乱石沟组叠层石不仅丰度高, 而且类型丰富, 主要包括柱状、穹状、层状(纹层状和波状)叠层石, 还有少量层柱状、包心菜状、墙状和锥状叠层石, 以及纹层不明显或者由各种叠层石组合形成的叠层石丘(表1)。叠层石集中发育在乱石沟组中段及上段, 其中层状、柱状及由层— 柱状叠层石组合形成的叠层石礁(丘), 共密集出现6次。乱石沟组中段中下部主要发育纹层状、波状(包括缓波状)、柱状叠层石及叠层石丘, 还发育少量穹状叠层石, 其中波状叠层石以中小型为主, 柱状叠层石以中型为主、无壁, 穹状叠层石和叠层石丘均为巨型、不显示纹层。乱石沟组中段上部主要发育大型波状叠层石和柱状叠层石, 其中柱状叠层石多平行分叉, 还有部分轮生分叉。乱石沟组上段中下部主要发育波状、柱状、穹状叠层石, 部分层柱状、包心菜状、箱状叠层石以及叠层石丘。

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 神农架地区乱石沟组叠层石特征及沉积环境 Table 1 Characteristics and sedimentary environment of stromatolites of the Luanshigou Formation in Shennongjia area

表 1 神农架地区乱石沟组叠层石特征及沉积环境 Table 1 Characteristics and sedimentary environment of stromatolites of the Luanshigou Formation in Shennongjia area

2.1.1 层状叠层石

即叠层体形态以层状、波形为主的叠层石, 基本层主要为纹层形、波形、微穹形、穹形及锥状, 对称性和继承性由好至一般, 无壁。可进一步分为纹层状和波状。

纹层状叠层石微构造主要为断续状、凝块状, 部分暗层呈断续的带状, 部分亮层与暗层分界清楚, 一般是亮层较宽、暗层较窄、呈不均匀变化。基本层主要为纹层状, 起伏不明显, 部分层间有泥质和硅质充填(或者发生硅化)。乱石沟组纹层状叠层石主要发育于硅质条带白云岩、叠层石白云岩和泥晶白云岩中。

波状叠层石(包括缓波状)基本层为波形、缓波形。单个叠层石体一般高10~30cm, 宽5~30cm, 或波峰尖锐、波谷圆滑, 或波峰、波谷均较圆滑, 以中小型为主, 有泥质和硅质充填(图 3-A至3-E)。由于沉积物的突然增加, 波状叠层石局部出现纹层上凸增大或者继承性被打破的现象(图 3-A, 3-B), 有些波状叠层石向上过渡为锥状叠层石。乱石沟组波状叠层石主要发育于硅质白云岩、硅质条带白云岩中, 同时在粉砂质白云岩和泥晶白云岩、粉晶白云岩中也有发育, 与其伴生的沉积构造有波状层理、韵律层理、水平层理、粒序层理、不对称浪成波痕、结核和冲刷面。

图 3

Fig.3

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	图 3 神农架地区乱石沟组层状和柱状叠层石类型及特征(一) A— 上部和下部为纹层状叠层石, 中部为缓波状叠层石, 泥质充填, 神农顶; B— 波状叠层石, 宋洛— 徐家庄林场; C, D— 波状、尖波状叠层石, 局部夹有泥质, 神农顶; E— 纹层状叠层石局部夹波状、缓波状叠层石, 被硅质和泥质充填, 瞭望塔; F— 线状微构造, 正交偏光, 乱石沟组1号剖面16层; G— 乱石沟组斜歪柱状叠层石, 宋洛; H, I— 具连层柱状叠层石, 泥质充填, 神农顶, I为素描图。层号详见图 6Fig.3 Types and characteristics of stratiform and columnar stromatolites of the Luanshigou Formation in Shennongjia area(Ⅰ )

层状叠层石主要发育于潮间带上部, 少量发育于潮上带、潮间带下部和潮下低能带(表 1)。

2.1.2 柱状叠层石

是指柱体形态以规则次圆柱状、锥柱状等为主的叠层石。基本层为穹形、锥形、波形、箱形、平坦形和纹层形。柱体形态包括棒状、圆柱状、规则次圆柱状、扁圆柱状、块茎状、短柱状以及少量陀螺和不规则状等, 可分为无壁、局部具壁和具单层壁这3类。微构造主要包括壳层状、线状、断续状和毯状, 微细结构主要包括团粒状和蠕虫状。乱石沟组柱状叠层石柱体多数不分叉, 少数分叉者以一次分叉为主, 分叉类型以平行分叉和散开分叉为主, 轮生分叉和融合分叉较少。

不分叉柱状叠层石部分具连层, 部分侧部具瘤, 多数叠层石表面较光滑。一般为中小型, 柱体直径在2~30cm之间, 柱体高度一般小于70cm(图 3-F至3-I; 图 4-A至4-D), 柱体间充填有泥质和硅质(图 3-G, 4-B)。多数叠层石柱体垂直于岩层面生长, 仅有少数生长方向与岩层面有一定夹角(图 3-I; 图 4-A), 其倾斜方向代表了古水流方向。同时, 部分柱体轴带发生弯曲(图 4-D), 这表明叠层石在生长过程中水流方向发生过改变。

图 4

Fig.4

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	图 4 神农架地区乱石沟组层状和柱状叠层石类型及特征(二) A, B— 长柱状叠层石, 与岩层面有夹角, 具壁, 神农顶, B为素描图; C— 不分叉和简单分叉柱状叠层石, 硅质充填, 神农顶; D— 长柱状叠层石, 神农顶; E— 柱状叠层石, 轴带发生弯曲; F— 壳层状微构造, 单偏光, 乱石沟组1号剖面302层; G— 毯状微构造, 正交偏光, 乱石沟组1号剖面315层; H— 壳层状微细结构, 单偏光, 乱石沟组1号剖面300层。层号详见图 6Fig.4 Types and characteristics of stratiform and columnar stromatolites of the Luanshigou Formation in Shennongjia area(Ⅱ )

分叉柱状叠层石柱体分为子柱体和母柱体, 继承性和对称性由好到一般, 多数叠层石无壁, 少数具局部壁和单层壁。母柱体直径在10~30cm之间, 部分为70cm, 子柱体直径为2~10cm, 少数可达20~40cm。轮生分叉叠层石在乱石沟组少见, 其特征是母柱体之上分叉出多个子柱体, 一般从根部分叉, 有些局部具壁(表 1)。

乱石沟组柱状叠层石主要发育在灰色、灰白色和浅肉色硅质白云岩, 紫红色、灰绿色和深灰色砂质、粉砂质白云岩中, 少量发育于浅土黄色粉晶白云岩、泥晶白云岩和含砾白云岩中。同时有水平层理、粒序层理、重荷模和结核等构造相伴生。该组无壁柱状叠层石主要分布在潮间带下部, 具壁柱状叠层石形成于浅潮下环境, 而局部具壁的叠层石则形成于潮下带上部与潮间带过渡的环境中。且随着水动力的增强, 柱体分叉变得复杂。

2.1.3 穹状叠层石

柱体形态主要为穹体的叠层石。乱石沟组穹状叠层石一般纹层不明显, 偶见缓穹形基本层, 柱体形态为穹体、缓穹体和半球体。以中到大型为主, 穹体宽度集中在20~70cm之间, 部分小于10cm, 少数可达1m或者数米; 穹体高度集中于20~45cm之间, 少数小于20cm(图 5-B, 5-C, 5-H)。其岩石学特征为灰绿色和灰色砂质白云岩和粉砂质白云岩以及浅灰绿、灰色和浅灰色硅质白云岩, 伴生构造有波状层理和水平层理, 主要发育于潮间带和潮下高能带(表 1)。

图 5

Fig.5

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	图 5 神农架地区乱石沟组其他类型叠层石 A— 锥状叠层石, 宋洛; B— 大型穹状叠层石, 宋洛; C— 大型穹状叠层石(直径1m)层间夹有泥质或硅质, 神农顶; D— 包心菜状叠层石, 宋洛; E— 倒锥状叠层石, 神农顶; F, G— 层柱状叠层石, 铁质充填, 神农顶; H— 穹状叠层石微观结构, 单偏光, 神农顶乱石沟组1号剖面136层(层号详见图 6); I— 由多种叠层石的组成叠层石丘; J, K— 不显示内部纹层的叠层石丘Fig.5 Other types of stromatolites of the Luanshigou Formation in Shennongjia area

2.1.4 其他类型叠层石

包括锥状、层柱状、锥柱状及包心菜状叠层石等。

乱石沟组锥状叠层石基本层为尖锥状、锥状、钝锥状、强穹状和穹状, 柱体形态为锥状、倒锥状和锥柱状, 无壁或者局部具壁, 不分叉, 个别轴带发生微弯曲, 部分柱体间充填有硅质。其多数生长方向与岩层垂直, 但部分生长方向与岩层有一定的夹角, 以中型为主(图 5-E)。主要发育在紫红色粉晶白云岩、灰色— 浅灰绿色硅质白云岩、灰色— 紫红色砂质白云岩中, 伴生构造有水平层理和结核, 同时局部还发育有黄铁矿, 主要形成于潮间带下部和潮下带(表 1)。

乱石沟组层柱状叠层石基本层为波形、穹形、箱形, 无壁或局部具壁, 生长方向与层面有一定夹角。其特征一般是下部为柱状叠层石, 逐渐过渡到层状叠层石, 或者下部为纹层状, 向上发育为2个柱状(图 5-F, 5-G)。主要发育于灰色、深灰色、灰绿色硅质白云岩、紫红色砂质— 粉砂质白云岩和浅土黄色粉晶白云岩, 局部伴生有缝合线构造、波状和水平层理, 主要分布于潮间带。

乱石沟组锥柱状叠层石主要发育在深灰色、浅绿色硅质白云岩中, 伴随有硅质结核。一般叠层体下面为锥状, 向上变缓变为穹形, 即下锥上柱型, 形成于潮间带。

乱石沟组包心菜状叠层石柱体直径3~35cm, 呈穹形、球形, 无壁或局部具壁, 不分叉, 主要发育在灰色硅质白云岩和粉晶白云岩中, 常与波状叠层石组合出现(图 5-D), 发育于潮间带(表 1)。

2.1.5 叠层石丘

乱石沟组发育的叠层石丘多数纹层形态不可见, 仅在上部发育的叠层石丘是由层状和柱状叠层石组合形成的。叠层石丘的高度一般都集中在50~150cm之间, 少数小于40cm, 宽度集中在50~300cm之间, 少数小于35cm, 最宽可达8m(图 5-I至5-K)。岩性包括浅土黄色、浅灰色— 深灰色硅质白云岩和硅质条带白云岩, 紫红色砂质白云岩、粉砂质白云岩和砂质— 粉砂质白云岩, 伴生构造包括侵蚀面构造、浪成波痕、波状层理、水平层理、粒序层理和结核, 形成于潮间带和潮下带(表 1)。

2.1.6 不同类型叠层石的比较

宏观上, 乱石沟组的各类叠层石的表面均较光滑, 对称性和继承性由好到一般, 多数无壁, 绝大多数柱体垂直于岩层面生长, 部分层间有泥质和硅质充填或者发生硅化; 围岩均包括硅质白云岩、硅质条带白云岩、泥晶白云岩和粉砂质白云岩, 伴生构造包括水平层理、波状层理和冲刷侵蚀面构造。除上述共同特征外, 各类叠层石之间的差异也较显著: 层状叠层石还发育在浅灰色和灰白色叠层石白云岩和粉晶白云岩中, 大多数纹层状叠层石亮暗纹层都比较明显, 以中小型为主, 同时还伴生有帐篷构造、不对称浪成波痕和结核等沉积构造; 柱状叠层石多数不分叉, 少数分叉者以1次分叉为主, 分为有壁、局部具壁和无壁3种类型, 围岩还包括砂质白云岩和含砾白云岩, 同时还与粒序层理、重荷模和结核等构造相伴生; 穹状叠层石岩石学特征还包括砂质白云岩; 锥状叠层石还包括砂质白云岩, 与结核相伴生, 局部还发育有黄铁矿; 层柱状叠层石除具有上述特征外, 还伴生有缝合线构造。

微观上, 乱石沟组叠层石多发育带状和线状微构造, 且多数叠层石一般是亮层较宽, 暗层较窄, 亮暗纹层明显。但层状叠层石还发育凝块状微构造, 有些暗层呈断续的带状, 有些基本层由暗色凝块和浅色碳酸盐岩组成, 有些则亮层与暗层分界清楚, 同时发育粒状、斑点状和团粒状微细结构等; 柱状叠层石还发育壳层状和毯状微构造、团粒状和蠕虫状微细结构(图 4-F, 4-G, 4-H), 亮暗纹层厚度呈不均匀变化。

叠层石的垂向变化可以用叠层石组合特征的变化来表示。本研究以神农顶剖面乱石沟组为例, 根据叠层石形态特征和丰度, 结合沉积学和古生物学特征, 将叠层石分为4个组合(图 6)。

图 6

Fig.6

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	图 6 神农架地区神农顶剖面乱石沟组综合柱状图Fig.6 Comprehensive column of the Luanshigou Formation at Shennongding section in Shennongjia area

组合1分布于神农顶剖面乱石沟组71-85层。该组合以层状叠层石为主, 局部伴有不显纹层的穹状叠层石和叠层石丘、层柱状、锥柱状叠层石, 部分叠层石被硅化。该组合主要特点为: 以波状、缓波状、纹层状— 锥柱状和叠层石丘— 波状叠层石组合为特征, 纹层中硅质条带增多, 白云岩颜色由灰变为灰黑, 在纹层状叠层石顶面出现丘形(波浪起伏的巨型穹形); 岩性主要为硅质、硅质条带白云岩, 硅质细— 粉晶白云岩、砾屑白云岩和灰绿色砂质— 粉砂质白云岩; 围岩中发育侵蚀底面、波状、水平层理、波痕和结核。该组合叠层石的特征反映了该段沉积于有陆源物质注入和有一定水动力的潮间带— 潮上带的环境中(图 7-A)。

图 7

Fig.7

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	图 7 神农架地区乱石沟组叠层石组合Fig.7 Stromatolite assemblages of the Luanshigou Formation in Shennongjia area

组合2分布于神农顶剖面乱石沟组120-155层。叠层石以分叉柱状、穹状、叠层石丘— 缓波状、波状组合为特征, 类型丰富。该组合叠层石发育在深灰色、灰色硅质白云岩、灰色砂质白云岩、粉砂质白云岩中, 围岩中发育波状层理和水平层理。由下向上叠层石由分叉柱状到锥状、穹状, 再到波状、缓波状, 伴随着陆源物质的加入、铜矿层的形成和叠层石的减少, 总体反映了相对浅水、水动力逐渐减弱的环境, 代表了潮道— 潮间带下部— 潮道— 潮下高能带— 潮下低能带的环境演化(图 7-B)。

组合3发育于神农顶剖面乱石沟组210-228层。以不分叉柱状、穹状叠层石及叠层石丘为主, 局部伴有锥柱状、层柱状叠层石。其围岩为灰色、浅灰绿色、浅灰黄色硅质白云岩、浅灰色泥晶、粉晶白云岩和浅灰绿色粉砂质白云岩, 伴生的构造有波状层理、水平层理、波状交错层理。该组合反映了有一定水动力的潮间高能带— 潮下带上部— 潮汐通道— 潮间带环境(图 7-C)。

组合4主要发育于神农顶剖面乱石沟组312-327层。以不分叉、分叉柱状(少量包心菜状、倒锥状、层状叠层石)-不分叉柱状、叠层石丘— 不分叉、分叉柱状叠层石(少量包心菜、倒锥状、穹状叠层石)为主要旋回, 以柱状叠层石为主, 向上逐渐发育分叉柱状叠层石, 顶部又发育不分叉柱状叠层石。同时, 柱体侧部以无壁— 具壁、局部具壁— 无壁为特征, 表明水动力条件逐渐增强, 之后又逐渐减弱。主要发育于紫红色、浅绿色、浅肉红色和浅土黄色砂质、粉砂质白云岩中, 少量发育在浅肉红色和浅灰白色硅质白云岩以及浅土黄色粉晶白云岩中, 围岩中发育有水平层理、波状层理等。叠层石柱体间填充了粉屑和砂屑, 表明该叠层石组合发育在有一定水动力条件和陆源碎屑物质供给的潮间带— 潮汐通道— 潮间带环境(图 7-D)。

叠层石的微构造和微细结构差异都与微生物席的组成和类型有一定关系。一般丝状微生物席主要表现为较规则的线状或带状微构造, 而究竟是呈线状还是带状主要由微生物席的厚薄控制。丝状和球状微生物构成的混合型微生物席, 一般形成不规则或断续的带状微构造, 并常表现为粒状、斑点状和部分丝状的显微结构。球状微生物席和“ 藻团” 状的丝状微生物席一般都可表现为凝块微构造, 球状微生物组成的凝块微构造, 表现为粒状显微结构; 由丝状微生物组成的凝块微构造一般表现出丝状的显微结构, 可呈团粒状显微结构(朱士兴等, 1987; 梅冥相和孟庆芬, 2016)。

同时前人研究发现(Nutman et al., 2016), 37亿年前格林兰依阿苏组的叠层石中稀土元素(按太古宙后页岩标准化后, 即PAAS)配分图上, 叠层石的微量元素组成, 包括La的轻微正异常、Y/Ho值与现代海水接近、轻稀土元素与平均页岩相比明显亏损、Eu正异常, 与太古代其他化学沉积岩一致, 并将其归于生物成因。虽然神农架群乱石沟组叠层石中硅化部分的稀土元素含量高于非硅化部分, 但是其地球化学特征及规律大致相同。而和37亿年前的太古代叠层石相比, 其除了有同样的Eu、Y正异常和La的轻微正异常、较低的稀土总量和轻稀土元素的亏损外, 还有很大的不同, 如Ce负异常不明显, Tb、Ho、Tm和Lu正异常, 轻重稀土均亏损严重, 而且呈跳跃式, 在原始沉积环境中, 叠层石发育层位稀土元素含量整体比不含叠层石层位低(图 8)。这表明神农架群叠层石发育于较浅水的海洋环境, 与生物作用密切相关, 而且不同类型的叠层石形成环境有所差异。

图 8

Fig.8

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	图 8 神农架地区神农顶剖面乱石沟组叠层石样品中稀土元素分布模式 A— 非硅化; B— 硅化Fig.8 Distribution pattern of rare earth elements in stromatolite samples of the Luanshigou Formation in Shennongding section, Shennongjia area

当微生物较少时, 叠层石的暗层比较薄, 有些还出现断续状(图 3-F), 而当微生物繁盛时, 叠层石的暗层比较厚且纹层比较连续(图 4-F, 4-H)。通过对神农顶剖面中乱石沟组样品进行分析测试发现, 该组各类叠层石发育的层位δ ¹³C大多数处于高值(图 6), 这主要是由于当时海水中生物繁盛, 大量有机质快速堆积, 导致δ ¹³C常为高值(左景勋等, 2008)。

因此, 微生物席的厚薄控制叠层石微观结构的类型, 微生物群落繁盛的环境则有利于叠层石的生长。

叠层石的形态特征与海岸带沉积环境(如水深、水动力等)具有明显的相关性。如层状叠层石伴生构造主要包括水平层理、波状层理和韵律层理(表 1), 碎屑物质分选和磨圆均较差, 部分则含有泥质, 表明层状叠层石发育环境较广, 在水体较稳定和水能较低的地方、潮间动荡水体、陆源物质供应较多地方或是潮上带均可发育; 层柱状、锥柱状和包心菜状叠层石主要伴生构造为波状层理和水平层理, 表明这几种类型的叠层石形成于水动力条件较弱的地方, 主要集中于潮间带。柱状叠层石伴生构造有水平层理、帐篷构造、冲刷侵蚀面, 同时发育柱状叠层石的地方偶尔可见藻屑和球粒, 说明当时环境较为动荡, 有些藻类纹层被打碎, 表明柱状叠层石既可以形成于水动力条件较强且有一定水深的地方, 如潮下高能滩等环境, 也可能形成于潮间带下部等水动力较弱的地方。穹状叠层石局部与水平层理、波状层理、冲刷侵蚀面等构造相伴生, 表明穹状叠层石既可以形成在水动力条件较弱的环境, 也可以形成在水动力条件较强的环境, 主要发育于潮间带和潮下高能带。锥状叠层石主要发育于潮间带下部、潟湖、潮下高能带和潮下低能带(表 1)。由此表明, 叠层石的发育类型与水动力条件有关, 水动力条件越强, 叠层石的类型越复杂。比如, 在潮间带下部和潮下带, 随着水动力条件的增强, 叠层石的分叉越来越复杂。而水体的深度则影响叠层石个体的大小, 水体越深, 叠层石越大, 如在潮间带下部和潮下高能带锥状叠层石个体较小, 而在潮下低能带, 锥状叠层石个体呈大型或者巨型; 在潮间带发育的层状叠层石比潮上带规模要大些, 且潮上带发育的层状叠层石纹层有些并不连续。

P₂O₅、Al₂O₃、K₂O、SiO₂和TiO₂是良好的陆源物质供应指示剂。因为海水中P来自含磷的陆源碎屑和富含磷质的海洋生物, 说明P的主要来源是陆源物质。Al₂O₃, K₂O和Ti同样主要来源于陆源碎屑物质, 并且它们主要赋存于陆源泥质中。上述这些元素含量跟CaO呈负相关, 表明陆源物质(泥质)对碳酸盐岩的沉积具有抑制作用; 此外, 这些元素含量与水深和离岸距离呈正相关(汪凯明和罗顺社, 2009; 何雨旸等, 2014; 潘明等, 2015)。神农顶剖面乱石沟组中与陆源物质有关的氧化物无论硅化与否, 在各类叠层石中整体含量较低, 仅CaO的含量较高(图 9), 而叠层石发育较少或不发育的层位陆源物质含量较高。同时, 通过薄片观察发现, 发育叠层石的层位, 陆源物质一般较少, 叠层石纹层较厚且连续(图 4-F, 4-H); 而随着陆源物质的增多, 叠层石暗色纹层会变得不连续, 呈断续状; 当陆源碎屑物质的注入达到一定量时, 藻类物质无法形成叠层石的暗色纹层, 以藻粒状或者鲕粒形式存在。这说明, 陆源物质的大量注入, 对叠层石的生长发育有抑制作用。

图 9

Fig.9

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	图 9 神农架地区神农顶剖面乱石沟组样品中与陆源物质有关的氧化物分布特征 A— 非硅化; B— 硅化Fig.9 Distribution characteristics of oxides in samples of the Luanshigou Formation in Shennongding section, Shennongjia area

整体上, 叠层石发育层位中与陆源物质有关的氧化物含量, 均低于不发育叠层石的层位。其中柱状、穹状、锥状叠层石中SiO₂含量相对较高, 说明这几类叠层石形成于有少量陆源碎屑物质注入的环境, 亦表明有一定的水动力条件; 同时, 柱状和穹状叠层石中Al₂O₃、K₂O和TiO₂的含量相对较高, 说明其形成环境中虽有一定的陆源泥质注入, 但这两类叠层石可能形成于水动力条件相对较弱的地方。层状叠层石和叠层石丘中与陆源物质有关的氧化物含量, 均比其他类型的叠层石低, 表明其形成于水动力条件较弱或者距物源较远的环境中。根据陆源物质含量与水深和离岸距离的关系及性质可知: 柱状和穹状叠层石既可以形成于水动力条件较强且有一定水深的地方, 也可能形成于潮间带下部等水动力较弱的地方; 锥状叠层石主要形成于有一定水动力条件环境中; 层状叠层石既可以在水体较稳定和水能较低的地方及潮间动荡水体地方形成, 也可以在潮上带发育; 叠层石丘生长在潮间带, 大型叠层石丘生长在潮下带。

综上可知, 叠层石的形成受多种因素影响:生物因素影响其微观特征; 水动力条件控制叠层石的类型, 水动力条件越强, 叠层石的类型越丰富; 水体深度影响叠层石个体的大小, 水体越深, 叠层石的个体越大。生物繁盛、陆源物质供给少的环境, 更利于叠层石的发育。