鲁西寒武系第三统张夏组凝块石特征及其形成环境研究

陈金勇 韩作振 范洪海 迟乃杰

(1.核工业北京地质研究院 北京 100029;2.山东科技大学地质科学与工程学院 山东青岛 266510;3.山东省地质科学实验研究院 济南 250013)

微生物岩是生物沉积岩，即由底栖微生物群落(Benthic Microbial Communities)的生长和生理活动引起黏结和捕获碎屑沉积物、表面矿物沉淀及生物矿化作用而产生的生物沉积岩［1］。自前寒武纪以来，大量微生物碳酸盐岩发育于中新元古代和早古生代［2］，其中有叠层石、凝块石、树形石和均一石等［3］。随着研究的深入，梅冥相［4，5］又将其重新分为 6大类:叠层石、凝块石、核形石、树形石、纹理石和均一石。可见，凝块石都被归结为微生物碳酸盐岩的重要类型之一。

凝块石是以加拿大南部落基山寒武—奥陶纪岩石为依据命名的［6］。最早是由Aitken(1967)提出“thrombolite”(凝块石)这个词语，并将其定义为“与叠层石相关的隐藻构造，但缺乏纹层而以大型凝块状结构为特征”。随后，国内外许多学者对凝块石特殊的凝块状非纹层组构进行了深入的研究，曾将其解释为“受到生物扰动作用和次生成岩作用破坏、改造的叠层石”［7］，但是随着前寒武纪等古老的地层中凝块石的发现［8］，这一解释似乎与事实不相符。更重要的是，Aitken对凝块石的定义也存在着两个缺陷:①在定义中，他将凝块石中的“中凝块”组构(mesostructural clots)和大型的凝块状结构(macrostructural“clots”)混淆了;②这个定义具有时代局限性，其中“隐藻结构”的隐藻(cryptalgal)不全面性。因为形成微生物岩除了藻类生物以外还包括许多细菌，多年来所称的“蓝绿藻”也归为细菌并称为“蓝细菌”［9］。

自Aitken(1967)定义了凝块石之后，许多学者对凝块石进行深入研究，不仅增加了凝块石的野外描述，而且有些学者也提出了有关其成因的假说［1，7，10，11］，以及凝块石在生物地层学上的应用［8，12］和沉积古环境的研究［13～15］。但是，统观这些文献，可以发现，由于凝块石的系统描述缺乏条理清晰的专业术语，而使他们的研究受到了一定的限制，甚至误用了类似的专业术语来描述凝块石的某些特殊性质，使得对凝块石产生误解。因此，对凝块石的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文对鲁西寒武系第三统张夏组的凝块石进行了大比例尺野外测量及岩石薄片显微镜鉴定，详尽描述了凝块石宏观和微观特征，并对凝块石形成环境进行探讨，为凝块石的深入研究提供理论基础。

1 地质背景

鲁西地区位于郯庐断裂带以西，是华北板块东南部的一个地质分区，主要是山东省潍坊—临沂一线以西的地区。西北侧以聊考断裂、齐广断裂为界，东南侧以安丘—莒县断裂为界(图1)。该地区寒武系从早古生代早中期开始接受沉积，主要为页岩、泥岩、粉砂岩、砂岩等碎屑岩与微生物灰岩、鲕粒灰岩、竹叶状灰岩、白云岩等碳酸盐岩的混合相的浅海沉积。与下伏前寒武纪花岗岩不整合接触，上覆地层为奥陶纪三山子组白云岩。主要地层自下而上包括:李官组、朱砂洞组、馒头组、张夏组、崮山组、炒米店组。

图1 鲁西寒武系露头分布及实测剖面位置Fig.1 Outcrop distribution and measured sections of the Cambrian in West Shandong province

鲁西寒武系第三统张夏组岩相区域性变化较大，厚约150～180 m，主要包括鲕粒灰岩、泥晶灰岩、页岩、生屑灰岩及多种微生物岩，微生物岩约占30%，主要包括凝块石、树形石、核形石、叠层石和附枝菌格架微生物岩，且又以凝块石为主。其发育广泛、出露连续，研究较多的露头剖面包括济南彩石剖面、莱芜九龙山剖面(图2)和沂水马站剖面等。

2 凝块石特征

鲁西寒武纪地层发育大量微生物灰岩，其中，凝块石主要发育于寒武系第三统张夏组。比如在莱芜九龙山剖面，张夏组共出露11层凝块石，其单层厚度一般为0.25～2.0 m，甚至较厚者可达2.5 m。

2.1 宏观特征

图2 莱芜九龙山张夏组剖面柱状图Fig.2 Columnar section of the Zhangxia Formation in the Jiulong，Laiwu

张夏组地层可以分为上灰岩段、盘车沟段和下灰岩段，其中盘车沟段的厚层页岩和灰岩互层，只发育于鲁西地区东南部剖面(莱芜九龙山剖面和沂水马站剖面)。凝块石主要发育于上、下灰岩段，其上下界面大多为突变面，呈起伏不平，应是潮流冲刷形成的侵蚀面(图3)。上灰岩段凝块石的下伏岩性通常为鲕粒灰岩、生屑灰岩、灰岩与页岩互层以及薄板状泥晶灰岩与生屑灰岩互层，上覆岩性一般为生物碎屑灰岩、泥灰岩、附枝菌格架微生物岩(图4)。下灰岩段凝块石的上覆和下伏岩性为鲕粒灰岩(图3)和生屑灰岩。凝块石一般呈生物层和生物丘构造(图5，6a，b)。生物层总体厚度为1～2 m，单层厚度一般为几厘米到十几厘米，较为稳定(图5);生物丘大小不一，较小者高为几十厘米，宽为几十厘米，较大者高可达2 m，宽为3～5 m。向上变宽，各生物丘的内部结构一致，主要由凝块和灰泥胶结物组成，但其形态以及丘与丘之间的接触关系不同，有相切、相交、包裹等，也有呈单个生物丘出露。丘之间充填物为竹叶状砾屑、生物碎屑、泥灰、泥质团块等。

图3 (a)凝块石底部见有海绵化石，下界面为侵蚀面，起伏不平，下伏岩性为鲕粒灰岩;(b)野外素描图，凝块呈不规则状，凝块之间以灰泥胶结。Fig.3 (a)Saw the sponge fossils at the bottom of thrombolite.The below is a fluctuant erosion surface，overlying oolite.(b)Line drawing of thrombolite.The clots are irregular，mainly cement by lime mud.

在凝块石中，凝块通常颜色较深，呈深灰色，有明显的边界，凝块大小一般为0.1～1.5 cm，较大者可达到2 cm，大多为斑块状(图6c，d)，包括次圆形、月牙形、棒形以及带有棱角的多边形，还见有凝块呈树枝状和网状相连。凝块之间胶结物通常为灰泥以及少量白云石，含有少量泥质团块(6c)和生物碎屑(生物碎屑主要为三叶虫、头足类、腕足类等化石碎片)(图6d)。而且从张夏组的下灰岩段到上灰岩段，凝块之间的泥质团块逐渐减少，灰泥胶结物随之增多。在莱芜九龙山剖面的下灰岩段凝块石中含有保存较完整的海绵化石(图3)。

图4 附枝菌格架微生物岩与凝块石共生Fig.4 Epiphyton microbialite and thrombolite

图5 凝块石生物层(单层厚度一般为5 cm左右)Fig.5 Thrombolite biostrome(single layer thickness is about 5 cm)

图6 凝块石生物丘a.丘状凝块石，高1.3 m，宽2 m;b.野外素描图，两生物丘之间含有生物碎屑灰岩;c.a中长方形的放大照片，可见深灰色斑块状凝块，大小为0.1～1 cm，凝块之间以灰泥胶结，含有泥质团块;d.a中长方形的放大照片，见有典型的凝块，含少量三叶虫化石碎屑(箭头)。Fig.6 Photographs of thrombolite biohermsa.thrombolite bioherm is 1.3 m high，2 m wide;b.line drawing of thrombolite bioherms，containing bioclastic grainstone between the two bioherm;c.close-up photo of the rectangular in(a)，the size of dark grey irregular clots is 0.1～1 cm.the clots mainly cemented by lime mud，contain pelitic mass;d.close-up photo of the rectangular in(a)，the typical clots，containing a few trilobite fossil clast(arrow).

2.2 微观特征

在镜下观察，凝块石的主要成分为泥晶方解石，其次是半自形—自形的白云石，呈褐色，菱形，主要分布于缝合线边上。整体上为斑杂状结构，在镜下，凝块即是一些由暗色附枝菌等蓝细菌及其周围泥晶方解石组成的团块，团块之间一般为泥晶方解石以及少量的亮晶方解石和白云石胶结。含有三叶虫、棘皮类、头足类、腕足类等化石碎片。通常，生物碎屑的含量与蓝细菌呈反相关系，生屑多时，蓝细菌就少;蓝细菌多时，生屑就少。

鲁西凝块石主要是由附枝菌(Epiphyton)捕获和粘结泥晶颗粒形成的，其次是葛万菌(Girvanella)和放射状菌(Actinophycus)。由附枝菌形成的凝块石基本上遍布每个剖面的张夏组，附枝菌在大多数凝块石中起主导作用;由葛万菌形成的凝块石发育于济南彩石和蒙阴桃墟剖面的张夏组;由放射状菌形成的凝块石发育于沂水马站剖面的张夏组。

附枝菌(Epiphyton)是具有分叉的叶状体放射丛组成(长0.3～0.8 mm，宽为 40～80 μm)。其横截面为圆形的泥球状，直径约为30～50 μm(图7b)。附枝菌树杈为细长圆棒状，向上三维分叉，因此其纵切面一般为树枝状(图7a)，较长的可达到5 mm。菌体一般被泥晶方解石交代，向上分叉，直立生长(图7a)，少数附枝菌发生重结晶，由亮晶方解石胶结。根据枝杈的直径大小，枝杈的细胞状分割结构及管状构造等，鲁西张夏组的附枝菌可分为4类:粗枝杈状、分段枝杈状、细枝杈状和管状枝杈状(Woo et al.，2008)。其构成的菌体群落形态可分为两大类:灌木状和房室状(图7a，c)。灌木状群落由放射状的附枝菌枝杈组成，纵切面多呈灌木状，向上生长，菌体周围为泥晶方解石胶结，通常具有成层性(图7a)。灌木状附枝菌群落在特定的条件下可形成房室状构造，从内向外呈放射状，房室为半圆形或不规则状，直径约为0.5～1.9 mm，房室壁厚为150～300μm。内壁较为粗糙，外壁较光滑，房室内为亮晶方解石胶结，壁为泥晶方解石胶结(图7c)。其中灌木状附枝菌群落主要位于凝块石生物丘的内部，而房室状附枝菌群落则常见于外部边缘，这与凝块石形成环境的水动力条件有关。

图7 形成凝块石的微生物类型a.附枝菌的纵切面大多为树枝状，向上分叉，直立生长;b.附枝菌的横切面为圆形或椭圆形的泥球状，直径约为50 μm;c.房室状附枝菌群落;d.葛万菌呈相互缠绕聚集成小团块状，大小为10 μm;e.放射状菌的纵截面，呈放射状，向上变粗，大小约为100 μm;f.放射状菌的横切面，呈圆形或椭圆形，大小约为150 μm。Fig.7 Breedes of microbe formed thrombolitea.Longitudinal section of Epiphyton mostly is dendritic，forked up，upright growth;b.Transverse section of Epiphyton is round or elliptic rodlike.Diameter is about 50 μm;c.chambered Epiphyton thalli;d.Girvanella wind together and become small groups，the size is 10 μm;e.Longitudinal section of Actinophycus is radial，upward coarsening，the size is about 100 μm;f.Transverse section of Actinophycus is round or eclipse，the size is about 150 μm.

在凝块石中，葛万菌(Girvanella)呈长条管状，管体大小均匀，直径约为10～20 μm，长度不等，最长可达1 mm左右。大部分葛万菌为不规则条带状分布，与附枝菌共生，小部分呈相互缠绕聚集成小团块状或单个丝体出现(图7d)，有些葛万菌也绕着生物碎屑生长。主要是泥晶方解石胶结，局部为亮晶方解石胶结。

放射状菌(Actinophycus)在纵切面上为放射状或扇状排列的管状体，管状体基部细向上变粗，管体直径约为90～200 μm(图7e)，其横切面为圆形至椭圆形(图7f)，其中心为亮晶方解石胶结，边缘为泥晶方解石胶结。

2.3 特征描述

对微生物岩野外与室内的研究，一般由宏观到微观用4种不同等级的结构和构造进行观察与描述，即巨型结构(Megastructure)、大型结构(Macrostructure)、中型结构(Mesostructure)和微型结构［12，17］。巨型结构是指微生物岩所形成的岩层特征，如生物层、生物丘等。大型结构是描述微生物岩的总体特征(一般为几十厘米至几米)，如柱状、穹状、球状等。中型结构则是描述在大型结构内部用裸眼能够观察到的微生物岩的结构与构造(一般为厘米级)，如纹层状、凝块状、树枝状等。微型结构是指在显微镜下可以观察到的显微结构与组分，包括钙化微生物残留体、沉积物、胶结物等。

综上所述，凝块石的巨型结构特征为米级的生物丘和生物层状，在纵剖面上呈单层状，由其他沉积物间隔，与薄板状泥晶灰岩、鲕粒灰岩、生屑灰岩及其他微生物岩共生。大型结构通常为丘状、穹状、层状，层状单层厚度较稳定，平均为10 cm左右，丘状和穹状一般高为几十厘米，宽也为几十厘米，较大者高可达2 m，宽达3～5 m。各生物丘的内部结构一致，主要由凝块和灰泥胶结物组成。中型结构特征为凝块呈深灰色，具有较明显的边界，大小通常为0.1～2 cm，大多为斑块状、树枝状和网状。凝块之间多为灰泥和少量白云石胶结，含有少量泥质团块和生物碎屑。微型结构特征是在镜下观察，凝块是一些由暗色附枝菌等蓝细菌及其周围泥晶方解石组成的团块，团块之间一般为泥晶方解石以及少量的亮晶方解石和白云石胶结。其中凝块石主要是附枝菌(Epiphyton)形成的，其次是葛万菌(Girvanella)和放射状菌(Actinophycus)。附枝菌大小为40～80 μm，葛万菌大小为10～20 μm，放射状菌大小为 90～200 μm(图 8)。

图8 鲁西地区寒武系第三统张夏组凝块石的主要特征Fig.8 The main features of thrombolite in the Zhangxia Formation(third series of Cambrian)，Shandong province

图9 鲁西地区张夏组凝块石的沉积环境及形成模式Fig.9 Depositional environments and formation model of thrombolite in the Zhangxia Formation，Shandong province

3 凝块石的形成环境

在寒武纪，华北台地海侵方向为东南至西北向［18］，随着相对海平面持续上升，碳酸盐台地迅速发育。根据凝块石的宏观与微观特征、共生岩性、沉积构造及生物组合等特征，表明该地区为局限台地和开阔台地相区，其沉积环境主要为潮下高能带、潮下低能带和滩间海(图2)。

潮下高能带水体较浅，水动力条件具有簸扬作用，属高能水动力沉积环境。该亚相在鲁西地区的主要岩性为鲕粒灰岩和颗粒灰岩，以亮晶方解石胶结为主，常发育槽状交错层理、羽状交错层理及平行层理等。

潮下低能带，此区域水体位于平均低潮面之下，正常浪基面之上、阳光充足、含氧量丰富、波浪和潮汐作用都很弱，其能量大多被海底磨擦消耗掉，水循环也很弱，只有局部的风暴才能引起一定的波浪能，因此是一个低能带。有较丰富的营养物质，故此区域繁殖有大量的蓝细菌，有利于捕获水中的钙离子以及自身发生钙化作用，从而形成凝块石。

滩间海则位于开阔台地海水较深的地带，其水动力相对较弱，其环境相应变得安静、低能，沉积物以细粒陆源物质和化学沉积物质为主。主要岩性是黄绿色页岩、页岩与薄板状泥晶灰岩互层以及少量的生屑灰岩，常发育水平层理和生物扰动构造。生屑为三叶虫、腕足类、棘皮类等化石碎片，见有部分保存较完整的三叶虫化石，表明了形成环境的水动力很弱。

根据上述沉积相分析，结合凝块石野外观察、镜下分析以及与之共生岩相和生物化石组合，来探讨张夏组凝块石的沉积环境及形成模式(图9)。从凝块石的上覆和下伏岩性可以看出潮下高能带的水动力较强，水体较浅。凝块石呈大型生物丘和生物层构造，镜下观察，凝块石主要由大量附枝菌形成的，附枝菌钙化体保存较完整，纵截面呈树枝状，直立向上生长，且主要以泥晶方解石胶结，反映了形成凝块石的水体相对较深，水动力条件弱，具有丰富的营养物质和充足的光照强度。因此，在张夏期早期，鲁西地区水体较浅，水动力较强，主要为潮下高能带环境，形成厚层的鲕粒灰岩;随着海侵，海平面相对上升，当水位达到平均低潮面以下，附枝菌等蓝细菌开始大量繁殖，进行光合作用，捕捉和黏结碳酸盐微粒以及发生自身钙化，从而形成大量凝块石;而当海平面相对下降时，水动力逐渐变强，使得附枝菌等蓝细菌难以生长，妨碍了附枝菌捕捉和黏结碳酸盐微粒等，从而无法继续形成凝块石，逐渐过渡为水体较浅，水动力较强的潮下高能带，开始沉积鲕粒灰岩和生物碎屑灰岩。由于整个鲁西地区在张夏期属于陆表海，因此凝块石的这种沉积模式在张夏期周而复始的进行着。

4 结论

鲁西寒武系第三统张夏组凝块石主要呈生物丘和生物层状，其凝块大多为不规则状和网状，胶结物以泥晶方解石为主，含少量泥质团块和生物碎屑。镜下观察，凝块石主要是由附枝菌形成，其次是葛万菌和放射状菌。其中，附枝菌呈枝杈状向上生长，横切面为泥球状，大小为40～80 μm。附枝菌可形成灌木状和房室状两种群落，由于受水动力条件的影响，前者生长于凝块石生物丘内部，而后者常见于生物丘的外部边缘。葛万菌呈细长管状，大小为10～20 μm，经常相互缠绕呈不规则团块状。放射状菌呈扇状管体，向上变粗，大小为90～200 μm，横切面为圆形、椭圆形。

鲁西寒武系凝块石的沉积环境为潮下低能带。该沉积环境的水动力较弱，水体清澈，只是局部具有一定的波浪能，而且该区域具有丰富的营养物质，光照充足，有利于附枝菌的大量繁殖和自身钙化，从而形成大量的凝块石生物丘和生物层。

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