对前寒武纪一些沉积构造成因的思考：以天津蓟县剖面为例

刘贺娟，孙晓岭，王德海

（1．克劳斯塔尔工业大学 石油工程研究所，下萨克森 克劳斯塔尔－采勒费尔德 38678；2．太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；3．鄂尔多斯职业学院 矿业系，内蒙古 鄂尔多斯 017000；4．吉林大学 地球科学学院，吉林 长春 130061）

0 引 言

微生物对沉积基底的影响，在碳酸盐岩和碎屑岩中都所有涉及。一般来讲，与微生物相关的地质研究主要集中在碳酸盐岩中。20世纪90年代以来，随着研究的深入，地质学家在前寒武纪碎屑岩中发现了大量的层面或层内原生沉积构造，Noffke等最早将其定义为第五类原生沉积构造［1］。这些发育在碎屑岩中的各种与微生物相关的沉积构造被命名为微生物席成因构造（MISS，microbially induced sedimentary structures），是微生物群落及其生命活动与沉积物相互作用在水－沉积物界面形成的一种生物沉积构造，是微生物生命活动产生的微生物席遭受破坏后残留的产物。近年来，微生物席在特殊沉积构造形成中的作用引起很多学者的关注［2－13］。

前寒武纪地层中存在一些特殊的沉积构造，如串岭沟组中的砂脉构造和被称为前寒武纪之谜的“臼齿状构造”等。它们的成因机制历来存在很多争议，砂脉构造在陆源碎屑岩层序中多有报道，从元古代到现今都有发现，在元古代地层尤其发育，曾被认为是遗迹化石［14－15］，还被解释为地震振荡形成的“砂质液化脉”［16］，以及甲烷气体逃逸后再充填的产物［9］，或是与微生物席有关的沉积构造，即为微生物席层经暴露脱水收缩产生裂隙而后被沉积物快速充填的结果［3，8，17］。臼齿构造（微亮晶集合体）被解释为地震液化成因［18－20］，有机、无机和生物地球化学成因等［21－35］，该构造具有特定的时限性，即中—新元古代（650～1 700Ma），并且具有全球性分布的特点。综合多种成因机制来看，臼齿构造的形成机制复杂，是多种机制共同作用的结果，诱发因素可能多样，但由于大量的臼齿构造发育层位常存在丘状交错层理，从而说明风暴流引起的海底流体流动以及可能引起的与孔隙流体的渗流混合是诱发微亮晶集合体形成的主因，而微生物地球化学作用则参与了这一过程，所以其应属于微生物－流体力学－地球化学耦合作用的结果。

蓟县剖面因其中—新元古代地层发育齐全，前人已开展大量研究［36］，但依然有许多问题尚未解决，如叠层石成因、皱饰构造（大象皮构造）成因等［8］，最典型的就是串岭沟组中砂脉构造和高于庄组［37］中臼齿构造的研究，这类特殊的沉积构造因其形态的复杂和特定的沉积环境，可能与前寒武纪的生命演化存在某种关联。前人主要从沉积序列、沉积环境等角度对两者进行单独研究，没有一个综合的对比研究结果。两者在形态上本身有一定的相似性，在野外仅凭形态有时无法准确区分，很容易造成具体应用上的混乱。前人一般从生物地球化学角度探讨其成因，很少考虑流体力学的作用，尽管近年来也有人从流体力学与化学综合角度进行研究，认为元古代特殊大气成分背景下海水中的风暴流携带Ca2＋与Mg2＋与裂隙共同作用，渗透进入裂隙系统与原生孔隙水产生化学反应促使方解石快速结晶，但流体力学－化学－生物的耦合研究依然少见，因为微生物－沉积－流体力学耦合作用对特定的沉积微环境有重要的控制作用，所以有着重要的意义。笔者通过对蓟县剖面发育的砂脉构造和臼齿构造进行对比研究，从宏观、微观特征以及发育的层序地层位置等角度归纳两者的异同，包括外观形态、与底基质接触关系、与层理关系、组成矿物成分、沉积环境、成岩特征、裂隙基质的控制方式、分布时限、成因模式等；此外，通过与宏观藻类化石共生的臼齿构造微观特征研究，揭示臼齿构造微生物作用的影响。

1 发育的层序位置

燕山地区中—新元古界地层发育齐全，厚度巨大，可作为研究中—新元古代地层演化的标准剖面。本文研究范围是蓟县剖面串岭沟组和高于庄组（图1）。在这2个地层内都发育有特殊的沉积构造，它们在形态上有一定的相似性，类似于纺锤形，历来成为争论的焦点，这2种沉积构造分别称为砂脉构造和臼齿构造。

图1 研究区位置和地层分布Fig．1 Location of the Study Area and Distribution of Stratigraphy

砂脉构造是一种砂体扩张侵入构造，形成于地层砂层向非渗透层侵入的过程，包括平行层理面侵入和穿越层理面侵入2种类型。砂脉构造在储层砂体中十分常见，是砂体侵入和再活动的结果。关于其命名，不同学者也有不同的叫法，如“液化砂岩脉”［16］、“粉砂岩墙”［8］、“纺锤状构造”［11］、“砂质裂痕”［17］、“砂脉构造”［9］等，其底基质为泥页岩，脉体内为粉砂级石英颗粒。其分布时限比较广泛，从元古代到新生代都有出现，显示普遍存在的现象。

臼齿构造碳酸盐岩是局限于中—新元古代的一种特殊类型的碳酸盐岩。“臼齿”（Molar－tooth）一词最早由Bauerman使用，用来描述加拿大与美国北部边境附近贝尔特（Belt）超群的碳酸盐岩中具有类似于大象臼齿特征的碳酸盐岩，从其发现至今一直是沉积学研究争论的焦点［28］。关于臼齿构造碳酸盐岩的叫法很多，如“蠕条灰岩”、“泥晶脉”、“液化脉”、“微亮晶”等，其底基质为泥晶碳酸盐岩或泥页岩。

从层序地层位置来看，砂脉构造发育于串岭沟组底部（图2），主要产在潮坪相至潮上坪相的粉砂质泥页岩中（图3），该粉砂质泥页岩发育粉砂岩薄层和透镜体，它们构成三级层序的海进体系域和高位体系域。臼齿构造发育于高于庄组中的第三亚组（张家峪亚组）中，下部主要岩性为层纹石状白云质灰岩、纹理化灰岩、泥晶灰岩、厚层白云岩、黑色含白云质粉砂质页岩和瘤状灰岩，水平纹层发育；中部为厚层状含灰白云岩与灰质白云岩互层；上部为中厚层白云质灰岩、薄层状含结核灰质白云岩和臼齿构造碳酸盐岩，层序地层位置属于最大海平面上升期，即广泛的深水环境背景。从砂脉构造和臼齿构造的全球分布范围来看［38］，臼齿构造碳酸盐岩的分布范围更加广泛，目前已发现在加拿大、美国、欧洲、非洲、澳大利亚、西伯利亚和中国等近40多个国家或地区的地层中有出露，从板块位置来看，不仅在边缘，在板内也有大量分布；砂脉构造主要在大陆板块边缘地区分布，如非洲南部（南非、纳米比亚等）、亚洲南部（越南、柬埔寨等）、法国、美国夏威夷和加利福尼亚等以及中国中东部（天津和山东等）。

图2 蓟县剖面砂脉构造及臼齿构造的发育位置Fig．2 Position of Sand Dyke and Molar－tooth Structures in Jixian Section

图3 臼齿构造和砂脉构造的古地理环境（单位：m）Fig．3 Paleogeographic Environment of Sand Dyke and Molar－tooth Structures（Unit：m）

2 宏观和微相特征

2．1 砂脉构造

砂脉构造在层面上表现为不规则分布的细长砂脊或弯曲的砂质条带［图4（d）］，呈纺锤形，即两端收缩，中部略宽，沿层面呈杂乱分布状态，无明显方向性。砂脉在垂直层面方向上多呈近直立或“肠状”弯曲的小型脉状体［图4（a）、（c）］，顶、底通常都尖灭于薄砂层，而且薄砂层显示被砂脉向下和向上顶起的现象［图4（c）］，显示砂脉构造对薄砂层的改造和两者形成的顺序。按照砂脉构造和薄砂层的关系，将其划分为3种类型：砂脉构造为底部终止于连续的薄砂层［图4（c）中A处］；砂脉切穿薄砂层，并向下延伸［图4（c）中B处］；在底基质中孤立的砂脉，与连续的薄砂层不接触［图4（c）中C处］。砂脉的成分相对较纯净，由均一的细粒粉砂级石英颗粒和少量泥质组成，含少量长石和云母等，并可见少量自生的方解石、黄铁矿。

2．2 臼齿构造

臼齿构造宏观形态复杂，平面上呈条带状［图4（b）］、瘤状或碎片状等，与砂脉构造相似，以纺锤形为主。在偏光显微镜下，微亮晶呈紧密排列的方解石集合体，与周围基质物质界线呈截然接触关系，边缘常呈波状，微亮晶条带呈复杂揉皱形态，常穿越基质纹层或将基质纹层顶起，而呈现出纹层上、下被顶起的形态［图5（a）］。基质主要由泥晶方解石组成，通常含黏土物质、少量石英颗粒和草莓状黄铁矿，而臼齿构造部分则由纯净的微亮晶方解石（球霞石）组成，粒度比较均一，个体直径为5～15μm的方解石晶体，有的臼齿构造内部可包含基质物质和草莓状黄铁矿［图5（b）］。臼齿构造最引人注意的是其结晶粒度和均一性问题，这需要考虑晶体生成动力学问题。由于微亮晶的晶粒小，而且近于均一等粒，可见CaCO3的过饱和度很高，致使晶核数目较多，并且快速生长。关于微亮晶晶核的形成和晶体生长，还有待于进一步研究。

有些微亮晶方解石本身的晶体粒度并不完全一致，依粒度不同和排列的密集度可显示出一定的纹理，显现出一定的“流动性”。从图5（d）可以看出，在臼齿构造末端，微亮晶颗粒呈分散状分布，这些散点状分布的微亮晶颗粒在臼齿构造条带固结成岩时未来得及聚集到臼齿构造主体上，这可能与这些颗粒未能克服底基质的黏性阻力而被限制在底基质中有关，也可能是在臼齿构造成岩过程中脱气脱水作用引起部分溶液在脱水过程中结晶而散布于基质中而形成。微亮晶颗粒间缺少沉积充填物，说明臼齿构造是在纯净的相对静水环境下形成。臼齿构造应是早期固结成岩作用的产物，而底基质的固结成岩作用较缓慢。图5（c）显示出底基质中沉积物被挤压进臼齿构造中；图5（a）显示臼齿构造使底基质纹层强烈变形。

图4 蓟县剖面串岭沟组砂脉构造和高于庄组臼齿构造宏观形态Fig．4 Macroscopic Morphologies of Molar－tooth Structure in Gaoyuzhuang Formation and Sand Dyke Structure in Chuanlinggou Formation of Jixian Section

对于与宏观藻类化石［39］共生的臼齿构造（图6）显微研究表明，臼齿构造和宏观藻类化石具有截然不同的特征，臼齿构造内部微亮晶颗粒特别纯净，晶体之间紧密接触，而宏观藻类化石也与底基质有明显的边界，但呈现球状的外形，球体由泥晶方解石和白云石组成，且具有硅化的特点，球核由一些丝状的有机质组成，并含石英颗粒，Fe含量高。

3 特殊沉积构造的成因

有关砂脉构造的成因解释很多。宋天锐等根据弯曲揉皱状的砂质充填管形态将砂脉构造解释为最古老的后生动物遗迹化石［14－15］；乔秀夫等将这种砂脉构造解释为地震液化作用产物［16］，但除了砂脉上凸的顶界面以及宿主岩石相应弯曲所显示的软沉积物变形以外，串岭沟组下部粉砂质泥页岩岩层中缺乏普遍的地震变形构造；史晓颖等将这种砂脉构造解释为甲烷气逃逸的沉积标志，认为砂脉构造是早期成岩阶段前，由来自上覆薄砂层的细—粉砂灌入甲烷缓慢逃逸的通道而成［9］，这种观点很有代表性。甲烷气体的产生和逃逸是一个不争的事实，但将其单纯归结为甲烷气体的逃逸却有待商榷，因为有机质在转化过程中并不单单产生甲烷，而且还伴随有CO2、H2S等，串岭沟组粉砂质页岩中的底基质和砂脉中黄铁矿的成因可能是H2S作用的结果，而且在未固结的泥质沉积物中维持开放的裂隙空间需要有足够大的压力，仅靠气体逃逸产生气压是不够的。

图5 蓟县剖面高于庄组臼齿构造微观特征Fig．5 Microscopic Characteristics of Molar－tooth Structure in Gaoyuzhuang Formation of Jixian Section

串岭沟组时期发育特殊的砂脉构造，可能与当时特定的沉积环境和古地理背景有很大关系。串岭沟组时期，燕辽坳拉槽受全球海平面变化和构造沉降作用的双重影响，形成潟湖相滞流海盆，砂脉构造发育于蓟县地区与宣化地区的宣龙式铁矿的顶、底板层位［40］以及北京十三陵地区。这些都集中分布于同生断裂带附近，向北部裂陷槽肩部为典型海进超覆的浅海沉积，盆地西北部发育著名的串岭沟组鲕状、肾状赤铁矿（由典型的生物成矿作用产生）。这些特征表明深部同生断裂活动可能为微生物生长带来了丰富的矿物质而有利于微生物席的形成。微生物席层经间歇暴露后会发生脱水收缩，席层产生裂隙，而后被沉积物快速充填而形成砂脉构造［17］。砂脉构造实质上是脱水裂痕被砂质碎屑物充填的结果，而脱水裂痕的形态多样化，有孤立的纺锤状、多边形网状、鸟足状、放射状、叶脉状、曲线状等，而纺锤状和网状在地层中发现最多，也最易识别，本文所说的砂脉构造其实就是纺锤状的脱水裂痕。当覆盖在松散砂质沉积物上的微生物席产生裂隙后，裂隙可以延伸到下覆的砂层内，当裂隙被从上往下充填时，这些充填物的成分应不同于被席层覆盖的砂层组分；而对于在上覆沉积层或水体压力驱使下导致的砂体侵入，其成分与被覆盖层砂体一致。串岭沟组中砂脉构造应是微生物席作用后的结果，即当微生物席暴露时，脱水收缩，产生裂隙，大多数微生物会因暴露缺水而死亡，仅有少量存活在裂隙中，而残留的微生物在海水覆盖后继续在裂隙中生长，海侵过程中裹挟来的砂质碎屑颗粒一方面覆盖先存的微生物席，另一方面充填裂缝和被其中微生物粘结，被埋藏后的微生物席在遭受分解过程中会产生大量气体，这些气体更易沿着先存的充填裂缝运移，致使砂脉顶起上覆砂层，形成小帐篷构造，压实作用的改造使得砂脉形态更复杂。

与砂脉构造相比，臼齿构造的成因可能更为复杂，其特定的时限性（中、新元古代）就显示了与砂脉构造完全不同的诱因。臼齿构造碳酸盐岩在地质历史中扮演一个重要角色，臼齿构造的发育时限与生物演化进程一致，臼齿构造消失以后出现了寒武纪生命大爆发，它在地球历史生命演化中究竟起着怎样的作用？目前，对臼齿构造较为合理的解释是微生物地球化学机制和风暴流引起的流体流动模式，笔者认为臼齿构造属于一种事件沉积，即局限在特定的沉积背景下，多种机制共同作用的结果，其涉及微生物－流体力学－地球化学的耦合作用影响。现有的几种典型机制都有其合理性，但必须分清主因和次因以及内因和外因问题，因其具有特定的时限性，所以从根本原因着手解释臼齿构造的形成更有说服性。臼齿构造的形成必须具备2个必要条件：微亮晶的形成；微亮晶的沉淀场所（孔隙介质系统）。

图6 蓟县剖面高于庄组臼齿构造与宏观藻类化石共生Fig．6 Intergrowth of Molar－tooth Structure and Macro－algae Fossil in Gaoyuzhuang Formation of Jixian Section

（2）孔隙介质系统：形成臼齿构造的场所通常伴生有丘状交错层理，表明未固结的沉积层位于风暴浪基面附近，沉积物表面约1m以下允许海水和孔隙水的快速混合；另外，富含有机质的沉积层被埋藏后会在微生物的作用下分解产生气体，当原地孔隙空间中地层水压力或气体膨胀压力大于岩石破裂压力时，会导致未固结岩石破裂产生大量孔隙空间（裂缝或孔隙系统），并导致原来孔隙网络系统的复杂化，这些孔隙系统中发生微亮晶聚集，依据孔隙空间的形态呈现各种臼齿构造形态。孔隙系统改造和臼齿构造呈复杂化，随着裂缝中矿物的结晶沉淀（微亮晶）导致流体和气体的排出，使得原孔隙压力降低，裂缝闭合，伴随微亮晶的生长导致原孔隙流体从孔隙中排出并向周围孔隙介质运移扩散，使得孔隙流体压力在附近基质中积累，因此随后也导致了裂隙的进一步发展和臼齿构造在基质中的进一步扩展，后期对臼齿构造和底基质的差异压实改造使得臼齿构造外观形态更加复杂，同时使得底基质发生类似塑性流动。

通过对蓟县地区这类特殊沉积构造的分析，笔者总结了砂脉构造和臼齿构造相似性和差异性特征，两者的比较分析对认识这类特殊沉积构造的形成和特征有重要作用（表1）。

表1 砂脉构造和臼齿构造的差异性和相似性Tab．1 Difference and Similarity of Sand Dyke and Molar－tooth Structures

4 结 语

（1）砂脉构造和臼齿构造（微亮晶集合体）的脉体本身和底基质都存在很大差异。串岭沟组中砂脉构造脉体本身成分特别纯净，由均一的细粒—粗粒粉砂级石英颗粒和少量泥质组成，含少量长石和云母等，并可见少量自生的方解石、黄铁矿颗粒；宿主岩石为有机质含量丰富的灰色页岩或泥岩，含丰富的黏土矿物（主要为伊利石）和少量的黄铁矿，有机质含量很高。高于庄组中臼齿构造由均一的、直径5～15μm的微亮晶方解石组成（球霞石）；宿主岩石为泥粉晶灰岩、粉屑灰岩等，由颗粒比较细的泥晶方解石组成，通常含黏土物质、少量石英颗粒和草莓状黄铁矿。两者在分布时限、沉积环境、伴生构造、沉积方式、成因模式等方面存在很大差异，同时也存在很大的相似性，如都与底基质呈截然接触关系，底基质和脉体本身都含有较多的黄铁矿和有机质，显示还原环境的产物。

（2）综合砂脉构造和臼齿构造的特点，表明两者最大的区别是砂脉构造为一种充填沉积，是碎屑颗粒被搬运后受微生物黏结作用再沉积的结果，而臼齿构造为一种自生沉积，是化学沉积形式，即饱和碳酸盐流体在孔隙中结晶沉淀的结果。在两者形成之前，水－底基质界面都曾发育过微生物席作用，微生物席在暴露干裂后由于广泛海侵使得砂体充填而后在成岩改造过程中形成砂脉构造，而臼齿构造是由于微生物席的进一步被埋藏，在相对封闭的碳酸盐岩软泥中发生分解作用，产生CO2、CH4、H2S等，使得相对封闭的碳酸盐软泥中的孔隙压力增大，发生破裂产生裂缝；另一方面，这些气体溶解后形成的酸性流体进一步促进裂缝的发育，而后在裂缝中原地沉积微亮晶，由于前寒武纪碳酸钙过饱和度较大，所以形成大量的微亮晶晶核和微米级晶体颗粒，它们形成后迅速沉降和固化成岩导致原孔隙排水和脱气，使得裂隙不断在软泥中其他部位发育，并发生相似的过程，从而使得臼齿构造在底基质中的形态更加复杂。成分上的差异与所处古地理背景有关，砂脉构造可能形成水体略浅一些，发育于海侵背景（大量微生物繁殖），而臼齿构造产生水体较深，形成于最大海泛之后的深水背景，风暴流与孔隙流体的对流运输促进了微亮晶的快速结晶沉淀，涉及微生物－地球化学－流体力学的耦合作用。

（3）由于成因机制上一直存在的分歧，只有对这种特殊沉积构造进行大量分析，才能更确切地认识沉积构造的成因，仅凭某一地点的数据比较片面。总结两者异同有助于对其更清晰的认识，但还需要在以后的研究中不断补充野外和试验证据来验证这类复杂沉积构造的成因特征。

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