河北承德寒武系凤山组叠层石生物丘中的沉积组构

张 瑞，赵新伟，王 龙

(中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083)

0 引 言

寒武纪第三统和芙蓉统中的微生物碳酸盐岩构成的生物丘，常常与围岩形成明显突出的边界以及较为宽泛的产出环境而代表着壮观的沉积学现象[1-5]。类似于碳酸盐泥丘[2]，构成这些寒武纪生物丘的微生物碳酸盐岩[3,6-8]的复杂的沉积组构代表的复杂形成机理，就像鲕粒成因的微生物过程[5,9-10]那样，成为近年来碳酸盐岩沉积学研究的重要主题之一。

位于华北地台东北缘的承德路通沟剖面的芙蓉统，主要由长山组和凤山组构成，可以识别出3个三级层序，而且以“凝缩序列(CS)+高水位体系域(HST)”沉积序列为特征[7,11-18]，在其中的第二个三级层序上部强迫型海退体系域中发育大量叠层石生物丘灰岩[19-22]，形成了较为特殊的沉积学现象。由于发育在正常浅海中高能环境中，而与现代巴哈马的粗颗粒叠层石[23-25]的产出环境较为相似，而与澳大利亚鲨鱼湾和巴西东南部高盐度潟湖中的叠层石[26-27]的产出环境形成巨大的差异；更为重要的是，以致密泥晶和微亮晶组成的叠层石及其中的钙化蓝细菌化石为特征的芙蓉统叠层石，明显不同于巴哈马现代叠层石[26-27]的沉积组构，反而与鲨鱼湾和巴西东南部海湾的细粒泥晶组成的叠层石[26-27]较为相似。同时，河北承德路通沟剖面芙蓉统中的叠层石，较为粗糙的叠层石纹层以及复杂的微组构和钙化蓝细菌菌落残余物，为了解寒武纪正常浅海环境中由蓝细菌主导的微生物席[19,23,28-30]的复杂的碳酸盐沉淀作用产生的叠层石的复杂形成过程提供了一个较为宝贵的实例。

1 地质背景

路通沟剖面位于河北省承德县城西南约10 km处，构造上属华北地台东北缘。早古生代期间华北地台是一个广阔的碳酸盐台地(东西延伸1 500 km，南北延伸1 000 km)，发育在稳定的华北克拉通上(图1)。

图1 河北承德路通沟实测剖面位置Fig.1 Location of Lutonggou section at Chengde,Hebei

图2 河北承德路通沟剖面层序地层序列(FRST，强迫型海退体系域；HST，高水位体系域；CS，凝缩段)Fig.2 Stratigraphic sequences of Lutonggou section at Chengde,Hebei

华北地台沉积开始于中寒武世，一直持续到整个地台接近地面暴露的中晚奥陶世，形成了一套浅海背景下的厚度超过千米的碳酸盐和硅质碎屑岩混合沉积[24,31]。按照新的寒武系年代地层系统，寒武系分为纽芬兰统、第二统、第三统及芙蓉统[20,23]。如图2所示，路通沟剖面的芙蓉统可划分为DS1、DS2和DS33个层序[31]，它们均以“陆棚相-缓坡相”的沉积相序列为特征，形成特别的“凝缩段(CS)+高水位体系域(HST)+强迫型海退体系域(FRST)”序列，为台地快速海侵、慢速海退过程的产物，构成较为典型的淹没不整合型层序[16-18]；在其中，长山组构成了DS1层序，凤山组包括了DS2和DS32个层序。叠层石生物丘主要发育在DS2层序的上部，与顶部的鲕粒滩覆盖层一起形成了强迫型海退体系域(FRST)沉积，从而表明叠层石生物丘发育在相对浅水的沉积背景中。

2 叠层石生物丘的宏观特征

叠层石生物丘主要分布在凤山组中部，位于DS2层序的强迫型海退体系域单元上部(图2)，由一套浅灰色浅缓坡相叠层石灰岩构成。该叠层石灰岩地层厚约15 m，地势起伏较低，与周围地层岩性明显不同，符合“生物丘”[1]的概念，构成了典型的叠层石生物丘[2,5,7]，也是微生物席碳酸盐的重要保存形式之一[3]。该叠层石生物丘构造内部主要由竖直生长的柱状叠层石构成，同时也可见少量的穹隆状叠层石(图3)。

(1)穹隆状叠层石多为致密泥晶结构(图3)，内部纹层平缓，呈穹顶状；尽管纹层较粗糙，穹隆状叠层石纵向上还是表现出由浅色纹层与暗色纹层组成，浅灰纹层较厚，2～4 cm，而暗色纹层较薄，1～2 mm；横向上纹层相互连接，呈波状展布。

(2)柱状叠层石内部纹层表现为较好的半球体构成的圆柱(图3)，圆柱柱体通常较直，高30 cm～2 m不等，直径4～10 cm，相互平行分布(图3)，柱体边缘纹层向下弯曲，但没有形成明显的壁。垂向上常由浅灰色纹层(0.5～2 cm)与浅黄色纹层交替组成，纹层薄而粗糙，连续性较差，与“细粒结壳叠层石”特征较为吻合。叠层石内部整体上不明显的纹层结构很大程度上可能与后生动物的扰动与破坏有关；有些纹层受后期埋藏压实作用过程的影响而呈缝合线状。与此同时，叠层石生物丘顶部发育厚4 m左右的中薄层鲕粒灰岩披覆层，间接指示了叠层石生物丘特殊的相对浅水的产出背景，即要浅于鲕粒滩的潮下中高能环境，进一步说明叠层石生物丘产出在潮下中高能环境的基本特点。

3 叠层石生物丘的微观特征

3.1 总体微观特征

凤山组中部的叠层石生物丘显微镜下总体上表现为致密泥晶结构，露头上不连续的叠层石纹层在镜下也不很清晰。叠层石内部主要由暗色泥晶纹层与浅色微亮晶层交替组成(图4(a))，局部可见微生物叠层石构造(图4(b))。显微镜下，叠层石内部纹层发育底栖鲕粒、球粒及皮壳粒等颗粒类型，在致密暗色泥晶纹层内发育不规则的由葛万菌(Girvanella)钙化丝状体组成的暗色泥晶团块[29]。如图4(c)和(d)所示，由葛万菌构成的颗粒内部钙化丝状体具有良好的管状构造，个体相互缠绕构成团块状，丝状体鞘内有机质被溶解后被亮晶方解石充填，而鞘则被泥晶浸染后形成泥晶壁得以保存下来，代表了一种与光合作用有关的典型的蓝细菌钙化作用过程[7]。叠层石生物丘中还发育较多“石松藻(Lithocodium)”状的钙化蓝细菌菌落残余物，这些残余物本质上为泥晶与微亮晶的聚集物，大小不一，从毫米级到厘米级不等且形态极不规则。

图3 路通沟剖面寒武系芙蓉统凤山组中的叠层石特征Fig.3 Image showing characteristics of the stromatolite of Cambrian Fengshan Formation in Lutonggou section

图4 寒武系凤山组叠层石生物丘的显微组构Fig.4 Microscopic fabrics of the stromatolitic bioherm of the Cambrian Fengshan Formation(a)叠层石内部不大清晰的纹层结构，由泥晶纹层A与微亮晶纹层B交替组成，纹层面粗糙；(b)微叠层石；(c)致密泥晶中由葛万菌钙化丝状体构成的颗粒；(d)图(c)中钙化葛万菌化石的放大图

3.2 底栖鲕粒

凤山组叠层石生物丘局部发育较多鲕粒，鲕粒多为圆状或椭圆状，少量为不规则形或破碎状，颗粒直径多为100～500 μm，通常不大于500 μm。鲕粒圈层数量较少，核心或有或无，圈层及核心内残留了少量有机质及泥晶。这些鲕粒呈悬浮状密集分布在致密泥晶内部(图5(c))，属于Gerdes提到的底栖鲕粒类型[28]。根据核心的有无与鲕粒皮层的变化将底栖鲕粒大致分为3种类型：有核放射鲕粒、不规则鲕粒、无核放射泥晶鲕粒。

图5 寒武系凤山组叠层石生物丘中的底栖鲕粒Fig.5 Images showing benthic oolites within stromatolite bioherm of the Cambrian Fengshan Formation(a)—(c)有核同心-放射鲕粒；(d)不规则形态鲕粒；(e)扫描电镜下的鲕粒核心特征；(f)鲕粒核心的能谱图特征

这些鲕粒大小不等，400～500 μm，多呈圆形及次圆形，主要由放射状方解石晶体组成(图5(a)和(b))。其中有核放射鲕粒的核心直径为100～200 μm，形状不规则且边界模糊。核心大多由细晶方解石及有机质残余物构成(图5(c))，晶体大小从10 μm变化到100 μm，部分核心为含少量黄铁矿颗粒的暗色泥晶团块(图5(c)和(f))，这种泥晶团块在扫描电镜下表现为典型的片状及网状结构(图5(e))，这与较为典型的微生物细胞外聚合物质EPS(Extracellular polymeric substances)降解作用所形成的钙化残余物比较相似；不规则鲕粒的圈层厚1～2 μm，主要由富有机质的泥晶聚集体构成，与最外侧圈层发育的泥晶套结构一样，可能代表了微生物膜的钙化残余物[5,22]，也可能是蓝细菌新陈代谢活动导致的泥晶化作用产物，体现了这些鲕粒为微生物席内典型的底栖鲕粒的特征[28]。这些鲕粒主要是指形态不规则、皮层不连续的有核同心-放射鲕粒，发育核心，并具有泥晶圈层，但区别就是该鲕粒皮层或者断开(图5(d))，或者凹凸不平，可能为强烈的后期溶蚀改造作用等成岩作用所致，也可能是复杂的微生物活动的结果。此外，同心圈层上或最外侧圈层上的泥晶套及零星分布着的浸染泥晶，大多代表了微生物膜的残余物。无核放射泥晶鲕粒的最显著特征就是没有核心并在鲕粒周围发育有机覆膜代表的钙化生物膜，这些钙化生物膜间接地证实了鲕粒的生物成因机制，但这种鲕粒也曾被认为是重结晶或溶解再充填作用所形成[32]。

3.3 球粒和微凝块

球粒主体由暗色泥晶构成，除去那些明显的底栖鲕粒外，叠层石生物丘中还发育着呈圆形、次圆形、细长形及不规则形且大小不一、内部无明显结构的微米级至毫米级泥晶颗粒(图6(a)和(b))，这种产出自海相环境的碳酸盐岩颗粒与那些产出自非海相环境中的类似物共同被称为球粒或似球粒。这些以暗色泥晶为主体的颗粒，在形态上从圆形到次圆形，其内部无明显纹层，与发育丝状体钙化微生物残余物及不规则外形特征的微凝块形成明显差异。

图6 寒武系凤山组叠层石生物丘中的微凝块及球粒组构显微照片 Fig.6 Microscopic images showing the microclots and peloid structure within the stromatolite bioherm of the Furongian Fengshan Formation(a)由次圆状及圆状球粒组成的球粒亮晶灰岩，其中包含次圆形及细长形球粒泥晶聚集物(白色箭头)，并发育少量鲕粒及内部中空的胶囊状泥晶聚集物(黑色箭头)；(b)图(a)的局部放大图，其中可见葛万菌丝状体残余物构成的球粒组构(白色箭头)，其内部可见少量黄铁矿颗粒，同时可见鲕粒(黑色箭头)

有关球粒成因的讨论一直为沉积学家所关注，其成因假说主要包括粪球成因[29]、围绕蓝细菌丝状体的沉淀作用、异养细菌驱动的早期石化作用过程的产物[33]以及生物碎屑的泥晶化[32]。虽然有关球粒的成因已经得到以上模式的概括，然而，球粒内部及其周围频繁出现的它形黄铁矿颗粒(图6(b))暗示了异养细菌特别是硫酸盐还原细菌的作用[33]，它们主要通过降解有机物诱发碱度升高，促进微生物席内沉积物的钙化作用，导致球粒的形成。值得注意的是，很多以球粒为核心的鲕粒与球粒的同时出现(图6(b))暗示一般情况下球粒生长的区域在空间上与鲕粒很接近，这也表明有利于两种过程的因素相互之间可能仅有微小的差别。薄片中出现的葛万菌丝状体残余物球粒(图6(b))，指示了这些球粒可能为丝状蓝细菌的钙化作用产物。此外，那些明显的凝块状微组构内部的丝状钙化微生物化石，以及一些其他似胶囊的颗粒被当作微凝块起因于微生物膜上或以蓝细菌主导的微生物席内部钙化作用的间接证据[34]。

3.4 “石松藻(Lithocodium)”状的钙化蓝细菌菌落残余物

如图7所示，叠层石生物丘灰岩中可见一些“石松藻状”的钙化蓝细菌菌落残余物[35]，主要表现为一些后期被亮晶方解石充填的蓝细菌菌落被泥晶基质包裹并形成一些丝状体网状物(图7(a))。它们形态极不规则，大小不一，被亮晶方解石充填的蓝细菌菌落丝状体直径通常约40 μm，长一般为 100～500 μm(图7(b))，其具体的形成机制可能为：蓝细菌及EPS发生钙化，部分EPS在降解过程中产生一些纳米球粒，这些球粒聚集在一起形成微凝块，最终构成作为微生物碳酸盐岩主要组分的泥晶；然而，研究区钙化蓝细菌菌落内被泥晶包裹的短柱状亮晶沉积物很可能是钙化的丝状蓝细菌残余物，这些蓝细菌的鞘较薄或者不发育，不同于钙化鞘较厚的其他沉积。这可能指示了这些叠层石属于以蓝细菌主导的微生物席的钙化作用产物。值得注意的是，部分钙化蓝细菌菌落残余物内部也发育大量生长洞穴(图7(a))，指示出是由于异养细菌降解过程中产生的弱酸性环境溶蚀作用所致，而其周围的泥晶大多是构成微生物席的细胞外聚合物质(EPS)的钙化作用产物。此外，鲕粒和生物碎屑(三叶虫、棘皮类和介形类)等颗粒常与这些钙化蓝细菌菌落残余物共同出现(图7(a))。

图7 凤山组叠层石生物丘中“石松藻状”的钙化蓝细菌菌落残余物Fig.7 Lithocodium-like colonies of calcified cyanobacteria remnants within the stromatolitic bioherm of the Fengshan Formation(a)钙化蓝细菌菌落残余物，白色箭头指示生长洞穴；(b)图(a)中钙化蓝细菌菌落残余物的放大图；(c)—(d)形态多样的钙化蓝细菌菌落残余物

3.5 丝状蓝细菌

葛万菌(Girvanella)化石在华北地台寒武纪的微生物岩中广泛分布，也是芙蓉统微生物碳酸盐岩中比较常见的丝状蓝细菌化石。研究区内发现多种产出形态的Girvanella化石，包括微叠层石内的纹层、球粒(图6(b))以及内碎屑(图4(c))等，以内碎屑形式出现的Girvanella化石多产出在承德路通沟剖面的叠层石生物丘中，该生物丘以纹层模糊的柱状叠层石为特征，代表了一种相对浅水的潮坪沉积环境条件。偏光显微镜下，Girvanella化石以无分割的管状丝状体为特征(图4(d))，管状丝状体直径相对一致，约20 μm，但长短不一，最长可达600 μm(图3(d))。丝状体具有明显的管壁构造，厚度不大，1～2 μm，管壁呈深灰色至黑色，主要充填泥晶方解石或微亮晶。丝状体管心宽约15 μm，呈灰白色，由微亮晶方解石构成，管状丝状体的横切面为外暗内亮的圆形构造(图4(d))。管状丝状体个体无分支，不定向排列，群体则相互缠绕、交织分布，构成斑块状、长条状或弯曲状等形态(图4(c))。

4 讨 论

叠层石是微生物席的建造物[5,36-37]，在微生物席建造叠层石过程中，复杂的微生物群落内的复杂的新陈代谢过程产生了多种多样的生物成因颗粒[14,29]。在大多数微生物碳酸盐岩中，钙化蓝细菌是保存最好的微生物[2]，也是最具优势的微生物席建造者，这一特点在路通沟剖面的凤山组叠层石生物丘中也不例外。凤山组生物丘内蓝细菌以“石松藻(Lithocodium)状”的钙化蓝细菌菌落残余物最具代表性，它们之前也被认为是Lithocodium(石松藻)或多孔有孔虫，但Cherchi[35]根据连接相邻孔洞开口的缺乏以及频繁出现的大量泥晶基质内这些孔洞非常不规则的形态和排列，将之前认为的Lithocodium(石松藻)或多孔有孔虫排除在外。然而，这些“石松藻”状的钙化蓝细菌菌落残余物近些年被解释为“海绵骨针的网状物”[36,38]，并认为微生物的活动和成岩过程很容易导致海绵降解并与泥晶保存在一起，具体表现为模糊的针状网络或者丰富的骨针，并且沉积环境中低的保存潜力掩盖了海绵的存在及其在芙蓉统中作为后生动物-微生物礁建造者的作用。其次，叠层石内还发育少量呈丝状相互缠绕分布的丝状蓝细菌的钙化残余物——葛万菌(Girvanella)(图4(c)和(d))。葛万菌丝状体两侧管状壁常被泥晶浸染形成明显的暗色泥晶鞘，而管状壁内部的有机质多为硫酸盐还原细菌等异养细菌降解，降解过程易形成弱酸性环境而发生一些溶蚀作用，最后产生微亮晶方解石沉淀及少量黄铁矿颗粒。然而，蓝细菌钙化残余物常构成球粒(图6(b))、鲕粒圈层或者致密泥晶，鲕粒圈层上的暗色富有机质泥晶薄层(图5)可能是构成微生物席的微生物膜的钙化残余物，也可能是蓝细菌活动所造成的泥晶化作用的产物。

除了蓝细菌之外，硫酸盐还原细菌也是叠层石生物丘复杂的生物菌落内的一种重要微生物。虽然没有发现硫酸盐还原菌化石，但广泛分布在叠层石致密泥晶组构中的黄铁矿颗粒(图7(b))或方解石晶体包覆层(图5(c)和(d))可能为叠层石内微生物席生长过程中硫酸盐还原细菌引起的硫酸盐反应的产物或残余物[33]。此外，部分鲕粒外部圈层连续性差，有时因溶解导致圈层断开或破碎，这都可能是与硫酸盐还原细菌降解有机质形成弱酸性环境后相关的溶蚀作用所致。总的来说，微生物席中的颗粒及泥晶的形成都代表了一种复杂的有机矿化作用过程[37]。尽管已经从现代叠层石的研究中取得了一些进展，并对古代微生物碳酸盐岩进行了解释，但大多缺乏现代类比物，这些认识难免会存在偏差。正如Dupraz[37]所建议的那样，所有的微生物过程都需要详细解释，而目前的研究仅触及冰山一角，而且穿过“成岩作用的过滤器”，微生物席的许多原生特征已经破坏或变得模糊不清，如何解释微生物席及其内部的生物颗粒成因将是未来最大的挑战[2,37]。

5 结 论

河北承德路通沟剖面凤山组中的叠层石生物丘，发育在中高能正常浅海环境中，粗糙的叠层石纹层和特别的发育环境代表了较为壮观的沉积学现象。在以致密泥晶和微亮晶为主所构成的叠层石中，出现明显的丝状钙化蓝细菌和“石松藻”状的钙化蓝细菌菌落残余物，指示了这些叠层石为蓝细菌主导的微生物席的钙化作用产物；再者，叠层石中的凝块、球粒、底栖鲕粒的发育，反映为微生物席内复杂的生物膜钙化作用产物，说明了微生物席是多重状微生物膜的特点。更为重要的是，在致密泥晶中零散分布的小型黄铁矿颗粒集合体，说明从微生物席复杂的钙化作用形成叠层石的过程中，硫酸盐还原细菌降解微生物席并促进钙化作用。所以说，路通沟剖面凤山组中的叠层石生物丘的复杂的微组构特征代表了叠层石形成的复杂的微生物作用和碳酸盐沉淀作用过程，为研究叠层石复杂的形成机理提供了许多重要的微生物作用信号而具有较为重要的科学意义。

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