白云岩的成因是沉积学领域的难点问题之一。近年来的研究表明, 在实验室和自然条件下, 厌氧微生物(主要包括硫酸盐还原菌和产甲烷古菌)(Compton, 1988; Vasconcelos et al., 1995; Vasconcelos and McKenzie, 1997; Boetius et al., 2000; Warthmann et al., 2000; Kenward et al., 2009)和需氧嗜盐微生物(Sánchez-Román et al., 2008, 2009a)的代谢活动均有助于克服白云石低温沉淀的动力学障碍, 促进白云石沉淀, 并被称之为“ 微生物白云石模式” (the microbial dolomite model)。目前, 微生物白云石模式在解释一些现代自然条件下形成的白云石的成因方面已获得较广泛的认可(Vasconcelos et al., 1995; Vasconcelos and McKenzie, 1997; García del Cura et al., 2001; Warthmann et al., 2005; Wacey, 2007; 于炳松等, 2007; Deng et al., 2010), 然而, 这种模式能否用于解释地质历史时期发育的大规模的白云岩成因却仍存在较大争议(Fernández-Diaz et al., 2006; Sánchez-Román et al., 2009a)。特殊的显微形貌(如球状或哑铃状等)及稳定同位素特征等是识别是否有微生物参与白云石沉淀的重要标志, 而白云石的特殊微形貌却恰恰是争议的焦点, 因为有研究者在无机条件下借助于硅质凝胶或其他离子添加剂也合成了具有球状及哑铃状外貌的碳酸盐(Tracy et al., 1998a, 1998b; Fernández-Diaz et al., 2006)。故对于微生物参与白云石沉淀的机理, 仍需在显微形态学、地球化学及古代实例研究方面进行更深入的探索。古代微生物白云石, 尤其是湖相微生物白云石的实例研究, 属于白云岩问题的薄弱领域, 因此, 文中拟以新疆乌鲁木齐地区中二叠统芦草沟组湖相泥晶白云岩为研究对象, 从白云石的显微形态、显微结构和稳定同位素等方面探讨其成因机理, 以期为该地区晚古生代可能存在的微生物白云石的研究提供实例。

研究区位于新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市红雁池水库东南方向(图1-A), 所测剖面沿公路展布约0.4, km(图1-B), 总体走向23° , 地层出露良好(图 1-C)。

图1

Fig.1

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	图1 新疆乌鲁木齐地区红雁池南剖面地理位置及剖面照片Fig.1 Location and outcrop photo of southern Hongyanchi section in Ü rü mqi, Xinjiang

该地区中二叠统自下而上依次包括乌拉泊组、井井子沟组、芦草沟组及红雁池组。研究剖面中出露地层包括井井子沟组和芦草沟组, 二者呈整合接触。芦草沟组以一层厚约3.4, m的砂砾岩与井井子沟组区分, 其砾石的分选性、磨圆度较好, 粒度由底部向上部逐渐减小, 并变为含砾砂岩。芦草沟组主要由砂砾岩、砂岩、泥岩、页岩、油页岩、鲕粒白云岩、泥晶灰岩、含灰白云岩和白云岩组成(图 2), 上部未见顶。其中砂砾岩、砂岩均为中、薄层状, 分布在剖面底部, 向上逐渐过渡为中、薄层深灰色白云岩与中、厚层深灰色、黑色页岩、油页岩的互层。经实测, 芦草沟组出露厚度为270.62 m。

图2

Fig.2

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	图2 红雁池南剖面中二叠统芦草沟组实测柱状图Fig.2 Lithofacies charateristics of the Middle Permian Lucaogou Formation at southern Hongyanchi section

该剖面中二叠统芦草沟组中常见鳕鱼鱼鳞(图 3-A)、淡水双壳类(古米台蚌和炭蚌)(图 3-B)介壳、芦木茎和叶等化石, 表明沉积环境为陆相淡水— 半咸水湖泊环境。芦草沟组自下而上碎屑岩含量逐渐减少, 黑色页岩、油页岩厚度增大, 并出现深灰色碳酸盐岩, 且在剖面中上部的黑色页岩及深灰色白云岩中还可见星点状黄铁矿微粒(图 3-C), 表明湖泊水体逐渐加深, 沉积环境也由滨湖、浅湖渐变为缺氧、还原的半深湖环境(图 2)。

图3

Fig.3

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	图3 红雁池南剖面中二叠统芦草沟组白云岩特征Fig.3 Features of dolostone of the Middle Permian Lucaogou Formation in southern Hongyanchi section

研究区白云岩中白云石含量介于55.2%~100%之间, 可分为泥晶白云石和粉晶白云石, 前者约占85%~90%。泥晶白云石粒径约3~10, μ m, 主要为微晶(dolomicrosparstone, < 4, μ m, Wright, 1992)和微亮晶(dolomicrostone, 4~10, μ m), 经茜素红与铁氰化钾配比溶液染色呈无色或蓝绿色, 表明部分白云石含铁。以HYC-27号样品为例, 白云石含量54%, 铁白云石含量6%, 镜下呈团块状、云朵状集合体, 颜色混浊灰暗(图 3-D, 3-E), 富有机质, 偶见微体化石碎片(图 3-D)。粉晶白云石、铁白云石充填在裂缝及溶洞内, 似为裂隙充填的胶结物, 或早期泥晶白云石发生了重结晶作用所致(图 3-D, 3-E)。此外, 泥晶白云石、粉晶白云石阴极发光特征也不相同, 粉晶白云石发光较为明亮, 泥晶白云石发光强度弱、发均匀昏暗的砖红色光(图 3-F)。文中的泥晶白云石与埋藏成岩期经交代或重结晶作用改造过的自形程度高、镶嵌式接触、粒径较粗的次生白云石(黄志诚等, 1996)不同, 表明泥晶白云石可能是在低温快速成核条件下形成的。此外, 在白云岩中发现的古鳕鱼鳞片(图 3-A)及微体化石碎片等也从侧面反映了研究区白云岩地层基本保持了形成时的初始状态, 未遭受强烈的后期成岩作用改造。

乌鲁木齐地区红雁池南剖面中白云岩的显微岩石学分析、化石保存状况及阴极发光特征表明, 白云岩未遭受埋藏成岩期的强烈改造, 泥晶白云石缺乏次生交代证据, 保存了丰富的原始信息, 为与现代实验合成的微生物白云石进行对比提供了可能。研究区具有显微纹层结构并以纳米质点为基本单位的微米级球状白云石、微簇状白云石及纳米级微球聚集而成的他形白云石的微形貌具有微生物矿化的特征(图 4), 很可能属于与微生物有关的原生白云石。将其与实验室合成的微生物白云石(Sánchez-Román et al., 2008, Fig.2, Fig.3A; Sánchez-Román et al., 2009a, Fig.3, Fig.4)的显微形态、结构对比, 球状微粒及其表面纳米级颗粒是微生物白云石的共同特点之一。此外, 研究区芦草沟组白云石与青海湖底现代沉积物中的微生物白云石(于炳松等, 2007)、澳大利亚Coorong潟湖的微生物白云石(Wright, 1999)、英属西印度群岛Cayman Brac钟乳石中报道的微生物白云石(Jones, 2010)等的显微形态也非常相似。

产甲烷菌的活动可以引起有机物质碳同位素分馏, 形成贫¹³C的CH₄和富¹³C的CO₂(William and Silverman, 1965; Games et al., 1978; 张晓宝等, 2000), 富含¹³C 的CO₂溶于孔隙水并进入矿物晶格, 可以造成岩石中δ ¹³C值偏高。张晓宝等(2000)通过碳同位素特征认为该地区白云岩与厌氧条件下发酵带中细菌作用造成有机物质碳同位素分馏有关。而研究区地层中黑色泥岩和页岩中有机质丰富, 是北疆地区最重要的烃源岩, 白云岩δ ¹³C的明显正偏也与前人研究基本一致。因此, 综合白云石的显微形态学及同位素特征分析, 认为研究区白云石的沉淀很可能与产烷带产甲烷菌的代谢活动引起的甲烷生成作用有密切的关系。

研究区芦草沟组泥晶白云岩中存在微球状、微簇状及他形等3种显微形态的白云石, 其中微球状白云石具有显微纹层结构, 而显微纹层又是由数量众多的纳米级微粒粘结而成。白云石的显微形态与已报道的自然界产出的以及实验室合成的微生物白云石非常相似。此外, 该剖面的碳酸盐岩和黑色页岩富含有机质、白云岩偏高的碳同位素值等特征暗示了产甲烷菌的代谢活动引起的甲烷生成作用与白云石的沉淀密切相关。因此, 研究区中二叠统芦草沟组泥晶白云岩中具有上述特殊形貌的白云石很可能是与产甲烷菌等微生物有关的原生白云石。