劉賀娟，孫曉嶺，王德海

（1．克勞斯塔爾工業(yè)大學 石油工程研究所，下薩克森 克勞斯塔爾－采勒費爾德 38678；2．太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024；3．鄂爾多斯職業(yè)學院 礦業(yè)系，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；4．吉林大學 地球科學學院，吉林 長春 130061）

0 引 言

微生物對沉積基底的影響，在碳酸鹽巖和碎屑巖中都所有涉及。一般來講，與微生物相關的地質研究主要集中在碳酸鹽巖中。20世紀90年代以來，隨著研究的深入，地質學家在前寒武紀碎屑巖中發(fā)現(xiàn)了大量的層面或層內(nèi)原生沉積構造，Noffke等最早將其定義為第五類原生沉積構造［1］。這些發(fā)育在碎屑巖中的各種與微生物相關的沉積構造被命名為微生物席成因構造（MISS，microbially induced sedimentary structures），是微生物群落及其生命活動與沉積物相互作用在水－沉積物界面形成的一種生物沉積構造，是微生物生命活動產(chǎn)生的微生物席遭受破壞后殘留的產(chǎn)物。近年來，微生物席在特殊沉積構造形成中的作用引起很多學者的關注［2－13］。

前寒武紀地層中存在一些特殊的沉積構造，如串嶺溝組中的砂脈構造和被稱為前寒武紀之謎的“臼齒狀構造”等。它們的成因機制歷來存在很多爭議，砂脈構造在陸源碎屑巖層序中多有報道，從元古代到現(xiàn)今都有發(fā)現(xiàn)，在元古代地層尤其發(fā)育，曾被認為是遺跡化石［14－15］，還被解釋為地震振蕩形成的“砂質液化脈”［16］，以及甲烷氣體逃逸后再充填的產(chǎn)物［9］，或是與微生物席有關的沉積構造，即為微生物席層經(jīng)暴露脫水收縮產(chǎn)生裂隙而后被沉積物快速充填的結果［3，8，17］。臼齒構造（微亮晶集合體）被解釋為地震液化成因［18－20］，有機、無機和生物地球化學成因等［21－35］，該構造具有特定的時限性，即中—新元古代（650～1 700Ma），并且具有全球性分布的特點。綜合多種成因機制來看，臼齒構造的形成機制復雜，是多種機制共同作用的結果，誘發(fā)因素可能多樣，但由于大量的臼齒構造發(fā)育層位常存在丘狀交錯層理，從而說明風暴流引起的海底流體流動以及可能引起的與孔隙流體的滲流混合是誘發(fā)微亮晶集合體形成的主因，而微生物地球化學作用則參與了這一過程，所以其應屬于微生物－流體力學－地球化學耦合作用的結果。

薊縣剖面因其中—新元古代地層發(fā)育齊全，前人已開展大量研究［36］，但依然有許多問題尚未解決，如疊層石成因、皺飾構造（大象皮構造）成因等［8］，最典型的就是串嶺溝組中砂脈構造和高于莊組［37］中臼齒構造的研究，這類特殊的沉積構造因其形態(tài)的復雜和特定的沉積環(huán)境，可能與前寒武紀的生命演化存在某種關聯(lián)。前人主要從沉積序列、沉積環(huán)境等角度對兩者進行單獨研究，沒有一個綜合的對比研究結果。兩者在形態(tài)上本身有一定的相似性，在野外僅憑形態(tài)有時無法準確區(qū)分，很容易造成具體應用上的混亂。前人一般從生物地球化學角度探討其成因，很少考慮流體力學的作用，盡管近年來也有人從流體力學與化學綜合角度進行研究，認為元古代特殊大氣成分背景下海水中的風暴流攜帶Ca2＋與Mg2＋與裂隙共同作用，滲透進入裂隙系統(tǒng)與原生孔隙水產(chǎn)生化學反應促使方解石快速結晶，但流體力學－化學－生物的耦合研究依然少見，因為微生物－沉積－流體力學耦合作用對特定的沉積微環(huán)境有重要的控制作用，所以有著重要的意義。筆者通過對薊縣剖面發(fā)育的砂脈構造和臼齒構造進行對比研究，從宏觀、微觀特征以及發(fā)育的層序地層位置等角度歸納兩者的異同，包括外觀形態(tài)、與底基質接觸關系、與層理關系、組成礦物成分、沉積環(huán)境、成巖特征、裂隙基質的控制方式、分布時限、成因模式等；此外，通過與宏觀藻類化石共生的臼齒構造微觀特征研究，揭示臼齒構造微生物作用的影響。

1 發(fā)育的層序位置

燕山地區(qū)中—新元古界地層發(fā)育齊全，厚度巨大，可作為研究中—新元古代地層演化的標準剖面。本文研究范圍是薊縣剖面串嶺溝組和高于莊組（圖1）。在這2個地層內(nèi)都發(fā)育有特殊的沉積構造，它們在形態(tài)上有一定的相似性，類似于紡錘形，歷來成為爭論的焦點，這2種沉積構造分別稱為砂脈構造和臼齒構造。

圖1 研究區(qū)位置和地層分布Fig．1 Location of the Study Area and Distribution of Stratigraphy

砂脈構造是一種砂體擴張侵入構造，形成于地層砂層向非滲透層侵入的過程，包括平行層理面侵入和穿越層理面侵入2種類型。砂脈構造在儲層砂體中十分常見，是砂體侵入和再活動的結果。關于其命名，不同學者也有不同的叫法，如“液化砂巖脈”［16］、“粉砂巖墻”［8］、“紡錘狀構造”［11］、“砂質裂痕”［17］、“砂脈構造”［9］等，其底基質為泥頁巖，脈體內(nèi)為粉砂級石英顆粒。其分布時限比較廣泛，從元古代到新生代都有出現(xiàn)，顯示普遍存在的現(xiàn)象。

臼齒構造碳酸鹽巖是局限于中—新元古代的一種特殊類型的碳酸鹽巖?！熬数X”（Molar－tooth）一詞最早由Bauerman使用，用來描述加拿大與美國北部邊境附近貝爾特（Belt）超群的碳酸鹽巖中具有類似于大象臼齒特征的碳酸鹽巖，從其發(fā)現(xiàn)至今一直是沉積學研究爭論的焦點［28］。關于臼齒構造碳酸鹽巖的叫法很多，如“蠕條灰?guī)r”、“泥晶脈”、“液化脈”、“微亮晶”等，其底基質為泥晶碳酸鹽巖或泥頁巖。

從層序地層位置來看，砂脈構造發(fā)育于串嶺溝組底部（圖2），主要產(chǎn)在潮坪相至潮上坪相的粉砂質泥頁巖中（圖3），該粉砂質泥頁巖發(fā)育粉砂巖薄層和透鏡體，它們構成三級層序的海進體系域和高位體系域。臼齒構造發(fā)育于高于莊組中的第三亞組（張家峪亞組）中，下部主要巖性為層紋石狀白云質灰?guī)r、紋理化灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、厚層白云巖、黑色含白云質粉砂質頁巖和瘤狀灰?guī)r，水平紋層發(fā)育；中部為厚層狀含灰白云巖與灰質白云巖互層；上部為中厚層白云質灰?guī)r、薄層狀含結核灰質白云巖和臼齒構造碳酸鹽巖，層序地層位置屬于最大海平面上升期，即廣泛的深水環(huán)境背景。從砂脈構造和臼齒構造的全球分布范圍來看［38］，臼齒構造碳酸鹽巖的分布范圍更加廣泛，目前已發(fā)現(xiàn)在加拿大、美國、歐洲、非洲、澳大利亞、西伯利亞和中國等近40多個國家或地區(qū)的地層中有出露，從板塊位置來看，不僅在邊緣，在板內(nèi)也有大量分布；砂脈構造主要在大陸板塊邊緣地區(qū)分布，如非洲南部（南非、納米比亞等）、亞洲南部（越南、柬埔寨等）、法國、美國夏威夷和加利福尼亞等以及中國中東部（天津和山東等）。

圖2 薊縣剖面砂脈構造及臼齒構造的發(fā)育位置Fig．2 Position of Sand Dyke and Molar－tooth Structures in Jixian Section

圖3 臼齒構造和砂脈構造的古地理環(huán)境（單位：m）Fig．3 Paleogeographic Environment of Sand Dyke and Molar－tooth Structures（Unit：m）

2 宏觀和微相特征

2．1 砂脈構造

砂脈構造在層面上表現(xiàn)為不規(guī)則分布的細長砂脊或彎曲的砂質條帶［圖4（d）］，呈紡錘形，即兩端收縮，中部略寬，沿層面呈雜亂分布狀態(tài)，無明顯方向性。砂脈在垂直層面方向上多呈近直立或“腸狀”彎曲的小型脈狀體［圖4（a）、（c）］，頂、底通常都尖滅于薄砂層，而且薄砂層顯示被砂脈向下和向上頂起的現(xiàn)象［圖4（c）］，顯示砂脈構造對薄砂層的改造和兩者形成的順序。按照砂脈構造和薄砂層的關系，將其劃分為3種類型：砂脈構造為底部終止于連續(xù)的薄砂層［圖4（c）中A處］；砂脈切穿薄砂層，并向下延伸［圖4（c）中B處］；在底基質中孤立的砂脈，與連續(xù)的薄砂層不接觸［圖4（c）中C處］。砂脈的成分相對較純凈，由均一的細粒粉砂級石英顆粒和少量泥質組成，含少量長石和云母等，并可見少量自生的方解石、黃鐵礦。

2．2 臼齒構造

臼齒構造宏觀形態(tài)復雜，平面上呈條帶狀［圖4（b）］、瘤狀或碎片狀等，與砂脈構造相似，以紡錘形為主。在偏光顯微鏡下，微亮晶呈緊密排列的方解石集合體，與周圍基質物質界線呈截然接觸關系，邊緣常呈波狀，微亮晶條帶呈復雜揉皺形態(tài)，常穿越基質紋層或將基質紋層頂起，而呈現(xiàn)出紋層上、下被頂起的形態(tài)［圖5（a）］。基質主要由泥晶方解石組成，通常含黏土物質、少量石英顆粒和草莓狀黃鐵礦，而臼齒構造部分則由純凈的微亮晶方解石（球霞石）組成，粒度比較均一，個體直徑為5～15μm的方解石晶體，有的臼齒構造內(nèi)部可包含基質物質和草莓狀黃鐵礦［圖5（b）］。臼齒構造最引人注意的是其結晶粒度和均一性問題，這需要考慮晶體生成動力學問題。由于微亮晶的晶粒小，而且近于均一等粒，可見CaCO3的過飽和度很高，致使晶核數(shù)目較多，并且快速生長。關于微亮晶晶核的形成和晶體生長，還有待于進一步研究。

有些微亮晶方解石本身的晶體粒度并不完全一致，依粒度不同和排列的密集度可顯示出一定的紋理，顯現(xiàn)出一定的“流動性”。從圖5（d）可以看出，在臼齒構造末端，微亮晶顆粒呈分散狀分布，這些散點狀分布的微亮晶顆粒在臼齒構造條帶固結成巖時未來得及聚集到臼齒構造主體上，這可能與這些顆粒未能克服底基質的黏性阻力而被限制在底基質中有關，也可能是在臼齒構造成巖過程中脫氣脫水作用引起部分溶液在脫水過程中結晶而散布于基質中而形成。微亮晶顆粒間缺少沉積充填物，說明臼齒構造是在純凈的相對靜水環(huán)境下形成。臼齒構造應是早期固結成巖作用的產(chǎn)物，而底基質的固結成巖作用較緩慢。圖5（c）顯示出底基質中沉積物被擠壓進臼齒構造中；圖5（a）顯示臼齒構造使底基質紋層強烈變形。

圖4 薊縣剖面串嶺溝組砂脈構造和高于莊組臼齒構造宏觀形態(tài)Fig．4 Macroscopic Morphologies of Molar－tooth Structure in Gaoyuzhuang Formation and Sand Dyke Structure in Chuanlinggou Formation of Jixian Section

對于與宏觀藻類化石［39］共生的臼齒構造（圖6）顯微研究表明，臼齒構造和宏觀藻類化石具有截然不同的特征，臼齒構造內(nèi)部微亮晶顆粒特別純凈，晶體之間緊密接觸，而宏觀藻類化石也與底基質有明顯的邊界，但呈現(xiàn)球狀的外形，球體由泥晶方解石和白云石組成，且具有硅化的特點，球核由一些絲狀的有機質組成，并含石英顆粒，F(xiàn)e含量高。

3 特殊沉積構造的成因

有關砂脈構造的成因解釋很多。宋天銳等根據(jù)彎曲揉皺狀的砂質充填管形態(tài)將砂脈構造解釋為最古老的后生動物遺跡化石［14－15］；喬秀夫等將這種砂脈構造解釋為地震液化作用產(chǎn)物［16］，但除了砂脈上凸的頂界面以及宿主巖石相應彎曲所顯示的軟沉積物變形以外，串嶺溝組下部粉砂質泥頁巖巖層中缺乏普遍的地震變形構造；史曉穎等將這種砂脈構造解釋為甲烷氣逃逸的沉積標志，認為砂脈構造是早期成巖階段前，由來自上覆薄砂層的細—粉砂灌入甲烷緩慢逃逸的通道而成［9］，這種觀點很有代表性。甲烷氣體的產(chǎn)生和逃逸是一個不爭的事實，但將其單純歸結為甲烷氣體的逃逸卻有待商榷，因為有機質在轉化過程中并不單單產(chǎn)生甲烷，而且還伴隨有CO2、H2S等，串嶺溝組粉砂質頁巖中的底基質和砂脈中黃鐵礦的成因可能是H2S作用的結果，而且在未固結的泥質沉積物中維持開放的裂隙空間需要有足夠大的壓力，僅靠氣體逃逸產(chǎn)生氣壓是不夠的。

圖5 薊縣剖面高于莊組臼齒構造微觀特征Fig．5 Microscopic Characteristics of Molar－tooth Structure in Gaoyuzhuang Formation of Jixian Section

串嶺溝組時期發(fā)育特殊的砂脈構造，可能與當時特定的沉積環(huán)境和古地理背景有很大關系。串嶺溝組時期，燕遼坳拉槽受全球海平面變化和構造沉降作用的雙重影響，形成潟湖相滯流海盆，砂脈構造發(fā)育于薊縣地區(qū)與宣化地區(qū)的宣龍式鐵礦的頂、底板層位［40］以及北京十三陵地區(qū)。這些都集中分布于同生斷裂帶附近，向北部裂陷槽肩部為典型海進超覆的淺海沉積，盆地西北部發(fā)育著名的串嶺溝組鮞狀、腎狀赤鐵礦（由典型的生物成礦作用產(chǎn)生）。這些特征表明深部同生斷裂活動可能為微生物生長帶來了豐富的礦物質而有利于微生物席的形成。微生物席層經(jīng)間歇暴露后會發(fā)生脫水收縮，席層產(chǎn)生裂隙，而后被沉積物快速充填而形成砂脈構造［17］。砂脈構造實質上是脫水裂痕被砂質碎屑物充填的結果，而脫水裂痕的形態(tài)多樣化，有孤立的紡錘狀、多邊形網(wǎng)狀、鳥足狀、放射狀、葉脈狀、曲線狀等，而紡錘狀和網(wǎng)狀在地層中發(fā)現(xiàn)最多，也最易識別，本文所說的砂脈構造其實就是紡錘狀的脫水裂痕。當覆蓋在松散砂質沉積物上的微生物席產(chǎn)生裂隙后，裂隙可以延伸到下覆的砂層內(nèi)，當裂隙被從上往下充填時，這些充填物的成分應不同于被席層覆蓋的砂層組分；而對于在上覆沉積層或水體壓力驅使下導致的砂體侵入，其成分與被覆蓋層砂體一致。串嶺溝組中砂脈構造應是微生物席作用后的結果，即當微生物席暴露時，脫水收縮，產(chǎn)生裂隙，大多數(shù)微生物會因暴露缺水而死亡，僅有少量存活在裂隙中，而殘留的微生物在海水覆蓋后繼續(xù)在裂隙中生長，海侵過程中裹挾來的砂質碎屑顆粒一方面覆蓋先存的微生物席，另一方面充填裂縫和被其中微生物粘結，被埋藏后的微生物席在遭受分解過程中會產(chǎn)生大量氣體，這些氣體更易沿著先存的充填裂縫運移，致使砂脈頂起上覆砂層，形成小帳篷構造，壓實作用的改造使得砂脈形態(tài)更復雜。

與砂脈構造相比，臼齒構造的成因可能更為復雜，其特定的時限性（中、新元古代）就顯示了與砂脈構造完全不同的誘因。臼齒構造碳酸鹽巖在地質歷史中扮演一個重要角色，臼齒構造的發(fā)育時限與生物演化進程一致，臼齒構造消失以后出現(xiàn)了寒武紀生命大爆發(fā)，它在地球歷史生命演化中究竟起著怎樣的作用？目前，對臼齒構造較為合理的解釋是微生物地球化學機制和風暴流引起的流體流動模式，筆者認為臼齒構造屬于一種事件沉積，即局限在特定的沉積背景下，多種機制共同作用的結果，其涉及微生物－流體力學－地球化學的耦合作用影響。現(xiàn)有的幾種典型機制都有其合理性，但必須分清主因和次因以及內(nèi)因和外因問題，因其具有特定的時限性，所以從根本原因著手解釋臼齒構造的形成更有說服性。臼齒構造的形成必須具備2個必要條件：微亮晶的形成；微亮晶的沉淀場所（孔隙介質系統(tǒng)）。

圖6 薊縣剖面高于莊組臼齒構造與宏觀藻類化石共生Fig．6 Intergrowth of Molar－tooth Structure and Macro－algae Fossil in Gaoyuzhuang Formation of Jixian Section

（2）孔隙介質系統(tǒng)：形成臼齒構造的場所通常伴生有丘狀交錯層理，表明未固結的沉積層位于風暴浪基面附近，沉積物表面約1m以下允許海水和孔隙水的快速混合；另外，富含有機質的沉積層被埋藏后會在微生物的作用下分解產(chǎn)生氣體，當原地孔隙空間中地層水壓力或氣體膨脹壓力大于巖石破裂壓力時，會導致未固結巖石破裂產(chǎn)生大量孔隙空間（裂縫或孔隙系統(tǒng)），并導致原來孔隙網(wǎng)絡系統(tǒng)的復雜化，這些孔隙系統(tǒng)中發(fā)生微亮晶聚集，依據(jù)孔隙空間的形態(tài)呈現(xiàn)各種臼齒構造形態(tài)。孔隙系統(tǒng)改造和臼齒構造呈復雜化，隨著裂縫中礦物的結晶沉淀（微亮晶）導致流體和氣體的排出，使得原孔隙壓力降低，裂縫閉合，伴隨微亮晶的生長導致原孔隙流體從孔隙中排出并向周圍孔隙介質運移擴散，使得孔隙流體壓力在附近基質中積累，因此隨后也導致了裂隙的進一步發(fā)展和臼齒構造在基質中的進一步擴展，后期對臼齒構造和底基質的差異壓實改造使得臼齒構造外觀形態(tài)更加復雜，同時使得底基質發(fā)生類似塑性流動。

通過對薊縣地區(qū)這類特殊沉積構造的分析，筆者總結了砂脈構造和臼齒構造相似性和差異性特征，兩者的比較分析對認識這類特殊沉積構造的形成和特征有重要作用（表1）。

表1 砂脈構造和臼齒構造的差異性和相似性Tab．1 Difference and Similarity of Sand Dyke and Molar－tooth Structures

4 結 語

（1）砂脈構造和臼齒構造（微亮晶集合體）的脈體本身和底基質都存在很大差異。串嶺溝組中砂脈構造脈體本身成分特別純凈，由均一的細粒—粗粒粉砂級石英顆粒和少量泥質組成，含少量長石和云母等，并可見少量自生的方解石、黃鐵礦顆粒；宿主巖石為有機質含量豐富的灰色頁巖或泥巖，含豐富的黏土礦物（主要為伊利石）和少量的黃鐵礦，有機質含量很高。高于莊組中臼齒構造由均一的、直徑5～15μm的微亮晶方解石組成（球霞石）；宿主巖石為泥粉晶灰?guī)r、粉屑灰?guī)r等，由顆粒比較細的泥晶方解石組成，通常含黏土物質、少量石英顆粒和草莓狀黃鐵礦。兩者在分布時限、沉積環(huán)境、伴生構造、沉積方式、成因模式等方面存在很大差異，同時也存在很大的相似性，如都與底基質呈截然接觸關系，底基質和脈體本身都含有較多的黃鐵礦和有機質，顯示還原環(huán)境的產(chǎn)物。

（2）綜合砂脈構造和臼齒構造的特點，表明兩者最大的區(qū)別是砂脈構造為一種充填沉積，是碎屑顆粒被搬運后受微生物黏結作用再沉積的結果，而臼齒構造為一種自生沉積，是化學沉積形式，即飽和碳酸鹽流體在孔隙中結晶沉淀的結果。在兩者形成之前，水－底基質界面都曾發(fā)育過微生物席作用，微生物席在暴露干裂后由于廣泛海侵使得砂體充填而后在成巖改造過程中形成砂脈構造，而臼齒構造是由于微生物席的進一步被埋藏，在相對封閉的碳酸鹽巖軟泥中發(fā)生分解作用，產(chǎn)生CO2、CH4、H2S等，使得相對封閉的碳酸鹽軟泥中的孔隙壓力增大，發(fā)生破裂產(chǎn)生裂縫；另一方面，這些氣體溶解后形成的酸性流體進一步促進裂縫的發(fā)育，而后在裂縫中原地沉積微亮晶，由于前寒武紀碳酸鈣過飽和度較大，所以形成大量的微亮晶晶核和微米級晶體顆粒，它們形成后迅速沉降和固化成巖導致原孔隙排水和脫氣，使得裂隙不斷在軟泥中其他部位發(fā)育，并發(fā)生相似的過程，從而使得臼齒構造在底基質中的形態(tài)更加復雜。成分上的差異與所處古地理背景有關，砂脈構造可能形成水體略淺一些，發(fā)育于海侵背景（大量微生物繁殖），而臼齒構造產(chǎn)生水體較深，形成于最大海泛之后的深水背景，風暴流與孔隙流體的對流運輸促進了微亮晶的快速結晶沉淀，涉及微生物－地球化學－流體力學的耦合作用。

（3）由于成因機制上一直存在的分歧，只有對這種特殊沉積構造進行大量分析，才能更確切地認識沉積構造的成因，僅憑某一地點的數(shù)據(jù)比較片面。總結兩者異同有助于對其更清晰的認識，但還需要在以后的研究中不斷補充野外和試驗證據(jù)來驗證這類復雜沉積構造的成因特征。

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