殷振軒， 左銀輝， 肖恩照， KHALID Latif

( 1. 成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，四川 成都 610059； 2. 自然資源部極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國極地研究中心，上海 200136； 3. National Centre of Excellence in Geology, University of Peshawar, 25130 )

0 引言

均一石(Leiolite)由BRAGA J C等[1]提出，描述宏觀上以穹隆狀生物丘構(gòu)造及顏色差異與普通灰?guī)r區(qū)分的一類相對(duì)均一、隱晶質(zhì)巖性、無紋層或凝塊結(jié)構(gòu)的中等構(gòu)造微生物成因沉積[2-8]。構(gòu)成該類生物丘主體的均一石具有貧乏結(jié)塊、成層或樹枝狀等構(gòu)造，在分類研究中并不能簡單歸類為早期微生物巖分類中的疊層石或凝塊石。在微生物碳酸鹽巖分類中，RIDING R E等[2]、DUPRAZ C等[3-4]將均一石作為無明確宏觀組構(gòu)的單一分類使用；梅冥相等將均一石與疊層石、凝塊石、樹形石，以及后紋理石、核形石一同修訂為微生物碳酸鹽巖的6個(gè)大類[6-12]。不同于其他種類微生物碳酸鹽巖，均一石在介觀結(jié)構(gòu)上的貧乏與其顯微鏡下表現(xiàn)復(fù)雜非均一性沉積組構(gòu)，使均一石的成因機(jī)理及環(huán)境響應(yīng)等成為研究重點(diǎn)[6-8, 13]。了解構(gòu)成微生物席的藍(lán)細(xì)菌及其分泌的細(xì)胞外聚合物的復(fù)雜鈣化作用，探討多重微生物膜在不同環(huán)境復(fù)雜代謝作用及相應(yīng)產(chǎn)物，由于缺乏可類比的現(xiàn)代均一石實(shí)例，均一石的研究存在一定困難，均一石與碳酸鹽泥丘及粘結(jié)巖在形態(tài)及構(gòu)成上的相似性也造成均一石在概念上的不確定[7]。

華北地臺(tái)在寒武紀(jì)接受沉積較晚，總體屬于陸表海沉積，紐芬蘭世及第二世以泥巖、粉砂巖與碳酸鹽巖組成的混合沉積為主，苗嶺世中后期至芙蓉世，向上變化為以鮞粒灰?guī)r及碳酸鹽泥為主的碳酸鹽臺(tái)地沉積序列[6,14-20]。華北地臺(tái)碳酸鹽巖發(fā)育廣泛[21]，為微生物碳酸鹽巖沉積特征的研究提供實(shí)例和理論基礎(chǔ)，梅冥相等[22-23]、常玉光等[24]、辛浩等[25]描述寒武系疊層石生物丘沉積組構(gòu)；齊永安等[26]、LEE J H等[27]總結(jié)凝塊石及相關(guān)控制因素；HAN Z Z等[28]、肖恩照等[8,29]探討微生物席在核形石形成過程中的參與機(jī)制。

華北地臺(tái)寒武系疊層石[25,30-31]與核形石[8,12,29,32-34]研究較多，有關(guān)均一石的報(bào)道較少，在少數(shù)區(qū)域可見均一石生物丘發(fā)育，為寒武系均一石提供研究對(duì)象[6-8,13]?；谏綎|及河北地區(qū)均一石，梅冥相等[6-7]探討復(fù)雜的多重鈣化作用的形成機(jī)制與環(huán)境響應(yīng)；肖恩照等[8]描述均一石內(nèi)部復(fù)雜的微生物活動(dòng)信號(hào)，印證顯生宙第一幕藍(lán)細(xì)菌鈣化作用，討論促進(jìn)鈣碳酸鹽沉淀的微生物新陳代謝機(jī)制多樣性；LATIF K等[13]總結(jié)均一石內(nèi)部泥晶與微亮晶成因機(jī)制。筆者選取河北淶源祁家峪剖面和山西大同口泉剖面均一石，由宏觀至微觀尺度分析兩個(gè)剖面同期均一石的形態(tài)學(xué)及碳酸鹽巖微相，討論均一石在沉積組構(gòu)及環(huán)境響應(yīng)表現(xiàn)的差異，探討均一石形成過程中微生物席與局部環(huán)境因素的影響，為研究均一石形成機(jī)制提供對(duì)比實(shí)例。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

祁家峪剖面位于河北省淶源縣西10 km處，口泉剖面位于山西省大同市西南約25 km處、華北地臺(tái)中北部(見圖1)。華北地臺(tái)寒武系芙蓉統(tǒng)可與“炒米店組”相對(duì)應(yīng)，包含長山組及鳳山組，進(jìn)一步劃分為3個(gè)三級(jí)層序[6,8]。華北地臺(tái)寒武系芙蓉統(tǒng)與廣泛發(fā)育鮞粒灘為特征的苗嶺統(tǒng)之間，以下伏鮞?；?guī)r、上覆鈣質(zhì)泥巖組成的淹沒不整合型層序界面為底界[6-8,18,19]，而芙蓉統(tǒng)內(nèi)部鈣質(zhì)泥巖以向上變化為塊狀灰?guī)r為特點(diǎn)的緩坡型臺(tái)地，與下伏苗嶺統(tǒng)以鮞粒為特征的碳酸鹽臺(tái)地不同，芙蓉統(tǒng)內(nèi)部常見以微生物碳酸鹽巖為主導(dǎo)的生物丘[6-8]。寒武系芙蓉統(tǒng)頂界常見白云石化現(xiàn)象，代表與奧陶系之間由變淺和暴露導(dǎo)致的陸上不整合面，指示構(gòu)造抬升形成的特殊的華北地臺(tái)南緣潮坪相帶(見圖1(a))[6-8]。

祁家峪與口泉剖面長山組單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)三級(jí)層序，底界為陸棚相鈣質(zhì)泥巖與下伏崮山組鮞?；?guī)r組成的突然相變面，代表海平面快速上升形成的淹沒不整合型層序界面；頂界為長山組頂部的泥晶灰?guī)r與上覆鳳山組陸棚相鈣質(zhì)泥巖，同樣為典型的淹沒不整合型層序界面。祁家峪與口泉剖面長山組三級(jí)層序的底部為鈣質(zhì)泥巖構(gòu)成的凝縮段(CS)；中部高水位體系域(HST)主要由條帶狀泥晶灰?guī)r、泥灰?guī)r及生物潛穴灰?guī)r互層組成；頂部的強(qiáng)迫性海退體系域(FRST)由生物潛穴灰?guī)r與厚層塊狀泥晶灰?guī)r組成，以泥晶灰?guī)r內(nèi)部發(fā)育的均一石生物丘為特征(見圖1(b))[8,18-19]。

圖1 研究區(qū)位置及剖面長山組層序地層劃分(據(jù)文獻(xiàn)[6]修改)Fig.1 Study area location and sequence stratigraphic framework for the Changshan Formation(modified by reference [6])

祁家峪與口泉剖面長山組巖性變化趨勢(shì)相似，由底部陸棚相鈣質(zhì)泥巖，至中部以條帶狀泥晶灰?guī)r等為主的中、深緩坡相，再至頂部淺緩坡相厚層塊狀泥晶灰?guī)r，總體表現(xiàn)為向上變淺(見圖1(b))。兩個(gè)剖面均一石發(fā)育層位為三級(jí)層序頂部的厚層塊狀泥晶灰?guī)r，構(gòu)成各自三級(jí)層序的強(qiáng)迫性海退體系域，代表相對(duì)海平面下降階段形成的產(chǎn)物(見圖2(a、c))。

圖2 均一石生物丘宏觀特征Fig.2 General features of the leiolitic bioherm

2 均一石宏觀特征

祁家峪與口泉剖面均一石在宏觀上具有較為相似的特征，與均一石的均一、隱晶質(zhì)、無紋層、無凝塊結(jié)構(gòu)的定義較為一致，野外表現(xiàn)為均一性隱晶質(zhì)，以米級(jí)穹窿狀碳酸鹽巖丘體的形式發(fā)育于長山組頂界厚層塊狀泥晶灰?guī)r層，邊界清晰，可見與圍巖之間的突變邊界(見圖2(b、d))，具有早期石化作用特點(diǎn)[6-7,20]。這些丘狀體宏觀上形成較為明顯的巖體起伏，與RIDING R描述的生物丘相符[35]。生物丘主體不發(fā)育明顯組構(gòu)，顏色差別與周圍塊狀灰?guī)r較易區(qū)分，與相同層序地層位置發(fā)育在鮞?；?guī)r內(nèi)部的生物丘相比，產(chǎn)出位置雖同為淺緩坡，但發(fā)育在泥晶灰?guī)r中且缺少紋層等特征的均一石生物丘水體環(huán)境更深[6-8]。構(gòu)成均一石生物丘的致密泥晶代表均勻堆積的結(jié)果，表明均一石生物丘可能為淺緩坡動(dòng)蕩環(huán)境下微生物席底棲生長的產(chǎn)物。

3 均一石微觀特征

顯微鏡觀察結(jié)果顯示，祁家峪與口泉剖面的寒武系芙蓉統(tǒng)長山組均一石生物丘內(nèi)部主要由暗色泥晶與微亮晶組成，含有較多生物碎屑。均一石內(nèi)部鈣化微生物化石種類較為相似，主要包括附枝菌(Epiphyton)、葛萬菌(Girvanella)及腎形菌(Renalcis)。均一石內(nèi)部發(fā)育大量黃鐵礦顆粒，說明在均一石形成過程中有藍(lán)細(xì)菌與異養(yǎng)細(xì)菌的參與。

3.1 附枝菌(Epiphyton)

祁家峪和口泉剖面均一石生物丘發(fā)育較為典型的附枝菌(Epiphyton)(見圖3(a-b))。附枝菌在外形上呈分叉的管狀樹狀體，放射狀、扇形狀密集發(fā)育；附枝菌在縱向截面表現(xiàn)為樹枝狀，在橫向截面表現(xiàn)為圓球狀，分枝呈圓棒狀，直徑介于40～90 μm，基本構(gòu)成主要為暗色泥晶。

圖3 均一石生物丘內(nèi)部附枝菌Fig.3 Images showing Epiphyton in the leiolitic bioherm

相對(duì)于祁家峪剖面，口泉剖面均一石生物丘內(nèi)部附枝菌(見圖3(c-d))表現(xiàn)為：(1)附枝菌絲狀體分枝的直徑大多更粗更長，直徑大于60 μm；(2)附枝菌絲狀體分枝及主干的中心部位出現(xiàn)中空微亮晶區(qū)域，更接近基座菌(Hedstroemia)的特征[6]。根據(jù)附枝菌分枝直徑及其菌落基本形態(tài)，劃分4類附枝菌，為較粗枝杈狀(類型Ⅰ)、分段枝杈狀(類型Ⅱ)、較細(xì)枝杈狀(類型Ⅲ)和管狀枝杈狀(類型Ⅳ)。祁家峪剖面均一石生物丘內(nèi)部主要發(fā)育類型Ⅲ附枝菌[36]，口泉剖面均一石生物丘內(nèi)部附枝菌發(fā)育較粗大的分支，劃分為類型Ⅰ附枝菌。

3.2 葛萬菌(Girvanella)

祁家峪和口泉剖面均一石生物丘內(nèi)部發(fā)育豐富的葛萬菌(Girvanella)絲狀體，呈均勻且長度不等的細(xì)長管狀，部分較長的個(gè)體可達(dá)毫米級(jí)，為相連細(xì)胞列和外部多糖質(zhì)膠鞘組成的藍(lán)細(xì)菌化石，代表藍(lán)細(xì)菌鞘的活體鈣化作用的產(chǎn)物[5,37]。葛萬菌絲狀體外部為一層厚度約為5 μm暗色泥晶鞘壁，內(nèi)部由亮晶方解石構(gòu)成，內(nèi)部直徑為10～20 μm。祁家峪剖面均一石生物丘內(nèi)部葛萬菌呈不規(guī)則條帶狀分布，有小部分互相纏繞聚集為小團(tuán)塊或單個(gè)絲狀體(見圖4(a- b))?？谌拭婢皇锴饍?nèi)部葛萬菌絲狀體更具有定向發(fā)育的特點(diǎn)，外部呈同一方向排列的條帶狀分布，葛萬菌條帶群落內(nèi)部絲狀體相互聚集纏繞，但有一定的定向性(見圖4(c-d))，可能是底棲微生物席受水流的影響而形成的順流定向生長現(xiàn)象。

圖4 均一石生物丘內(nèi)部葛萬菌Fig.4 Images showing Girvanella in the leiolitic bioherm

3.3 腎形菌(Renalcis)

祁家峪和口泉剖面均一石生物丘內(nèi)部發(fā)育的腎形菌(Renalcis)在形態(tài)上比較多樣，表現(xiàn)為空的、不規(guī)則球狀(見圖5(a-b))、囊狀(見圖5(d))或直立生長腎臟形狀的束狀體。兩個(gè)剖面均一石生物丘內(nèi)部發(fā)育的腎形菌主體表現(xiàn)為富含有機(jī)質(zhì)的暗色泥晶壁，厚度約為10 μm，中腔直徑約為50 μm，被微亮晶方解石填充。顯微鏡下觀察可見不同形態(tài)的腎形菌菌落密集產(chǎn)出，形成毫米級(jí)葡萄狀群體(見圖5(c))。腎形菌被描述為球狀藍(lán)細(xì)菌菌落的鞘體鈣化產(chǎn)物，對(duì)光照、營養(yǎng)物等環(huán)境因素的變化具有更高的忍耐性。

圖5 均一石生物丘內(nèi)部腎形菌Fig.5 Images showing Renalcis in the leiolitic bioherm

3.4 特殊藍(lán)細(xì)菌絲狀體化石

口泉剖面均一石內(nèi)部可見一種以暗色泥晶(見圖6(a-c))為主要構(gòu)成，集中產(chǎn)出毫米級(jí)絲狀體，在形態(tài)上無分叉且個(gè)體間無相互纏繞現(xiàn)象，常呈平行排列(見圖6(b))，可見較少的交叉或重疊現(xiàn)象。在外觀上，該類微生物絲狀體化石與葛萬菌絲狀體化石高度相似，內(nèi)部未見由微亮晶方解石構(gòu)成的空腔、個(gè)體之間無纏繞的平行排列模式，以及這類絲狀體更大的單體長度證明區(qū)別于常見的葛萬菌化石，可類比于現(xiàn)代的織線菌(Plectonema)，代表大氣圈CO2濃縮作用(CCM)機(jī)制的結(jié)果。

圖6 口泉剖面均一石生物丘內(nèi)部絲狀微生物化石Fig.6 Images showing filamentous microbial fossils in the leiolitic bioherm from Kouquan Section

3.5 黃鐵礦顆粒

在祁家峪剖面寒武系芙蓉統(tǒng)長山組均一石的致密泥晶組構(gòu)中，可見一種黑色黃鐵礦顆粒(見圖7)，直徑為5～30 μm，局部可見等粒狀亞微米級(jí)黃鐵礦晶體聚集成球形集合體[38]。作為碳酸鹽巖中硫酸鹽還原菌的遺跡化石[38]，黃鐵礦顆粒被描述為微生物席內(nèi)硫酸鹽還原菌主導(dǎo)的硫酸鹽還原反應(yīng)產(chǎn)物[39]，指示在均一石形成過程中有厭氧細(xì)菌的參與，以及均一石形成過程中復(fù)雜的微生物沉淀作用[6]。

圖7 祁家峪剖面均一石生物丘內(nèi)部黃鐵礦顆粒Fig.7 Images showing pyrite particle in the leiolitic bioherm from Qijiayu Section

4 討論

祁家峪與口泉剖面寒武系芙蓉統(tǒng)長山組具有相似的巖性變化趨勢(shì)，以均一石為主體的生物丘發(fā)育在三級(jí)層序頂部的強(qiáng)迫性海退體系域，代表兩個(gè)剖面均一石為相對(duì)海平面下降階段的產(chǎn)物。與相同層序地層位置發(fā)育的疊層石生物丘或核形石相比，均一石生物丘缺乏宏觀上動(dòng)蕩環(huán)境的指示(發(fā)育于鮞?；?guī)r)，以及自身無明顯紋層等介觀結(jié)構(gòu)特征，指示均一石生物丘發(fā)育于淺緩坡相相對(duì)較深的位置。均一石生物丘與塊狀泥晶灰?guī)r之間的明顯邊界表明，均一石生物丘在形成過程中受微生物席約束，其內(nèi)部顏色較淺的致密泥晶指示微生物席內(nèi)存在持續(xù)進(jìn)行的均勻堆積作用[1-2]。兩個(gè)剖面均一石生物丘相同的層序地層位置，以及環(huán)境與內(nèi)部致密泥晶等特征，將均一石生物丘的形成描述為在缺乏風(fēng)暴等動(dòng)蕩因素的淺緩坡環(huán)境中，由光合作用微生物席固著后通過內(nèi)部復(fù)雜鈣化作用建造的產(chǎn)物。

均一石微觀特征觀察表明，兩個(gè)剖面均一石在微生物化石種類上表現(xiàn)部分相似性，豐富的附枝菌(Epiphyton)、葛萬菌(Girvanella)、腎形菌(Renalcis)的發(fā)育與顯生宙第一幕藍(lán)細(xì)菌鈣化作用事件及其代表的微生物碳酸鹽的復(fù)蘇期相吻合。葛萬菌絲狀體被描述為藍(lán)細(xì)菌鞘活體鈣化作用的產(chǎn)物，需要研究寒武紀(jì)較高的CO2含量及不需要借助CCM機(jī)制的藍(lán)細(xì)菌鞘鈣化作用[7]，葛萬菌與附枝菌等較為典型的鈣化藍(lán)細(xì)菌化石，代表兩個(gè)剖面均一石形成于以藍(lán)細(xì)菌為主導(dǎo)的光合作用微生物席內(nèi)復(fù)雜的鈣化作用[6]，說明微生物席分泌的細(xì)胞外聚合物基質(zhì)在致密泥晶的均勻堆積過程中發(fā)揮重要作用[3-4,6]。附枝菌的多處發(fā)育對(duì)寒武紀(jì)第三世末期“附枝菌滅絕事件”，以及可能存在的寒武紀(jì)第三世至芙蓉世的生物造礁樣式的轉(zhuǎn)變等認(rèn)識(shí)產(chǎn)生影響[8]。致密泥晶中可見黃鐵礦顆粒，指示硫酸鹽還原細(xì)菌的存在，以及硫酸鹽還原反應(yīng)及其產(chǎn)生的堿度發(fā)動(dòng)機(jī)在微生物沉淀作用中的貢獻(xiàn)。同時(shí)，表明均一石的形成是基于藍(lán)細(xì)菌主導(dǎo)的光合作用微生物席內(nèi)部鈣化作用，以及異養(yǎng)細(xì)菌對(duì)藍(lán)細(xì)菌及其分泌的細(xì)胞外聚合物質(zhì)(EPS)的降解過程。

祁家峪與口泉剖面在微生物化石特征上存在差異，口泉剖面附枝菌具有更粗大的分支、葛萬菌定向排列、腎形菌數(shù)量較多等。同時(shí)，口泉剖面均一石可見一種以群落集中出現(xiàn)的、可類比為織線菌(Plectonema)的絲狀微生物化石，織線菌被描述為藍(lán)細(xì)菌定殖過程中晚期演替的典型群落，指示微生物鉆孔等活動(dòng)的加劇及藍(lán)細(xì)菌演替模式向最穩(wěn)定階段的發(fā)展[40]。類似織線菌的絲狀微生物化石的發(fā)現(xiàn)，表明祁家峪和口泉剖面均一石生物丘在相似的形成機(jī)制中存在差異。這些差異現(xiàn)象代表局部環(huán)境因素需要研究確定，同時(shí)受限于均一石較少的研究報(bào)道與可類比的現(xiàn)代實(shí)例，分析差異現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的局部營養(yǎng)程度與微生物席的環(huán)境響應(yīng)機(jī)制存在困難。祁家峪和口泉剖面寒武系長山組均一石生物丘在微生物化石形態(tài)及種類上存在差異，證明構(gòu)筑均一石的微生物席具有藍(lán)細(xì)菌種類多樣性與生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜性特征。

5 結(jié)論

(1)華北地臺(tái)祁家峪和口泉剖面均一石生物丘發(fā)育于三級(jí)層序頂部的強(qiáng)迫性海退體系域，代表兩個(gè)剖面均一石為相對(duì)海平面下降階段的產(chǎn)物。

(2)祁家峪和口泉剖面均一石生物丘內(nèi)部可見的藍(lán)細(xì)菌化石種類高度相似，主要為附枝菌(Epiphyton)、葛萬菌(Girvanella)、腎形菌(Renalcis)，與顯生宙第一幕藍(lán)細(xì)菌鈣化作用和微生物碳酸鹽的復(fù)蘇期相吻合，代表兩個(gè)剖面均一石具有相近的微生物鈣化成因機(jī)制。

(3)黃鐵礦顆粒與藍(lán)細(xì)菌化石共同發(fā)育，代表均一石的形成是微生物席內(nèi)鈣化作用與異養(yǎng)細(xì)菌降解作用的共同結(jié)果。均一石生物丘內(nèi)部微生物化石形態(tài)特征上的差異，以及在口泉剖面可見的類比于織線菌(Plectonema)的絲狀體化石，代表兩個(gè)剖面均一石在局部環(huán)境及微生物多樣性上存在差異。