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王振涛, 李现根. 河南嵩山地区新元古界何家寨组微亮晶(臼齿)碳酸盐岩成因新认识* [J]. 古地理学报, 2020, 22(1): 56-74.
Wang Zhen-Tao, Li Xian-Gen. New understanding on the genetic mechanism of microsparite(molar-tooth)carbonates in the Neoproterozoic Hejiazhai Formation in Songshan area,Henan Province[J]. Journal Of Palaeogeography, 2020, 22(1): 56-74.  
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河南嵩山地区新元古界何家寨组微亮晶(臼齿)碳酸盐岩成因新认识*
王振涛1, 李现根2
1 中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室,北京 100037
2 中石化胜利油田分公司海洋采油厂,山东东营 257237

第一作者简介 王振涛,男,1986年生,副研究员,2014年毕业于中国地质大学(北京)并获得博士学位,2016年中国地质科学院矿产资源研究所博士后出站,现主要从事沉积学与大地构造研究。E-mail: wangz@cags.ac.cn。
本文是第一作者在著名沉积学家孟祥化教授指导下完成的本科论文部分工作的提升与延伸。

收稿日期:2018-07-29 网络出版日期:2020-02-01
基金项目:*国家重点研发计划课题(编号: 2017YFC0602704)和国家自然科学基金项目(编号: 40572073)联合资助
摘要

作为国际前寒武系碳酸盐岩研究的热点,微亮晶(臼齿)碳酸盐岩(简称 MT)在前寒武纪古地理重塑、地层对比和古气候研究等方面具有重要研究意义,但对其成因机制的认识长期存在争论。华北克拉通南缘嵩山地区新元古界何家寨组发育大量 MT沉积,被前人解释为地震液化的产物。文中对何家寨组 MT发育层位进行了详细的形态描述、系统的微相分析和比较沉积学的研究,确定何家寨组 MT沉积于碳酸盐缓坡沉积环境,发现 MT具有早期成岩作用特征,其形态类型和宿主岩性、沉积环境之间存在密切关系。从多个方面对比探讨了 MT微亮晶和地震“液化脉”之间的不同,明确指出,何家寨组 MT的形成受到古海洋条件和沉积岩相的严格约束,具有鲜明的古环境意义,和地震没有必然的成因联系。

关键词: 嵩山地区; 何家寨组; 臼齿碳酸盐岩; 地震液化脉
中图分类号:P583 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2020)01-0056-19
New understanding on the genetic mechanism of microsparite(molar-tooth)carbonates in the Neoproterozoic Hejiazhai Formation in Songshan area,Henan Province
Wang Zhen-Tao1, Li Xian-Gen2
1 MNR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment,Institute of Mineral Resources,CAGS,Beijing 100037,China
2 Offshore Oil Production Plant of Sinopec Shengli Oilfield Company,Shandong Dongying 257237,China

About the first author Wang Zhen-Tao,male,born in 1986,is an associate professor of the Institute of Mineral Resources,Chinese Academy of Geological Sciences,with a Ph.D. degree obtained from the China University of Geosciences(Beijing). He is currently engaged in Paleozoic-Mesozoic tectonics and sedimentary evolution of the western North China Craton and Yangtze Craton. E-mail: wangz@cags.ac.cn.

Fund:Co-funded by the subproject of National Key R & D Program of China(No.2017YFC0602704)and the National Natural Science Foundation of China(No.40572073)
Abstract

As an international research focus on the Precambrian carbonate rocks,the microsparite(molar-tooth)carbonate (MT for short)is of great significance in the reconstruction of palaeogeography,stratigraphic correlation and palaeoclimate,but its formation mechanism has been debated for a long time. The Neoproterozoic Hejiazhai Formation in Songshan area,which is located at the southern margin of North China Craton,is characterized as a large number of MT deposits that were interpreted as the product of seismic liquefaction. In this paper,based on the MT-containing strata of the Hejiazhai Formation,detailed studies include the morphology of MT,microfacies and sedimentary environment were carried out. Results show that the Hejiazhai Formation MT formed in the carbonate ramp environment and it owes early diagenetic features. The morphology of MT has a strong relationship with the lithology of the host rocks and the sedimentary environments. Besides,the differences between the MT and “liquefied vein”triggered by earthquake were compared from several aspects. Through the above work,we clearly pointed out that the Hejiazhai Formation MT is mainly constrained by the palaeomarine conditions and sedimentary microfacies,and it is a good indicator of the ancient environment,but has no relationship with the earthquakes.

Keyword: Songshan area; Hejiazhai Formation; molar-tooth carbonate; seisimic liquefied vein
1 概述

微亮晶(臼齿)碳酸盐岩(microsparite(molar-tooth)carbonate, 简称MT)是全球前寒武纪地层中普遍发育的沉积现象(葛铭等, 2001), 主要发育于元古宙, 且仅赋存于浅潮下带— 潮上带(环潮坪)沉积环境中(O'Connor, 1972; Frank and Lyons, 1998; James et al., 1998; Bishop et al., 2006; Bishop and Sumner, 2006)。换言之, MT有着严格的时间和空间约束(Shields, 2002; 柳永清等, 2005; 刘燕学等, 2005; 旷红伟等, 2011a)。尽管MT有着广泛的时空分布, 形态特征多样, 但全球范围的MT都表现出显著一致的岩石学和沉积学特征, 都由5~1 5μ m 的均匀、等粒状、规则或不规则多边形方解石或白云石组成(柳永清等, 2010), 按其岩石组分和结构特征应称为微亮晶碳酸盐岩(microsparite carbonate), 是一种由结构和组分上有明显区别的微米级微亮晶及其基质组成的岩石(葛铭和孟祥化, 2008), 在中国天津(王德海等, 2004, 2009; 梅冥相, 2005, 2007a, 2007b, 2009; 刘自亮等, 2011; Mei and Tucker, 2011; Kuang et al., 2012; 刘贺娟等, 2013)、辽吉地区(乔秀夫等, 1994; Fairchild et al., 1997, 2000; Meng and Ge, 2002; 刘燕学等, 2003; Meng et al., 2004; Kuang et al., 2004; 旷红伟等, 2004a, 2004b, 2004c, 2006a, 2008, 2009; Liu et al., 2005; 柳永清等, 2005; 彭楠和旷红伟, 2010; 彭楠等, 2010, 2012; 孟祥化等, 2011; 李艳霞和旷红伟, 2012; Shen et al., 2016; Wu et al., 2017)、内蒙古(乔秀夫等, 1997)、苏皖地区(刘为付等, 2003a, 2003b, 2004; Meng et al., 2004; 贾志海, 2004; Liu et al., 2005; 柳永清等, 2005; 郭峰等, 2009; 贾志海等, 2011; 窦鲁星等, 2014; 缪庆海等, 2014; 冯乐等, 2015)、山东(王炳山等, 2007; Kuang, 2014)、河南(高林志和柳永清, 2005)和滇中(张传恒等, 2007; 柳永清等, 2010; 刘贺娟等, 2012)等地的中、新元古代地层中都有发现。

MT极为独特鲜明的形态特征、局限的时限性(ca. 2600— 720 Ma)和全球分布的特征以及谜一样的形成机制引起了国际沉积学家的广泛关注(Kuang, 2014; 及其参考文献), 使之成为国际前寒武系碳酸盐岩研究的热点。同样有趣的是, 作为约束古大气圈和古海洋环境变化的灵敏标志(孟祥化等, 2006), MT在全球尺度上一致消失的时间与地球大气圈的氧化、全球冰期等存在对应关系(Shen et al., 2016; Hodgskiss et al., 2018), 其背后的深层机制一直是学术界要解决的重大科学问题。近百年来, 针对MT的成因机制(被学者称为“ 百年之谜” ), 陆陆续续提出了多种成因假说, 如地震成因(乔秀夫等, 1994, 2017; Pratt, 1998)、气泡裂缝和甲烷生成(Furniss et al., 1998; Shen et al., 2016)、微生物自养作用参与的地球化学成因(Frank and Lyons, 1998; Meng et al., 2003; Meng and Ge, 2003; Pope et al., 2003; 孟祥化和葛铭, 2004; Ge et al., 2004; 旷红伟等, 2006b; 孟祥化等, 2006; Kuang, 2014; 岳亮等, 2016)等各种假说。其中, 微生物参与的地球化学成因假说得到了越来越多资料的支持(Hodgskiss et al., 2018)。譬如, Hodgskiss 等(2018)对全球10个盆地的87个MT样品开展了系统的Fe、C、O同位素和主、微量元素、TOC以及S含量分析, 结果表明MT中的铁同位素组成几乎总是比基质中的碳酸盐或残余物组分轻(损耗值为2‰ ), 认为这是由于上部沉积物中的富铁蒙脱石和羟基铁氧化物发生微生物介导的异化铁还原所致。DIR(dissimilatory iron reduction, 异化铁还原)过程将蒙脱石转化为伊利石, 导致黏土矿物体积减小(约30%), 同时孔隙水碱度增加, 促进了MT原始物质的沉淀, 而新元古代中期MT的消失, 可能与蒙脱石含量的下降、海洋溶解无机碳储集层减少及浅海海水氧气浓度的增加等综合效应有关(Hodgskiss et al., 2018)。但需要指出的是, 在用地震成因解释MT的形成时, 存在将MT与地震“ 液化脉” 混淆, 甚至将微(泥)晶液化脉(灰泥流动侵位)等同于MT的现象, 导致长期以来国内文献频频出现对MT使用的泛化, 将不是MT的事物当做MT来解释和讨论。

高林志和柳永清(2005)曾在河南嵩山地区青白口系何家窑组中识别出板状碳酸盐岩微亮晶脉(碳酸盐震积岩), 发现“ 微亮晶脉的断裂为脆性断裂” , 认为“ 微亮晶脉向顶底层穿刺的特征只有经受水平振动才能出现” , “ 核磁共聚焦显微镜下微亮晶脉没有荧光反应说明微亮晶脉为非生物成因” , 它们是地震液化形成的产物(地震液化脉), 代表了一个地震活跃期。何家窑组由河南省区域地质测量大队1965年命名于河南省的何家窑, 为太古宇登封岩群的一部分, 目前已停用(中国岩石地层名字大全, 2017), 依据原作者提供的柱状图可以判断此处的何家窑组应为何家寨组。文中研究的何家寨组MT剖面位于华北克拉通南缘豫西佛光乡郝家寨村正西约400 m, 在地理位置上与高林志和柳永清(2005)报道的“ 微亮晶脉” 剖面相距不远, 暂称郝家寨村剖面, 具体剖面内容参考高林志和柳永清(2005)。更重要的是, 作者从多方面尤其是系统的微相特征方面分析表明, 何家寨组的MT条带并非先前认为的脆性断裂, 而是受限于(被动适应)基质的岩性和流变学特征, 何家寨组的MT并非地震成因, 并明确指出MT与“ 液化脉” 是完全不同的两个事物。

2 区域地质概况

嵩山地区位于华北克拉通南缘(图 1-a), 发育较为完整的前寒武纪结晶基底(王泽九等, 2004; 第五春荣等, 2008; 万渝生等, 2009; Zhao and Zhou et al., 2009; Zhou et al., 2011; 胡国辉等, 2012a; 图 1-b), 其上被主要包括中— 新元古界五佛山群和之后的沉积岩系组成的沉积盖层角度不整合覆盖(图 1-b; 图 2)。根据地层发育特征, 华北克拉通南缘豫西地区可划分为3个地层分布小区, 分别为嵩箕地层小区、渑池— 确山地层小区和熊耳山地层小区(关保德等, 1988)。华北克拉通南缘青白口纪岩相古地理格局总体为北高南低, 熊耳山地层小区是当时的沉积盆地中心(胡国辉等, 2013), 文中研究剖面位于熊耳裂陷槽东北缘的嵩箕地层小区(图 1-a, 1-b)。

图 1 华北克拉通南缘及嵩山地区地质简图
a— 华北前寒武纪地质示意图, 据Zhao等, 2006和翟明国等, 2014; b— 华北克拉通南缘豫西地区中— 新元古代地层分布简图, 据胡国辉等, 2013; c— 嵩山地区地质简图, 据胡国辉等, 2012bFig.1 Simplified geological map of southern margin of North China Craton and Songshan area

图2 华北克拉通南缘嵩箕地层小区中— 新元古界地层柱状图(据胡国辉等, 2013, 修改)Fig. 2 Stratigraphic column of the Meso-Neoproterozoic in Songji area of southern margin of North China Craton(modified from Hu et al., 2013)

嵩箕地层小区主要分布在河南偃师、登封、临汝等地的嵩山— 箕山地区(图 1-c), 主要由五佛山群组成, 还有下伏的兵马沟组和上覆的红岭组(胡国辉等, 2013)。五佛山群主要岩性为陆源碎屑岩, 主要分布于玉寨山— 五佛山北坡(图 1-c), 以登封市少林寺— 偃师市何家寨一带层序发育最为齐全(胡国辉等, 2012a), 该群自下而上分为马鞍山组、葡峪组、骆驼畔组和何家寨组(河南省地质矿产厅, 1997; 图 2)。嵩箕地区五佛山群从下而上岩性变化明显, 代表 2次较大的沉积旋回, 其下部和中部的砂岩与华北南缘同时代的地层均形成于被动大陆边缘的沉积环境(胡国辉等, 2012b), 中部葡峪组及其同时代地层的底部在区域上均有1层黑色碳质泥页岩, 为最大海泛期沉积; 上部骆驼畔组和何家寨组(下、中部)主要为滨海相石英砂岩和较深水环境下形成的薄层条带状灰岩、钙质页岩(胡国辉等, 2013)。从整体上看, 五佛山群有碎屑岩向碳酸盐岩沉积环境过渡的趋势(胡国辉等, 2012b; 图 2)。

何家寨组与下伏骆驼畔组整合接触, 与上覆红岭组或辛集组平行不整合接触(河南省地质矿产厅, 1997)。何家寨组下部以黄绿色页岩夹薄层石英砂岩和紫红色砂砾岩以及砂质灰岩为主, 中部为含叠层石灰岩、泥质白云岩、泥灰岩夹页岩和粉砂岩, 上部为绿色页岩与粉砂岩(胡国辉等, 2012b)。从已有的组分、元素地球化学和碎屑锆石谱图等方面综合判断, 何家寨组沉积于被动大陆边缘裂谷环境(贾超, 2018), 更详细的岩性分析指示何家寨组可能为碳酸盐滨岸相的潮下带沉积(胡国辉等, 2012b)。文中关注的是何家寨组中下部发育的MT, 但何家寨组长期以来一直缺乏绝对年龄的约束, 这就限制了对该组MT发育时限的确定。对于何家寨组的形成时代, 长期将之置于新元古界青白口纪(河南省地质矿产厅, 1997; 周洪瑞等, 1998; Gao et al., 2009; 胡国辉等, 2013)。最近在何家寨组中部砂岩获得的最年轻碎屑锆石年龄(1057± 47 Ma和991± 21 Ma)限制了该组的最大沉积年龄不早于1000 Ma(贾超, 2018)。因此, 文中将何家寨组形成时代置于新元古代青白口纪早期(张恒等, 2019)。何家寨组MT发育层位接近并下伏于上述获得碎屑锆石年龄的中部砂岩地层, 据此将何家寨组MT沉积时限暂定为~1000 Ma。

3 研究剖面地层序列和MT形态特征

何家寨组的中下部发育MT, 在地层序列上位于叠层石层位之下, 整个MT层位厚度约为45 m。野外MT与微层序有着明显的耦合关系, 按照微层序和沉积间断面将该研究剖面划分为17个亚段(图 3)。

图 3 华北克拉通南缘嵩山地区郝家寨村剖面何家寨组MT发育层位综合柱状图Fig.3 Schematic stratigraphic column of MT-containing sequences of the Hejiazhai Formation in Haojiazhaicun section in Songshan area of southern margin of North China Craton

MT构造形态具有指相意义(孟祥化和葛铭, 2004; 彭楠和旷红伟, 2010; 刘自亮等, 2011; 彭楠等, 2012)。文中研究的何家寨组MT形态多样, 通过露头详细观察和统计、显微镜薄片研究, 将MT构造形态归纳为垂直层理的丝带状(图 4-a至4-e)、平行层理的丝带状(图 4-e)、复杂揉皱丝带状(牵引、联结明显; 图 4-d)、点斑状(图 4-f)、瘤状体(图 4-f)、球状(原地沉积)(图 4-g)、蠕虫状(图 4-g)以及异地搬运再沉积的微亮晶碎屑(图 4-h)。

图 4 河南嵩山地区郝家寨村剖面新元古代何家寨组MT形态特征
a— 下部泥晶灰岩中MT呈现穿层、联结、刺穿的丝带状, 丝带相对平直, 上部泥质含量更多, MT条带呈现更加复杂的褶皱状; b— 泥质灰岩背景下MT褶皱条带明显穿层, 水流冲刷形成的微纹层制约了MT条带的形状; c— MT呈复杂揉皱丝带状, 丝带通常向顶层面延伸, 但绝大部分不穿越层面, 明显受沉积层理约束; d— 泥晶灰岩中MT呈现复杂揉皱丝带状, 方框内MT条带整体呈现平行层理的趋势, 且相对其他部分更短、更细, 方框上部的MT条带相对平直, 宽度和长度更大, 水流冲刷面附近的MT则平行于水流方向; e— 在相对纯净的泥晶灰岩中MT条带呈现了2种展布方向: 底部堆叠状平行于层理, 中上部总体呈垂直于层理状, 且相对底部密度较小; f— MT呈现2种形态: 点斑状和瘤状体(条带状集合体), 前者为类似的小型椭球状、斑点状, 直径很小, 在风化面上肉眼可辨, 沿层理方向不连续稀疏排列, 后者MT条带整体上呈集合体, 周围为泥质灰岩; g— MT呈现2种形态: 底部的蠕虫状和球状(原地沉积), 前者堆叠于底部, 长度不等, 往上MT长度和密度逐渐较小, 呈“ 正粒序层理” , 而后者分布稀疏, 直径小, 一般不超过0.5 cm; h— 异地搬运再沉积的微亮晶碎屑。硬币直径1.9 cmFig.4 Morphological characteristics of MT structures in the Neoproterzoic Hejiazhai Formation in Haojiazhaicun section in Songshan area, Henan Province

丝带状(相对平直)MT主要发育在相对纯净的泥晶灰岩中, 长1~10 cm, 宽1~2 mm, 多呈近垂直于沉积层理产状, 少数平行于层理, 二者甚至同时出现(图 4-e)。平行沉积层理的丝带状MT是一类形态复杂和多次叠加的MT构造类型, 具有多期次平行连续的席状组合群体。大多数丝带状相互独立分布, 但在部分层段明显地联结、刺穿(图 4-a)。复杂揉皱丝带状MT一般长几厘米到十几厘米, 宽1~5 mm, 形态如肠状、褶皱状、弯弓状、钩状和臼状, 丝带通常向顶层面延伸, 但绝大部分不穿刺层面, 表现为明显受沉积层理约束的特点(图 4-c)。瘤状MT一般长10 cm以上, 小者长3~5 mm, 整体上呈椭球集合体(图 4-f)。原地沉积的球状MT粒度小, 一般不超过0.5 cm, 稀疏分布(图4-g)。点斑状MT为类似的小型椭球状, 直径很小, 在风化面上可辩, 一般沿层理方向不连续稀疏排列(图 4-f)。蠕虫状MT呈形体较小的短丝带状, 最长不过2 cm。文中出现的蠕虫状MT呈平行层理叠加分布, 从下至上MT的密度、大小依次递减, 显示“ 正粒序层理” 的特征, 揭示其形成受到了一定水动力条件的制约。此外, 还有原生MT受冲刷再改造的异地椭球状、球状微亮晶碎屑集合体(图 4-h)。整体上, 上述何家寨组各种形态MT的形成基本上受到水动力条件和岩性的约束。

4 何家寨组MT岩石学和沉积学特征
4.1 MT岩石学特征

微亮晶碳酸盐岩单个晶体通常为7~11 μ m左右(Furniss et al., 1998; Pratt, 1998; Pollock et al., 2006; 孟祥化等, 2006), 很纯且几乎无杂质(黄铁矿除外), 主要赋存于泥晶灰岩和泥灰岩中(图 5)。微亮晶在成分和结构上均一性十分明显(图 5), 其结晶习性、粒度和形成时的水动力条件不同于通常意义上的亮晶胶结物。亮晶胶结物是充填于原始颗粒间起胶结作用的化学沉淀物, 通常是在水动力较强的沉积条件下形成的, 其晶粒较大, 常大于10 μ m(何镜宇和孟祥化, 1987)。亮晶胶结物在地质历史时期的任何时代均可产生, 而且有的可分辨出多个世代/期次, 这些特征与微亮晶方解石明显不同。

图 5 河南嵩山地区郝家寨村剖面何家寨组MT赋存岩石显微照片(一)
a— 单偏光, MT条带之间为基质沉积纹层, MT条带有撕裂现象(黑色箭头所指), 第1层; b— 单偏光, MT微亮晶发生重结晶, 重结晶之后的晶体粒度明显增大, 这种明显的对比揭示了MT微亮晶和亮晶胶结方解石之间的区别, 第1层; c— 单偏光, MT呈现碎裂状, 明显受到成岩期微断层的控制, 第2层; d— 正交光, 磨圆好的MT椭球体, 为石化成岩之后水流搬运、异地再沉积的结果, MT椭球体之间为重结晶的方解石和磨圆度高的石英碎屑, 第5层; e— 单偏光, 对d的部分放大, 明显可见基质部分的黄铁矿; f— 单偏光, 对某一个MT椭球体的放大, 基质之间可见磨圆度高和分选性好的粉砂, MT微亮晶内部发育显著的球状黄铁矿, 第5层; g— 单偏光, MT条带发生撕裂, 撕裂之后MT与基质的接触关系仍截然可辨, 第8层; h— 单偏光, MT之间可见黄铁矿或有机质, MT晶体长度约为12 μ m, 第8层; i— 单偏光, 呈现穿插关系的MT条带, 且明显可看到期次, 见箭头所示, 第8层。分层位置见图3Fig.5 Photomicrographs of MT-containing rocks in the Hejiazhai Formation in Haojiazhaicun section in Songshan area, Henan Province(Ⅰ )

何家寨组含MT的岩石由2部分组成: 微亮晶(microsparite)方解石和基质, 两者有着清晰的边界, 呈突变或溶蚀边接触, 在野外和镜下都清晰可辨(图 4; 图 5)。同基质相比, 微亮晶明亮、无杂质, 粒径明显小于基质颗粒。MT条带由纯净的、均一的、等粒的方解石微亮晶集合体组成(图 5), 内含球状黄铁矿(图 5-c, 5-e, 5-f)或硅质碎屑(图 5-d)。

何家寨组的MT既有原地的, 又有异地的(图 4-h, 4-i; 图 5-d至5-f)。其中, 图 5-d至5-f对应的野外的照片为图 4-h, 也就是MT第5层。这些呈悬浮状分布的点斑状MT在显微镜下呈完好的椭球体分布, 而且椭球体MT之间充填了磨圆度高的陆源碎屑(图 5-d), 表明这些MT和陆源碎屑一起经历了相当程度的搬运过程。需要特别指出的是, 椭球体MT内部及其之间发育葡萄球状黄铁矿(图 5-e, 5-f)。不但如此, 通过镜下统计, 发现MT所赋存的岩石中或多或少都含有少量葡萄球形黄铁矿。黄铁矿不仅分布于微亮晶和基质的接触边界, 在微亮晶的内部也有发现, 或呈孤立球形, 或连带分布。这种现象表明当时的沉积(水体)环境很可能处于还原状态。发育于MT内部的黄铁矿的存在(图 5-f)表明微亮晶形成之初铁的还原过程参与其中, 支持了新近Hodgskiss 等(2018)提出的MT为微生物异化铁还原成因的观点。通过进一步详细的观察和统计, 发现在上述观察到的个别岩石薄片中, 微亮晶颗粒发生了较为明显的成岩作用, 有的微亮晶颗粒发生重结晶, 形成方解石粗亮晶(图 5-b)。

微相分析显示的一个普遍现象是MT形态明显受到基质性质的制约。而且, MT具有早期成岩特征, 与其赋存基质为同生或准同生关系, 主要证据有: (1)显微镜下MT成分中含有少量的石英、长石等陆源组分, 为沉积过程中从基质中带入所致, 说明MT形成于基质尚未固结时; (2)MT与沉积纹层一起变形, 在压实过程中, MT褶皱、弯曲, 甚至破碎, 而基质纹层围绕钙质条带向上或向下形变; (3)有的MT还未固结成岩时, 由于压实作用或水流冲刷发生破碎, 但破碎处还呈现拖拉牵引(图 6-c), 以及条带圆滑的末端都显示着MT与周围的沉积物为同生或准同生的关系。以何家寨组丝带状MT为例, 并非如野外裸眼见到的那样都是连续贯通的丝带状, 在镜下常见到断续(图 5-g, 5-h)、破碎(图 5-g, 5-h)、穿插(可分出期次)(图 5-i, 6-a)、压实(图 5-h)、“ 藕断丝连” (图 6-c)、不协调的肠状褶皱(图 6-d)、叠加(图 6-e)、喷射” (图 6-f)、受小水流纹层约束的流褶皱(图 6-g至6-i)等诸多形态。这些形态特征不但表明MT形状明显受到基质岩性和水体动力条件的约束, 还表明当时微亮晶尚未完全固结成岩(图 6-c), 而是表现出塑性特征。其中, “ 喷射” 状的MT(图 6-f)暗示了可能的气体逸出机制。另外, 与分叉的MT条带不同, “ 穿插” 状MT条带的发现及其表现出的明显不同的期次, 完善了先前认为的MT的形成是在封闭的、单一的空间内同期快速石化的认识。

图 6 河南嵩山地区郝家寨村剖面何家寨组MT赋存岩石显微照片(二)
a— 单偏光, 呈现穿插关系的MT条带, 且明显可看到期次, 见箭头所示, 第8层; b— 单偏光, 2个MT条带发生挤压变形, 相对基质表现出一定的“ 刚性” 特征, 第10层; c— 单偏光, 尤其需要重视的是呈现出了MT条带的“ 藕断丝连” 特征(见黄色箭头所指), 右下方MT条带呈现撕裂状开口(见白色箭头所指), 这种“ 刚、柔” 并存的现象表明MT微亮晶特殊的材料特征, 第10层; d— 单偏光, 在岩性均一的基质环境中MT条带样式呈现流褶皱特征, MT条带细长, 且基质粒度比MT微亮晶大, 第10层; e— 单偏光, 富黏土或碳酸盐泥的基质环境中MT条带发生褶皱的情形, MT形状明显受基质纹层的约束, 这种情况很常见, 第10层; f— 单偏光, MT条带与其“ 母体” 相连, 貌似喷挤而出, 第11层; g~i— 单偏光, MT条带形状受基质纹层的约束, 表现出一定的塑性特征, 第12层。分层位置见图3Fig.6 Photomicrographs of MT-containing rocks in the Hejiazhai Formation in Haojiazhaicun section in Songshan area, Henan Province(Ⅱ )

从上述MT的微相分析可以总结出, 微亮晶和基质为同生或准同生关系, 基质在成岩过程或者水流改造中改变了早期形成的微亮晶集合体的形态。换言之, MT的形态受限于(被动适应)基质的岩性和流变学特征, 而并非为地震引起的“ 液化脉” 或“ 泄水脉” 。后者往往是“ 脉的上、下两端穿刺水平纹层, 引起纹层牵引弯曲” (乔秀夫等, 1994, 1997), 是基质的纹层被动适应了脉的动力学特征, 与MT条带受基质水动力的改造(图 6-g至6-i)明显不同, 而且其脉体成分为亮晶方解石(乔秀夫等, 1997)。与基质成分与微亮晶的成分差异、明显受到层理约束的同沉积特征以及原地形成的球形MT(Pollock et al., 2006)也很难用地震扰动的成因模式来解释。从特殊的结晶习性和沉淀环境来看, 微亮晶是方解石快速沉淀的产物, 这已为许多科学家所证实(Frank and Lyons, 1998; Furniss et al., 1998; 孟祥化等, 2006)。因此, 微亮晶碳酸盐岩是沉积事件, 而非构造事件如地震使然。

4.2 MT赋存的岩石类型

通过对14块露头标本和对应的岩石薄片分析统计, 结合前人(孟祥化等, 2006)对不同地区不同剖面采集的101个岩石薄片资料, 对MT赋存的岩石类型进行了归纳(表 1)。统计表明, MT(原地的)主要分布于泥晶灰岩、泥灰岩、粉屑泥晶灰岩、含粉砂质的泥灰岩及泥晶灰岩、钙质泥岩以及钙质粉砂岩等多种岩石类型中。其中, 以泥晶灰岩出现频率最高, 可达52%; 泥灰岩次之, 占19%。其他岩石类型如粉屑灰岩、砂屑灰岩、钙质粉砂岩及泥岩等, 其出现频率5%~10%; 在更粗粒的岩石如砂砾岩中无MT, 叠层石灰岩内也无MT。此外, 还有微亮晶被风暴或其他机械营力打碎、搬运、再沉积形成的异地碎屑状MT。在文中研究的何家寨组MT剖面中, 泥质含量较多, 大概为40%; 陆源粉砂30%; 个别层段发育较好的葡萄球形黄铁矿, 含量小于5%。在均一的泥晶灰岩中, MT条带与基质呈截然接触, 而在泥灰岩中接触呈溶蚀边接触。

表 1 MT基质的岩石类型及MT出现频率(据孟祥化等, 2006, 有修改) Table1 Rock types of MT matrix and occurrence frequency of MT(modified after Meng et al., 2006)
4.3 MT沉积环境

由于MT与周围沉积物的同生性, 使得可以通过基质的岩石学类型、沉积构造和MT形态来确定MT的形成环境。文中对何家寨组MT的微旋回和微相分析揭示了如下特征:

1)MT主要发育在泥晶灰岩和泥灰岩中, 部分含有少量的陆源物质和少量黄铁矿。沉积物中含有一定量的陆源物质, 说明MT形成时处于不太深的浅海环境, 含有黄铁矿又表明处于潮下还原环境。在盆地深水相或潮上陆源物质极其丰富的环境中MT都不发育, 说明何家寨组MT主要发育在潮下较低能的浅缓坡下部— 深缓坡上部的沉积环境。

2)在很大程度上, 与风暴作用(更准确一些, 可能与急速的气流扰动有关)有关。有MT出现的地方往往发育大量丘状交错层理(MT第4层、第15层)、泥质条带(MT第2层、第5层、第8层、第9层)、风暴粒序层和竹叶状灰岩(MT第12层)。而一些砾石级的MT碎屑定向排列也表明它经历了长距离的搬运, 在MT沉积成岩之后发生了强烈的风暴作用。这进一步说明了MT在正常浪基面— 风暴浪基面附近较为发育。

目前对MT发育的沉积环境已达成一致认识, 即绝大多数MT发育于浅潮下带— 潮上带(环潮坪)环境(Fairchild et al., 1997; James et al., 1998; Meng et al., 2003; 柳永清等, 2010), 成为中、新元古界一种重要的指相标志。换言之, 从MT的成因角度来讲, 浅潮下带— 潮上带(环潮坪)环境是MT形成和保存的最理想环境。正是基于此, 才提出MT是在大陆裂解时期形成的特殊沉积产物, 在宏观上有可能记录和反演超大陆裂解— 聚合的过程(柳永清等, 2010)。如孟祥化和葛铭(2004)通过MT的全球对比, 提出新元古代MT围绕Rodinia超大陆古浅海被动边缘带分布的模型。而且, 何家寨组MT的发育丰度、形态和微旋回层序有较好的耦合关系(图 5, 图 6)。若是地震成因, MT的发育不受沉积环境严格约束。换言之, 地震成因的“ 液化脉” 并不具备“ 沉积相” 的属性。

5 讨论
5.1 对MT的确认需要依据明确的定义

由于对MT成因的认识和解释不同, 不同学者给予不同的描述和术语。在早期的1︰20万地质填图过程中发现了大量MT, 将其形象地描述为“ 异常方解石脉” 、“ 纹象花纹构造” 、“ 蠕虫状灰岩” 、“ 网状方解石脉” 或“ 蠕虫状钙质细脉” (江苏省地质矿产局, 1984; 安徽省地质矿产局区域地质调查队, 1985; 吉林省地质矿产局, 1988; 辽宁省地质矿产局, 1989)。还有持不同观点的学者笼统地将“ 液化碳酸盐岩脉” (贾志海等, 2003)、“ 液化脉” (田洪水等, 2006)、“ 泥晶脉” (武振杰等, 2009)、“ 微晶脉” (乔秀夫等, 2017)等同为MT, 甚至建议将“ 前寒武纪molar tooth 构造统一称作泥亮晶灰岩液化脉构造” (田洪水等, 2006)。这在一定程度上造成了概念上的混乱。在野外, MT与地震形成的液化脉极容易混淆, 使得同一研究者对同一研究对象也会做出截然不同的判断(严兆彬等, 2005, 2016)。因此, 似乎MT非常需要一个明确的定义。

实际上, 针对微亮晶(臼齿)碳酸盐岩开展的IGCP447项目(2001— 2005)已基本澄清了MT构造和MT碳酸盐岩的基本含义, 认为MT有2个基本的特征: 其一, 充填物一定为微亮晶碳酸盐岩(球霰石); 其二, 其分布时限主要限于元古宙。需要明确的是: 不论是哪个地质时代, 也不论是陆源还是内源的充填物(脉)都不能笼统地冠名或等同于为MT。该认识已得到国际上持不同成因观点的绝大多数研究MT的地质学家普遍接受, 但尚未引起足够的重视。按照上述MT特征, 内蒙古早古生代腮林忽洞群发育的液化泄水脉(物质成分为亮晶方解石)(乔秀夫等, 1997, 2017)和浙西寒武系大陈岭组所谓的“ MT” (严兆彬等, 2005, 2016; 刘礼洁等, 2012)在成分、时代上都不符合MT的定义, 并不能叫做MT。同样, 中国辽宁寒武系的大林子组所谓的“ MT” 构造, 也并非真正的MT, 而是典型的溶解(渗流)状构造(孟祥化等, 2002)。

5.2 MT与“ 液化脉” 是完全不同的事物

高林志和柳永清(2005)将何家寨组的MT等同为“ 碳酸盐震积岩” 或“ 地震液化脉” 。乔秀夫等(2017)在新近出版的《软沉积物变形构造— 地震与古地震记录》一书中将液化脉(包括砂岩脉、碳酸盐岩脉、微(泥)晶脉)作为软沉积物变形构造(soft sediment deformation structure, 简称SSDC)的类型之一, 而且明确指出“ 液化脉指软沉积物中沙层液化流动向相邻软沉积层侵位的脉体” 。可见, 液化脉的形成必须要有一个启动力的问题。但是, 触发液化的原因有很多, 地震只是其中之一, 不能把所有的具软沉积构造的岩层都当作地震岩(Shanmugam, 2016)。即使在发震断裂带所在区域, 软沉积物能否发生液化, 还取决于软沉积物自身的性质, 即含水量、颗粒形状与粒径的分布(嵇少丞, 2018)。杜远生和余文超(2017)认为沉积物层内液化作用主要发生在砂层中, 绝不会发生在泥质层(包括灰泥层等)中。冯增昭等(2017)也明确指出, “ 在国内中文期刊中已发表的文章和一些专著中, 几乎都把具软沉积物变形构造的岩层当作地震成因, 这种泛化使用显然不妥” 。

为了澄清MT与“ 液化脉” 之间的区别, 促进对何家寨组MT成因的理解, 作者综合目前的文献, 归纳了MT与“ 震积岩” (或“ 地震液化脉” )以下6个方面存在的明显不同:

1)矿物学上的不同。这一点尤为重要。将MT等同或者误认为地震液化脉的主要原因还是对微亮晶的微观结构和成分等特征的认识在早期不系统、不深入、不完备所致。随着研究的持续深入和新的研究手段的运用, 目前已十分明确, MT是围绕晶核以某种方式快速生长而成的MT微亮晶集合体, 是原生沉积的(孟祥化等, 2006; 柳永清等, 2010; 旷红伟等, 2011b)。国内外研究均表明MT微亮晶成分和组构都表现出极其一致的特征(柳永清等, 2010; 旷红伟等, 2011b; Smith, 2016), 而液化脉的成分却是多样化的(乔秀夫等, 2017)。MT微亮晶具有特殊的形态和特征: 在扫描电镜下为微米级、等粒、纯净的六面体微亮晶(microsparite)(James et al., 1998; 孟祥化等, 2006), 在阴极发光和背散射图像下有着类似的晶核(Pollock et al., 2006; 柳永清等, 2010; 旷红伟等, 2011a, 2011b; Smith, 2016)。更深入的研究表明, 这些晶核(MT微亮晶的原始沉积矿物)为粒径更小的等球粒六方晶系球霰石(vaterite)(Pollock et al., 2006; 孟祥化等, 2011; 旷红伟等, 2011a), 只是其热力学特性很不稳定, 在溶液中容易快速转变为文石或方解石(Zhou et al., 2010; 雷云, 2014)。而“ 地震液化脉” 概念中的岩石成分主要为来自母岩层的砂岩、碳酸盐砂、微(泥)晶(田洪水等, 2006; 乔秀夫等, 2017), 与母岩层的物质成分一致。值得注意的是, 基质沉积物中占主体的碳酸盐泥(泥晶)在显微镜下大多浑浊不清、富含杂质, 不如MT微亮晶纯净, 但“ 在基质中也偶尔出现似MT微亮晶组分, 但它们的颗粒多表面模糊, 或为多重发光的自形白云石菱形结构, 呈现被改造过的特点” (旷红伟等, 2011a)。必要的时候要借助阴极发光和扫描电镜等手段。这是为什么在野外和镜下容易将地震成因的“ 泥晶脉” 当作MT的重要原因。它们与MT微亮晶在矿物学、形成机制和成因上有着本质的区别。

2)成分和元素含量的明显不同。MT微亮晶和基质的元素含量明显不同: MT微亮晶CaO含量占绝对优势(97.59%~99.32%), 而基质CaO含量低且变化范围较大(24.58%~87.12%)(旷红伟等, 2004a; 旷红伟等, 2005; 柳永清等, 2010)。此外, 微亮晶的87Sr/86Sr比值明显低于基质, 表明MT微亮晶方解石比底基质固结早, 且在上覆沉积物沉积之前固结形成(孟祥化等, 2006)。最近, 对全球10个不同盆地的87个MT样品的Fe、C、O同位素和主、微量元素、TOC以及S含量的分析表明, 几乎所有的样品中微亮晶的铁同位素比基质沉积物轻2‰ (Hodgskiss et al., 2018)。而液化脉“ 于野外可以观察到明确的与之相连的液化母岩层” (乔秀夫等, 2017), 液化过程并不发生成分的改变(张邦花等, 2016; 乔秀夫等, 2017)。

3)成岩与形成环境关系的不同。MT多形成于成岩早期未固结的沉积物中(James et al., 1998; 孟祥化等, 2006), 元素含量测试结果(孟祥化等, 2006; Hodgskiss et al., 2018)显示MT的形成具有独特的还原介质环境, 其发育丰度、形态和微旋回层序有较好的耦合关系, 并且其形成严格受沉积环境和岩相的约束。据IGCP447项目工作组统计, 全球绝大多数的MT发育于稳定克拉通盆地浅水碳酸盐岩缓坡台地沉积环境(Meng et al., 2003; 孟祥化等, 2006; Kuang et al., 2007; 旷红伟等, 2019), 且在形态组合方面, MT形态和其沉积环境有着对应关系(孟祥化和葛铭, 2004; 旷红伟等, 2008; 彭楠等, 2010, 2012), 而地震成因的液化脉显然不具有上述特征。

4)时限约束不同。液化脉在任何地质历史时期都发育(乔秀夫等, 2017)。虽然对于MT的成因问题有多种观点, 但是, 不论哪种观点, 都把MT一词的应用限于碳酸盐岩, 都肯定它发育的时限性(Meng et al., 2003; 葛铭等, 2003)。MT发育局限于特定的时限(ca. 2600— 720 Ma)及其统一消亡的特征都是地震液化脉所不具有的, 更是地震成因的液化脉不能解释的。MT统一消亡的事实, 表明其受控于全球统一的海洋地球化学条件, 它们是原始古海洋的特殊沉积物类型(柳永清等, 2010; Hodgskiss et al., 2018)。

5)发育的大地构造背景不同。MT发育具有特定的大地构造背景, 主要形成于稳定的克拉通盆地边缘缓坡(Meng et al., 2003), 在构造活动区几乎不发育; 而地震液化脉主要发生在构造活动区(乔秀夫等, 1994, 2017)。

6)成因不同。MT的形成与古大气圈CO2浓度的突发下降期一致, 是约束古大气圈和古海洋环境变化的最灵敏标志(孟祥化等, 2006)。对MT形成之谜的解答不可避免地要对其3个主要特征(MT形成空间的产生机制、微亮晶的形成和发育的时限)都要给出合理的解释。MT的形成在大的方向上与古地理环境和古海洋环境有关: 特定的古海洋环境消失了, MT也消失了。最近新的测试数据将MT的研究推向深入, 将MT的形成归于微生物异化铁还原成因, 并指出蒙脱石供给和溶解无机碳的减少、海洋氧化作用的加强终结了MT的形成(Hodgskiss et al., 2018)。在这些新数据的解释方面, 地震成因失去了效力。并且, 液化脉是否有地震引起的, 还面临着理论和实践上的挑战(冯增昭等, 2017)。

6 结论

1)通过比较沉积学尤其是系统的岩石薄片分析, 确定华北克拉通南缘新元古代何家寨组MT沉积于浅海缓坡沉积环境, 具有早期成岩作用特征。

2)根据宏观形态特征, 将何家寨组MT划分为垂直层理的丝带状、平行层理的丝带状、复杂揉皱丝带状、点斑状、瘤状体、球状(原地沉积)、蠕虫状以及异地搬运再沉积的微亮晶碎屑, 受到基质岩性差异和水动力条件的综合约束。

3)MT和地震成因的“ 液化脉” 是不同的概念, 二者在矿物学特征、元素含量、成岩与环境关系、形态组合、发育的时限约束、发育的大地构造背景和地质意义等多个方面存在明显差异, 何家寨组MT并非前人认为的是地震液化的产物。

目前, 对全球MT的显微组构开展的系统对比研究将是深化MT认识的一个无法回避的研究内容。

致谢 本文第一作者曾在2009年全国第四届沉积学大会以PPT形式, 就本文主要内容做过学术交流, 得到了冯增昭先生、宋天瑞研究员、柳永清研究员、旷红伟研究员和邵龙义教授等与会专家的指导, 获益良多。孟祥化教授是本文第一作者初涉沉积学领域的引路人, 迄今仍清晰记得在孟老师身边学习的点点滴滴, 尤其是第一作者陪同孟老师在河南、江苏野外考察微亮晶(臼齿)碳酸盐岩剖面以及在贺兰山地区考察寒武— 奥陶系剖面的细节历历在目。作为对孟老师的怀念, 现将当时的材料整理成文, 希望与同行交流, 请地学同仁批评指正。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 刘贺娟)

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