩及夹层的中至浅缓坡相灰岩之上(图4f),代表海水入侵海平面突然加深,从而导致下伏鲕粒滩沉积间断。张夏组顶部强迫型海退体系域中的鲕粒滩相灰岩与泥晶灰岩一起形成潮下型米级旋回,是一种在较高能环境中、较慢侵蚀作用以及较快速碳酸盐沉积的表现,代表一种特殊的、在基准面下降过程中的沉积。贫乏组构的均一石中可见冲蚀沟槽,且内部充填细小颗粒组成的灰岩(图4c),界线比较清晰,代表泥晶灰岩组成的均一石和颗粒灰岩共生的特点,意味着研究区曾经过较强的风暴流或水流改造,表明均一石生物丘形成于高能动荡水体环境中,产出于固着底栖微生物席或微生物膜内碳酸盐原地沉淀和钙化。

暗色泥晶凝块间的底栖鲕粒(图5b)揭示其同步形成于均一石的建造过程,就像梅冥相等[49]描述辽东半岛芙蓉统凝块石生物丘中的底栖鲕粒一样,代表富营养条件下放射纤维方解石沉淀[50-51]。均一石局部发育生物潜穴(图5d),表明后生动物曾居住于形成均一石的微生物席或微生物膜中;生物潜穴内充填的白云石晶体,是由于EPS在微生物席或微生物膜成岩作用期间发生降解释放Mg2+,且蓝细菌进行光合作用促进碳酸钙矿物沉淀,造成周围环境Mg2+/Ca2+相对升高发生白云石化,形成白云石,是富有机质成岩微环境中白云石沉淀作用[31]以及异养细菌降解产生特殊选择性白云石化[32]的结果。微生物岩作为一个庞大的研究领域,目前广泛研究其油气勘探开发意义[52-55]。作为相对缺乏的均一石实例,期望驻操营剖面张夏组均一石生物丘的研究,能为今后相关微生物碳酸盐岩的研究提供一个具体实例和思考途径。

4 结论

1)河北秦皇岛驻操营剖面寒武系苗岭统张夏组顶部强迫型海退体系域中,发育一套厚层均一石生物丘,是一种特殊的、在基准面下降过程中的沉积记录。

2)均一石内底栖鲕粒和白云石晶体的发现,表明富营养条件下,均一石产出过程中较为明显的与球状微生物膜钙化作用相关的显微组构以及白云石选择性表达。

3)宏观上显示出贫乏构造的均一石,在显微镜下表现出巨大反差,发现多样化钙化蓝细菌鞘化石,以及代表光合作用产生氧气气泡残余物的窗格状组构,表明均一石形成于微生物复杂的代谢作用以及诱发碳酸盐原地沉淀作用。