北京西山下葦?shù)槠拭婧湎敌烨f組鮞粒研究.docxVIP

1、文章號：1671-1505（2015）04-0517-12DOI：10.7605/gdlxb.2015.04.042北京西山下葦?shù)槠拭婧湎敌烨f組童而粒研究*邢延路馮李強(qiáng)中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083摘要對北京西山下葦?shù)楦蠲婧湎敌烨f組篩?；?guī)r進(jìn)行了觀察和研究，在其中不僅發(fā)現(xiàn)了有核及無核同心一放射狀錢、單（或多）晶朗、泥晶佛和復(fù)合斯，而且還發(fā)現(xiàn)了暗色顆粒包光、凝聚顆粒和黃鐵礦聚集體等特殊組構(gòu)。暗色顆粒包充的發(fā)現(xiàn)尚屬首次，其可能是絲狀藍(lán)細(xì)菌菌體的殘留物。凝聚顆檢由方解石或白云石構(gòu)成，可能代表了微生物席內(nèi)的含氧，泡。生物碎屑上的附著體可能是微生物群落的痕透，在其內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有

2、類似佛粒的球狀顆粒。復(fù)合偷膠結(jié)松散，包充不發(fā)育，表明其可能形成于相對穗定的水體環(huán)境。研究表明，徐莊蛆頓粒可能形成于水動(dòng)力條件相對獲弱的淺海環(huán)境中，微生物在倆粒的形成過程中發(fā)揮了較大的作用。關(guān)鍵詞倆粒徐莊組微生物水動(dòng)力古環(huán)境北京西山下葦句第一作者簡介邢延路，男，1991年生，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）碩士研究生，主戛從事礦物學(xué)、巖石學(xué)和礦床學(xué)方面的研究。E-mail：jdbshsj。中圖分類號：P588.24*5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：AAstudyonooidsinlimestonesoftheCambrianXuzhuangFormationatXiaweidianoutcropinWesternHillof

3、BeijingXingYanluFengLiqiangSchoolofEarthSciencesandResources,ChinaUniversityofGeosciences（Beijing）,Beijing100083AbstractThispapersystematicallystudiedthecharacteristicsofooliticlimestoneoftheCambrianXuzhuangFormationatXiaweidianoutcropinWesternHillsofBeijing.Core-beardandcore-missedconcentric-radial

4、ooids,monocrystalline/polycrystallineooids,micriticooidsandcompoundooidshavebeenfoundinthisstudy.Atthesametime,wealsofoundsomespecialtextures,suchasdark-coloredcortices,compoundedgranulesandpyriteagglomerates.Dark-coloredcorticesarefoundforthefirsttime,whichareprobablytheremainsoffilamentouscyanobac

5、teriabodies.Compoundedgranules,whichmayrepresenttheoxygen-containingbubblesinmicrobialmats,arecomposedofcrystalsofcalciteordolomite.Anattachmentisfoundonthesurfaceofabioclastandooid-likeparticlesarefoundinsidetheattachment.Compoundedooids,whicharelooselycompactedandlackofoutsidecortices,mayindicatet

6、hattheyaregeneratedinarelativelyquietshallowwaterenvironment.OurresearchshowsthatooidsintheXuzhuangFormationwereprobablygeneratedinaquietshallowwaterenvironmentandmicrobesplayedakeyroleinthisprocess.Keywordsooids,XuzhuangFormation,microbe,hydrodynamics,palaeoenvironment,Western教育部大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號：20

7、12AX0032）資助收禍日期：2014-04-29改回日期：2015-01-20圖7北京下節(jié)甸剖面寒武系徐莊組生物碎屑及其上的附著體Fig.7BioclatandspecialattachmentoftheCambrianXuzhuangFormationatXiaweidianoutcropinBeijingA-箭頭所指為第枚灰?guī)r內(nèi)發(fā)育的生物碎屑.其空腔中包襄一些有機(jī)質(zhì)含量較高的球狀碳鹽顆粒.表面上發(fā)育一附著體.單偏光;B生物碎屬上的附著體.其邊界與生物碎屑呈甄狀平滑過渡.且在二者接觸處明44出現(xiàn)有機(jī)質(zhì)的富集（箭頭所指）.單偏光化學(xué)條件起到了局部的控制作用。Brehm等（2006）研究并分

8、析了微生物作用誘導(dǎo)方解石沉淀的機(jī)制，認(rèn)為球狀的微生物席或生物膜（biofilm）體系有利于微生物生命活動(dòng)的進(jìn)行，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）保護(hù)膜內(nèi)的微生物免iff外部機(jī)械作用的干擾及破壞；（2）促進(jìn)微生物的增殖；（3）促進(jìn)光、礦物質(zhì)及一些其他資源的吸收和利用。硫酸鹽還原細(xì)菌等異養(yǎng)微生物通過呼吸作用，消耗由藍(lán)細(xì)菌等自養(yǎng)微生物所合成的有機(jī)物（表1,Eq.l）,并釋放C02,同時(shí)還原SO；并生成這一過程會對其周圍水體的pH值及C02分壓起到很大的改變（表1,Eq.2,Eq.3）,從而促進(jìn)了方解石的沉淀。在新粒內(nèi)部大最發(fā)現(xiàn)的黃鐵礦晶粒正是這種作用發(fā)生過的有力例證，在徐莊組中發(fā)現(xiàn)的附著體很可能就是

9、一個(gè)附著在底棲生物外殼或生物碎屑上的小型微生物群落。核心往往被認(rèn)為是皺粒形成的必要條件之一。高能動(dòng)蕩的水體環(huán)境可以促使同心紋層包裹核心逐步增生，從而形成甄粒。前已述及，在徐莊組新?；?guī)r中發(fā)育一種較為特殊的有核同心一環(huán)狀笫粒（圖3-D）,其核心是由含有機(jī)質(zhì)很少的微亮晶方解石構(gòu)成，因而在顯微鏡下表現(xiàn)為一個(gè)明亮的被暗色的富有機(jī)質(zhì)篩粒皮層包裹了的核心。但是，這一所謂的“核心”為較為純凈的微亮晶方解石，更像是后期充填的產(chǎn)物。如果這個(gè)核心是在新粒皮層形成之后被方解石填充形成的話，那么紿粒皮層的表1微生物膜內(nèi)微生物共生體系的生物一化學(xué)模型Table1Abio-chemicalmodelofitymbioli

10、csystemsinmicrobebiofilm藍(lán)細(xì)菌'C«2*+2HCO；CaCOj+CH2O+02Eq1戾氧，化細(xì)菌廠HS+3HCO；CaCO,+2CH2O+SOfEq'2鹽還原細(xì)側(cè)Ca2*+OH+SO5'*2（CH2O）-CaCOj+COj+HS"+2H2O"'注：Eq.l為或細(xì)藺固定CO,.合成有機(jī)質(zhì)井氣.促進(jìn)方解石沉淀；Eq.2為厭氧硫氧化細(xì)菌氧化HS-并促進(jìn)方解石諷淀；Eq.3為硫酸it還原細(xì)菌還原并促進(jìn)方解石沉淀.同時(shí)生成HS,改變水體pH（ft（Duprazceta/M2009）形成方式便不能用一個(gè)動(dòng)蕩水體環(huán)境下的機(jī)

11、械一化學(xué)作用模式來解釋。這一看似矛盾的現(xiàn)象利用前人對微生物群落的研究成果得到了較為有效的解釋。Theobold（1852）曾在微生物席內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)了被碳酸鹽所包裹的氣泡，Chafetz等（1991）也在熱泉石灰華中發(fā)現(xiàn)了類似的氣泡。他們一致認(rèn)為這些被碳酸鹽所包裹的氣泡是光合細(xì)菌所釋放的釵氣形成的。Gerdes等（1994）在對Lanzarote地區(qū)微生物席內(nèi)的碳酸鹽顆粒開展了系統(tǒng)的研究后，對他們的這種論斷表示了肯定。由于氣泡內(nèi)富集釵氣，因此CO?的分壓則相對較小，這就造成了在該氣泡附近的微區(qū)域內(nèi)具有一個(gè)較大的C0?梯度，由于氣泡邊界處的水體缺少C02,從而大大提高了該部位CaCOj的飽和程度，這

12、會導(dǎo)致文石沿著該氣泡邊界致謝研究過程中得到了梅冥相教投的悉心指導(dǎo)和幫助；王楚楚、馮定素等參與了野外工作；顯微照相得到了楊立強(qiáng)教投的大力支持。兩位審稿專家對本文的修改給出了十分寶貴的意見。馮增昭教授對本文的進(jìn)一步修改給予了作者極大的鼓舞和指導(dǎo)。文章的完成離不開以上各位的幫助，作者在此一并致以衷心感謝！參考文獻(xiàn)馮增昭，陳繼新，吳勝和，等.1990.華北地臺早古生代巖相古地理5J.北京：地質(zhì)出版社.193-200.高林志.喬秀夫.2001.北京西山寒武系下葦?shù)榻M：一個(gè)新建議的組J.地層學(xué)雜志,25(3):188-192.林云蘭.劉波，泰善，等2012.北京西山下葦?shù)橹泻浣y(tǒng)張夏組生物丘發(fā)育特征及其地

13、質(zhì)意義J.地質(zhì)科技情報(bào),31(1):10-15.盧衍豪，張文堂，朱兆玲，等1994.關(guān)于我國寒武系建階的建議J.地層學(xué)雜志.18(4)：318-328.梅冥相.馬永生，梅仕龍.等.1997.華北塞武系層序地層格架及碳酸鹽臺地演化JJ.現(xiàn)代地質(zhì).11(3):275-282.梅冥相，郭榮濤，胡媛.2011,北京西郊下葦?shù)槠拭婧湎调谏浇M疊層石生物丘的沉積組構(gòu)J.巖石學(xué)報(bào),27(8):2473-2486.孟祥化，喬秀夫.離銘.1986.華北古淺海風(fēng)暴沉積及丁家灘相序模式JL沉積學(xué)報(bào).5(2)：1-18.王成述，范開強(qiáng)，尹占國.1990.北京西山中寒武統(tǒng)張夏紐皺粒特征及其環(huán)境意義J.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)

14、研究所所刊，22：39-55.王英華，張秀蓮，訪承運(yùn)，等.1989.佐北地臺早古生代破酸鹽巖巖石學(xué)M.北京：地震出版社,1-171.張旭.張寧，物振鴻，等.2009.北京西山下葦?shù)橹泻浣y(tǒng)碳酸鹽巖微相及沉積相研究J.地質(zhì)科技情報(bào),28(6):25-30.朱傳慶.羅物，楊物.等.2009.北京西山寒武系層序地層J).中國地©,36(1)；120-130.BrehmU,KrumbeinWE.PalinskaKA.2006.BiomicroopheresgenerateooidsinlaboratoryfJ.GeomicrobiologyJournal,23:545-550.Chafetz

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19、llowdepositionalenvironmentsJ.GlobalandPlanetar)Change,105：91-101.(責(zé)任編輯張西蝸)HillsofBeijing,XiaweidianAboutthefirstauthorXingYanlu,bornin1991,isacandidateformaster'sdegreeinChinaU-niversityofGeosciences(Beijing).Heismainlyengagedinmineralogy,petrologyandoregeology.E-mail；jdbshsj.斯粒多為直徑小于2mm的球狀顆粒，主

20、要存在于碳酸鹽巖中。目前，關(guān)于碩粒的成因有2種主流的認(rèn)識：一種是機(jī)械及化學(xué)成因說（Duguideta/.,2010）,即認(rèn)為皺粒形成于較為動(dòng)蕩的水體環(huán)境中。另一種是微生物成因說，認(rèn)為微生物在碳酸鹽沉淀及兼粒同心紋層的形成過程中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。如Duguid等（2010）通過對巴哈馬灘第粒的觀察和研究，認(rèn)為斯粒的形成與微生物不存在直接的關(guān)系，在方解石、文石沉淀及碩粒同心紋層形成過程中，化學(xué)過程起到了關(guān)鍵的作用。然而，Brehm等（2006）通過實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)，成功地利用他們所定義的“球狀微生物群落”人工合成了緬粒，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了笫粒形成的微生物作用機(jī)制。此外，通過對瑞典LakeGeneva地區(qū)淡水?dāng)?/p>

21、的研究，發(fā)現(xiàn)光合微生物所控制的微生物群落在皺粒形成的早期誘導(dǎo)了方解石的沉淀（Pl&ezR,2008）o在弟粒的機(jī)械及化學(xué)成因模式下，朗粒的形成似乎離不開一個(gè)動(dòng)蕩的水體環(huán)境。然而，若是微生物的作用占主導(dǎo)，則較為動(dòng)蕩的環(huán)境條件可能不再是一個(gè)必要條件（Pactona/.,2012）,這也就導(dǎo)致了2種成因說在解釋鰭粒的形成條件上的較大矛盾。2種假說的差異，代表了在地質(zhì)歷史時(shí)期地層中廣泛發(fā)育的頗粒所反映的沉積相及其代表的相應(yīng)沉積環(huán)境不同。因此，研究笫粒的成因，對更為準(zhǔn)確地厘定其所反映的古沉積環(huán)境、劃分沉積相都具有十分重大的意義?；谝陨险J(rèn)識，筆者對北京西山下葦?shù)楹湎敌鞈c組頂部的厚層緬粒灰?guī)r進(jìn)行

22、了系統(tǒng)的野外觀測和室內(nèi)研究，發(fā)現(xiàn)了很多頤粒形成過程中的微生物作用信號。文中通過討論在研究過程中所發(fā)現(xiàn)的特殊的質(zhì)粒及組構(gòu)，試圖為鱗粒的微生物成因研究提供更多的理論依據(jù)。1地質(zhì)背景北京西山下莘甸寒武系剖面位于北京市門頭溝區(qū)妙峰山鎮(zhèn)（圖1）,是華北地臺寒武系沉積現(xiàn)象較為豐富的地層剖面之一。20世紀(jì)80年代以來.很多學(xué)者對該剖面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的沉積學(xué)研究（孟祥化等，1986；王英華等，1989；馮增昭等，1990；盧衍豪等，1994；梅冥相等，1997,2011；高林志和喬秀夫，2001；張旭等，2009；朱傳慶等，2009）o該剖面寒武系出露較為完整，從下至上依次為：第二統(tǒng)昌平組、饅頭組；第三統(tǒng)毛莊

23、組、徐莊組、張夏組、崗山組；芙蓉統(tǒng)長山組、鳳山組。各組地層出露相對完好，發(fā)育豐富的沉積現(xiàn)象。其中，在徐莊組、張夏組及固山組頂部均發(fā)育有大套厚層狀緬?；?guī)r。前人利用該剖面對張夏組新?；?guī)r及生物丘（王成述等，1990；郝云蘭等,2012）、曲山組疊層石生物丘及沉積組構(gòu)（梅冥相等，2011）等進(jìn)行過較為詳細(xì)的研究。但是，尚未有學(xué)者對該剖面徐莊組頤?；?guī)r中緬粒的特征及其他一些沉積組構(gòu)進(jìn)行過系統(tǒng)的研究。圖1北京下葦?shù)槠拭嫖恢?據(jù)郝云蘭等，2012,有修改)Fig.)GeographicallocationofXiaweidianoutcropinBeijing(modifiedfromHaoetal.,

24、2012)下葦?shù)槠拭嫘烨f組厚70-80m,與下部毛莊組及上部張夏組均為平行不整合接觸。徐莊組下部主要為一套潮坪相的細(xì)粒碎屑巖一泥巖沉積，夾有白云巖透鏡體及透鏡層；向上為1套厚層甄?；?guī)r，厚約40m,反映了高能的緬粒灘相沉積（馮增昭等，1990；梅冥相等，2011）?？傮w上，第?；?guī)r呈淺灰色一灰色，粒徑多為0.30.7mm,部分顆粒粒徑可達(dá)1mm；顆粒含最可達(dá)50%以上，分布相對均勻。由于徐莊組項(xiàng)?；?guī)r所顯示出的高能緬粒灘相，是在華北地臺上早古生代以來首次出現(xiàn)的高能量的灘，且是以陸源沉積為主導(dǎo)的坪環(huán)境向以碳酸鹽沉積為主導(dǎo)的灘環(huán)境演化的第1個(gè)灘（馮增昭等，1990）,而到了張夏期，華北地臺則成了一

25、個(gè)廣闊的碳酸鹽巖臺地（馮增昭等，1990；朱傳慶等，2009）o因此，徐莊組結(jié)粒灘在沉積環(huán)境演變的過程中發(fā)揮了承上啟下的作用，故對其中以緬粒為代表的沉積組構(gòu)的研究，對深入了解這種演變背后的環(huán)境意義具有不可瞽代的作用。2主要就粒類型及特征對徐莊組頂部第粒灰?guī)r以23m為間隔取樣，進(jìn)行了手標(biāo)本及鏡下特征的詳細(xì)觀察和記錄，并將知?；?guī)r等間距劃分為5個(gè)層段（圖2）。總體上，徐莊組內(nèi)笫粒類型豐富，主要包括具核同心一放射狀皺、無核心同心一放射狀皺、單（或多）晶笄、泥晶州以及復(fù)合斯粒等。2.1具核同心一放射狀鱗具核同心一放射狀縮在徐莊組笫粒灰?guī)r中發(fā)育最為廣泛，在各個(gè)層段均有發(fā)現(xiàn)，其中，在第一、四和五段發(fā)育較多

26、?？傮w上，具核同心一放射狀甄的粒徑多為300600形狀規(guī)則，多呈圓一橢圓狀，分布不均勻，局部成群密集分布。知粒的核心特征變化明顯，根據(jù)成分可劃分為泥晶方解石核心（圖3-C）、亮晶方解石核心（圖3-D）、白云石晶粒聚集核心及生物骨屑核心等。此外，核心的直徑變化較大，為50300jxm。相應(yīng)地，皮層厚度也變化較大，但其成分變化不大，主要為有機(jī)質(zhì)含杭較高的泥晶或微船方解石。由于受到后期成巖作用影響，大部分皺粒的同心紋層遭到了不同程度的破壞，變得模糊不清。但是，亦發(fā)現(xiàn)有由白云石晶粒規(guī)則排列所表現(xiàn)出的同心紋層結(jié)構(gòu)（圖3-A）,其可能是受后期白云巖化作用改造所致，反映了原始觸粒同心紋層的存在。2.2無核同

27、心一放射狀質(zhì)無核同心一放射狀第以其不發(fā)育明顯核心而與有核縮粒區(qū)分開來。該種頗粒發(fā)育相對廣泛，在徐莊組第二、三段發(fā)育較為集中。緬粒的粒徑多為巖性柱莊地層般聚贛段|生物碎房I/IIV-vI1771同心.放|KM秘|檢慶巖|«««巖圖2北京下葦?shù)橄髅婧湎敌烨f組地層特征及主要頃粒類型Fig.2CharacteristicsoftheCambrianXuzhuangFormationatXiaweidianoutcropinBeijingandmaintypesofooids300-500|im,形狀為較規(guī)則的球一橢球狀（圖4-A, 4-B,4-C,4-D）,多數(shù)仍依稀可

28、見由微晶方解石構(gòu)成的圈層結(jié)構(gòu)。該種皺粒的成分均一，內(nèi)外變化不明顯，具有相對較高的有機(jī)質(zhì)含量（圖4-B, 4-C）e部分皺粒的外表面發(fā)育有黃鐵礦聚集體（圖4-B）。無核同心一放射狀甄的外表面平滑完整（圖4-A,4-C）,這與現(xiàn)代巴哈馬灘知粒較為相似，表現(xiàn)為浮游結(jié)粒的典型特征（Gerdeseta/.,1994）o梅冥相等（2011）曾在該剖面寒武系曲山組笫?；?guī)r中發(fā)現(xiàn)了類似的無核心新粒，認(rèn)為這種緬粒屬于微生物席內(nèi)形成的底棲甄粒。2.3單（或多）晶篩這種顆粒主要發(fā)育在徐莊組皺?；?guī)r的第四段，在其他幾個(gè)層段零星出露。單（或多）晶紿最典型特征表現(xiàn)為其由一塊或數(shù)塊方解石晶體構(gòu)圖3北京下葦?shù)槠拭婧湎敌烨f組

29、具核同心一放射狀佰粒特征Fig.3Characteristicsofconcentric-radialooidswithobviouscoresoftheCambrianXuzhuangFormationalXiaweidianoutcropinBeijingA-A顯著同心紋層的倘粒，核心富含有機(jī)質(zhì).單偏光；B-H粒在正交偏光下顯示出十字消光特征；C-具不規(guī)則、富有機(jī)質(zhì)泥乩核心的同心一放射狀筍粒，核心和皮層之間發(fā)育1層亮色層.單偏光；D-R亮色核心的同心狀第粒.核心主要由微骷方第石構(gòu)成并在一定程度上表現(xiàn)出受到編粒皮層控制及后期充填的特征，有機(jī)質(zhì)含景低.如粒邊部發(fā)育黃鐵礦傾粒聚集，單偏光圖3北京下葦?shù)槠拭婧湎敌烨f組具核同心一放射狀佰粒特征Fig.3Characteristicsofconcentric-radialooidswithobviouscoresoftheCambrianXuzhuangFormationalXiaweidianoutcropinBeijingA-A顯著同心紋層的倘粒，核心富含有機(jī)質(zhì).單偏光；B-H粒在正交偏光下顯示出十字消光特征；C-具不規(guī)則、富有機(jī)質(zhì)泥乩核心的同心一放射狀筍粒，核心和