朱一丹， 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

最古老的碳酸盐叠层石从3.5 Ga[1]追溯到3.7 Ga[2]，地质时代记录叠层石的痕迹。叠层石最早由KALKOWSKY E[3]用于描述德国哈尔茨山脉沙漠湖早三叠世鲕粒灰岩中的碳酸盐柱和碳酸盐丘，认为叠层石是微生物生长和新陈代谢作用的产物，也是沉积物通过捕获、粘结和沉淀产生的有机沉积构造，叠层石是微生物成因和层状的；SEMIKHATOV M A等[4]认为叠层石是层状但不一定是有机的。叠层石是以蓝细菌为主导的光合作用微生物席，形成依赖于复杂的微生物作用过程，并与凝块石、树形石、均一石、纹理石及核形石并列为微生物碳酸盐岩六大类[5-6]。

寒武纪作为显生宙第一个纪，具有独特的沉积作用特征和碳酸盐沉积样式,包括：大量产生与微生物活动相关的灰泥[7]；伴随后生动物辐射，微生物碳酸盐岩丰度不断增加；“显生宙早期第一幕蓝细菌钙化作用事件”的发生[8-10]；寒武系普遍发育竹叶状砾屑灰岩代表的风暴沉积[11-13]，寒武纪海洋被称为“贫乏骨骼的风暴海”[14-15]；寒武纪第二世晚期造礁古杯动物灭绝之后，苗岭世至芙蓉世处于一个后生动物生物礁多样性相对较低的“生物礁间隔期”[16]。

太古宙以来，微生物生长代谢产生的沉积物是碳酸盐沉积物重要组分。近年来，从微生物碳酸盐岩的角度，人们研究寒武纪叠层石，分析外部形态特征及微观镜下特征，揭示叠层石中发育的微生物类型及微生物席特征。研究区寒武纪地层出露完整且连续，基于沉积学及岩石学的特征，研究驻操营剖面张夏组鲕粒滩中柱状叠层石的成因机制及沉积环境，发现致密泥晶中丝状钙化蓝细菌鞘化石及窗格状组构、黄铁矿残余物、白云石晶体，为研究寒武纪叠层石的沉积环境和形成机制提供案例。

1 地质背景

华北地台沉积巨厚的浅海相碳酸盐地层，研究区位于东北缘(见图1)，且有良好的沉积序列出露。张夏组沉积时期，海侵范围达到最大，华北地台主要分为两大相带，除西北小部分为古陆外，其余部分从内至外代表混合潮坪沉积体系(以白云岩为主的环潮坪相)到缓坡型碳酸盐沉积序列(以灰岩为主的中至缓坡相)的变化；同时代表一种不符合经典的、种类丰富的威尔逊碳酸盐岩相模式，是一种全新的碳酸盐台地类型[17]，其中向海一侧为缓坡，向陆一侧为潮坪。

图1 华北地台寒武纪张夏组沉积期沉积相带分布(据文献[13]修改)Fig.1 Distribution of Cambrian Zhangxia Formation sedimentary facies belts in North China Platform(modified by reference[13])

寒武纪，华北地台大致从第二世开始接受沉积，从东南向西北方向逐渐海侵，沉积地层直接超覆在不同时代的前寒武系之上，形成类似于“北美地台”[18]的巨型不整合面[19]，具有特征性的沉积序列旋回，沉积旋回地层依次为：底部第二世红层和碳酸盐岩混合沉积物、中部苗岭世由鲕粒滩主导的碳酸盐台地(见图2)及顶部芙蓉世由碳酸盐泥主导的碳酸盐台地[20-21]。研究区寒武系苗岭统张夏组与下部徐庄组和上覆崮山组为典型的淹没不整合接触[22]，具体表现为凝缩性质的陆棚相钙质泥岩直接覆盖在鲕粒滩相灰岩地层之上，组成一个完整的淹没不整合三级层序[23]。

毛庄组、徐庄组、张夏组和崮山组构成寒武系苗岭统，自下而上代表一个从混合潮坪(毛庄组和徐庄组下部)变化到鲕粒滩大片分布的缓坡型台地(张夏组和崮山组上部)的沉积序列。张夏组顶部强迫型海退体系域[22]鲕粒滩灰岩中，发育厚层叠层石生物丘和均一石生物丘；泥质条带状灰岩与块状鲕粒灰岩间夹厚层块状叠层石生物丘构成潮下型米级旋回，代表较慢侵蚀作用下的碳酸盐沉积。

2 叠层石生物丘

2.1 宏观特征

秦皇岛驻操营剖面张夏组顶部强迫型海退体系域发育叠层石生物丘(见图3)，主要为大型柱状和穹窿状叠层石(见图4)，柱体高度多为10～50 cm(见图3-5)，高者可达数米级，宽度多在2～10 cm之间，相间排列，密集生长，向叠层石上部具有加宽特点，局部可见分叉现象。叠层石间隙表现为泥质层和波状灰岩层交互叠加特点，呈阶梯状，泥质层风化后形成一定空腔，灰岩层两边与叠层石柱体相连，且在叠层石边界处发育泥质充填物并充填生物潜穴(见图5(b-c))，纹层不明显或较为粗糙，主要由深灰色纹层和浅灰色纹层交互叠加，类似于“迷宫状凝块石”(Favosamaceria cooperi)[24]。更上部沉积单元中叠层石柱体类似于棒球棒形态(见图5(f))，柱体之间充填物为致密灰泥基质，无分层现象，柱体与充填物界线明显，柱体表面分布较为密集的缝合线构造；穹窿状叠层石柱体自下而上加宽，平面呈扇形，柱体高度约为20 cm，柱体间隔较大，纹层比较清晰，叠层石之间充填非纹层状致密灰泥(见图4(c)、图5(e))。鲕粒灰岩单层厚度约为10 cm，鲕粒灰岩层和叠层石生物丘交互式产出(见图5(a、d))，符合生物丘的特征[24]和微生物礁的概念[25-27]，类似于鲕粒滩中的“藻坪”沉积[28]。

图2 秦皇岛驻操营剖面寒武系张夏组地层柱状图Fig.2 Stratigraphic column of Cambrian Zhangxia Formation at Zhucaoying Section from Qinhuangdao

图3 秦皇岛驻操营剖面寒武系张夏组顶部叠层石生物丘Fig.3 Stromatolitic bioherms at the top of Cambrian Zhangxia Formation of the Zhucaoying Section in Qinhuangdao

图4 秦皇岛驻操营剖面柱状和穹窿状叠层石宏观特征Fig 4 Macroscopic feature of columnar and domal stromatolites of the Zhucaoying Section in Qinhuangdao

2.2 微观特征

2.2.1 石松藻状钙化蓝细菌

显微镜下观察可见，研究区张夏组顶部柱状叠层石由均一暗色泥晶和少量微亮晶组成，无明显的分层现象。叠层石中普遍发现石松藻(Lithocodium)状钙化蓝细菌菌落残余物(见图6)，表现为暗色致密泥晶基质中不规则亮晶显微管构成毫米级的网状物。石松藻状组构被解释为生物学属性不明的钙化蓝细菌菌落，近年来类似组构被解释为海绵成因，最新研究解释为念珠菌(Nostoc)的钙化残余物[29]。少量胞网菌(Bacinella)组构(见图6(c-d))，表现为被不规则暗色泥晶薄膜分隔开的微亮晶，且石松藻状钙化蓝细菌菌落残余物和胞网菌组构能局部结合构成石松藻—胞网菌(Lithocodium-Bacinella)沉积组构。CHEN J等[30]、PARK J等[31]认为石松藻—胞网菌(Lithocodium-Bacinella)组构是海绵类动物的残余物。暗色致密泥晶及石松藻状钙化蓝细菌菌落中常见散布的黑色小点为黄铁矿晶体的残余物(见图6(e-f))，代表富有机质硫酸盐还原环境下硫酸盐还原细菌引起硫酸盐还原反应的产物。

图5 秦皇岛驻操营剖面张夏组叠层石生物丘宏观特征Fig.5 Macroscopic characteristics of stromatolitic bioherms from Zhangxia Formation of the Zhucaoying Section in Qinhuangdao

2.2.2 窗格状组构及发育的丝状蓝细菌

致密泥晶基质中发育少数边缘比较浑圆的生物潜穴(见图6(a))和窗格状组构(见图7(c-d))。窗格状组构由微亮晶充填，形态极端不规则，在岩石记录中是一种由光合作用产生氧气气泡的表现。在构成石松藻状组构的暗色泥晶中，发现一类丝状蓝细菌鞘化石(见图7(a-b))，长度可达0.5mm，甚至更长，泥晶壁很薄但厚度比较均匀，丝状体管直径小于10 m，呈束状密集生长在一起，不同于直径较大且相互缠绕的葛万菌丝状体(Girvanella)，划归为束线菌(Subtifloria)[32]。

图6 秦皇岛驻操营剖面叠层石中的石松藻状和胞网菌状组构Fig.6 Lithocodium and Bacinella inside stromatolites from the Zhucaoying Section in Qinhuangdao

2.2.3 雾心亮边白云石晶体

显微镜下观察可见，雾心亮边白云石晶体充填在方解石晶体之间，形成砂糖状白云石化胶结物，各白云石晶体大小不一，粒径最大可达200 m，最小约为10 m(见图8)。这种特殊的白云石晶体发育于致密泥晶基质和生物潜穴(见图6(a、e))，类似于复州湾馒头组核形石灰岩生物潜穴中的白云石，代表富有机质成岩微环境中的白云石沉淀物[33]。

3 沉积环境分析

叠层石作为微生物碳酸盐岩的一类，其形成过程与微生物生长代谢密切相关。叠层石的成因机制主要有两种：第一种是微生物通过粘结和捕获碎屑颗粒与(或)形成矿物沉淀点而形成的有机沉积物[34]，即叠层石中分泌黏液的微生物在生长过程中捕获、粘结碎屑物质，经纹层状式加积而成；第二种是微生物通过细胞代谢改变细胞周围的物理化学条件，从而使碳酸盐矿物原地沉积并钙化[35]，强调微生物与环境的相互作用是形成叠层石的关键。GINSBURG R N[36]认为，叠层石是在蓝细菌等微生物的影响下，通过捕获、粘结沉积物，促进碳酸盐矿物沉淀。在叠层石形成过程中，微生物的主导作用主要体现两方面：

图7 秦皇岛驻操营剖面叠层石中的丝状钙化蓝细菌Fig.7 Filamentous calcified cyanobacteria inside stromatolites from the Zhucaoying Section in Qinhuangdao

图8 秦皇岛驻操营剖面叠层石中砂糖状白云石化Fig.8 Granulated dolomitization inside stromatolites from the Zhucaoying Section in Qinhuangdao

(1)驱动碳酸盐矿物沉淀的碱度发动机。研究区寒武纪叠层石中发现丝状钙化蓝细菌(见图6、图7(a-b))及黄铁矿晶体残余物(见图6(e-f))，代表光合作用产生氧气气泡残余物[37]的窗格状组构(见图7(c-d))，以及代表硫酸盐还原细菌发生硫还原作用的黄铁矿晶体残余物(见图6(e-f))，既表明光合作用和硫酸盐还原作用能提高周围环境碱度，导致CaCO3过饱和，从而使碳酸盐矿物发生原地沉淀及微生物席早期石化，也表明CaCO3大量沉淀在光合作用和硫还原作用较明显的位置，加速泥晶纹层的形成和成岩作用[38]。

(2)细胞外聚合物(EPS)[39]的吸附与钙化作用。EPS主要依靠从水体中吸附Ca2+，当吸附作用超过EPS吸附Ca2+的能力后，碳酸盐晶体通过EPS有机降解在微生物膜或微生物席表面并发生钙化。矿化机制体现在微生物膜内有机质(如EPS)降解释放Ca2+、Mg2+及H+后，丝状钙化蓝细菌鞘(或EPS)诱发碳酸盐矿物发生原地沉淀[40]。

秦皇岛驻操营剖面张夏组顶部鲕粒滩相灰岩层与中至浅缓坡相灰岩层明显产出于海平面下降过程，构成三级沉积层序的强迫型海退体系域(见图2)，反映较快沉积物沉积作用、较慢侵蚀作用及海平面下降速率，是一种特别的在海平面下降阶段同时发生沉积的沉积记录。其中，发育在张夏组顶部强迫型海退体系域中的叠层石生物丘，直接覆盖在鲕粒灰岩构成的硬底之上，且与鲕粒灰岩层呈交互产出形态，表现层序地层框架下一种特别的鲕粒滩形成样式，代表浅水高能动荡环境下微生物碳酸盐沉淀作用的产物。

在研究区生物潜穴和致密泥晶基质中发育雾心亮边砂糖状白云石晶体(见图6(a、e))，代表在富有机质成岩微环境下白云石沉淀作用[41]及选择性白云石化[42]，白云石化机制可能与Mg2+黏土矿物相关联，特别是三八面体硅镁石。微生物席或微生物膜成岩作用期间EPS的降解释放Mg2+，同时硫酸盐还原反应促进碳酸钙沉淀而消耗Ca2+，导致Mg2+/Ca2+升高并发生白云石化，形成特别的白云石残余物，代表一种较为特殊的白云石形成机制。

准同生期成岩作用对于叠层石生长和保存具有重要意义[36,43]，没有成岩作用，叠层石无法形成，更无法保存。叠层石表面沉积物早期成岩作用主要通过蓝细菌的钙化作用，当处于CaCO3过饱和环境时，蓝细菌丝状体在蓝细菌死亡后迅速钙化，并将捕获和粘结的碎屑颗粒包裹、胶结而形成坚硬的骨架，这种钙化和成岩作用速度较快。并不是所有蓝细菌都能钙化形成坚硬岩石，因此，研究区张夏组叠层石生物丘的形成不能归为蓝细菌直接建造物，应该解释为由蓝细菌主导的微生物膜或微生物席内复杂的有机矿化过程和早期石化作用的产物。

4 结论

(1)河北秦皇岛驻操营剖面寒武系张夏组顶部强迫型海退体系域发育叠层石生物丘，且生长在鲕粒灰岩构成的硬底之上，表现明显的高能特点，是一种特别的在海平面下降阶段同时发生沉积的沉积记录。

(2)致密泥晶中发育丝状钙化蓝细菌鞘化石及窗格状组构，表明叠层石形成于EPS和碱度发动机紧密耦合的复杂钙化作用，叠层石的形成与微生物席或微生物膜的光合作用密切相关。

(3)致密泥晶构成的叠层石可见少量黄铁矿残余物，叠层石的形成与硫酸盐还原细菌诱发沉淀作用具有一定的联系。雾心亮边砂糖状白云石晶体的发现，为寒武纪高能水体微生物调节环境促进碳酸盐颗粒沉淀作用提供一个典型实例。