遼東半島南部金州灣拉樹山剖面寒武系苗嶺統徐莊組核形石沉積特征

肖夢晗， 秦仁月

(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(oncoid)是一種圓球狀或葉狀的內部為非同心紋層的泥晶顆粒[1]，并被假設為微生物成因的沉積物。關于核形石成因機制的探討有三種：粘附和捕集作用；生物誘導機制(稱為主動礦化)；生物影響機制(稱為被動礦化)[2-3]。RIDING R[4]認為核形石是一種特別的微生物碳酸鹽巖，具有與疊層石類似的紋層性特征而被稱為“球狀疊層石”[5-9]。梅冥相[6]肯定核形石蘊含的特殊地質意義與生物學意義，將其納入微生物碳酸鹽巖的分類體系并賦予與疊層石、凝塊石同等效應的分類位置，對核形石沉積特征及成因機制進行研究。作為一種包覆顆粒，核形石具有擾動的和不平滑的圈層及較大的粒徑與鮞粒相區別[6,10]，核形石常被認為是微生物成因，但古老地層中核形石缺乏直接的微生物成因證據，相較于鮞粒，關于核形石的成因研究進展緩慢。TUCKER M E等[11]強調核形石是一個單純的描述性術語，即核形石僅單純指示形態特征，并不具有形成機制或環境指示的內涵[11-12]，因此核形石的具體成因存在較大爭議[13]。

迄今為止，許多學者對文化負載詞的定義發表了自身的看法。其中中國學者鮑惠南(2004：10)指出：“文化負載詞，又稱詞匯空缺，是指目標語中缺少與源語所承載的文化信息等值的詞。”金惠康(2003:265)在作品中寫道：“每一種語言都有所謂的文化負載的詞匯，這些詞匯是特定文化的價值體系、歷史、宗教、風俗習慣、思維方式和生活方式的象征性表現。因為在另一種文化中不存在，所以沒有等價的表達詞。文化負載詞既有指稱意義，也有內涵意義。”

遼東半島南部大連市金州灣拉樹山剖面見良好的出露，寒武系苗嶺統徐莊組頂部的強迫型海退體系域沉積發育一套直接覆蓋在鮞粒灰巖上的核形石灰巖。與大多數核形石單獨產出的核形石灘不同，核形石灰巖與鮞粒灰巖共同發育現象及二者過渡的突變性是研究區核形石的重要特征，其沉積現象造成研究區核形石特殊的宏觀特征及微觀組構。基于對發育在強迫型海退中的核形石的宏觀及微觀特征觀察，研究發育大連市金州灣徐莊組核形石的沉積組構、沉積環境和特征，以及其中發育的鈣化藍細菌(如葛萬菌、巖枝菌等)，核形石形成于淺海中典型的光合作用生物膜或生物席內復雜的鈣化作用和早期石化過程，同時探討核形石可能的環境指示意義，為研究微生物與環境在形成微生物巖過程中的重要作用提供典型實例。

在地形、地質條件不利于布置開敞式溢洪道的壩址條件下，選擇采用洞式溢洪洞方案。坪寨（壩高H=162 m）、九甸峽（H=137 m）、洪家渡（H=179.5 m）等工程處高山峽谷地區，溢洪道開挖會造成不穩定高邊坡及較大幅度增加開挖工程量，采用的開敞式進口后接隧洞（洞式溢洪道）的泄洪方式，具有明流隧洞超泄能力大、適應高陡地形條件的特點。

1 地質背景

研究區位于華北地臺東北部，是中國早古生代地層典型分布地區。華北地臺是中國北方較為穩定的克拉通，其南側以秦嶺—大別造山帶為界，北側以天山—興蒙造山帶為界(見圖1(a))。其中，寒武系與奧陶系形成于大規模海侵的大陸邊緣構造背景，以廣泛分布的碳酸鹽巖臺地為特點，具有完整的地層序列。研究剖面位于遼寧省大連市北部約50 km的金州區拉樹山村向西約500 m處的濱海公路旁(見圖1(b))，受秦嶺—大別造山帶及天山—興蒙造山帶的地質構造背景影響，拉樹山剖面寒武系自下而上發育第二統的紅層沉積物與碳酸鹽巖的混合沉積物、苗嶺統的鮞粒灘碳酸鹽臺地及芙蓉統的灰泥為主的碳酸鹽臺地沉積[5,7-9,14-16]，第二統沉積物覆蓋在不同時代的前寒武紀地層及結晶基底上，形成一個類似于北美地臺的巨型不整合面[5,7-9]。苗嶺統徐莊組沉積時期，海侵范圍進一步擴大，華北地臺的沉積相帶從西北的沂蒙—呂梁古陸向四周依次為白云巖主導的環潮坪相、鮞粒灘主導的中緩坡相，整體代表混合潮坪沉積體系到緩坡型碳酸鹽沉積序列的變化(見圖2)。該時期典型特征為陸源砂灘和碳酸鹽灘的興起，華北地臺上早古生代徐莊組首次出現真正的高能鮞粒灘[17]。

圖1 華北地臺寒武系—奧陶系地層分布及剖面位置

圖2 華北地臺寒武系徐莊組沉積相帶(據文獻[17]修改)Fig.2 Depositional zonation of Xuzhuang Formation in Cambrian, North China Platform(modified by reference [17])

遼東半島南部金州灣寒武系苗嶺統徐莊組構成一個完整的淹沒不整合三級層序(見圖2)，在其頂部的強迫海退體系域沉積中發育一套核形石生物丘泥晶灰巖覆蓋在鮞粒灰巖上(見圖4)。一般認為，核形石是微生物與環境相互作用形成的，微生物作用和水環境是控制核形石成因機制的重要因素，主要的成因機制概括為三類：一是分泌黏液的藻(菌)類或微生物在生長過程中捕獲、粘結碎屑物質和碳酸鈣質點，圍繞核心加積形成非固著生長的紋層狀結核體；二是生物誘導機制[2]，體現于光合作用主導的微生物膜鈣化和硫酸鹽還原細菌造成的硫酸鹽還原反應[2,7-8,29]，通過提高環境堿度和過飽和度誘導碳酸鹽沉淀；三是生物影響機制，黏性物質或細胞外聚合物質(EPS)在核形石的發育和礦物沉淀過程中起關鍵作用，在生物影響的礦化過程中其他環境因素(如脫氣、蒸發等)能提高環境堿度，但礦物成核過程是由EPS的生物學產生和降解作用控制的[2]。如同HAN Z Z等[21]和XIAO E Z等[22]觀察核形石超顯微組構得出的結果，徐莊組泥晶核形石中的暗色富有機質泥晶是與EPS降解相聯系的碳酸鹽成核及沉淀作用結果，受微生物影響的礦化機制表現為微生物膜內有機質(如EPS)降解釋放Mg2+、Ca2+和H+后，絲狀鈣化藍細菌鞘或EPS表面生成非晶質碳酸鹽礦物(ACC)，進而堆積形成泥晶圈層；亮晶方解石結殼歸結為，絲狀藍細菌光合作用驅動的細胞內“堿度發動機”[5,7,30,31]改變微環境內的物理化學性質而誘導的碳酸鹽礦物(如方解石)沉淀，為微生物誘導的礦化。核形石皮層中可能發育黃鐵礦晶體殘余物(見圖7(b-c))，表明異養細菌(如硫酸鹽還原細菌[32])造成硫酸鹽還原反應(BSR)，產生的HS-誘發碳酸鹽礦物原地沉淀[2,32]和微生物席早期石化 ，并中和BSR周圍微環境中升高的堿度。

圖3 金州灣拉樹山剖面寒武系徐莊組地層柱狀圖Fig.3 Stratigraphic column of Xuzhuang Formation of Cambrian at Lashushan Section from Jinzhou Bay

2 沉積特征

2.1 宏觀特征

根據綠色GDP理念的特點，所謂綠色GDP就是要在現行的國民經濟核算體系下，扣除自然虛數，同時增加由于生態環境保護而形成的GDP收入。自然虛數即對由于經濟發展所造成的自然環境破壞的量化結果，其中應該包括：環境污染造成的環境質量的下降、自然資源的退化、長期生態退化所造成的損失、自然災害所引起的經濟損失、資源稀缺性所引發的成本等。

圖4 徐莊組頂部的鮞粒灰巖和核形石灰巖宏觀特征Fig.4 Macro characteristics of oolites and oncolites on the top of Xuzhuang Formation

采用SPSS 21.0軟件對數據進行分析處理，兩組患者的AST、ALT、ALB、AKP、Cr、BUN、DBIL、TBIL水平等計量資料用（均數±標準差）表示，用t檢驗，檢驗水準α=0.05，以P＜0.05表示差異具有統計學意義。

核形石與鮞粒共生且在宏觀上具有明顯突變性，在核形石灰巖下部發育的鮞粒形態良好，形狀主要為圓形和近圓形，也可見長條狀、少量橄欖形及較多形態不規則的鮞粒，具有破碎形成的鋸齒狀邊緣(見圖4(e-f))。鮞粒粒度分選不一，小的鮞粒直徑只有0.1 mm，甚至更小；大者可達1.0 cm，屬于巨型鮞粒的范疇。鮞粒間充填陸源巖石碎屑和三葉蟲等生物骨架化石碎片，可見多個鮞粒聚合形成的復合型鮞粒。鮞粒多數不可見核心和紋層，少數以三葉蟲骨架化石碎片為核心，或以巖石碎屑和小型鮞粒為核心。徐莊組鮞粒灰巖最典型的特征為發育兩種類型的假鮞：一種為完全由亮晶方解石或白云石充填的假鮞，紋層不太清晰或不可見紋層，可見過渡類型，即以亮晶方解石顆粒為核心，外部為白云石化的鮞粒皮層；另一種為不發育紋層的泥晶充填的假鮞。鮞粒與核形石的共生現象表明研究區核形石可能形成于和鮞粒形成條件相似的中高能環境，為核形石對環境指示意義的研究提供新證據。

2.2 微觀特征

正交偏光顯微鏡和單偏光顯微鏡下觀察表明，泥晶核形石具有清晰的邊界，核形石間充填基質主要為微亮晶方解石、鮞粒、暗色泥晶凝塊和生物骨架化石碎片(見圖5)。核形石皮層發育粗糙紋層或不發育紋層，紋層厚度具有從內向外變薄的趨勢，內部紋層粗糙且多不連續，形態不規則的窗格狀孔隙多發育于內部圈層(見圖5(a))，外圈紋層連續且細膩平滑。紋層主要由泥晶或凝塊狀泥晶、微亮晶構成，其重復性序列樣式具有明顯的疊層石的沉積屬性[4,5,7-9,20]。金州灣徐莊組大多為完全皮層(沒有核心)的核形石，皮層由致密泥晶主導，無明顯的重復性紋層序列[21]，核形石皮層中的暗色泥晶和核形石間充填的凝塊內可見黑色小點，可能為黃鐵礦晶體的殘余物。核形石核心由生物骨架化石碎片(如三葉蟲和腹足類等)、鮞粒及其他微生物碳酸鹽巖碎屑構成，有的核形石表現多核心的特點(見圖6)，與XIAO E Z等[22]描述的多核心核形石類似。同時，可見以海綠石礦物為核心的鮞粒(見圖5(b-d))，海綠石礦物具有較好的磨圓度，表明外來屬性。核形石隨核心樣式不同具有不同的形態。此外，核形石及其間充填的鮞粒表現為普遍的白云石化特征，霧心亮邊的菱形白云石晶體(見圖6(b-c))具有比較完好的晶型，發育在核形石核心和皮層內。

圖6 金州灣徐莊組以鮞粒為核心的多核心核形石Fig.6 Multiple-cored oncoid consisting of ooids from Xuzhuang Formation of Jinzhou Bay

2.2.1 鈣化藍細菌

細粒灰巖基質中發育厘米級別的核形石，核形石大小不一，粒徑可達3 cm，平均為1.0～1.5 cm，屬于宏觀核形石(macrooncoids)和巨型核形石(megaoncoids)的范疇[7,9,19]。核形石大多不相互接觸，其間充填巖石碎屑、鮞粒及三葉蟲等生物骨架化石碎片，表現為明顯的基質支撐特點(見圖4(b-d))。核形石剖面形態主要為橢圓形、長條狀及不規則形態，可見少量近圓形和新月狀，局部可見少量破碎不規則狀核形石，是水動力作用后期改造或成巖作用、地質應力作用的產物。研究區核形石從組成上主要分為兩種類型：單晶核形石和泥晶核形石。前者主要為亮晶方解石構成，核心和紋層不發育；后者可見比較粗糙的紋層構成皮層，以及生物骨架化石碎屑構成的核心或無核心的核形石，無核心的原因是切片方向不同或有核心的核形石經歷后期成巖作用改造而成。同時，也可見過渡類型，即以亮晶方解石顆粒或單晶鮞粒為核心，外部為泥晶構成的皮層，反映泥晶核形石后期經歷方解石化作用。與鮞粒不同，核形石具有從核心向外皮層加厚、向不規則變化和彎折的趨勢，表明核形石在形成時期各個方向上翻滾頻率不一致，非均一的紋層化作用體現核形石的疊層石屬性[4,5,7-9,20]。

2.2.2 窗格狀組構

圖7 金州灣徐莊組顯微核形石Fig.7 Micro-oncoids from Xuzhuang Formation of Jinzhou Bay

圖8 金州灣徐莊組巨型泥晶核形石Fig.8 Megaoncoid consisting of micrites from Xuzhuang Formation of Jinzhou Bay

以鮞粒為核心的顯微核形石的暗色泥晶中可見彼此平行、緊密排列的細植菌(Subtifloria)[23-24]排列在葛萬菌外部，有輕微纏繞現象，形態為較平直的絲狀，其長度大于寬度，管壁較薄，厚度為1～4 μm，由泥晶方解石組成，其直徑比葛萬菌的略小，為10～15 μm(見圖7(d-e))。細植菌平直緊密排列在彎曲纏繞的葛萬菌外部，表現為保護核形石形態完整的抗浪性。此外，核形石間充填的暗色泥晶凝塊內可見高密度的絲狀鈣化藍細菌，同時存在由巖枝菌(Apophoretella)單獨構成的凝塊(見圖9)，其邊緣不平滑，內部巖枝菌排列呈相對放射狀且近似平行，其直徑小于葛萬菌的，約為15 μm。

圖9 金州灣徐莊組核形石間基質中的暗色泥晶凝塊Fig.9 Dark micritic clots amongst oncoids in matrix from Xuzhuang Formation of Jinzhou Bay

金洲灣徐莊組可見以鮞粒集合體為核心的顯微核形石，暗色微生物膜包覆核心不對稱生長，鏡下表現為松散纏繞的絲狀鈣化藍細菌(見圖7)。巨型泥晶核形石皮層中暗色致密泥晶在鏡下表現為高密度的相互纏繞的鈣化藍細菌(見圖8)。這些鈣化藍細菌形態多為絲狀或管狀，具有較均勻的直徑(20～30 μm)和較厚的泥晶壁(約為6 μm)，暗色泥晶壁是絲狀藍細菌鞘的活體鈣化作用殘余物，內部被亮晶方解石交代的亮晶管可能是藍細菌細胞列(香毛簇)的降解作用殘余物[5,7-9]。

研究區徐莊組頂部發育典型的泥晶核形石，以不發育清晰紋層為特征(見圖5(b))，皮層中致密暗色泥晶內發育類似現代織線菌(Plectonema)的絲狀鈣化藍細菌鞘化石[7,25,33](見圖8(b))。這些絲狀藍細菌構成核形石內的微生物膜，并以其較大的直徑、較厚的泥晶壁和纏繞狀生長的特點，被歸為葛萬菌組合(Girvanella Group)[7-9,25]類的鈣化藍細菌，且具有比較均勻的直徑和暗色泥晶壁，代表藍細菌活體鞘鈣化作用和微生物膜早期石化作用的產物。藍細菌的活體鞘鈣化是一個與大氣二氧化碳濃縮機制(CCMs)相聯系的生物調節的鈣化作用[2,7]。充填在核形石間基質中的暗色泥晶凝塊可見高密度的葛萬菌類的絲狀鈣化藍細菌及巖枝菌鈣化藍細菌，核形石皮層及基質中的絲狀鈣化藍細菌毫無規律地分布在暗色泥晶中(見圖8-9)，表明核形石形成于微生物調解下的沉積環境，為研究核形石的有機成因提供依據。

3 討論

3.1 成因機制

研究區徐莊組頂底面清晰，底部發育具有凝縮性質的鈣質泥巖，直接覆蓋在下伏毛莊組頂部的中薄層泥晶白云巖上，構成一個典型的淹沒不整合面[16]，頂部以一個淹沒不整合面與張夏組底部泥巖接觸。徐莊組自下而上由中—深緩坡相泥巖與泥灰巖、鮞粒灘主導的淺—中緩坡相灰巖、白云巖主導的環潮坪相等組成，縱向上相互疊加，組成多套向上變淺的序列，高能巖體表現向上加厚、在序列中所占比例增加等特征，組成一個級次更高的沉積旋回，反映徐莊組海平面逐漸下降、整體向上變淺的趨勢(見圖3)。結合拉樹山剖面徐莊組沉積趨勢及華北地臺徐莊組三級層序的整體框架，將拉樹山剖面徐莊組自下而上劃分為一個淹沒不整合型三級層序，類似于碳酸鹽巖層序的下降階段體系域模式[18]。

泥晶核形石皮層中非平滑的圈層結構內常見由微亮晶充填的窗格狀孔隙(見圖7)。這種淺色孔隙可順層排列，也可切割紋層，形態多不規則，大小一般在1 mm以下，也可能隨核形石大小而變化。窗格狀組構常見于構成疊層石的微生物席，在金州灣徐莊組核形石中，窗格狀組構發育于密集的葛萬菌(Girvanella)[25]類的由相互纏繞的絲狀鈣化藍細菌鞘化石組成的暗色泥晶，類似BOSAK T等[26]和PEPE-RANNEY C 等[27]在美國黃石國家公園中觀察到的現象。該窗格狀組構可解釋為由光合作用產生的、氧氣氣泡在上浮過程中被微生物絲狀體阻礙形成的、垂直定向的氧氣氣泡殘余物，由于縱剖面形似沙漏，被MATA S A等[28]稱為“砂濾狀構造(hourglass structures)”，窗格狀組構代表形成核形石的光合作用微生物膜內代謝活動的產物[7]。

與大部分核形石單獨產出的核形石灘不同，遼東半島南部金州灣拉樹山剖面徐莊組頂部產出的核形石發育于一套數十米厚的核形石與鮞粒共生的泥晶灰巖地層。野外觀察表明，該地層為明顯的強迫海退體系域沉積。核形石灰巖直接覆蓋在鮞粒灰巖上，可見明顯的突變痕跡，無逐漸過渡現象，核形石灰巖與鮞粒灰巖分界處發育類似縫合線的構造(見圖4(a))。金州灣徐莊組核形石以發育不具紋層的致密泥晶為典型特征(見圖4(b-d))。

3.2 沉積環境

研究區徐莊組核形石皮層中保存生物骨架碎片和外來顆粒(如海綠石礦物)(見圖5(b-d)、圖8(a-c))，暗示核形石形成環境的可能性，代表微生物膜和微生物席上或底部分泌的黏性多糖(polysaccharide)在核形石形成過程中的粘結和捕獲作用，捕獲的質點隨原核形石在水動力作用下不連續翻滾，形成含有陸源碎屑且形態不規則、不發育紋層和核心的泥晶核形石[34]。核形石的無紋層特征、不規則形態及不對稱的生長樣式，表明徐莊組的泥晶核形石更可能形成于淺海正常浪基面附近的中高能環境。核形石能夠形成于廣泛的沉積環境(現代鹽湖、河流、洞穴熱泉及深海海底等)[4,35-37]，但金州灣徐莊組泥晶核形石內豐富的絲狀鈣化藍細菌指示，核形石的形成與光合微生物膜的沉積作用密切相關，使核形石對海相環境中的沉積環境的指示研究更有價值。

徐莊組核形石的白云石化現象(見圖6(b-c))代表后期成巖作用改造的結果，可能與鎂質黏土(如高嶺石和蒙脫石族礦物)相關聯，非晶質鎂硅酸鹽和纖維狀的坡縷石(palygorskite)和海泡石(sepiolite)納米纖維構成的微生物席的礦化可能發生在鮞粒中[38]，在微生物席或微生物膜鈣化之后的成巖作用期間，EPS降解釋放Mg2+及與之相聯系的硫酸鹽還原反應促進碳酸鈣礦物的沉淀，使Mg2+/Ca2+相對升高而發生白云石化形成特別的成巖白云石殘余物或燧石。因此，無論是核形石還是鮞粒，明顯表征地球早古生代微生物與沉積物及水體之間復雜的相互作用，代表微生物與環境隨時間演變的潛力。金州灣徐莊組核形石提供一個典型的早古生代微生物在高能水體中的沉積作用實例，但核形石形成過程中微生物活動與水體環境相互作用的機理對核形石形成的意義需要進一步研究。

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4 結論

(1) 遼東半島南部金州灣拉樹山剖面寒武系苗嶺統徐莊組頂部的強迫型海退體系域中，發育一套厘米級的巨型泥晶核形石，核形石與鮞粒共生且核形石灰巖與鮞粒灰巖具有明顯分界，研究區核形石具有非紋層化結構和泥晶質組成的典型特征。

(2) 暗色泥晶構成的核形石發育葛萬菌類絲狀藍細菌鞘化石和不規則的窗格狀組構，核形石形成于光合作用生物膜與“堿度發動機”和EPS緊密耦合的復雜的鈣化作用，核形石的形成與以絲狀鈣化藍細菌為主導的微生物膜沉積作用密切相關。

(3) 研究區存在核形石的無紋層特征、外來顆粒的存在及白云石化現象，核形石形成于淺海正常浪基面附近的中高能水體環境。該結果為早古生代高能水體中微生物調節的沉淀作用形成碳酸鹽顆粒提供典型實例，進一步肯定核形石對古環境具有指示意義。