郑 伟，孙凤余

（河南理工大学资源环境学院，河南焦作 454003）

豫西鲁山汝阳群微生物成因构造宏观特征分析及其环境演化

郑 伟，孙凤余

（河南理工大学资源环境学院，河南焦作 454003）

豫西鲁山地区汝阳群发育了大量形态特征多样的微生物成因构造(microbially induced sedimentary structures)，简称MISS，是微生物席或微生物膜与其他物理作用营力(如剥蚀作用、沉积作用、搬运作用和变形作用)相互作用的产物，也可被视为一种广义的遗迹化石，其最主要的两种类型是多边形网格状脱水裂痕和纺锤形脱水裂痕。笔者通过对地层中发育的微生物成因构造宏观特征的描述和统计分析，探讨了MISS与沉积环境之间的关系，认为微生物成因构造的总体特征演化规律与汝阳群趋于稳定的沉积环境演化规律一致，其形态特征与微生物席厚、暴露时间频繁与否有着密切的关系。

鲁山；汝阳群；MISS；演化规律

1 引言

微生物在前寒武纪海洋中居统治地位，微生物席作为当时微生物生命活动的主要产物之一，广布于海底，其存在可以回溯到前寒武纪3.4 Ga[1]。前寒武纪微生物因缺乏钙化外壁而很少能保存为实体化石[2]，故以往对前寒武纪微生物群落的认识主要来自碳酸盐岩地层中保存的生物沉积构造（如叠层石、核形石及凝块石），而对碎屑岩沉积条件下微生物群的发育与分布知之甚少[3]。二十世纪末，关于硅质碎屑岩中的生物沉积构造大量报道，促进了这种生物沉积作用的研究[4-7]。这些沉积构造被地质学家命名为“席相关沉积构造”[8]、“微生物席诱导构造”、以及“微生物成因沉积构造”（microbially induced sedimentary structures，简称MISS）[9]等。微生物群通过生命代谢、生长、破坏、腐烂等过程在沉积物中留下的各种生物沉积构造，也可被视为一种广义的遗迹化石[10]，广泛分布在前寒武纪地层以及寒武纪以来后生动物缺乏的环境中。有关MISS及其生物地质过程的研究近年来发展迅速，为深刻认识地球早期生命演化及微生物与环境系统相互作用提供了重要信息，已成为当前地球生物学（Geobiology）一个活跃的研究方向[3]。这种构造在我国元古代碎屑岩地层中有广泛分布[3,11]。笔者通过豫西鲁山地区汝阳群发现的大量微生物成因构造的宏观特征及其所处沉积环境进行研究和分析，得出微生物成因构造与沉积环境之间的演化规律，希望能为前寒武纪微生物成因构造研究提供佐证。

2 汝阳群区域地质特征及沉积环境

豫西地区在构造古地理上属于华北地台南缘。在古元古代末的中条运动之后,华北板块已初具规模，构成了统一的华北古陆，进入中元古代后，沿古大陆的南部边缘又发生了大规模的裂陷运动，形成了一个三叉裂谷系。大约1 450 Ma以后这个三叉裂谷系便进入缓慢冷却和热收缩条件下的下沉阶段，由此形成相对稳定下降的沉积盆地，并接受了大量沉积，形成汝阳群（豫西）碎屑岩、碳酸盐岩沉积组合[12]。

汝阳群剖面位于河南省中西部的鲁山县，剖面总厚度约1 530 m，与下伏熊耳群呈不整合接触，与上覆洛峪群整合接触。汝阳群自下而上可分为云梦山组、白草坪组、北大尖组三个组，各组之间均为整合接触(图1)。其沉积环境演化规律为，从下部云梦山组初期动荡的海滩沉积到相对稳定的海滩沉积、潮坪沉积和浅海相沉积的交替出现，再到中期白草坪组较为稳定的海滩沉积、潮坪沉积以及浅海相沉积，一直到北大尖组稳定的沉积模式，并逐渐过渡到陆源碎屑不充分的碎屑岩和碳酸盐混合沉积，以及单纯的碳酸盐沉积。也就是说汝阳群经历了海侵和海退的交替出现，沉积环境从不稳定到相对稳定，再到稳定，最后到陆源碎屑供应不足，碳酸盐岩沉积逐渐开始的沉积环境[12-17]。

图1 豫西鲁山汝阳群地层序列及研究剖面位置图Fig.1 Localities of the studied sections and Simplified stratigraphic succession from Ruyang Group(Lushan outcrop)in Western Henan

3 汝阳群微生物成因构造描述

研究区汝阳群发育了大量的MISS，主要分布在紫红色、暗红色石英砂岩层内，在泥质-粉砂质细砂岩夹层与中粒砂岩交互的地方最为常见，常与波痕、薄层泥岩共生，以网格状和纺锤状MISS居多。Sehieber[18]将MISS分为四类，微生物席生长构造(Mat growth feature)，微生物席破坏构造(Mat destruction feature)，微生物席新陈代谢构造(Mat Metabolism Structure)和微生物席腐烂构造(Mat decay feature)四大类，以此分类依据为准，该区发现的第二类MISS居多。微生物席破坏构造多指由于微生物席遭受物理过程破坏而发生破裂、卷边、变形、褶皱或被搬运再沉积而形成的一系列相关构造。常见的有各种形态的脱水裂痕(syneresis或desiccation cracks)、卷边(curled mat margins)、席片(mat chips)、席卷(mat roll-ups)及部分微皱痕(mat wrinkles)构造。其中最常见的是由于沉积表层暴露、微生物席脱水而形成的各种脱水裂痕；这也是地层中发现最多、容易识别的一类MISS。

表1示出汝阳群地层中MISS的描述及其沉积环境，从表中可以发现MISS主要发育于云梦山组地层中，且形态多样；北大尖组次之，出现了特殊类型的蛇曲形和长弯棍形；白草坪组仅有几层发育MISS。海滩环境的上临滨到前滨，碎屑岩潮坪环境潮下带到潮上带下部都有分布，这表明在中元古代微生物席的定居环境是非常广泛的。从MISS发育的丰度来看，海滩环境的前滨和碎屑岩潮坪环境的潮间带最为丰富，种类也较多，这应该是远古微生物席定居的最适宜区域[3]。微生物席脱水裂痕是地层中发育最多的类型，表明当时的环境以浅水期为主，应属于滨海环境。MISS的间断分布，表明当时水深和水动力的变化，应该与当时小型的海进和海退旋回相关。

表1 鲁山地区汝阳群MISS描述Table 1 Features of the MISS in the Ruyang Group,Lushan Area

续表1 Table 1 Continuation

从表中也可以清楚地看出，在研究区发育的MISS主要以网格状和纺锤状脱水裂痕为主，并且有明显的分布特点，即在海滩环境发育的MISS以网格状脱水裂痕为主，而在潮坪环境发育的MISS以大小不一的纺锤状脱水裂痕居多，且形态多样。

网格状脱水裂痕构造，常由近直或略弯曲砂脊交互形成不规则的多边形网状结构。砂脊宽3～15 mm，突出层面2～8 mm不等。砂脊两侧发育明显的“毛边(frayed edges)”构造或“撕纸效应(paper blotting)”[3]，表明其由韧性微生物席脱水干裂所致。砂脊顶面均为平面，为上覆沉积物压挤所致（图版I-1、2）。其多发育在海滩环境，表明当时的海滩出现了较长时间的暴露，直至厚层微生物席开裂形成多边形。水位的降低是出现这种变化的原因，而且持续时间较长。这种大型多边形脱水裂痕的大量出现，可能表明当时海洋处于海退阶段，那么，海滩上发育这种构造可以作为小型海退的指示标志。

纺锤状脱水裂痕构造，多呈纺锤状，形状大小不一，而且有的相互重叠(图版I-3、4、5、6)，同时其砂脊并没有明显的上覆沉积物压挤痕迹，可能脱水裂痕形成后刚刚被上覆砂质沉积物充填，适宜的环境形成的微生物席又覆盖上边，但不是所有的地方都被覆盖，所以有相互重叠的现象，表明为多期脱水裂痕所致。这些构造多出现在云梦山组顶部、白草坪组和北大尖组。

4 汝阳群MISS特征统计分析

从4个方面对汝阳群发育的MISS进行了统计分析，一是MISS的席厚，二是MISS的脊宽，三是MISS席厚与沉积环境之间的关系，四是MISS的脊宽与沉积环境之间的关系，下面逐一讨论。

MISS席厚是通过脊高来估测的。从脊的起源来看，一是生长脊，突出于层面，它是微生物席生长到一定程度后侧向生长产生的，与瘤状、簇状突起一样，代表着较厚的微生物席的存在。二是微生物席脱水干裂后，裂隙被填充所形成的脊。由于微生物席干裂卷边形成加厚边缘，最后开裂处的充填物往往略高于两侧席面[19]。脊宽即为古代微生物席开裂空隙的充填后形成脱水裂隙的宽度，由于后期的脱水作用及成岩期的压实等作用，往往会使脊高较原来低些，使脊宽较原来宽些，但其统计规律仍能反映出MISS宏观的演化特征。

从图2可以看出，汝阳群发育的MISS席厚表现为，云梦山组到白草坪组和北大尖组整体逐渐变薄，中间有轻微变化。

汝阳群MISS脊宽统计(图3)表明,汝阳群MISS脊宽在云梦山组一段和二段下部较大，在二段中上部出现跳跃增长，到云三段、云四段和白草坪组逐渐趋于稳定并逐渐变小，在北大尖组略有增长。

从图4可以看出MISS席厚，在海滩的前滨环境MISS席较厚，在碎屑潮坪的潮间沉积环境表现的较为稳定，席厚主要在4 mm附近浮动，个别略有跳跃。

汝阳群MISS脊宽与沉积环境间关系统计（图5）表明，汝阳群MISS与沉积环境有着密切的联系，脊宽在海滩沉积环境的前滨中跳跃明显，总体表现脊较宽；脊宽在碎屑潮坪沉积潮间沉积中总体较为稳定，其脊宽主要处在5～10 mm之间，有个别出现跳跃。

5 讨论

MISS被认为是微生物席群落与沉积环境相互作用的产物。多数人认为组成古代微生物席的生物的优势种群是蓝细菌（分子化石的证据），这种自养的光合细菌分布在微生物席的表层，主要有丝状和球状两种形态，其优势地位一直持续到显生宙，是浅水环境微生物席的主要建造者[20]。汝阳群MISS的大量分布，以及MISS在元古代的大量发现都说明了这些构造在元古代碎屑岩潮坪环境具有相当高的保存可能性，这种可能性很可能是由当时的微生物群落控制，主要因为被微生物席定居的沉积界面能够抵抗物理的侵蚀作用。这种抗侵蚀性以及微生物席对沉积物的粘结、障积、捕获作用和内生矿物（碳酸盐岩、黄铁矿等）的生成被推测是微生物席覆盖地区沉积速率增加和形成厚的碎屑岩沉积根本原因[21]。目前报道的MISS主要集中在中－新元古代海相沉积中，或显生宙的生物危机期，多发育在潮下带上部到潮上带下部的环境中，出现在中、细砂岩层面上。这些特征指示了古代微生物席分布的最适区域和生活环境。

总体来说，汝阳群发育的MISS有如下特征和规律：1）网格状MISS主要发育在云梦山组，并且大部分出现在前滨环境，到白草坪组和北大尖组已经很少见到网格状MISS。纺锤状MISS和其他一些类型MISS分布较为广泛，在云梦山组、白草坪组和北大尖组都有发育，纺锤状MISS主要出现在碎屑潮坪的潮间沉积环境，在北大尖组中上部发育多发育奇形怪

图版1云梦山组的大网格状MISS，砂脊顶被压平Pic.1 The big Mesh-like and flat ridge MISS in the Yunmengshan Formation

图版3云梦山组的相互重叠的纺锤状MISSPic.3 The overlapping fusiform MISS in the Yunmengshan Formation

图版5北大尖组的大鸟足状MISSPic.5 The big pedate MISS in the Beidajian Formation

图版2云梦山组的近圆网格状MISS，砂脊顶被压平Pic.2 The subrounded Mesh-like and flat ridge MISS in the Yunmengshan Formation

图版4北大尖组的发育在波痕上的鸟足状MISSPic.4 The pedate MISS with ripples in the Beidajian Formation

图版6云梦山组纺锤状、鸟足状和不规则网格状叠置的MISSPic.6 The anomalous Mesh-like MISS with pedate and fusiform MISS in the Yunmengshan Formation

图2 汝阳群MISS席厚统计图Fig.2 The cartogram of mat thickness of the MISS in the Ruyang Group

图3 汝阳群MISS脊宽统计图Fig.3 The cartogram of mat ridge width of the MISS in the Ruyang Group

图4 汝阳群MISS席厚与沉积环境间关系统计图Fig.4 The relationship between mat thickness of the MISS and sedimentary environments in the Ruyang Group

图5 汝阳群MISS脊宽与沉积环境间关系统计图Fig.5 The relationship between mat ridge width of the MISS and sedimentary environments in the Ruyang Group

2状的MISS，其顶部为叠层石构造。2）MISS个体特征从云梦山组到北大尖组呈现逐渐变小，并趋于稳定。网格状MISS多边形直径从云梦山组一段到二段下部逐渐变小，并稳定在15～20 mm之间，在四段出现跳跃。MISS脊宽在云梦山组一段和二段下部较大，在二段中上部出现跳跃增长，到云梦山组三段、云梦山组四段和白草坪组逐渐趋于稳定并逐渐变小，在北大尖组略有增长，其与沉积环境的关系呈现出在海滩沉积的前滨环境中跳跃明显，总体脊较宽；在碎屑潮坪沉积潮间沉积中总体较为稳定，其脊宽主要处在5～10 mm之间，有个别出现跳跃。从它们的形态可大体指示暴露时间的长短。从纺锤形到封闭的多边形再到网格状多边形，如果不考虑温度的影响，微生物席暴露的时间在逐渐增加。3）MISS席厚从云梦山组到白草坪组和北大尖组整体逐渐变薄，中间有轻微变化，最后基本稳定在2～4 mm之间，其席厚与沉积环境的关系表现为在海滩的前滨环境MISS席较厚，在碎屑潮坪的潮间沉积环境表现的较为稳定，席厚主要在4 mm附近浮动，个别略有跳跃，较网格状MISS席厚薄。现代微生物席研究表明，潮坪环境微生物席的厚度从向陆一侧向海逐渐增加，到潮上带下部和潮间带上部达到最大值，然后逐渐减少至潮下带，呈楔状分布[22]。因此，微生物席的厚度应代表着一定的环境特征。4）从MISS发育的丰度来看，云梦山组出现了一个MISS发育的聚集区，这个区域在云二段，发育的MISS的类型多样而且丰度很高。和其他区域相比，其特征非常明显，即使在其他具有相似环境特征的区域也不见发育如此多的MISS。说明在这一时期微生物席是非常繁盛的。推测其原因可能是由于云一段出现的火山活动，使海水中含有丰富的矿物质，有利于微生物的生长。在云梦山组顶部以及白草坪组，基本上只见纺锤状脱水裂痕。这种改变可能源于后者泥质沉积物的增加，不利于微生物席的生长[23]。

综上所述，笔者认为汝阳群MISS从云梦山组到北大尖组整体上是有其演化规律的，MISS个体从云梦山组到北大尖组逐渐变小，多边形网格状构造的直径也趋于变小，席厚也相应变薄，反映出从云梦山组到北大尖组整体上演化规律与汝阳群的沉积环境趋于稳定的演化规律一致，其外形特征可能与微生物席厚、暴露时间频繁与否有着密切的联系。

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Macro-analysis on the Microbially Induced Sedimentary Structures Features and the Sedimentary Environmental Evolution in the Ruyang Group of Lushan,Western Henan

ZHENG Wei,SUN Feng-yu
(Institute of Resources and Environment,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China)

Abundant Microbially Induced Sedimentary Structures(MISS)were preserved in the Ruyang Group of Lushan,Western Henan Province.They formed by the combining action of the microbial mat(or microbial film)with some kinds of physical actions such as denudation,sedimentation,transportation and deformation.To some extent,they can be regarded as trace fossils.Mesh-like and fusiform syneresis cracks are dominant.Based on the description and the macro-analysis on the MISS features,the authors discuss the relation between MISS and sedimentary environment,it is considered that the evolution of the MISS is consistent with the sedimentary environments.The morphological features of the MISS have a close relation to the thickness of microbial mat and their frequent exposure.

Lushan;Ruyang Group;MISS;evolution

P534.3;Q931

A

1672－4135(2011）03－0170-09

2011-02-21

国家自然科学基金：豫西寒武纪沉积底质变革与造迹方式响应（41072003）；济阳坳陷区Mz/Pz不整合面揭示的地形演化过程研究（40902033）

郑伟(1979-)，男，河南柘城人，讲师，从事古生物学和沉积学研究工作，Email:zhengw99@hpu.edu.cn。