文中研究的巨鲕采自豫西渑池地区仁村剖面寒武系第三统张夏组(图 1)。该组下部为灰色厚层鲕粒灰岩、生物碎屑灰岩夹紫红色泥岩, 产三叶虫Bailiella lantenoisi, Poriagraulos nanum, Proasaphiscus honanensis, Leiaspis sp.; 上部为灰色中厚层状含泥质条带鲕粒灰岩、砂屑灰岩、微晶灰岩, 产三叶虫Lianglangshania hueirensis, Crepicephalina pergranosa, Austrosinia chalcon。

图1

Fig.1

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	图1 河南省寒武系分区及剖面位置Fig.1 Sketch showing the Cambrian stratigraphic division of Henan Province and section location

含巨鲕地层位于张夏组下部, 厚3.87 m, 自下而上共分为8层(S1~S8)(图 2)。S1层为粒径小于2 mm的鲕粒灰岩层, 鲕粒以不规则泥晶方解石团块为核心, 部分鲕粒不发育核心; 内圈层呈放射状结构, 充填为方解石晶体; 外圈层为由微亮晶和泥晶方解石组成的同心状结构。S2层为核形石层, 核形石个体多为椭圆形或不规则状, 个体较大, 粒径约3~10 mm, 多为单核心, 圈层不明显且不规则, 分选较差。S3层为粒径多小于2 mm的鲕粒灰岩层, 特点与S1层相似。S4~S6层为粒径大于2 mm并逐渐增大的巨鲕灰岩层。S7层为凝块石灰岩层, 凝块石形态不规则, 可见其内部伴生有鲕粒与生物碎屑及土黄色泥岩。S8层为粒径小于2 mm的鲕粒灰岩层, 鲕粒特点与S1层相似。含巨鲕地层之下为浅灰色中厚层微晶灰岩、鲕粒灰岩夹泥质条带, 之上为深灰色厚层含鲕粒生物碎屑灰岩夹微晶灰岩。

图2

Fig.2

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	图2 豫西渑池地区张夏组含巨鲕灰岩综合柱状图Fig.2 Comprehensive column of giant ooid-bearing limestones from the Zhangxia Formation in Mianchi area, western Henan Province

根据区域岩相古地理与沉积特征, 豫西寒武纪第三世张夏组沉积期台地鲕粒滩发育在郑州至范县一带(冯增昭等, 1990), 如郑州登封张夏组连续发育厚达30 m的同心状或同心— 放射状鲕粒灰岩, 而渑池地区张夏组鲕粒灰岩层厚度不大, 一般为1~3 m, 最厚者为8 m, 且厚度变化大、相变快, 而且常与微晶灰岩交互发育。因此, 渑池地区张夏组鲕粒灰岩并不是发育在鲕滩核心部位, 而是形成于侧向连续性差、分布不规则的鲕滩边缘以及滩间海环境中。研究区含巨鲕灰岩层中的巨鲕核心由泥晶球粒或放射状鲕粒组成, 圈层以泥晶或由Girvanella丝状体组成的暗色纹层与由微亮晶方解石组成的浅色纹层交替发育为特征。伴生的其他颗粒总含量小于10%, 为少量粒径小于2 mm 的鲕粒以及生物碎屑。巨鲕等颗粒间或其核心充填为粒状方解石晶体, 晶体的明亮程度较低, 局部可看到泥晶的残余, 为泥晶重结晶而致, 并非亮晶方解石胶结物(冯增昭和张荫本, 2013)。此外, 含巨鲕灰岩中发育有数层厚度不一的泥岩层或泥质条带。根据上述特征, 含巨鲕灰岩层应形成于低— 中等能量水动力条件下。含巨鲕灰岩层的下伏地层是由含放射状或同心— 放射状鲕粒的灰岩、生物碎屑灰岩、微晶灰岩和泥岩互层组成, 为鲕滩与滩间海交替发育时期沉积; 其上覆地层为放射状或同心— 放射状鲕粒灰岩夹微晶灰岩, 并逐渐演变为同心状或同心— 放射状厚层鲕粒灰岩, 反映出沉积环境由鲕滩边缘逐渐向鲕滩核心部位过渡。根据上述分析, 含巨鲕灰岩层形成于低、中等能量交替且以低能、弱搅动条件为主的滩间海环境中。

偏光显微镜下可见巨鲕圈层中的Girvanella丝状体呈略弯曲的无分枝、不分节、细长管状, 直径为10~15 μ m, 延伸长度100~150 μ m, 呈现密集交织排列, 平行、斜交或垂直于圈层切线方向分布(图 4; 图5-A, 5-B)。丝状体管壁呈深灰色, 厚度5~8 μ m, 由泥晶方解石组成; 管芯为浅灰色, 厚度5~7 μ m, 充填微亮晶方解石。Girvanella丝状体在巨鲕圈层的分布分为3类:(1)紧靠核心分布的丝状体略稀疏, 一端依附核心向外生长, 并与其他丝状体相互连接形成网格状, 形成的圈层厚度大而不规则(图 5-C, 5-D)。(2)靠近圈层内侧的丝状体大致沿圈层切线方向匍匐排列, 前后相接; 而靠外侧的丝状体则密集缠绕、叠覆(图 5-E, 5-F)。有些丝状体所组成的暗色圈层并未形成完整的包裹圈层, 向两端逐渐尖灭, 导致暗色圈层厚度大而不规则且与浅色纹层难以分辨。(3)巨鲕边缘分布的丝状体与圈层中的相比颜色更深, 排列致密、杂乱(图 5-G, 5-H)。

图4

Fig.4

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	图4 豫西渑池地区张夏组巨鲕圈层中的Girvanella丝状体Fig.4 Girvanella filaments in concentric layers of giant ooid from the Zhangxia Formation in Mianchi area, western Henan Province

图5

Fig.5

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	图5 豫西渑池张夏组巨鲕圈层中Girvanella丝状体的分布特征Fig.5 Distribution characteristics of Girvanella filaments in concentric layers of giant ooids from the Zhangxia Formation in Mianchi area, western Henan Province

渑池地区寒武系第三统张夏组发育2种类型的巨鲕, 它们除了都具有圆形或近圆形的形态外, 其内部结构并不相同。根据它们的结构特征、矿物组成、是否发育Girvanella丝状体以及伴生的颗粒类型、基质充填物性质, 认为这2种类型的巨鲕形成在不同的条件下。

1)不发育Girvanella丝状体的巨鲕, 包括核心和圈层2个形成阶段。在低能弱搅动、超饱和碳酸钙水体环境中, 碳酸钙围绕泥晶团块径向沉淀生长, 逐渐形成放射状鲕粒(图 6-A1)。当沉淀作用进行到一定程度后, 碳酸盐表面受到Mg²⁺、H⁺或MgCO₃的剩余物质影响, 沉淀作用停止, 表面沉淀物似与海水呈平衡状态(周书欣, 1982)。此时, 微生物作用并未参与到鲕粒的生长过程中。当作为核心的这些放射状鲕粒被潮汐水流带到滩间海中、低能量交替的水体环境中, 微生物诱导的钙化作用和无机碳酸钙沉淀共同促使了巨鲕圈层的形成(图 6-A2)。在弱搅动的环境条件下, 微生物通过光合作用形成碳酸钙沉淀与钙化, 或者通过胞外聚合物吸附Ca²⁺促使碳酸钙等微晶体在生物膜表面沉淀并钙化, 形成暗色纹层(Reitner et al., 2005)。当环境能量增强时, 鲕粒被搅起呈悬浮状态, 水体中过饱和的碳酸钙围绕鲕粒发生沉淀, 形成微亮晶方解石纹层, 同时潮汐作用促使明、暗色纹层被磨蚀并伴有碳酸盐沉淀加积从而促使巨鲕保持球形(梅冥相, 2012)。当水体搅动减弱后, 巨鲕重新进入微生物席底环境中, 在微生物的参与下新的一轮生长开始并最终形成巨鲕(图 6-A3)。该类巨鲕圈层中的明、暗色纹层厚度变化均匀, 说明水动力条件的交替具有规律性; 浅色纹层明显厚于暗色纹层, 说明中等水动力条件持续时间更长; Girvanella丝状体不发育及暗色纹层薄, 说明弱水动力条件持续时间较短。因此, 该类巨鲕形成于中、低能交替的滩间海环境中, 微生物诱导的钙化和无机碳酸钙沉淀共同控制着巨鲕的形成。

图6

Fig.6

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	图6 豫西渑池地区张夏组巨鲕成因模式Fig.6 Genetic models of giant ooids from the Zhangxia Formation in Mianchi area, western Henan Province

2)发育Girvanella丝状体的巨鲕, 也包括核心和圈层2个形成阶段。该类巨鲕其核心表现为无结构状, 充填为微亮晶方解石, 发育Girvanella丝状体, 与圈层界限模糊。这些特点说明该核心是在低能的环境条件下, 由微生物泥晶化或吸附、粘结碳酸盐微粒形成不规则泥晶团块。随着水体能量的提高, 这些不规则泥晶团块被搅起呈悬浮或滚动状态, 遭受水流的磨蚀而形成泥晶球粒, 成为巨鲕的核心(图 6-B1)。圈层是在低、中等能量交替并以弱搅动为主的水体环境中形成(图 6-B2)的。在弱搅动的水体环境中, 具有粘性胶鞘的蓝细菌不但可以捕获周围环境中的碳酸盐微粒, 而且在光合作用等生物化学过程中会影响碳酸盐饱和状态进而促质碳酸盐沉淀。持续的微生物作用引起的碳酸钙沉淀导致不对称泥晶暗色纹层的形成(Freeman, 1962)。当环境中能量增强时, 鲕粒被搅起呈悬浮状态, 水体中过饱和的碳酸钙围绕鲕粒发生沉淀, 碳酸钙围绕不规则暗色纹层发生沉淀, 形成厚度较小的微亮晶方解石浅色纹层。当巨鲕圈层生长进行到一定阶段时, 鲕粒表面与海水处于平衡状态, 沉淀停止, 最终形成巨鲕(图 6-B3)。暗色纹层明显厚于浅色纹层且二者界限不明确, 说明弱搅动条件持续时间更长, 微生物有充足的时间自由生长, 留下大量钙化的Girvanella丝状体。因此, 该类巨鲕形成于低、中等能量交替且以弱搅动条件为主的滩间海环境中, 微生物诱导的钙化对巨鲕的形成起到了决定性作用。

豫西渑池地区寒武系第三统张夏组发育大量巨鲕, 其核心由粒径小于2 mm的放射状鲕粒组成, 圈层以泥晶或由Girvanella丝状体组成的暗色纹层与由微亮晶方解石组成的浅色纹层的交替发育为特征。

Girvanella丝状体在巨鲕圈层的分布分为3类:(1)紧靠核心分布的丝状体略稀疏, 相互连接形成网格状, 形成的圈层厚度大而不规则; (2)靠近圈层内侧的丝状体顺层排列成数层, 向外侧则密集缠绕、叠覆; (3)巨鲕边缘分布的丝状体颜色更深更暗, 分布致密、杂乱。

研究区发育的两类巨鲕形成于不同的条件下。不发育Girvanella丝状体的巨鲕其核心为粒径小于2 mm、充填物为方解石晶体的放射状鲕粒, 圈层是在中、低能交替的滩间海环境中, 由微生物诱导的钙化和无机碳酸钙沉淀共同影响所致。发育Girvanella丝状体的巨鲕其核心表现为无结构、Girvanella丝状体发育的泥晶球粒, 圈层形成于低、中等能量交替且以弱搅动水动力条件为主的滩间海环境中, 微生物诱导的钙化对巨鲕的形成起到了决定性作用。