朱一丹

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083

0 引言

微生物巖(microbialite)最初由Burne等[1]定義,指由底棲微生物群落捕獲、粘結(jié)碎屑沉積物和(或)產(chǎn)生礦化位點(diǎn)而形成的有機(jī)沉淀物。微生物巖作為在微生物生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的原地底棲沉積物,廣泛用于描述疊層石、凝塊石和相似的發(fā)育于湖泊及海洋淺水地帶的丘狀和柱狀結(jié)構(gòu)等。微生物碳酸鹽巖(microbial carbonate)由Riding[2]定義,是微生物巖中最主要的一類,基于宏觀形態(tài)特征將其分為4大類,包括:紋層狀疊層石(stromatolite)、凝塊狀凝塊石(thrombolite)、樹(shù)枝狀樹(shù)形石(dentrolite)和貧乏組構(gòu)的均一石(leiolite)。后來(lái)梅冥相[3]做了部分補(bǔ)充,將核形石(oncolite)和紋理石(laminite)也納入微生物碳酸鹽巖分類體系中。在生物成因灰?guī)r所有類型中,微生物碳酸鹽巖有著最廣泛的地質(zhì)歷史和地理環(huán)境分布,能夠在各種復(fù)雜的沉積環(huán)境中形成。

均一石這一術(shù)語(yǔ)來(lái)源于希臘語(yǔ)“l(fā)eios”,指均一、平滑且無(wú)明顯宏觀構(gòu)造的巖石”[4]。Braga等[5]在描述西班牙東南部中新世陸架碳酸鹽和硅質(zhì)混合沉積中的微生物丘時(shí),首先將均一石納入微生物巖研究范圍,并將其定義為“相對(duì)貧乏且非晶質(zhì)中等構(gòu)造”。由于與“隱秘微生物”(cryptomicrobial)同義,曾被Kennard等[6]歸為凝塊石。現(xiàn)在所見(jiàn)到的均一石主要發(fā)育在古老地層中,如Riding描述的碳酸鹽泥丘[7],寒武系芙蓉統(tǒng)長(zhǎng)山組和鳳山組[8-10]以及苗嶺統(tǒng)崮山組[11]中的均一石生物丘。

河北秦皇島駐操營(yíng)剖面地層出露良好,從張夏組底部到頂部發(fā)育一套完整的三級(jí)海平面沉積層序,其中包含3個(gè)四級(jí)海平面沉積層序;且在三級(jí)海平面頂部的強(qiáng)迫型海退體系域中,發(fā)育均一石生物丘。通過(guò)野外實(shí)地考察并采樣,實(shí)驗(yàn)室將樣品制作成普通薄片,以便在偏光顯微鏡單偏光下觀察其微觀組構(gòu)?；谠摼皇暮暧^及微觀特征觀察,對(duì)駐操營(yíng)剖面張夏組中均一石的形成機(jī)制以及沉積環(huán)境進(jìn)行研究分析。盡管巴哈馬灘與澳大利亞鯊魚灣無(wú)紋層凝塊結(jié)構(gòu)的“疊層石”體、鹽湖中碳酸鹽巖結(jié)殼、具有生物穩(wěn)定性的碎屑微生物沙丘均與地質(zhì)記錄中的均一石具有一定的相似性[12-13],但迄今為止仍然沒(méi)有有關(guān)現(xiàn)代均一石的描述。就像近年來(lái)在熱泉沉積[14]和高鹽度潟湖[15]中發(fā)現(xiàn)絲狀藍(lán)細(xì)菌形成的樹(shù)形石現(xiàn)代類比物那樣,古老均一石的形成機(jī)制或許可以為找到現(xiàn)代類比物提供一個(gè)思考途徑。

1 地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造與沉積背景

河北秦皇島位于華北地臺(tái)東北緣,華北克拉通中、新元古代燕山裂陷槽盆地(燕遼海盆)東南邊緣(圖1a)[17]。研究區(qū)位于秦皇島市北部山區(qū)距市區(qū)30 km處(圖1b)。華北地臺(tái)整體表現(xiàn)為被動(dòng)大陸邊緣以及裂陷盆地的特征,其東北緣海相沉積較晚,大致在寒武紀(jì)第二世末期開(kāi)始沉積,形成一個(gè)典型的陸表海臺(tái)地,其上沉積了巨厚的淺海相碳酸鹽地層[18-19],且沉積序列在研究區(qū)都有良好出露。寒武系發(fā)育在古生代第一次海侵背景下,此時(shí)覆蓋在華北地臺(tái)之上的海洋被稱為“貧乏骨骼的風(fēng)暴?！盵20-21]。張夏組沉積時(shí)期,海侵范圍達(dá)到最大值[22],此時(shí)的華北地臺(tái)除西北小部分為古陸外,其余部分主要分為2個(gè)大相帶,一個(gè)是遠(yuǎn)離海洋、發(fā)育面積較少、以白云巖為主的局限潮坪相,另一個(gè)是大面積分布、以灰?guī)r為主的鮞粒灘相(圖2)。

據(jù)文獻(xiàn)[23]修編。

1.2 層序地層特征

研究區(qū)自下往上沉積第二統(tǒng)紅層與碳酸鹽巖混合沉積物[18]、苗嶺統(tǒng)鮞粒灘主導(dǎo)的碳酸鹽臺(tái)地(圖3)以及芙蓉統(tǒng)灰泥為主的碳酸鹽臺(tái)地沉積序列[24]。苗嶺統(tǒng)包含毛莊組、徐莊組、張夏組和崮山組。秦皇島寒武系苗嶺統(tǒng)張夏組構(gòu)成一個(gè)完整的淹沒(méi)不整合型三級(jí)層序(DS3)[25],可進(jìn)一步劃分為8個(gè)四級(jí)層序,包括海侵體系域(TST)、高水位體系域(HST)、強(qiáng)迫型海退體系域(FRST)。本文研究的均一石生物丘就發(fā)育在張夏組頂部強(qiáng)迫型海退體系域中[26],頂部鮞粒灘相灰?guī)r與泥晶灰?guī)r一起組成潮下型米級(jí)旋回[27],代表在高能環(huán)境下較慢的侵蝕作用以及較快速的碳酸鹽沉積。上覆崮山組為具有凝縮性質(zhì)的陸棚相鈣質(zhì)泥巖夾泥晶灰?guī)r透鏡體,直接覆蓋在含有鮞?；?guī)r及夾層的中至淺緩坡相灰?guī)r之上,表現(xiàn)為典型的淹沒(méi)不整合接觸[26]。

圖3 研究區(qū)地層柱狀圖

2 均一石生物丘

2.1 宏觀特征

河北秦皇島張夏組頂部集中發(fā)育一套數(shù)十米厚的均一石生物丘,直接覆蓋在疊層石生物丘之上,兩者有明顯的產(chǎn)出差異(圖4a,b)。均一石生物丘表現(xiàn)為灰白色致密均一的塊狀泥晶灰?guī)r,貧乏紋層和凝塊狀或樹(shù)枝狀組構(gòu),可見(jiàn)沖蝕溝槽,沖溝內(nèi)充填著細(xì)小顆粒組成的灰?guī)r(圖4c),界線比較清晰;局部還可見(jiàn)明顯的泥晶灰?guī)r充填的生物徑跡和生物潛穴(圖4d,e)。張夏組與上覆崮山組可見(jiàn)典型的淹沒(méi)不整合界面(圖4f)。

2.2 微觀特征

秦皇島張夏組頂部的均一石生物丘主要由暗色致密泥晶以及少量亮晶方解石構(gòu)成,局部可見(jiàn)毫米級(jí)別的暗色泥晶凝塊(圖5a,b)。這些富集有機(jī)質(zhì)的泥晶凝塊形態(tài)極不規(guī)則,內(nèi)部可見(jiàn)絲狀鈣化藍(lán)細(xì)菌,微凝塊之間還明顯可見(jiàn)皮殼光滑的底棲鮞粒,大小約0.3 mm,表現(xiàn)出較為明顯的與球狀微生物膜鈣化作用相關(guān)的顯微組構(gòu)[28-29]。致密泥晶中可見(jiàn)鈣質(zhì)海綿化石和三葉蟲骨架碎片化石(圖5c)、較為密集的生物潛穴(圖5d),以及可能是光合作用產(chǎn)生氧氣氣泡殘余物[30]的窗格狀組構(gòu)。生物潛穴內(nèi)充填近乎完全白云石化的霧心亮邊白云石晶體,代表富有機(jī)質(zhì)成巖微環(huán)境中的白云石沉淀物[31]和選擇性白云石化[32]產(chǎn)物,這些白云石填充物中可見(jiàn)葛萬(wàn)菌(圖5e,f)。均一石豐富的微觀特征與貧乏構(gòu)造的宏觀特征形成強(qiáng)烈的對(duì)比,反映了組成均一性的不規(guī)則增生作用。最為特別的是,均一石致密泥晶中發(fā)現(xiàn)鈣化藍(lán)細(xì)菌化石,以下將對(duì)這些藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行詳細(xì)描述。

a. 均一石中的暗色泥晶凝塊;b. a中方框區(qū)域放大,可見(jiàn)絲狀鈣化藍(lán)細(xì)菌(C)及底棲鮞粒(O);c. 均一石中發(fā)育的鈣質(zhì)海綿化石(Sp)及三葉蟲碎屑(S);d. 均一石內(nèi)的生物潛穴(B),內(nèi)部為白云石充填物;e. 白云石充填物;f. e中方框區(qū)域放大,可見(jiàn)葛萬(wàn)菌(G)。

2.2.1 基座菌

在均一石生物丘致密泥晶基質(zhì)中可見(jiàn)單株呈房室狀的基座菌(圖6a,b),這些菌落可發(fā)育在窗格狀組構(gòu)的周圍(圖6c,d),也可構(gòu)成毫米級(jí)別的泥晶團(tuán)塊(圖6e,f)。菌絲體由泥晶質(zhì)管構(gòu)成,直徑較細(xì),多在10～40 μm之間,管可形成狹窄的分叉樹(shù)狀體。菌落在縱向上呈扇形束狀體,相鄰的管可能共享共同的壁,或者是共享共同的隔膜?；梢灶惐扔诂F(xiàn)代膠須菌[33-34]。膠須菌表現(xiàn)為每一個(gè)絲狀體或管的異型細(xì)胞的終端均朝向菌落的中心,毛發(fā)狀絲狀體朝向菌落表面呈放射狀排列,且膠須菌是一種較為典型的固氮藍(lán)細(xì)菌[34]。

a. 房室狀基座菌;b. a中方框區(qū)域放大;c. 發(fā)育在窗格狀組構(gòu)(F)周圍的基座菌群落;d.c中方框區(qū)域放大;e,f. 基座菌構(gòu)成的泥晶團(tuán)塊。

2.2.2 附枝菌

秦皇島張夏組均一石致密泥晶中,不僅有成簇生長(zhǎng)的附枝菌(圖7a,b),也可見(jiàn)單獨(dú)產(chǎn)出的附枝菌(圖7c,d)。附枝菌既能生長(zhǎng)在暗色致密泥晶中,也能生長(zhǎng)在亮晶方解石膠結(jié)物中。單個(gè)菌體呈直立生長(zhǎng)的扇形,長(zhǎng)度50～200 μm,聚集在一起可形成大型灌木叢,長(zhǎng)度一般不超過(guò)2 mm,并且在一定位置二分叉形成樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)?！皹?shù)枝體”呈粗短的棒狀,長(zhǎng)度可達(dá)200 μm。附枝菌橫截面表現(xiàn)為實(shí)心圓球,由暗色泥晶構(gòu)成,直徑較基座菌大,多在50～80 μm之間。

a. 灌木叢狀附枝菌,其中F代表窗格狀組構(gòu);b. a中方框區(qū)域放大;c. 致密泥晶中單個(gè)生長(zhǎng)的附枝菌;d.c中方框區(qū)域放大。

2.2.3 腎形菌

均一石生物丘致密泥晶中發(fā)育腎形菌(圖8),其內(nèi)部中空,被亮晶方解石充填,外部由花瓣?duì)?、囊狀或不?guī)則形態(tài)的暗色泥晶壁構(gòu)成,個(gè)體往往相互疊置,組成毫米級(jí)別的集合體。腎形菌常常與附枝菌共生,曾被認(rèn)為是代表藻類生物生命周期不同階段的狀態(tài),也有人解釋為是球狀藍(lán)細(xì)菌鞘鈣化的產(chǎn)物,從而區(qū)別于可能為絲狀鈣化藍(lán)細(xì)菌的附枝菌[35-36]。

2.2.4 絲狀藍(lán)細(xì)菌

構(gòu)成均一石生物丘的暗色致密泥晶基質(zhì)中,可見(jiàn)較為典型的絲狀鈣化藍(lán)細(xì)菌鞘化石(圖9)。這些絲狀藍(lán)細(xì)菌擁有厚度較均勻的泥晶壁(約2 μm),代表絲狀藍(lán)細(xì)菌活體鞘鈣化作用的產(chǎn)物;管內(nèi)部被亮晶方解石交代,可能是藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞列(香毛簇)降解作用的殘余物[33,36]。菌體具直徑較大(15～25 μm)且相互不纏繞的特點(diǎn),可以類比于現(xiàn)代第谷菌(Tychonema)[37],表明這類絲狀藍(lán)細(xì)菌不屬于與現(xiàn)代織線菌(Plectonema)類似的纏繞狀葛萬(wàn)菌化石,而是葛萬(wàn)菌類化石組合[33]中一個(gè)新類型。

3 討論

3.1 成因機(jī)制

構(gòu)成均一石生物丘的致密泥晶中發(fā)育有類比于現(xiàn)代膠須菌的基座菌、附枝菌、腎形菌以及類比于第谷菌的葛萬(wàn)菌類絲狀藍(lán)細(xì)菌,在一些毫米級(jí)別的絲狀藍(lán)細(xì)菌鞘化石周圍,可見(jiàn)密集的窗格狀組構(gòu)(圖6c,圖7a)。窗格狀組構(gòu)被認(rèn)為可能是光合作用產(chǎn)生的氧氣氣泡殘余物[30],藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行光合作用使得周圍環(huán)境堿度升高,從而促進(jìn)碳酸鈣沉淀。葛萬(wàn)菌類絲狀體內(nèi)部微亮晶充填的管狀結(jié)構(gòu),可能為藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞列(香毛簇)降解作用的殘余物[2,33,36],而外部均勻的泥晶壁可能是藍(lán)細(xì)菌活體鞘鈣化作用和細(xì)胞外聚合物質(zhì)(EPS)降解而誘導(dǎo)碳酸鹽原地沉淀作用的產(chǎn)物,指示藍(lán)細(xì)菌活體鞘鈣化是一個(gè)直接與大氣圈二氧化碳濃縮機(jī)制(CCM)相聯(lián)系的藍(lán)細(xì)菌生態(tài)生理學(xué)機(jī)制[2,36,38];葛萬(wàn)菌類絲狀體內(nèi)的微亮晶方解石充填物代表著華北地臺(tái)寒武紀(jì)“方解石?！钡奶攸c(diǎn)。局部可見(jiàn)鈣質(zhì)海綿化石及三葉蟲碎片(圖5c),表明寒武紀(jì)生命大爆發(fā)[39]帶來(lái)生物種類多樣性。

以二分叉為標(biāo)志性特征的附枝菌的生物親和性一直備受爭(zhēng)議。Laval等[40]曾認(rèn)為附枝菌和現(xiàn)代紅藻有類似的形態(tài)而將其解釋為藻類的一種,基于對(duì)現(xiàn)代湖泊相微生物巖中較為典型的灌木叢狀組構(gòu)研究,認(rèn)為附枝菌是由于異養(yǎng)型絲狀藍(lán)細(xì)菌(如顫菌(Oscillatoria)和眉菌(Calothrix)等)菌落在微生物席內(nèi)而不是在微生物席表面的鈣化作用產(chǎn)物;Adachi等[41-42]認(rèn)為附枝菌是細(xì)菌誘導(dǎo)的沉淀物,為異養(yǎng)型細(xì)菌活動(dòng)鈣化作用而產(chǎn)生的可石化的生物膜,是鈣化后的結(jié)殼而很可能不是藍(lán)細(xì)菌;也有研究表明附枝菌可能具有藍(lán)細(xì)菌類似的趨光性,因而認(rèn)為它是藍(lán)細(xì)菌的一種[43]。目前將它歸為藍(lán)細(xì)菌的認(rèn)識(shí)占主導(dǎo)地位[35-36,43-45],這里也將其歸為藍(lán)細(xì)菌。如同關(guān)于疊層石研究中所描述的那樣,藍(lán)細(xì)菌是主要的微生物席建造者,即形成微生物碳酸鹽巖中以光合作用為特征的藍(lán)細(xì)菌。因此,駐操營(yíng)剖面張夏組均一石中多種鈣化藍(lán)細(xì)菌的發(fā)現(xiàn),意味著均一石生物丘形成于藍(lán)細(xì)菌主導(dǎo)的微生物席或微生物膜復(fù)雜的鈣化作用。

秦皇島苗嶺統(tǒng)張夏組頂部致密泥晶構(gòu)成的均一石生物丘,在碳酸鹽礦物原地沉淀過(guò)程中,由微生物席內(nèi)“堿度發(fā)動(dòng)機(jī)”(alkanility engine)[46]以及EPS[47]2個(gè)要素緊密耦合、共同作用形成,前者改變微環(huán)境內(nèi)的物理化學(xué)性質(zhì)從而誘導(dǎo)碳酸鹽礦物沉淀,后者降解誘發(fā)有機(jī)礦化。由于成巖作用的影響,絲狀藍(lán)細(xì)菌很少能完整保存下來(lái),所以在顯微照片中只以線的形式存在,從而與周圍物質(zhì)產(chǎn)生區(qū)別。

3.2 沉積環(huán)境

由藍(lán)細(xì)菌主導(dǎo)的均一石生物丘,發(fā)育在河北秦皇島駐操營(yíng)剖面張夏組頂部強(qiáng)迫型海退體系域中碳酸鹽緩坡上,有利的生態(tài)位置能夠支持框架型微生物巖內(nèi)不同類型生物的生產(chǎn)活動(dòng)[48],有機(jī)體群落聚集,并與它們所粘結(jié)的物質(zhì)一起構(gòu)建了極其多樣化的生態(tài)系統(tǒng)。上覆崮山組以典型的淹沒(méi)不整合接觸直接覆蓋在含有鮞粒灰?guī)r及夾層的中至淺緩坡相灰?guī)r之上(圖4f),代表海水入侵海平面突然加深,從而導(dǎo)致下伏鮞粒灘沉積間斷。張夏組頂部強(qiáng)迫型海退體系域中的鮞粒灘相灰?guī)r與泥晶灰?guī)r一起形成潮下型米級(jí)旋回,是一種在較高能環(huán)境中、較慢侵蝕作用以及較快速碳酸鹽沉積的表現(xiàn),代表一種特殊的、在基準(zhǔn)面下降過(guò)程中的沉積。貧乏組構(gòu)的均一石中可見(jiàn)沖蝕溝槽,且內(nèi)部充填細(xì)小顆粒組成的灰?guī)r(圖4c),界線比較清晰,代表泥晶灰?guī)r組成的均一石和顆?；?guī)r共生的特點(diǎn),意味著研究區(qū)曾經(jīng)過(guò)較強(qiáng)的風(fēng)暴流或水流改造,表明均一石生物丘形成于高能動(dòng)蕩水體環(huán)境中,產(chǎn)出于固著底棲微生物席或微生物膜內(nèi)碳酸鹽原地沉淀和鈣化。

暗色泥晶凝塊間的底棲鮞粒(圖5b)揭示其同步形成于均一石的建造過(guò)程,就像梅冥相等[49]描述遼東半島芙蓉統(tǒng)凝塊石生物丘中的底棲鮞粒一樣,代表富營(yíng)養(yǎng)條件下放射纖維方解石沉淀[50-51]。均一石局部發(fā)育生物潛穴(圖5d),表明后生動(dòng)物曾居住于形成均一石的微生物席或微生物膜中;生物潛穴內(nèi)充填的白云石晶體,是由于EPS在微生物席或微生物膜成巖作用期間發(fā)生降解釋放Mg2+,且藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行光合作用促進(jìn)碳酸鈣礦物沉淀,造成周圍環(huán)境Mg2+/Ca2+相對(duì)升高發(fā)生白云石化,形成白云石,是富有機(jī)質(zhì)成巖微環(huán)境中白云石沉淀作用[31]以及異養(yǎng)細(xì)菌降解產(chǎn)生特殊選擇性白云石化[32]的結(jié)果。微生物巖作為一個(gè)龐大的研究領(lǐng)域,目前廣泛研究其油氣勘探開(kāi)發(fā)意義[52-55]。作為相對(duì)缺乏的均一石實(shí)例,期望駐操營(yíng)剖面張夏組均一石生物丘的研究,能為今后相關(guān)微生物碳酸鹽巖的研究提供一個(gè)具體實(shí)例和思考途徑。

4 結(jié)論

1)河北秦皇島駐操營(yíng)剖面寒武系苗嶺統(tǒng)張夏組頂部強(qiáng)迫型海退體系域中,發(fā)育一套厚層均一石生物丘,是一種特殊的、在基準(zhǔn)面下降過(guò)程中的沉積記錄。

2)均一石內(nèi)底棲鮞粒和白云石晶體的發(fā)現(xiàn),表明富營(yíng)養(yǎng)條件下,均一石產(chǎn)出過(guò)程中較為明顯的與球狀微生物膜鈣化作用相關(guān)的顯微組構(gòu)以及白云石選擇性表達(dá)。

3)宏觀上顯示出貧乏構(gòu)造的均一石,在顯微鏡下表現(xiàn)出巨大反差,發(fā)現(xiàn)多樣化鈣化藍(lán)細(xì)菌鞘化石,以及代表光合作用產(chǎn)生氧氣氣泡殘余物的窗格狀組構(gòu),表明均一石形成于微生物復(fù)雜的代謝作用以及誘發(fā)碳酸鹽原地沉淀作用。