山西靈丘刁泉剖面寒武系第三統張夏組核形石

王 皓， 肖恩照

( 中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院，北京 100083 )

0 引言

“核形石”指相互獨立的圓狀或次圓狀的毫米至厘米級鈣質或非鈣質結核[1]。它具有特殊的核心—皮層結構、較不規則的形狀及不連續的圈層，區分于鮞粒等包覆顆粒[2]。核形石的形成常歸因于圍繞核心發生的、以微生物為主導的礦物沉淀作用，以及微生物群落(生物膜)對于包含物的捕獲與粘結作用[3-4]。其內部具有似疊層石紋層狀結構、鈣化有機質殘余物、低密度網狀體及不連續圈層，核形石也被稱為“微生物包覆顆粒”“獨立的球狀疊層石”或“圓狀生長微生物巖”[1,3,5-8]，作為一種單獨的微生物巖分類與疊層石、凝塊石等并列[9-10]。前寒武紀核形石多產出自海相環境[11-13]，顯生宙以來淡水核形石豐度增加。核形石的產出環境演化、水體環境演化及地質記錄反映的微生物繁盛變化吻合，代表微生物作用對核形石生長機制的控制[1,11,13]。因此，研究古老地層的核形石，成為還原古氣候、古環境、海平面升降變化和沉積環境水體化學條件的重要線索。

華北地臺寒武系地層出露連續且沉積現象豐富，核形石在寒武系地層中廣泛發育。張文浩等[8]對華北地臺西緣寒武系核形石的研究，反映微生物群落對淺海缺氧事件的響應；常玉光等[14]、代明月等[15]研究華北地臺南緣寒武系第三統饅頭組核形石成因機制；韓作振等[2]在魯西地區寒武系核形石中發現葛萬菌(Girvanella)絲狀體；齊永安等[16]、張喜洋等[17]研究豫西寒武紀核形石與后生動物擾動灰巖的耦合關系及其意義。基于宏觀、微觀、超微觀尺度的研究結果，在層序地層框架下，分析山西太行山地區寒武系核形石沉積特征，研究核形石成因機制，為寒武紀微生物巖復蘇期及顯生宙第一幕藍細菌鈣化作用事件提供較為可靠的研究實例。

1 區域地質概況

研究區位于華北地臺中部太行山東南緣、山西省靈丘縣東北部大約15 km的柳科鄉刁泉村。研究剖面寒武系缺失紐芬蘭統的幸運階、第二階地層，第二統全部地層及第三統毛莊階[18-19]，底界為徐莊組下部的潮坪相紅層平行不整合覆蓋在元古界霧迷山組之上，頂界為鳳山組潮坪相白云巖上覆奧陶系冶里組塊狀泥晶生物丘灰巖[20-22]。其中發育核形石的鮞粒灰巖位于第三統張夏組內部第三個亞層序頂部(見圖1)。

圖1 山西靈丘刁泉剖面位置及寒武系第三統層序地層劃分Fig.1 Profile position and sequence stratigraphic division of Cambrian Series 3 of the Diaoquan section in Lingqiu county, Shanxi province

刁泉剖面寒武系張夏組以多層位發育中薄層至厚層鮞粒灰巖為主要特征。底部為深水陸棚相的含透鏡體鈣質泥巖，代表海平面快速上升導致的臺地淹沒事件，形成凝縮段(CS)，與徐莊組頂部的鮞粒灰巖(見圖2(a-c))形成的突然相變面可作為張夏組的底界；張夏組頂部的鮞粒灰巖與崮山組底部的深水相鈣質泥巖形成的突然相變面，可作為張夏組構成三級層序DS2的頂界(見圖2(d))。根據張夏組內部由陸棚相向上變淺為緩坡相至顆粒灘相的旋回性變化，將張夏組劃分為3個Ⅳ級層序，張夏組內部的亞層序頂底界與三級層序DS2的類似，為快速海侵形成的典型淹沒不整合型層序界面[23-24]。

圖2 山西靈丘刁泉寒武系剖面第三統沉積特征

2 核形石沉積特征

2.1 宏觀特征

山西靈丘刁泉剖面的核形石發育于張夏組頂部，位于張夏組內部的第三個Ⅳ級亞層序顆粒灘相沉積，形成于厚層鮞粒灰巖。含核形石鮞粒灰巖單層厚度約為4 m，呈層狀，與薄層條帶泥晶灰巖組成互層，在頂部的鮞粒灰巖中可見泥晶生物丘發育。

露頭可見的核形石呈橢圓狀、長條狀，長軸為0.3～2.0 cm，核心相對圈層具有較深顏色，露頭無法識別圈層內部層狀結構。垂向上，核形石逐漸密集產出，數量在明顯增多后略有減少(見圖3)。

2.2 分類

通常根據核心與圈層的形態、組分等特征，對核形石進行分類命名和沉積環境等的類比分析[2,13]。根據核形石的核心數量、圈層的形態及組分等特征，將山西靈丘刁泉剖面的核形石分為5個類型，分別為復合核形石、同心圈層核形石、偏心核形石、泥晶核形石及薄層核形石[2]。

2.2.1 復合核形石

復合核形石具有多個核心，粒徑往往較簡單核形石的大，通常為橢球狀、不規則狀(見圖4)。山西靈丘刁泉剖面的復合核形石較為常見，約占核形石總體的40%，通常為似圓狀、橢球狀及長柱狀，似圓狀及橢球狀核形石粒徑在0.5～2.0 mm之間，長柱狀核形石長軸通常超過2.0 mm。

圖3 山西靈丘刁泉剖面張夏組第三個Ⅳ級層序核形石宏觀特征Fig.3 Macro characteristics of oncolites from the third Ⅳ level subsquence in Zhangxia formation of the Diaoquan section in Lingqiu county, Shanxi province

圖4 山西靈丘刁泉剖面中的復合核形石Fig.4 Composite oncolites from Diaoquan section in Lingqiu county, Shanxi province

復合核形石的形成與微生物席或生物膜的捕獲與粘結作用有關。人們將復合核形石的形成描述為，核心稍大的或生長速度相對較快的核形石上附著的微生物席，或生物膜通過分泌的細胞外聚合物(EPS)，捕獲并粘結較小的核形石、生物碎屑及鮞粒等顆粒，形成具有多核心的核形石[9,13,25]。根據捕獲前后形成的圈層厚度，將復合核形石繼續區別為早期復合核形石與晚期復合核形石：早期復合核形石捕獲前的圈層較薄，是核形石發育早期通過捕獲與粘結附近的復核心而形成的；晚期復合核形石具有明顯較厚的捕獲前的圈層，代表發育晚期對顆粒的捕獲與粘結。同時，可見部分皮殼粒也顯示類似的復合發育現象。

2.2.2 同心圈層核形石

同心圈層核形石是指具有微亮晶方解石紋層與暗色致密泥晶紋層交互發育的、似球狀疊層石的核形石(見圖5)。該類核形石外觀呈圓狀、似圓狀，粒徑在0.5～1.5 mm之間，約占核形石總體的20%。同心圈層結構在鮞粒中較為常見，成因：(1)在成巖過程中形成的文石圈層被更穩定的方解石取代；(2)在形成環境中，淡水促使低鎂方解石生長，潮汐作用間歇涌入的海水導致微生物成因泥晶圈層的形成[26-27]。

圖5 山西靈丘刁泉剖面中的同心圈層核形石Fig.5 Bimineralic oncolites from Diaoquan section in Lingqiu county, Shanxi province

2.2.3 偏心核形石

偏心核形石主要特征為核心偏離核形石的主體中心，伴有生長優勢[1]形成的明顯的部分圈層增厚現象(見圖6)。該類核形石約占核形石總體的20%，呈橢圓狀、不規則狀，長軸通常大于1.0 mm。在魯西地區張夏組中，部分核形石中核心的上部皮層有向上生長現象，韓作振等[2]解釋為微生物絲狀體在大核頂表面上附著而形成較厚圈層，將它與疊層石生長模式類比[2,25]。偏心核形石增厚圈層中垂向生長的泥晶可歸類為有機泥晶，可能為生物膜之下捕獲的有機黏液及沉積顆粒窩坑中的鈣化黏液層形成的[1,9,25]。這類泥晶常以暗色隱晶質的形態包含原地似球粒等顆粒，并以疊層狀或塊狀組構為特征[9]。

2.2.4 泥晶核形石

將圈層及部分核心是由泥晶組成的核形石歸類為泥晶核形石。該類核形石通常為似球狀，粒徑通常超過1.0 mm，較為少見，約占核形石總體的10%。部分泥晶核形石的核心不可見，形態不規則，具有較為粗糙的層狀結構，顯微鏡下可見葛萬菌絲狀體(見圖7)。泥晶核形石是由核形石、集合粒或似球粒經過泥晶化而形成的。核心不發育泥晶核形石是因為在生長過程中核心未發育，或核心可能為有機質，隨后被降解及取代[9,27]。泥晶圈層中的葛萬菌化石可解釋為，微生物外部的多聚糖保護鞘通過鈣化產生鈣化鞘泥晶,其基質與其他化石的類似, 有時較難確定微生物成因[1,9,25]。

圖6 山西靈丘刁泉剖面中的偏心核形石Fig.6 Eccentric oncolites from Diaoquan section in Lingqiu county, Shanxi province

2.2.5 薄層核形石

薄層核形石特征為相對于圈層較大的核心，核心通常由鮞粒、生物碎屑及似球粒組成，可見似棱角狀鈣化葛萬菌碎片。薄層核形石的核心對形態發育具有較為明顯的影響，較薄的圈層是因較大體積的核心、環境的擾動不足而繼續生長的[2]。

3 核形石成因

山西靈丘刁泉剖面劃分的5個類型核形石在形態上有差別，根據微觀特征可觀察到，核形石具有共性的特征結構——雙礦物(微亮晶方解石與暗色泥晶)結構。這種雙礦物結構圈層組分特征與偏心鮞、雙礦物鮞粒的類似[27]，即前體相非晶質鈣碳酸鹽(ACC)向文石或方解石的轉化機制[28]，以及與微生物席或生物膜中受控于微生物的泥晶沉淀作用有關的暗色泥晶圈層。

根據雙礦物結構核形石的掃描電鏡觀察，雙礦物結構核形石的微方解石圈層與暗色泥晶圈層具有相同的元素成分(如Ca、C、O)(見圖9)，但晶體結構完全不同(見圖9(a-b))。在暗色泥晶圈層中，可見細胞外聚合物(EPS)鈣化作用殘余物(見圖9(c))，同時在亮暗紋層之間可見絲狀藍細菌化石(見圖9(d))。EPS鈣化作用殘余物代表微生物群落(生物膜)共同分泌的、具有化學特性的有機大分子，也代表生物膜在核形石生長過程中粘附過程的證據[12]。在雙礦物結構圈層的形成過程中，存在由絲狀藍細菌—葛萬菌(見圖8(b))為主的生物膜鈣化作用，說明核形石的圈層，特別是暗色泥晶圈層是由生物膜鈣化作用殘余物組成的。此外，藍細菌鈣化作用的發生，主要依靠光合作用吸收CO2和HCO3-產生鞘內的pH變化實現碳酸鹽礦物沉淀。葛萬菌作為典型的藍細菌鈣化產物[29]，在張夏組核形石內部出現還代表藍細菌鈣化作用的發生，也說明這一時期海水化學條件及大氣圈CO2分壓下降到10 PAL(present atomosphere level)以下及O2分壓上升時，導致藍細菌鞘內二氧化碳濃縮機制的發生[30]。

圖7 山西靈丘刁泉剖面中的泥晶核形石Fig.7 Micrite oncolites from Diaoquan section in Lingqiu county, Shanxi province

圖8 山西靈丘刁泉剖面中的薄層核形石Fig.8 Thin-layer oncolites from Diaoquan section in Lingqiu county, Shanxi province

在雙礦物結構核形石中，微亮晶方解石圈層具有相對規則的形態，在形態上與鮞粒圈層內部的微亮晶紋層具有一定的相似性。Diaz M R等[28]將該類圈層描述為由過渡相的非晶質鈣碳酸鹽(ACC)層開始，隨后通過ACC向晶體相方解石的轉化而形成新的圈層。其中微亮晶方解石圈層形成于短周期水體擾動時期[2]，生物膜或微生物席分泌的EPS侵入核心或泥晶圈層[9]，生成前體相ACC納米顆粒集合體，并轉化為晶體相，受顆粒在擾動環境中經歷的機械摩擦作用，無序針狀碳酸鹽薄層最終生長為較規則的淺色圈層[28]。泥晶圈層可歸因于受光合自養生物(如藍細菌和藻類)消耗CO2導致的泥晶沉淀等復雜過程控制而形成的[1,9]。

根據雙礦物結構核形石圈層的研究結果、在山西靈丘刁泉剖面中較為常見的復合核形石表現出的對顆粒的捕獲與粘結現象，以及偏心核形石部分圈層呈現出的增厚生長，可對核形石的形成過程作出相應假設。核形石的成因與微生物介導的鈣碳酸鹽沉淀作用機制有密切關系。在核形石形成的早期階段，以藍細菌為主導的薄層微生物席或生物膜圍繞核心發育微生物調節的碳酸鹽沉淀過程；水體的擾動與微生物控制的鈣碳酸鹽沉淀作用主導核形石主體的形成。刁泉剖面張夏組核形石微觀特征表明，圈層及核心中發育的葛萬菌絲狀體，代表光合作用絲狀藍細菌在核形石生長過程中的貢獻，形成核形石的微生物群落(生物膜或薄層微生物席)是由藍細菌主導的。此外，核形石的似球狀、球狀或明顯的薄層結構，以及內部圈層和表層的不連續代表水體環境擾動對核形石形成的影響[3]。

圖9 雙礦物結構核形石掃描電鏡照片Fig.9 Scanning electron microscope photos of bimineralic oncolites

4 結論

(1)山西靈丘刁泉剖面張夏組頂部顆粒灘相鮞粒灰巖中發育核形石。在宏觀上，核形石與鮞粒共生，其層序地層位置說明產出于相對海平面下降的過程，判斷張夏組核形石產出于高能水體環境。

(2)根據微觀特征，可將張夏組核形石分為五類：復合核形石、同心圈層核形石、偏心核形石、泥晶核形石及薄層核形石。以復合核形石最為常見，同心圈層核形石與偏心核形石次之，泥晶核形石與薄層核形石相對較少。

(3)張夏組核形石亮、暗紋層交替，葛萬菌絲狀體及EPS鈣化作用殘余物代表核形石的微生物成因證據。在核形石中發現葛萬菌絲狀體鞘的鈣化作用殘余物，說明這一時期大氣圈CO2濃度達到二氧化碳濃縮機制發生的閾值，同時與海水的化學條件(Ca/Mg)適應，滿足藍細菌鈣化作用的發生條件。

(4)張夏組核形石的宏觀產出位置及微觀特征，顯示核形石的形成受控于相對海平面下降導致的水體變淺、水動力對底棲沉積物影響增大、光合作用微生物席與生物膜的代謝增加，以及大氣圈CO2濃度和海水化學條件。寒武紀鼓山期末，華北地臺碳酸鹽臺地受控于強迫型海退導致的水體變淺、光合作用微生物群落繁盛導致的微生物碳酸鹽巖豐度增加。