代明月 齐永安 常玉光 王 敏 李 妲

(河南理工大学资源环境学院 河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室 河南焦作 454000)

近年来，微生物碳酸盐成为沉积学研究的热点，核形石因其具有特殊的宏观构造和地质意义，与纹理石、叠层石、凝块石、树形石和均一石被并列归为微生物碳酸盐岩［1］。而在微生物碳酸盐岩中，核形石作为一种非常重要的颗粒类型受到广泛关注。核形石是菌藻类等微生物围绕核心，通过自身的钙化、黏附捕获颗粒物及碎屑物加积而形成的非固着生长的非层状结核体。核形石一般具有微晶质外皮组成的或多或少的同心和纹层，部分重叠包裹着生物或碳酸盐岩屑核心。常见的核形石由核心和纹层两个部分组成，核心一般以生物碎屑、砾屑、菌藻结黏体等为主，纹层包绕核心形成同心纹层构造、由深浅不同的明暗纹层交织叠覆组成［2］。核形石的形成环境多样，在各个地史时期的陆相和海相沉积中均有发育，例如陆相环境中的湖泊、河流中，海相环境中的浅滩中较强水动力的环境和潮间、潮下带或潟湖湖中弱水动力的环境，是恢复古地理环境的重要指示剂［3～9］。

1 地质背景

图1 豫西寒武系分区及研究区域Fig.1 The Cambrian stratigraphic distribution and section locality in western Henan

本文研究的寒武纪核形石主要分布在华北地层区豫西分区渑池—登封小区的登封王窑剖面(图1)。该剖面寒武系发育连续(图2左)，第二统辛集组为灰白色及肉红色含砾钙质石英砂岩，朱砂洞组为灰色微晶白云岩和云斑灰岩，馒头组一段为灰黄色泥晶灰岩及紫红色白云岩夹紫色泥岩;第三统馒头组二段为暗紫色及黄绿色泥岩、灰色泥晶灰岩夹薄层石英砂岩及粉砂岩，馒头组三段为黄绿色泥岩夹泥质条带鲕粒灰岩和砂屑灰岩，张夏组为灰色厚层鲕粒灰岩、鲕粒白云岩、生物碎屑灰岩和微生物岩;芙蓉统三山子组为灰色厚层鲕粒白云岩、粉晶和细晶白云岩［10］。馒头组二段厚115.40 m，主要为厚层紫红色加褐黄色页岩，其中夹6层厚度不等的灰岩。该段下部灰岩中产三叶虫 Yaojiayuella granosa(Walcott)，Y.carinata Zhang at Wang;上部灰岩中产三叶虫Shuiyuella cf.triangularis Zhang et Yuan，Hsuchuangia luliangshanensis Zhang et Wang。核形石发现于馒头组二段下部第二层灰岩中核形石层灰岩，层厚1.7 m(图2右)。该段下部发育少量不规则状核形石，保存在小型柱状叠层石的间隙中;中部发育的长卵形核形石，与小型柱状叠层石伴生;上部发育的球形、椭球形核形石则保存在大型柱状叠层石之间的水道间。

2 核形石特征描述

图2 豫西寒武系及馒头组二段地层柱状Fig.2 The stratigraphic column of Cambrian and the Second Member of the Mantou Formation，western Henan

登封地区馒头组二段中出现最多的是球状、椭球状核形石(图3A，B，D，E)。这类核形石大小从0.3～3 cm不等，平均为1～1.5 cm。核心普遍较小，占核形石直径的1/3至1/4，组成物有砂屑集合体、菌藻黏结体和三叶虫碎屑，以砂屑集合体的核心居多，偶尔可见多个核心。纹层发育较好，多为规则同心状，可见明显的明暗交替纹层(图3C，D)。在偏光显微镜下，明亮纹层由微亮晶方解石组成，内圈纹层厚度40～50 μm，纹层形态较为规则，在包绕方向上厚度变化不大，但局部呈断续状或不规则的波曲状(图3C);外圈纹层厚度可达200 μm，由微亮晶和泥晶方解石交织在一起组成(图3D)。暗色纹层由泥晶方解石组成，内圈纹层厚度大，一般为200～400 μm，局部可达500 μm(图 3C)，外圈纹层厚度小，一般为 150～300 μm(图3D)，纹层对称性很好，在包绕方向上，厚度基本不变，较均匀，局部可见到蓝细菌的丝状体。明暗纹层的变化说明在核形石形成的早期，富菌藻期时间跨度明显大于贫菌藻期;而在核形石形成的晚期，富菌藻期时间跨度小于贫菌藻期。这表明随着核形石的生长，环境水动力条件逐渐增强，显示出当时形成期弱水动力下沉积颗粒不足以供应菌藻类的捕捉黏附。此类核形石发育在大型柱状叠层石间的水道中，其形成晚于叠层石。第二类核形石呈长卵形(图4A，B，C)，粒径为1～3 cm。核心大，占核形石直径的3/4以上，由三叶虫碎屑和砂屑聚集呈长卵形。纹层围绕长卵形的核心发育，可见不甚明显的明暗交替纹层，纹层层数少，一般为2～3层，发育连续但不甚规则。在偏光显微镜下，明亮纹层由微晶和泥晶方解石组成，纹层厚度200～300 μm，形态较为规则，在包绕方向上厚度有小幅度变化;暗色纹层由泥晶方解石组成，纹层厚度一般为50 μm，在包绕方向上，厚度变化大，局部可达200 μm。明暗纹层的这种变化说明水体能量减弱后，细粒沉积颗粒的供应无法满足菌藻类的黏附和捕捉。此类核形石的外圈层均包裹黄色的薄泥层，该泥层的出现对核形石的生长具有抑制作用。第三类核形石形态多为不规则状，其核心大多以砾屑和砂屑团块为主，纹层发育较少(图4D，E)。此类型核形石发育在上部波状叠层石间的空隙中，水动力的增加带来的碎屑物被搅动起来，其间的菌藻类在水道间边悬浮边捕获黏附沉积物并围绕砾屑进行包绕生长，形成最终形态，伴生的叠层石类型共同显示为潮间带上部产物。

图3 登封地区寒武系第三统馒头组二段中的球状、椭球状核形石Fig.3 The spherical and axiolitic oncoids from the Second Member of the Mantou Formation(Cambrian Series 3)，Dengfeng area

图4 登封地区寒武系第三统馒头组二段中的长卵形核形石Fig.4 The long cylindrical oncoids from the Second Member of the Mantou Formation(Cambrian Series 3)，Dengfeng area

3 含核形石地层相序特征及沉积环境分析

登封地区馒头组二段中的核形石与叠层石密切共生。从沉积相序上看，核形石所在层段的地层顶、底均为潮上带泥坪沉积，自下而上包括6段(图5):

第1段为浅灰色缓波状、近水平状叠层石夹不规则核形石灰岩。下部的叠层石层由灰岩夹薄层土黄色泥岩组成，叠层石灰岩近水平分布;上部叠层石层由纯的灰岩组成，纹层间不含泥，主体呈缓波状，局部为小型柱状，柱状叠层石间隙中保存了不规则状核形石和砾屑、生物碎屑。具不规则形态的团块状、花瓣状的核形石反映了一种浅水低能间歇性弱搅动的沉积环境。曹瑞骥和袁训来［11］等对前寒武纪叠层石的宏观形态与水动力条件的关系进行阐述后认为，近水平缓波状叠层石发育在水动力很弱的潮上带，缓波状叠层石主要为水动力较弱的潮间带，少量潮上带和潮下带。由此可见，第1段形成于潮上带和潮间带上部。

第2段为土黄色薄层泥岩，形成于潮上泥坪环境，由大量陆源泥质的注入中断碳酸盐岩的沉积所致。

第3段为不规则纹层状叠层石灰岩和砾屑灰岩，夹有不规则土黄色泥线，为地壳不规则振荡运动和陆源泥质的间断性注入所致，形成于潮间带上部。

第4段为浅灰色近水平状叠层石灰岩与薄层土黄色泥岩互层，灰岩、泥岩交织出现反映环境周期性动荡和陆源泥质的规则性注入，形成于潮上带环境。

第5段为浅灰色波状、纹层状叠层石灰岩和长卵形核形石灰岩夹极薄层的土黄色泥线，局部发育小型柱状叠层石灰岩。长卵状核形石灰岩呈层状分布或出现在小型柱状叠层石的间隙中。多数核形石外层披有土黄色的泥质薄层，说明在核形石形成时陆源泥质的间断性注入有所增强。核形石间发育有砾屑和生物碎屑，为异地搬运而来充填在核形石的间隙中。第5段为潮间带中下部的产物。

第6段为浅灰色纯净的大型柱状叠层石灰岩。球形、椭球形核形石保存在柱状叠层石之间或围绕柱状叠层石充填，核形石间发育有竹叶状砾屑和生物碎屑，说明强的水动力条件造就了大型柱状叠层石及其间连通的水道，当水动力条件降低时，球形、椭球形核形石在水道中或叠层石之上生长并堆积。因此，该段为潮下带上部高能环境的产物。

图5 登封地区寒武系第三统馒头组二段含核形石地层相序及沉积特征Fig.5 The succession and sedimentological features of oncoid-bearing setting from the Second Member of the Mantou Formation(Cambrian Series 3)，Dengfeng area

4 核形石—叠层石组合特征及成因分析

登封地区馒头组二段中的核形石和叠层石常组合在一起相伴出现。核形石和叠层石组合自下而上可分成三个发育阶段(图6):(1)长卵形核形石与小型柱状及波状叠层石发育期(图6A)，潮间带周期性震荡变化的水动力控制了沉积底质的稳定性和沉积速率。在高海平面期，由于波浪的反复冲刷，三叶虫化石和砾屑被打磨成细小而均匀的碎屑，这些碎屑相互碰撞聚集成碎屑团块，当团块聚集到足够大时便不再悬浮，而以跳摇和滚动方式被波浪搬运。在低海平面期，波浪作用降低，沉积底质相对稳定，微生物围绕长条形化石碎屑和砂屑团块核心生长，形成长卵形核形石(图4A，B)。在波浪作用影响较小的地带，长卵形核形石便不再滚动，微生物转而单向向上生长，不同个体可相互连接而逐渐演变成小柱状及缓波状叠层石(图4C)。陆源泥质的反复出现不仅中断了长卵形核形石圈层的生长，也将核形石与叠层石层分隔成数层的薄层状。与长卵形核形石伴生的小型柱状叠层石及缓波状叠层石的共同出现反映了水动力低到中等的潮间带环境。(2)球形、椭球形核形石与大型柱状叠层石发育期(图6B)，随着研究区海平面的上升，潮下带上部强烈的波浪作用形成大型柱状叠层石及其间连通的水道，也将三叶虫碎屑和砾屑搬运到水道中并长时间悬浮搅动。水动力条件的增强带来了菌藻类生长繁殖所需的营养物质，菌藻类等微生物的胞外聚合物(EPS)也同时增加了水体的黏稠度，使菌藻类对颗粒物的捕捉、黏附和包裹过程更利于进行，进而形成形态较规则的、具多层同心纹层的球形、椭球形核形石。大型柱状叠层石及其间连通的水道是潮下带上部强水动力的产物［12］，具密集同心纹层的球状、椭球状核形石也代表着水体充分搅动的高能环境［2，13～15］。

叠层石状核形石发育期(图6C)，随着海平面下降，在大型柱状叠层石水道间发育的球形、椭球形核形石会停止悬浮滚动并基本处于固定海底状态，导致纹层仅能原地向上单向生长，形成与叠层石的过渡类型:叠层石状核形石(图3E)。当水动力进一步降低时，水流带来的碎屑物也减少，柱状叠层石之间的水道开始变窄变小，球形核形石会停止悬浮滚动并原地向上生长转变为波状叠层石(图3F)。

图6 登封地区寒武系第三统馒头组二段含核形石地层相序及沉积特征Fig.6 The succession and sedimentological features of oncoidbearing setting from the Second Member of the Mantou Formation(Cambrian Series 3)，Dengfeng area

5 核形石形成与消亡的控制因素

从河南登封寒武纪核形石的特征可以看出，核形石等微生物成因构造与后生动物扰动构造存在耦合关系，水动力条件是核形石形态类型变化的决定因素，泥质(陆源物质)供应是中断核形石生长及其消亡的直接因素。

(1)后核形石等微生物成因构造与后生动物扰动构造存在耦合关系

寒武纪第二世，微生物成因构造在世界各地大量发育，形成了显生宙早期的第一幕蓝细菌钙化作用事件［16，17］。Sheehan［18］和 Debrenne［19］等认为微生物成因构造属于“灾后泛滥现象”，发育在寒武纪第二世晚期古杯动物绝灭之后，强调后生动物与微生物在造礁生态位上的竞争关系。根据作者对研究区寒武纪核形石等微生物成因构造与后生动物扰动构造的研究，该区第二统朱砂洞组微生物成因构造与后生动物扰动构造交互出现，第二、三统馒头组一段、二段碳酸盐岩沉积中普遍发育微生物成因构造，后生动物扰动构造和生物碎屑灰岩均很少见及;第三统馒头组三段和张夏组下部后生动物扰动构造与微生物成因构造交互出现。张夏组中上部后生动物扰动构造广泛发育，不仅出现在薄层鲕粒灰岩和微晶灰岩中，也大量保存在巨厚层高能滩相鲕粒灰岩中，而微生物成因构造仅局部产出;芙蓉统三山子组以发育大套微生物成因灰岩和鲕粒灰岩、白云岩为主夹后生动物扰动灰岩。根据上述分析，当微生物成因构造大量出现时，后生动物扰动构造则很少保存;而当后生动物扰动构造大量发育时，微生物成因构造则很少见及。在有些层位，二者共存在一起或从微生物成因构造逐渐过渡为后生动物扰动构造。由此可见，豫西寒武纪核形石等微生物成因构造与后生动物扰动构造存在耦合关系。

(2)水动力条件是影响核形石形态的决定性因素

核形石的形态可以反映其在海底滚动的强度、浪底深度和水体能量，进而间接地反映水体的深度［2，9，15，23］。一般认为，核形石的形成离不开水体的搅动作用，近圆形或椭圆形的具密集同心纹层核形石代表一种水体充分搅动的中到高能环境，因其常呈悬浮状态生长，菌藻黏结突出部分受到水流的剥蚀的结果;而不规则的形态则出现在低能环境中，水体能量和水体深度的变化是核形石形成的直接控制因素［2，9，15，20］。登封寒武系第三统馒头组二段中的球状、椭球状核形石与大型柱状、半球状叠层石伴生，反映了水动力较强的潮下带上部和潮间带下部环境;长卵形核形石与小型柱状叠层石及波状、纹层状叠层石伴生，反映了水动力低到中等的潮间带中上部环境;不规则状核形石与不规则波状叠层石伴生，则反映了水动力较低能的潮间带上部环境。

(3)陆源物质的注入是抑制核形石生长直至消亡的直接因素

登封中寒武世馒头组二段中的圆形或椭圆形核形石及其同层的砾屑和生物碎屑被多次反复出现的波状起伏的薄泥层所分隔，说明核形石的生长不时被陆源泥质的注入所干扰，但由于注入的陆源泥质量不大，并没有中断核形石的形成，仅仅是将不同时期形成的核形石和砾屑和生物碎屑分隔开来而已(图3A，B)。所有的长卵形核形石均被一层泥质薄层所包裹，反映了陆源泥质的沉淀完全中断了单个核形石的生长(图4A，B)。含核形石碳酸盐岩地层的结束以大套红色薄层泥岩的出现为标志，说明丰富的陆源物质供应严重破坏了核形石的生长环境，浑浊的水体环境已经不再适合核形石的生长，核形石就此消失。

6 结论

河南登封地区寒武系第三统馒头组二段发育有三种类型的核形石。其中球状、椭球状核形石发育规则同心状的明暗交替纹层，形成于大型柱状叠层石间的水道中，反映了叠层石和核形石形成时很强的水动力条件，为潮下带上部高能环境的产物。长卵形核形石纹层数发育较少，为不规则的明暗交替纹层，与小型柱状叠层石伴生，为潮间带水动力低到中等环境的产物。不规则状核形石为团块状、花瓣状等不规则的形态，纹层层数发育较少，为潮间带上部浅水低能间歇性弱搅动的沉积环境，伴生的不规则波状叠层石也共同反映了此水动力条件。

从河南登封馒头组二段核形石的特征可以看出，核形石等微生物成因构造与后生动物扰动构造存在耦合关系，水动力条件是核形石形态类型变化的决定因素，核形石的生长不时被陆源泥质的注入所干扰，含核形石碳酸盐岩地层的结束以大套红色薄层泥岩的出现为标志，说明丰富的陆源物质供应破坏了核形石的生长环境导致核形石就此消失。

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