河南寒武系苗岭统微生物成因构造与后生动物扰动构造的交替发育.pdf

第41卷第3期2023年6月Vol.41 No.3Jun.2023沉 积 学 报ACTA SEDIMENTOLOGICA SINICA河南寒武系苗岭统微生物成因构造与后生动物扰动构造的交替发育张彦欣1，齐永安1，2，刘炳辰1，代明月1，2，王敏1，2，李妲1，21.河南理工大学资源环境学院，河南焦作 4540032.河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室，河南焦作 454003摘 要 河南寒武系苗岭统发育了大量微生物成因构造（叠层石和凝块石）和后生动物扰动构造（遗迹化石）。登封馒头组三段下部以叠层石灰岩及含垂直潜穴鲕粒灰岩的交替发育为特征，常被风暴作用导致的凹凸不平界面所分隔，叠层石形成于中等能量的滩间坪环境，而垂直潜穴发育于持续搅动的高能鲕粒滩环境；登封张夏组底部以凝块石灰岩和生物扰动构造灰岩的交替发育为特征，常以厚薄不均的泥岩层为分界面，二者均形成于正常浪基面之下的深水低能环境；卫辉崮山组以叠层石灰岩和生物扰动构造灰岩的交替发育为特征，二者以凹凸不平的界面或薄泥岩层相分隔，叠层石保存于中等能量的潮间坪沉积，而生物扰动构造则形成于低能的台地缓斜坡。当环境条件有利于微生物成席时（如清洁的水体、稳定的水动力条件和坚硬的底质），微生物成因沉积构造和微生物席底会大量发育。当环境条件不适合微生物席发育时（如浑浊的水体、交替变化的水动力条件和松软的底质），后生动物便开始在沉积物中掘穴，留下各类后生动物扰动构造和混合底。关键词 交替发育；寒武系；后生动物扰动构造；控制因素；微生物成因构造第一作者简介 张彦欣，女，1995年出生，硕士研究生，遗迹学与沉积盆地分析，E-mail:通信作者 齐永安，男，教授，E-mail:中图分类号 P512.2 文献标志码 A0 引言 地球上最早的生命现象是澳大利亚Pilbara克拉通3435亿年前的微生物成因构造（以叠层石的形式呈现）1。由于早期海洋氧含量较低，恶劣的生态环境抑制了后生动物的出现，微生物以席状广泛覆盖于海底，形成了碎屑岩中的微生物席成因沉积构造和碳酸盐岩中的微生物岩25。微生物成因构造在元古代沉积中盛行，其丰度从中元古代到新元古代逐渐提高，但到新元古代末期却急剧降低。这种剧烈变化归因于后生动物的起源和海水中地球化学性质的改变67。随着海洋中氧含量、pH值、温度等条件的逐渐改善，后生动物在新元古代晚期开始发育并逐渐繁盛，出现了首次集群登场，并在地层中留下了可靠的后生动物化石记录埃迪卡拉动物群。此时造迹动物留下的遗迹化石包括非常简单的层间进食潜穴和牧食拖迹。这些遗迹化石无论是发育于浅海环境还是保存于深海沉积，均与微生物席有关811。寒武纪初期出现了各种复杂的遗迹群落，遗迹化石多样性也显著增加，后生动物众多门类突然大量出现，但生物总量并不高，掘穴能力还不够强，在“寒武纪生物大爆发”期间，随着后生动物生活习性和掠食行为的增加，微生物与后生动物及其生存环境之间相互影响，古生态特征与沉积特征也随之改变1213。以Skolithos为代表的管状垂直潜穴的出现标志着滤食生物向沉积物内部的殖居910。以沉积进食潜穴为代表的遗迹化石多样性的增加，揭示了底栖动物对沉积物的完全混合和底栖生态空间的开发与利用9,13。在后生动物扰动构造多样化发展的同时，微生物成因的构造如叠层石等仍在从寒武纪第二世到芙蓉世各个时代的地层中广泛分布，而且类型多样，既有以丘状或层状微生物礁形式保存的，也有和鲕粒灰岩、竹叶状砾屑灰岩伴生出现的1419。收稿日期：20210621；修回日期：20210914；录用日期：20211015；网络出版日期：20211015基金项目：国家自然科学基金项目（41872111，41902115，41902113）Foundation：National Natural Science Foundation of China,No.41872111,4190 2115,4190 2113DOI:10.14027/j.issn.10000550.2021.130文章编号：10000550（2023）03069313第41卷沉 积 学 报根据作者近年的研究，微生物成因构造与后生动物扰动构造均在豫西寒武纪地层中大量保存，并且常在一套地层中以交替发育的方式出现2021。这两类完全不同的生物成因构造为什么会在寒武纪交替发育，它们到底存在着怎样的相互作用关系？环境条件如何影响它们的形成与保存？本文以豫西地区广泛出露的寒武纪苗岭统碳酸盐岩为研究对象，选取登封馒头组三段底部、张夏组底部和卫辉崮山组中的3个剖面点，分析寒武纪微生物成因的层状构造（叠层石）和凝块状构造（凝块石）与后生动物扰动构造（遗迹化石）的交替发育特征，阐明寒武纪微生物成因构造与后生动物扰动构造及其与环境条件的相互关联，为研究寒武纪这个承前启后的特殊地质时期微生物、后生动物与环境的协同演化提供依据。1 地质概况 研究区位于华北板块河南省西部，该地区寒武系出露较为完整，除底部寒武系幸运阶和第二阶缺失外，其他地层均有出露。依据寒武纪古地理和古构造格局，河南寒武系划分为太行山地层分区、豫西及豫东地层分区（图1a）22。本文研究剖面有两个，分别为太行山地层分区的卫辉沙滩剖面（图1b）和豫西地层分区渑池登封小区的登封关口剖面（图1c）。登封剖面的研究主要集中在寒武系苗岭统馒头组三段和张夏组。该区第二统海侵初期的辛集组主要为含石英长石砂砾岩；朱砂洞组发育大套云斑灰岩、灰质白云岩；馒头组一段为紫红色泥岩、砂岩夹碳酸盐岩。苗岭统馒头组二段发育紫红色、黄绿色泥岩、砂岩夹碳酸盐岩；馒头组三段以碳酸盐岩为主，含大量微生物岩、鲕粒灰岩；张夏组以大套滩相鲕粒灰岩和生物扰动灰岩为特征。卫辉沙滩剖面的研究以苗岭统崮山组为主。该区崮山组发育含土黄色泥质条带薄板状泥灰岩、竹叶状砾屑灰岩、生物扰动灰岩和叠层石灰岩；炒米店组为微晶白云岩夹薄板状泥灰岩、竹叶状砾屑灰岩；三山子组为细晶白云岩、叠层石白云岩（图2）。图 1研究区寒武系分布及剖面位置图（修改自裴放等22）Fig.1Geological map showing the Cambrian stratigraphic distribution and section locality in the study area(modified from Pei et al.22)694第3期张彦欣等：河南寒武系苗岭统微生物成因构造与后生动物扰动构造的交替发育2 微生物成因构造与后生动物扰动构造的交替发育2.1叠层石与垂直潜穴的交替发育研究点位于登封关口剖面馒头组三段下部，厚度70 cm（图3）。以含垂直潜穴的鲕粒灰岩与叠层石灰岩交替发育为特点，其底、顶均为潮上带泥坪沉积。鲕粒灰岩和叠层石灰岩的分界面为风暴作用形成的凹凸不平冲刷界面，在冲刷面之上覆盖一层约0.3 cm厚的土黄色泥线。底部砾屑灰岩包含多期风暴事件，为原地型风暴沉积。砾屑为鲕粒灰岩，最大直径大于10 cm，形状不规则，磨圆和分选都较差（图4a，b）。强烈的风暴作用将半固结的鲕粒灰岩打碎成砾屑就地快速堆积，形成砾屑灰岩。到风暴间歇期，微生物席以砾屑为生长基底向上生长，形成小柱状或层状叠层石（图4b）。由于频繁的风暴作用，砾屑灰岩和叠层石灰岩会呈犬牙交错状接触，甚至混杂堆积在一起。叠层石灰岩层厚35 cm，叠层石形态以小柱状为主，局部呈圆柱状、锥柱状、倒锥柱状、指状或不规则图 2河南寒武纪年代地层、生物地层和岩石地层Fig.2Chronostratigraphic,biostratigraphic,and petrostratigraphic columns of the Cambrian strata in Henan695第41卷沉 积 学 报状，底部相连，有分叉现象，呈灰白色、土黄色（图4c，d）。叠层石灰岩层常表现为连续的薄层状，有时为厚薄急剧变化的透镜状。叠层石中含少量生物碎屑和鲕粒，灰泥含量达20%45%，其间充填大量土黄色极薄层泥岩。风暴间歇期的水动力相对风暴作用期有明显减弱，适宜的环境促使微生物成席，并通过捕获、黏结、自身钙化等作用，形成了叠层石。上述多种形态叠层石的共存及高含量的泥质充填物，反映其形成于风暴间歇期低能的近岸鲕粒滩滩间坪环境。含垂直潜穴的鲕粒灰岩层厚 1020 cm，发育平行层理和板状交错层理，与上覆、下伏叠层石层呈凹凸不平接触（图4c，d）。鲕粒以放射鲕、同心放射鲕为主，鲕核多不发育，部分有核心者多为砂屑、藻团粒及生物碎屑，鲕粒间充填微亮晶方解石（图4e）。垂直潜穴以Skolithos为主，潜穴直径约0.6 cm，深35 cm（图4d）。在显微镜下可见灰泥衬壁，潜穴内充填亮晶方解石（图 4e，f）；作为机会生物的Skolithos造迹者采用悬浮进食的生存策略在这种高能环境下大量发育，其通过在鲕粒沉积物内建造居住潜穴而避免被高能水流冲走，并通过分泌黏液加固衬壁。上述特征说明鲕粒灰岩形成于风暴衰减期高能的近岸鲕粒滩环境。蓝细菌等微生物难以在这种持续搅动的高能环境中固着生长，因此无法形成叠层石等微生物成因构造。2.2凝块石与生物扰动构造的交替发育本研究点位于登封关口剖面张夏组底部，厚18.95 m，以凝块石灰岩和含模糊生物扰动灰岩的交替发育为特征，中间夹风暴成因的鲕粒砾屑灰岩，凝块石灰岩和含模糊生物扰动灰岩常常被薄层泥岩所分隔（图5）23。图 3登封关口剖面馒头组三段下部叠层石与垂直潜穴的交替发育特征Fig.3Alternative development of stromatolites and vertical burrows in the lower part of the Third member of the Mantou Formation in Guankou section of the Dengfeng area696第3期张彦欣等：河南寒武系苗岭统微生物成因构造与后生动物扰动构造的交替发育剖面中的凝块石包括小柱状、块状和树枝状凝块石3种类型23。小柱状凝块石位于剖面的下部，以砾屑鲕粒灰岩为基底（图5、图6a，b），砾屑为微晶灰岩，呈放射状（菊花状）排列，为风暴涡流形成的典型组构。凝块呈浅灰白色，以小型不规则的柱状向上生长。凝块间充填鲕粒和三叶虫、软舌螺等生物碎屑，并含少量砾石团块，颗粒间发育微晶或微亮晶方解石胶结物。依据凝块的不规则柱状形态、充填物特征结合相序变化，小柱状凝块石形成于潮下带上部到潮间带之间中高能交替的沉积环境。块状凝块石位于剖面的中部，与下伏、上覆生物扰动微晶灰岩以薄层泥岩分隔（图5、图6c，d），以巨型生物层状礁特征分布。凝块呈浅灰白色，整体呈不规则块状，内部结构呈杂乱的云雾状，夹杂大量暗黑色团块（图6d）。凝块间发育大量海绵类化石、双壳类碎屑及少量三叶虫颊刺，微亮晶或亮晶方解石胶结。以上特征可以判定块状凝块石灰岩形成于潮间带下部低能环境，并受动荡水流影响23。树枝状凝块石位于剖面的上部，与下伏、上覆生物扰动微晶灰岩以薄层泥岩分隔（图5、图6e，f）。凝块多呈树枝状、短柱状或分叉柱状，内部结构较为杂乱，可以看出部分凝块呈向上发散生长状态的不规则树枝状。凝块间充填大量深黑色不规则团块，仅见少量海百合茎化石及生物碎屑（图6e）。上述特征反映树枝状凝块石形成于正常浪基面之下的深水低能环境23。图 4登封关口剖面馒头组三段下部的叠层石与垂直潜穴特征（a，b）围绕砾屑生长的叠层石；（c）小柱状叠层石；（d）发育垂直潜穴的鲕粒灰岩层与叠层石灰岩层，二者分界面凹凸不平；（e）含垂直潜穴鲕粒灰岩层中鲕粒微观照片；（f）垂直潜穴的微观照片，充填物为亮晶方解石，衬壁为含有石英的微晶方解石，围岩为鲕粒Fig.4The characteristics of stromatolites and vertical burrows in the lower part of the Third member of the Mantou Formation in Guankou section of the Dengfeng area(a,b)st