实测剖面位于河南省宜阳县城南约3ikm的方山村旁(图1)。该剖面隶属于华北地层区豫西分区渑池— 登封小区, 剖面连续, 出露完整。在该剖面中, 寒武系缺失纽芬兰统和第二统下部, 使得元古界洛峪口组之上为第二统朱砂洞组灰岩— 白云质灰岩, 再向上依次沉积第二统— 第三统馒头组紫红色页岩、黄绿色砂岩夹鲕粒灰岩和微生物岩, 第三统张夏组生物扰动灰岩和鲕粒灰岩, 芙蓉统崮山组灰岩和白云质灰岩。馒头组可进一步分为3段。发育鲕粒灰岩的馒头组二段和三段厚度为81.33im, 生物化石丰富, 其中馒头组二段为紫红色页岩与微生物岩、鲕粒灰岩交互出现, 馒头组三段为大套厚层鲕粒灰岩、微生物岩夹少量泥岩(图 2)。

图 1

Fig.1

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	图 1 豫西宜阳地区寒武系馒头组剖面位置Fig.1 Section location of the Cambrian Mantou Formation in Yiyang area, western Henan Province

图 2

Fig.2

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	图 2 豫西宜阳地区寒武系馒头组地层柱状图Fig.2 Stratigraphic column of the Cambrian Mantou Formation in Yiyang area, western Henan Province

将豫西宜阳剖面馒头组的鲕粒灰岩划分为52层并逐层采样, 每层采样二三份, 每份样品磨制二三个薄片, 共计磨制161个薄片。通过统计显微镜下各种矿物所占面积比的平均值, 分析其中的矿物成分所占比例。由于鲕粒灰岩厚度相对较薄, 因此通过多个样品求出的平均值具有代表性。

结合岩性及生物碎屑特征, 依据鲕粒的形态、结构及方解石组成, 可将鲕粒分为4类。

第1类为不规则放射状泥晶鲕粒(图 3-2)。粒径在0.3~0.4imm之间。核心呈椭球形、球形、纺锤形或不规则状, 直径约0.01imm, 多数为重结晶的方解石。圈层为泥晶方解石与微亮晶方解石组成的明暗交替放射状结构, 泥晶方解石含量约占放射状壳层的73%。鲕粒间胶结物中泥晶方解石含量约占21%、亮晶方解石含量约占5%, 其中方解石胶结物虽然较亮, 但周围有大量灰色物质, 没有完整的晶形, 推测为泥晶方解石重结晶所致; 另外, 颗粒间还含有少量有机质团块。以此类鲕粒为主组成的灰岩, 为不规则放射状泥晶鲕粒灰岩(图3-1), 位于馒头组二段下部, 厚23.97im。

图 3

Fig.3

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	图 3 豫西宜阳地区寒武系馒头组鲕粒类型及其微观特征 1— 不规则放射状泥晶鲕粒灰岩, 二段第1层; 2— 不规则放射状泥晶鲕粒, 单偏光; 3— 泥晶套亮晶表皮鲕粒灰岩, 二段第10层; 4— 泥晶套亮晶表皮鲕粒, 单偏光; 5— 同心放射状泥晶鲕粒灰岩, 三段第4层; 6— 同心放射状泥晶鲕粒, 单偏光; 7— 规则放射状微亮晶鲕粒灰岩, 三段第31层; 8— 规则放射状微亮晶鲕粒, 单偏光。右侧显微照片的薄片均采自左侧对应的岩石中Fig.3 Ooid types and their microscopic characteristics of the Cambrian Mantou Formation in Yiyang area, western Henan Province

第2类为泥晶套亮晶表皮鲕粒(图 3-4)。粒径在0.6~0.7imm之间。核心因重结晶而多呈不规则状, 大小不一, 半径常大于圈层半径, 由亮晶方解石组成。圈层厚薄不一, 半径与核心半径之比为1︰2~1︰3, 均由泥晶方解石组成, 结构不明显, 尤其是鲕粒表层明显比圈层内侧致密且颜色深, 如同泥晶套。部分鲕粒的核心与圈层均由泥晶方解石组成, 称之为藻鲕。鲕粒间亮晶方解石胶结物占30%、泥晶方解石占4%。以这种鲕粒为主形成的灰岩, 为泥晶套亮晶表皮鲕粒灰岩(图3-3), 位于馒头组二段上部, 厚2.65im。

第3类为同心放射状泥晶鲕粒(图 3-6)。粒径在0.7~0.9imm之间。核心不明显, 部分为暗色生物碎屑。圈层内部呈放射状, 由微亮晶方解石和泥晶方解石组成; 外部呈同心状, 由泥晶方解石组成。鲕粒间陆源碎屑占15%、生物碎屑约占2%、绿泥石占1%, 胶结物中泥晶方解石占12%、亮晶方解石占3%。以这种鲕粒为主组成的灰岩, 为含石英碎屑同心放射状泥晶鲕粒灰岩(图3-5), 位于馒头组三段下部, 厚13.6im。

第4类为规则放射状微亮晶鲕粒(图 3-7, 3-8)。粒径在1~2imm之间。核心形态为规则放射状, 主要由微亮晶方解石组成, 少量核心为生物碎屑。圈层中微亮晶方解石呈径向放射状排列, 半径与核心半径之比为6︰1~10︰1。鲕粒间陆源碎屑占3%、生物碎屑占10%, 胶结物中泥晶方解石占13%、亮晶方解石占1%。以这种鲕为主组成的灰岩, 为规则放射状泥晶鲕粒灰岩(图3-7), 位于馒头组顶部, 厚14.4im。

研究区鲕粒中含有大量的泥晶、微亮晶和亮晶方解石, 这些方解石均为原始的灰泥经重结晶作用所致。重结晶作用形成的亮晶方解石胶结物, 与真正在成岩胶结过程中形成的亮晶方解石明显不同: 前者常呈粒状的似花岗变晶结构, 晶面弯曲成相互镶嵌状, 晶体的明亮程度较差, 而且还可看到灰泥的残余, 与泥晶或微亮晶方解石界限模糊, 不发育栉壳状结构和世代结构(图 3); 而后者的栉壳状结构可以隐约看见, 晶形较好, 晶体边缘平直, 晶体较明亮(冯增昭和张荫本, 2013)。

鲕粒中泥晶方解石的含量呈波动变化(图 4), 含泥晶方解石较多的鲕粒多见于馒头组二段的底部与馒头组三段的上部, 主要发育在不规则放射状泥晶鲕粒与泥晶套亮晶表皮鲕粒中, 而规则放射状微亮晶鲕粒与同心放射状泥晶鲕粒中泥晶方解石含量稍低, 多集中在馒头组三段中下部。泥晶含量多的鲕粒, 形态多不规则, 而泥晶含量相对较少的鲕粒, 形态相对较规则。

图 4

Fig.4

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	图 4 豫西宜阳地区寒武系馒头组鲕粒中泥晶方解石的含量变化 M2-1表示:馒头组二段第1层Fig.4 Content changes of micrite calcites in ooids of the Cambrian Mantou Formation in Yiyang area, western Henan Province

研究区馒头组鲕粒中发育大量泥晶方解石集合体, 在偏光显微镜下, 其颜色明显暗于亮晶方解石, 可出现在鲕粒的不同位置。在不规则放射状泥晶鲕粒的核心中, 泥晶方解石集合体呈团块状, 粒径约为50iμ m(图 5-1)。在泥晶套亮晶表皮鲕粒表层出现的泥晶方解石集合体, 多呈环状, 环的宽度为50~100iμ m(图 5-2; 图6-1, 6-2)。在同心放射状泥晶鲕粒的同心圈层中出现的泥晶方解石集合体, 呈条带状或弧形, 宽度为20~50iμ m, 是同心圈层的组成部分(图 5-3)。在同心放射状泥晶鲕粒的放射纹层中出现的泥晶方解石集合体, 多呈长条状, 长约200iμ m, 宽约10iμ m, 与亮晶方解石交互发育, 连接鲕粒的核心与表层, 是放射状纹层的组成部分(图 5-4)。还有的鲕粒, 整体均由泥晶方解石集合体构成, 粒径约200iμ m, 构成了多种泥晶球(图 5-5, 5-6)。

图 5

Fig.5

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	图 5 豫西宜阳地区寒武系馒头组泥晶方解石在鲕粒中的分布 1— 泥晶在鲕粒的核心, 单偏光; 2— 泥晶在鲕粒的表层, 单偏光; 3— 泥晶在鲕粒的同心圈层中, 单偏光; 4— 泥晶在鲕粒的放射壳层中, 单偏光; 5— 泥晶在整个鲕粒中, 单偏光; 6— 泥晶团块, 泥晶在壳层内部, 单偏光Fig.5 Distribution of micritic calcites in ooids of the Cambrian Mantou Formation in Yiyang area, western Henan Province

在电子显微镜下观察发现, 鲕粒中的泥晶方解石表现为六边形蜂格结构(图 6-3, 6-4)。这种蜂格结构大小不一, 形态也不规则, 中空或被后期的成岩胶结物充填。其壁呈片状, 成分含有Ca元素, 同时含有Si、Al、Fe等元素(图 7)。六边形蜂格结构紧密排列, 呈网状结构(图6-3), 这与新太古代钙化蓝细菌和现代蓝细菌席中球状蓝细菌的结构极其相似, 后两者都有近似于六边形的巢与周边的壁, 并且其壁的成分也为Al-Fe硅酸盐(Ka z'mierczak et al., 2009)。这种蜂格结构被认为是细菌的细胞结构, 是由附着的微小晶粒呈切向围绕细菌细胞排列所致(Marshall, 1968, 1969; Walker et al., 1989), 且其不规则的结构形态也是微生物本身及其行为所造成的(Konhauser and Urrutia, 1999)。构成蜂格结构的矿物主要为碳酸钙, 而这些碳酸钙灰泥被认为是蓝细菌死亡后灰泥化的结果(Pratt, 2001)。泥晶中除钙之外, 还含有铁硅质成分, 它们可能与细菌和蓝细菌矿化之后的残留物有关(Ferris et al., 1986, 1996)。由此可见, 泥晶方解石的成因也似乎与微生物密切相关。

图 6

Fig.6

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	图 6 豫西宜阳地区寒武系馒头组鲕粒中的泥晶方解石特征 1, 2— 同心放射状鲕粒中的泥晶方解石, 其中2为1中黑色框部分的放大; 3— 泥晶方解石的六边形蜂格结构排列; 4— 泥晶方解石的六边形蜂格结构形态Fig.6 Characteristics of micritic calcites in ooids of the Cambrian Mantou Formation in Yiyang area, western Henan Province

图 7

Fig.7

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	图 7 豫西宜阳地区寒武系馒头组鲕粒中片状壁能谱分析Fig.7 Energy spectrum analysis of flake wall in ooids of the Cambrian Mantou Formation in Yiyang area, western Henan Province

在含有泥晶的鲕粒中, 普遍发育葛万菌丝状体(图8-1, 8-2, 8-3)。其管体通常呈弯曲状, 很少分叉, 管径相对稳定, 长度平均为15~20iμ m, 因保存情况而异, 管壁均匀, 为2~3iμ m。在葛万菌丝状体的周围, 有大量蜂格结构的泥晶(图 8-4)。鲕粒中除了发育葛万菌丝状体外, 还有大量没有表现为任何结构的泥晶方解石(图 8-5, 8-6), 这些泥晶方解石是细菌和蓝细菌死亡后灰泥化的结果(Pratt, 2001)。在含有泥晶的鲕粒的生长过程中, 绝大多数细菌和蓝细菌在没有被钙化之前已经腐烂、消失, 并产生了大量的灰泥, 仅有一小部分葛万菌在经历钙化作用后才留下了丝状体结构(Pratt, 2001)。这种鲕粒中的泥晶, 大多与葛万菌紧密相关。由此可见, 研究区鲕粒中葛万菌丝状体周围的泥晶方解石的成因, 可能与微生物作用有关。

图 8

Fig.8

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	图 8 豫西宜阳地区寒武系馒头组鲕粒中的丝状体 1— 鲕粒中的丝状体, 单偏光; 2— 鲕粒中的丝状体, 单偏光; 3— 鲕粒中的丝状体, 单偏光; 4— 泥晶结构与丝状体, 扫描电镜照片; 5, 6— 丝状体周围没有结构的泥晶方解石, 扫描电镜照片。2和3为1中红色方框部分的放大, 5和6为同一鲕粒的不同部分Fig.8 Filaments in ooids of the Cambrian Mantou Formation in Yiyang area, western Henan Province

1)豫西宜阳地区寒武系馒头组的鲕粒可分为4类: 不规则放射状泥晶鲕粒、泥晶套亮晶表皮鲕粒、同心放射状泥晶鲕粒和规则放射状微亮晶鲕粒。

2)豫西宜阳地区寒武系馒头组鲕粒中发育大量泥晶方解石, 泥晶方解石表现为六边形蜂格结构, 壁呈片状, 被认为是保存细菌的细胞结构, 是由附着的微小晶粒呈切向围绕细菌细胞排列所致。其成分含有Ca元素, 同时含有Si、Al和Fe元素, 可能是蓝细菌死亡后灰泥化的结果或为其矿化后的残留物。在含有泥晶方解石的鲕粒中, 普遍发育有葛万菌丝状体。这些特征表明, 鲕粒中泥晶方解石的形成可能与微生物作用有关。

致谢 感谢评审专家的宝贵意见及中国科学院南京地质古生物研究所张喜洋博士的野外指导及对薄片的鉴定。