鲕粒是一种具明显壳核结构的球形或椭球形体, 包壳呈同心圈层(切向)/放射状或由泥晶等构成, 分类依据主要包括显微结构、沉积结构、核心类型、壳核比、形态及大小、化石和细菌藻类以及成岩作用的叠加改造等(Flü gel, 2004), 与内部无结构的各种(似)球粒、较大的不规则状或具圈层结构的核形石、结壳中发育无机核心及具厚包壳的豆粒较易区分。根据对塔北地区埃迪卡拉系奇格布拉克组鲕粒的详细观察, 笔者提出了以下分类方案: (1)按显微结构、壳核比, 划分出同心鲕、同心— 放射状鲕、泥晶鲕或球鲕(spheroids)以及表鲕或薄皮鲕; (2)根据特殊的形态, 划分出蜘蛛状— 脑状鲕、泥晶— 放射状正常大鲕等, 它们呈似核形石的卯形、犁状或不规则状; (3)上述较小粒径的同心鲕、同心— 放射状鲕、泥晶鲕或球鲕, 通过水体搅动、包覆或包卷等作用形成各种复鲕; (4)经历了机械破裂、塑性变形以及压实、压溶、重结晶或白云岩化等多种成岩改造作用的鲕粒, 如破碎鲕或再生鲕、刺毛鲕、半月形鲕、异形鲕等。同时, 除了复鲕, 其他不同结构鲕粒均可能出现无/有微生物(细菌藻类活动遗迹)、机械破裂或成岩改造, 可据此进一步划分为3个亚类。

3.1.1 显微结构类型

(Ⅰ )同心鲕、放射— 同心鲕(图 2-a, 2-b): 较少见。呈球形或椭圆形, 大小为150~450 μ m, 包壳无泥晶套(Ⅰ -1)或具泥晶套, 核部含有泥晶化颗粒或微生物活动遗迹(Ⅰ -2), 常与复鲕(Ⅶ -1)、破碎鲕(Ⅰ -3)、极少量泥晶鲕(Ⅲ )等共生。发育重力悬垂Pe(钟乳石Sta)、白云石化、鲕模孔(OM)、粒间孔(BP)、沥青(Bit)或溶孔洞(Vug)及中粗晶白云石胶结物(D_{Ⅲ -Ⅳ} )。指示了中高能水动力条件下文石海-(白云石)的产物。

图 2

Fig.2

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图 2 塔北地区埃迪卡拉系奇格布拉克组同心、同心— 放射状、泥晶或薄皮鲕(偏光显微及阴极发光照片) a— SGT-Z2q-12, 亮晶鲕粒云岩, 同心鲕(Ⅰ -1)、复鲕(Ⅷ -1), 发生碎裂化(Ⅰ -3)和重结晶, 发育粒间孔、溶孔洞胶结物顺序:AC(纤状)→ bla(刀刃状)→ DⅠ -Ⅱ 或DⅢ -Ⅳ 或沥青), (-); b— SA-Z2q-24Z, 亮微晶鲕粒云岩, 同心鲕(Ⅰ -2), 泥晶核或藻菌遗迹, 碎裂化(Ⅰ -3), 与同心— 放射状鲕(Ⅱ -2)、泥晶鲕(Ⅲ )等共生, 重结晶, 发育鲕模孔、粒间孔、晶间孔, (-); c— 星火1-0014, 5872 m, 微亮晶藻球粒— 鲕粒云岩, 由无(Ⅱ -1)或有微生物藻菌遗迹(同心— 放射鲕(Ⅱ -2))以及泥晶斑块等组成, 溶蚀孔洞中见示底构造, (-); d— 同c, 文石(假象)的十字消光, 指示了结晶过程各向异性: 微纤束的径向辐射, 鲕粒边缘的溶蚀, 压溶(线接触— 镶嵌), 机械搬运后磨损的1/2鲕粒(Ⅱ -3), (+); e-f— SA-Z2q-25, 微亮晶鲕粒云岩, 发育泥晶鲕Ⅲ 、同心— 放射鲕、复鲕(Ⅷ -3)、薄皮鲕(Ⅳ )、云化交代鲕(Ⅻ ), 泥微晶呈中等橙黄红、粉晶呈中亮橙红色, e为单偏光, f为阴极发光照片; g-h— 星火1-0014井, 5872 m, 同c-d, 无(Ⅳ -1)或有微生物藻菌遗迹薄皮鲕(Ⅳ -2), 壳由纤状或放射性纤状文石(不发光)组成, 见钙化微生物膜, 部分由泥晶小鲕或藻球粒组成, g为单偏光, h为阴极发光照片。BP-粒间孔, Vug-溶孔洞, OM-鲕模孔, BC-晶间孔, Bit-沥青, Geop-示底构造, Pe-重力悬垂胶结, Sta-钟乳状胶结, B-葡萄状文石, Cb-钙化微生物膜Fig.2 Photographs of thin sections of concentric or tangential, concentric radial, micrite or superficial ooids under plane-polarized light(PPL)and cathodoluminescence(CL)of the Ediacaran Qigebulake Formation in northern Tarim Basin

(Ⅱ )同心— 放射状鲕: 最常见的类型。以球形为主, 分选及磨圆度一般至较好, 点或线接触、镶嵌状, 微晶放射性纤状— 粒状胶结, 无核(Ⅱ -1)或有核(Ⅱ -2), 有或无明暗有机纹层。其中, 泥晶核大小10~80 μ m, 壳宽100~500 μ m, 壳/核=6:1~10:1。核部发中等橙黄红色光, 壳层的放射性纤状胶结为十字消光、阴极下不发光(图 2-d, 2-e, 2-f, 2-g, 2-h), 偶见重力悬垂(钟乳石)、示底构造(图 2-c)、共轴增生胶结、溶蚀及微生物矿化(图 2-d), 常与泥晶鲕(Ⅲ )、放射— 同心鲕(Ⅰ )共生。指示了中低能水动力、弱还原— 弱氧化条件下的高镁方解石沉积。

(Ⅲ )泥晶鲕或球鲕: 呈球形或椭圆形, 主要由放射状纤状泥晶组成。又可分为无核(Ⅲ -1)或微晶核(Ⅲ -2)2种, 大小100~500 μ m。发均匀的中等橙黄红或不发光(核)。常与同心— 放射状鲕、薄皮鲕等共生, 偶见放射— 同心状鲕或复鲕(图 2-e, 2-f), 点— 线接触, 泥晶化, 微亮晶胶结。指示了中低能、还原的沉积环境。

(Ⅳ )薄皮鲕或泥晶大鲕: 与Ⅲ 类似, 但形态、大小、壳核比等不同, 有椭球状、眼球形或不规则形态, 大小为0.5~5.5 mm, 内核为150~1000 μ m, 外壳为10~200 μ m, 壳/核=1:5~1:20。核部由泥晶颗粒或含藻鲕(20~50 μ m)的泥晶(斑块)构成, 其中, 放射状纤状薄壳、核部泥晶或藻鲕不发光, 其他部分发中暗橙红色, 推测核部来源于弱还原条件下的泥晶沉积物。常与同心— 放射状鲕、葡萄状文石等共生(图 2-g, 2-h)。推测原岩主要为文石或白云石, 是通过颗粒的底部牵引、滚动及纤状或纤柱状海底胶结而成, 指示了低能的沉积环境。

3.1.2 特殊形态类型

(Ⅴ )蜘蛛状— 玛瑙纹、脑状鲕: 包壳中发育向内规则弯曲、皱纹状暗色纹层, 宽120~150 μ m, 推测其类似于叠层石中的明暗纹层, 暗层是由季节性或日夜变化导致的微生物细菌降解物或沉淀的蓝细菌丝状体组成。内核为泥晶化的藻球粒和暗色有机质纹层条带, 大小为450~600 μ m, 壳/核=0.5:1~10:1。与同心— 放射状鲕、葡萄状文石(B)和泥晶鲕或颗粒等共生, 可见悬垂状胶结、溶蚀或细菌藻类活动遗迹(图 3-a)。指示了在中等水动力、早期弱还原条件下的微生物成核, 后遭受弱氧化条件下大气淡水作用的影响。

图 3

Fig.3

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图 3 塔北地区埃迪卡拉系奇格布拉克组脑状鲕、放射状(正常— 大)泥晶鲕、多种复(大)鲕和半月形的破碎— 再生鲕 a— 蜘蛛状或脑状鲕(Ⅴ -1), 核部为具微生物藻菌遗迹的泥晶, 壳层为发育暗色圈层的蓝细菌丝状体, 与B-葡萄状文石(现为白云石)、同心— 放射状鲕(高镁方解石)等共生, 后者发育了重力悬垂、钟乳状以及共轴增生胶结; b— 卵形、犁状或不规则正常或大鲕(Ⅵ ), 核部由泥晶小鲕的不规则泥晶斑块组成, 壳层是由不规则生长圈层— 放射状或放射纤(柱)构成; c— 菌藻— 泥晶复鲕(Ⅷ -2), 核部是由暗色球形的细菌或泥晶鲕而成, 外壳是由纤柱状或刀刃状胶结物构成; d— 椭圆— 蜘蛛状— 巨复鲕, 具有特殊的“ 三层结构” , 即核部为同心— 放射状小鲕、中部为泥晶包裹物(类似于示底构造)、外壳是放射— 纤状胶结, 与大量镶嵌边缘的同心— 放射状鲕共生, 后者可见S-刺状(spiny, 大气淡水渗流带切向压溶); e— 半月形异形(复)鲕, 由2期泥晶鲕或细菌藻鲕参与的破裂— 再生过程形成; f— 指示了同心— 放射状鲕、脑状鲕等共生的撕裂的大量“ 泥晶颗粒或泥晶斑块” , 作为薄皮、泥晶鲕、复鲕成核的来源。a-f样号为XH1-0014, 星火1井, 5872 m, (-)。Pe-重力悬垂胶结, Sta-钟乳状胶结, B-葡萄状文石, Cb-钙化微生物膜, GBS-纤状生长环带, RSD-放射纤(柱)状胶结物, RFC-纤柱状胶结物, Bla-刀刃状胶结物Fig.3 Photographs of cerebroid with microborings, normal or large ooids with radial cortex and micrite nuclei(coniatoid)polyphase ooids as well as eccentric, half-moon broken and regenerated ooids of the Ediacaran Qigebulake Formation in northern Tarim Basin

(Ⅵ )放射状泥晶(正常或大)鲕: 形似“ 核形石” , 大小为1.3~2.1 mm。核部由大小不等的卯形、犁状或三角形泥晶块(650~1100 μ m)构成, 并伴有较小的球鲕或泥晶— 细菌鲕, 外壳宽为500~600 μ m, 具纤状生长环带、帚状消光(GBS)、放射状纤状(柱)文石胶结(RSD/AC), 壳/核=1:1~2:1。可见悬垂状胶结, 常与泥晶斑块、泥晶或薄皮鲕共生(图 3-b)。指示了中低水动力条件下的沉积产物。

3.1.3 复鲕及再生鲕

(Ⅶ )复鲕: 指示了沉积间断、再沉积或成岩改造过程。据壳核结构进一步划分为3个亚种: (1)Ⅶ -1, 是核部为多个同心鲕和(成岩作用)交代鲕等、外壳由圈层— 放射状纤状胶结组成的同心复鲕(图 2-a); (2)Ⅶ -2, 泥晶(或细菌)复藻鲕, 由几十个球形的“ 细胞状” 泥晶或藻鲕构成, 单个直径30~40 μ m, 少量是由薄皮鲕(30~70 μ m)、放射状小鲕(50~150 μ m)复合而成, 内核550~700 μ m, 外壳宽为100~120 μ m; 由同心圈层的纤状(5~10 μ m)、纤柱状及粒状胶结物构成, 壳/核=6:1~7:1(图 3-c); (3)Ⅶ -3, 椭圆— 放射状大复鲕, 核部由几十个大小不等的有核或无核的同心— 放射状鲕粒(15~50 μ m)镶嵌构成, 外壳为放射— 纤状或纤柱状粉晶白云石构成, 宽120~150 μ m, 中间为不等厚的泥晶包壳。整个复鲕的大小为1.00~2.25 mm, 壳/核=8:1~18:1, 常与同心— 放射状鲕、蜘蛛状泥晶鲕等共生。指示了早期一定的水动力条件下的成核质点多、中期逐渐向(中)富藻的泥晶、微生物活动增强的低能转变, 至晚期发育葡萄状、纤柱状文石胶结。另外, 与此共生的同心— 放射状鲕具有刺状结构、增生边、曲直面粒状镶嵌结构, 表明其接受了早期大气淡水改造和埋藏期的化学压实改造(图 3-d)。

(Ⅷ )半月形异形(复)鲕: 大小为450~600 μ m, 其中薄皮泥晶鲕(50 μ m)经过二次成核及生长后可宽至700~900 μ m, 壳/核=1:10~1:18, 与泥晶或细菌鲕集合体(100~200 μ m)、泥晶斑块等共生(图 3-e, 3-f)。推测以跳跃至牵引再至底载荷运动为主, 经历了破裂— 再生作用, 总体是在搅动较弱的水动力条件下形成, 又经历了沿裂隙带文石的大气淡水溶解作用。

3.1.4 成岩改造鲕

(Ⅸ )朵状或异形的放射状改造(复)鲕: 与同心— 放射状鲕(Ⅱ )不同的是, 它是由5个同心— 放射状小鲕通过大气淡水溶蚀边界镶嵌而成, 大小为600~750 μ m。微球粒或微亮晶胶结, 与薄皮鲕或泥晶(大)鲕、同心— 放射状鲕、脑状鲕或微生物鲕、黄铁矿— 磁铁矿化及云化鲕粒共生(图 4-a)。指示其主要经历了成岩早期海底胶结、硫化还原、铁氧化以及早期大气淡水作用等过程。

图 4

Fig.4

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图 4 塔北地区埃迪卡拉系奇格布拉克组成岩改造下(早期为主)的同心放射状鲕及同心鲕 a— 同心— 放射状复鲕(Ⅹ -1), 由5个扇形(放射状文石)通过不规则的大气淡水溶蚀边界镶嵌而成, 并与微生物鲕(Ⅴ -2)、铁矿化重结晶鲕粒(Ⅸ )等共生, (-); b— 重结晶的同心放射状的微粉晶鲕粒(Ⅺ ), 与Ⅸ 不同的是, 前者残留了放射性泥微晶核部, 后者重结晶作用较强, (-); c— 云化交代鲕Ⅻ , 可进一步划分出较完全云化(Ⅻ -1)、未完全云化(Ⅻ -2), 可能受水— 岩作用界面控制, (+); d— KG-Z2q-10, 含陆屑石英的亮晶鲕粒云岩, 部分核部由石英构成, 放射状— 同心鲕(Ⅻ -3)模孔中发生了去云化作用(DⅡ → CⅡ ), 大气淡水淋滤, (-)。Py-黄铁矿化, Mt-磁铁矿化, Pe-重力悬垂胶结, BC-晶间孔, Bit-沥青, BP-粒间孔, OM-鲕模孔Fig.4 Photographs of concentric or tangential, concentric radial ooids in diagenetic processes(predominantly early diagenesis) of the Ediacaran Qigebulake Formation in northern Tarim Basin

(Ⅹ )黄铁矿(磁铁矿化?)-白云石化鲕粒: 大小为350~450 μ m, 核部为微粉晶白云石, 外壳为纤状胶结, 黄铁矿主要呈立方体或微球粒(图 4-a)。可能是沉积期至早成岩期成岩改造的结果。

(Ⅺ )重结晶— 云化鲕粒。原鲕粒为同心— 放射状, 鲕粒中的云化与胶结物类似, 均以米粒状、刀刃状镶嵌微晶白云石为主(图 4-b)。指示为文石快速拟晶化的白云岩, 即原生或早期的准同生白云岩化。

(Ⅻ )选择性白云石化(交代)鲕: 与Ⅺ 不同, Ⅻ 原鲕为泥晶鲕, 大小为300~600 μ m, 沿鲕核粉晶、中细晶白云石(20~320 μ m)完全交代呈镶嵌状(Ⅻ -1)。见放射性泥微晶核部残留、部分交代(Ⅻ -2)(图 4-c), 或沿放射状— 同心鲕或同心鲕的核部发生去云化(Ⅻ -3)(图 4-d), 后者还发育了鲕模孔、粒间孔和晶间孔。指示相对中高水动力条件下形成的放射状— 同心鲕或同心鲕更易遭受大气淡水溶蚀作用、云化交代等成岩过程。

奇格布拉克组共生鲕粒具有以下特点: (1)不同大小的鲕粒共生, 从小的泥晶或藻鲕(细菌)(10~20 μ m)至大鲕(5.5 mm); (2)不同形态的鲕粒共生, 常见如球形、椭球形、卵形或胞形, 次之为长卵形、三角形、扇形和蜘蛛状等; (3)多种显微结构的鲕粒共生, 如同心— 放射状鲕、放射— 同心鲕、泥晶(大)鲕、球鲕、复鲕、微生物鲕或成岩改造的鲕粒, 但较少见到同心鲕; (4)从薄皮鲕至正常鲕, 壳核比变化较大, 变化范围为100:1~1:2, 间接反映了鲕粒形成中的水动力条件、成核及生长过程不同; (5)无论是在成核还是壳体的生长过程中, 泥晶化颗粒、微生物藻菌遗迹十分发育, 且泥晶化颗粒与未发生泥晶化的颗粒共生, 指示鲕粒中微生物细菌具有重要作用; (6)纤状胶结的不规则泥晶(大)鲕、半月形异形(复)鲕与亮晶同心— 放射状鲕共生, 脑状鲕与不同大小泥晶斑块等共生, 指示了曾存在相对中高能量至相对低能量的搬运过程; (7)同心— 放射状鲕、放射— 同心鲕中微粉晶、亮晶、共轴增生胶结常见, 并可见到悬垂状胶结、去云化作用、大气淡水溶蚀边界、示底构造等早期大气淡水成岩作用现象, 同时还可见到硫化还原或氧化作用、刀刃状镶嵌微晶白云石、中细晶白云岩等2期不同的白云岩化, 指示了水动力相对强、成岩改造也较强的特点; (8)薄皮泥晶大鲕、蜘蛛状鲕、放射状泥晶(正常或大)鲕、球鲕等核部占比均较高, 泥晶化、钙化微生物膜、微生物的藻菌遗迹等较明显, 纤状与纤柱状海底胶结较强, 指示了微生物藻菌繁盛、较低能水动力的生长环境。总体来看, 上述不同类型的鲕粒形成于中低水动力条件下的潟湖、潮坪环境中。

4.1.1 泥晶白云石成核

在奇格布拉克组鲕粒中, 泥晶白云石的成核作用有多种方式: (1)球形、次球形、鞘状的鲕粒核心由半自形泥微晶白云石组成, 白云石大小为0.5~2.0 μ m(图 5-a); (2)呈“ 旋转” 状次球形, 除了半自形片状或菱形的泥微晶白云石外, 还发育大量晶间孔、暗色泥晶颗粒或球藻鲕, 由纤状或纤柱状微晶白云石(0.5~1.0 μ m)组成(图 5-b); (3)球形的泥微晶白云石, 核部、外壳分别由2个粒级的菱形白云石(2.5~5.0 μ m、0.5~1.5 μ m)组成, 同样发育大量晶间孔(图 5-c); (4)球形的放射性纤状泥微晶白云石, 有呈放射状、串珠状的晶间孔分布(图 5-d); (5)在泥微晶鲕或藻鲕表面, 特殊的纳米级胞状、钟乳状泥晶白云石呈台阶式生长, 指示了泥微晶成核及其形成是饱和溶液主要的生长方式(图 5-f)。与上述多种泥晶白云石成核作用不同的是, 以菱形粉晶白云石(15~25 μ m)为核心、外壳为微晶白云石(3~5 μ m)的同心鲕, 成核数量相对较少, 水体能量相对较大(图 5-e), 且其孔隙中可见板状和柱状氟磷灰石(Ca₅F(PO₄)₃)(图 5-g)、天青石(CsSO₄)、重晶石(BaSO₄)类质同像矿物(图 5-h), 表明残余孔隙流体中含有营养元素磷、碱土金属以及硫酸盐离子等。

图 5

Fig.5

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图 5 塔北地区埃迪卡拉系奇格布拉克组泥晶鲕、同心鲕、同心放射状鲕及孔隙中部分自生矿物(环扫电镜及能谱分析SEM-EDS) a— XH1-0011, 星火1井, 5927.75 m, 微亮晶藻鲕粒云岩, 球形— 次球形— 鞘状外壳的鲕粒(150~180 μ m), 半自形泥微晶白云石; b— XH1-0014, 星火1井, 5872 m, 亮晶藻鲕粒云岩, 由菱形、球形、菱面体的半自形— 自形泥微晶白云石(0.5~1.0 μ m)组成, 部分为暗色泥晶颗粒或藻鲕(紫色箭头), 暗色有机纹层、晶间孔较发育; c— 同b, 泥微晶的自形白云石(1.0~5.0 μ m)、晶间孔构成的泥微晶鲕; d— 同a, 放射性纤状的泥微晶鲕, 半自形、菱形泥微晶白云石大小0.5~2.5 μ m, 呈放射状簇状生长; e— 同a, 围绕自形粉晶白云石及陆屑石英, 半自形的泥微晶白云石呈同心圈层生长; f— 同a, 泥微晶或藻鲕表面(壳)纳米级的豆荚状、胞状、球形、钟乳状体(50~250 nm, 100 nm为主)以及呈隔板状的微粉晶白云石的台阶生长样式; g— 同b, 晶间孔、MP(5~10 μ m)中充填的氟磷灰石(黄色箭头)、暗色斑点为沥青; h— XH101-0022, 星火101井, 5975.09 m, 藻球粒— 粘结粉晶云岩, 晶间孔、Vug中呈花椰菜状、不规则形状的天青石、重晶石的类质同像矿物Fig.5 SEM-EDS photographs of formation of micritic ooids, tangential, concentric radial, authigenic minerals of F-apatite, isomorphic mineral of celestine and barite in micro-pores developed in oolitic dolomites of the Ediacaran Qigebulake Formation in northern Tarim Basin

4.1.2 微生物参与成核

微生物参与了鲕粒成核作用, 表现为: (1)细小的藻菌遗迹可形成复鲕(图 3-k; 图 6-a); (2)出现似球状、薄膜状、凹凸不平、卷曲片状或丝状的胞外聚合物(图 6-b); (3)在球形鲕粒核部片状、似绵层状泥微晶白云石中发育了少量杆状(1~2 μ m)微生物或黏土有机质(图 6-c); (4)在球形鲕粒核部或晶间孔中, 出现了六方片状、胞状、蠕虫状、花椰菜、针状、管状、丝缕状似微生物诱导的微米— 纳米级别、半自形— 自形的白云石及胞外聚合物(图 6-d至6-h); (5)SEM-EDS成分显示, 纳米级白云石除了富含镁、钙、氧元素外, 还富含(有机)碳, 而特殊形态胞状物的主要成分为硅、铝、镁、钙、钠以及碳、硫及氯等黏土— 有机复合物(图 6-d至6-h)。

图 6

Fig.6

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图 6 塔北地区埃迪卡拉系奇格布拉克组泥晶鲕、细菌鲕或微生物鲕中的胞外聚合物、微生物诱导白云岩及孔隙中部分自生矿物(环扫电镜及能谱分析SEM-EDS) a~g— XH1-0014, 星火1井, 5872 m, 亮晶鲕粒云岩, 其中: a— 泥晶微球或细菌鲕的集合体, 大小为5~10 μ m、20~50 μ m; b— 鲕粒中的凹凸不平、片状的微生物膜外物EPS(30μ m× 38μ m)、自形微晶白云石(1.0~2.5 μ m)及BC; c— 球形— 次球形的泥微晶鲕, 半自形微晶白云石及少量棒状(2~5 μ m)黏土有机质; d— 六方柱状、球形纳米级(50~200 nm)、含有机质纳米级白云石(紫色箭头), 可能为微生物介导成因; e— 圆形、片状的泥晶白云石(0.5~1.5 μ m); g— 磷片状或圆形、富含有机碳的纳米级白云石(500~600 nm), Vug中见板状天青石、重晶石的类质同像矿物; h— XH101-0022, 星火101井, 5975.09 m, 藻球粒— 粘结粉晶云岩, 晶间孔中见管状、棒状、丝缕状黏土有机质Fig.6 SEM-EDS photographs of EPS or calcified biofilms, microbial induced dolomitization as well as some authigenic minerals in micro-pores developed in micritic, bacteria or microbial ooids of the Ediacaran Qigebulake Formation in northern Tarim Basin

4.1.3 主要成核方式

一般认为, 碳酸盐岩鲕粒的形成可划分为微生物参与的成核生长和非生物机械生长两大过程(Harris et al., 2019)。Plee等(2008)、Diaz等(2017)提出了鲕粒的形成过程: 在微生物基质胞外聚合物(EPS)上, ACC(无定形碳酸钙— 含水)于外壳处生成; 有机矿化过程中, 同心纹层形成、外壳中针状文石微颗粒加积、同心纹层切向生长; 机械磨擦和盐渍作用下表面磨损与光滑抛光等。其中, 硅化、磷酸盐化中的细菌、真菌、真核藻类等微生物成膜作用记录, 可追索于35亿年前的太古代(Hofmann et al., 1999)。胞外聚合物是一种酸性大分子, 主要由羧化多糖和少量硫酸盐、磷酸盐、羧基等组成, 它促进了微生物起初附着于基质表面并降低沉淀发生的溶液阀值, 即当溶液达到方解石饱和度6.3倍时, 在蓝细菌席上沉淀CaCO₃; 若存在受酶解控制的生物矿化, 可发生于较低的方解石饱和度、甚至未达到饱和介质而沉淀出微生物膜或垫。微生物作用在粘液物的酶降解(脱羧或裂解)、有机质和营养组分及金属元素溶解(阳离子树脂交换)、Ca²⁺束缚力降低而释放到溶液中起重要的作用(Dé farge and Trichet, 1995; Gernot et al., 1999; Dupraz and Visscher, 2005; Plee et al., 2008; Dupraz et al., 2009; Diaz et al., 2015, 2017; Reilly et al., 2017; Diaz and Eberli, 2019; Harris et al., 2019; Antoshkina et al., 2020)。

碳酸盐生物矿物格架中富含氨基酸, 有利于“ 有机矿化” (organomineralization)的发生(Dé farge and Trichet, 1995)。新陈代谢引起的微生物与环境相互作用有2种形式: 主动的微生物诱导矿化, 有机物质中微生物参于或干涉的矿化— 被动诱导矿化。生物矿化(Dupraz and Visscher, 2005; Dupraz et al., 2009)是指沉积过程中在微生物诱导下间接的晶体成核过程(Antoshkina et al., 2020), 也分为多种方式: (1)有机物的物理活动, 造成碳酸盐偏离平衡; (2)在蓝细菌内、外产生非均质成核作用: Ca²⁺+2 HCO3-→ CaCO₃+H₂O+CO₂; 在硫酸盐丰富环境中, 硫细菌还原与厌氧甲烷氧化相偶合, 显著提高了溶液的碱度, (CH₂O)₁₀₆(NH₃)₁₆H₃PO₃+53 SO42-+14H₂O→ 106 HCO3-+16NH₄+ HPO42-53HS^-+14OH^-; SO42-+CH₄→ HCO3-+HS^-+H₂O。微生物膜中的光滑或粗糙结构及薄层泥晶饰面和腺状管, 提供了钙化场所及驱动机制(Gernot et al., 1999; Riding, 2000)。

因此, 奇格布拉克组多种鲕粒的形成既有泥微晶成核, 也有微生物藻菌参与泥晶白云石的成核作用, 后者可能经历了需氧蓝藻细菌钙化、光合吸收CO₂和/或 HCO3-, 使得碱性升高, 导致粘液外壳发生有机钙化、超微细菌沉淀(Folk and Lynch, 2001)或有机矿物形成(Tang et al., 2015; Batchelor et al., 2018)。微生物席(膜)界面均是包覆式的胶囊状鞘质以及新陈代谢产物, 这为与微生物有关的鲕粒、核形石等颗粒粘附与生长提供了基础。特殊的海水或孔隙流体富C、S、P营养元素和镁、钙等离子, 为表层微生物矿化提供了物质基础(Li et al., 2013)。

现代鲕粒是赤道低纬度带(南、北纬30° )附近浅水碳酸盐生产系统的产物, 以赤道附近浅水潮下带的大陆架和浅滩的生产率最高(Schlager, 2003), 温暖、光照充足、富含光自养生物、非生物沉淀是其主要特征。水温、海水透光性、盐度、溶解氧量、营养成分供给、沉积物悬浮、古地形和水体能量等, 都是鲕粒形成与分布的主要控制因素。

在中新元古代, 海洋属于“ 文石— 白云岩海” , 生产力较高(Hood et al., 2011), 微生物极为繁盛并分泌黏液, 沉积作用类似于胶体化学行为, 这为粘性软底质中发育并保存大量微生物席和海底胶结物提供了坚实的基础。与显生宙相比, 鲕粒形成既有相似的方面, 也有不同的控制因素。相似方面有: (1)软物体上的加积、滚动或搅动的水动能; (2)围绕核心的过饱和沉淀— 生长流体与水— 岩比; (3)溶解有机物的生物化学及催化生长(催化剂); (4)生物膜有机矿化及结晶生长。但中新元古代特殊的海洋环境, 如大气中 PCO2较高、 fO2较低、pH值较高、海水中Mg/Ca值较高、温度相对较高(≥ 40 ℃?)、大陆风化强而导致海水中富陆屑组分或富营养元素、微生物藻菌繁盛、粘性软底质、广泛的海底胶结作用等, 是奇格布拉克组特殊的藻鲕、放射状鲕或球鲕、脑状鲕、泥晶薄皮大鲕以及多种早期成岩改造鲕形成的主要影响因素。同时, 根据对包括放射状— 同心状鲕、放射鲕、泥晶薄皮大鲕、复鲕以及各种变形、成岩交代鲕等多类型鲕粒共生现象来判断, 认为企图将所有鲕粒成因用一种假说来解释显然行不通(Batchelor et al., 2018)。

综上所述, 奇格布拉克组鲕粒有以下基本特征: (1)发育于碳酸盐局限台地中的微生物丘席(滩)中; (2)泥微晶、微晶及亮晶胶结, 总体指示了中低能沉积环境; (3)至少有3类鲕粒成核及生长模式, 即泥晶白云石、微生物参与的泥微晶白云石以及粉晶白云石。鲕粒发育环境为: (1)水动力弱、富营养物质、微生物藻菌繁盛、成核质点多、相对封闭的咸化潟湖环境, Mg、Ca、Sr、Ba、F、P、黏土矿物(Si、Al)及有机质(C、S等)含量相对较高(图 7-b, 7-e, 7-f, 7-g);

图 7

Fig.7

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	图 7 塔北地区埃迪卡拉系奇格布拉克组同心鲕、微生物鲕、泥晶鲕、放射纤状鲕以及棉花状或云朵状的成岩改造鲕形成的示意图Fig.7 Diagram showing formation of concentric, microbial ooids, micritic ooids, radial fibrous ooids and cotton form genetic ooids of the Ediacaran Qigebulake Formation in northern Tarim Basin

(2)鲕粒以短期牵引— 底载荷为主, 水动力较强, 短距离搬运, 原地粘性软底质, 推测为风暴引起的短时涡流、撕裂— 机械破碎作用形成, 发生强烈的纤状— 放射性纤状(柱)胶结, 形成异形、薄皮泥晶大鲕或部分复鲕, 泥晶化或微生物藻菌活动也常见(图 7-d, 7-e, 7-f), 主要发育于潮间— 潮下低能浅水潟湖; (3)鲕粒形成时水动力相对较强、成核质点较少、生长速率较高, 表现为少量亮晶胶结的同心— 放射状鲕或同心鲕, 并常见大气淡水溶蚀、重结晶、快速拟晶化白云岩化(Petrash et al., 2017)或交代白云岩化、去云化, 主要发育于中能的滨岸带鲕粒滩、潮道等环境中(图 7-a, 7-c, 7-h, 7-i)。若考虑到上述多种类型鲕粒的共生现象及成岩过程中的演化, 奇格布拉克组主要类型鲕粒的形成和演化过程可归纳为图 8。

图 8

Fig.8

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	图 8 塔北地区埃迪卡拉系奇格布拉克组鲕粒主要类型形成与演化的示意图 Ⅰ — 同心鲕、放射-同心鲕; Ⅱ — 同心-放射状鲕; Ⅲ — 泥晶鲕或球鲕; Ⅳ — 薄皮鲕或泥晶大鲕; V— 蜘蛛状-玛瑙纹、脑状鲕; Ⅵ — 放射状泥晶鲕; Ⅶ — 复鲕; Ⅷ — 半月形异形(复)鲕; Ⅸ — 朵状或异形的放射状改造(复)鲕; Ⅹ — 黄铁矿(磁铁矿化?)-白云石化鲕粒; Ⅺ — 重结晶-云化鲕粒; Ⅻ — 选择性白云石化(交代)鲕Fig.8 Schematic diagrams showing formation of major type of ooids and diagenetic process in oolitic dolomites of the Ediacaran Qigebulake Formation in northern Tarim Basin

风暴沉积主要特征为: 竹叶状砾屑灰岩中菊花状、放射状组构, 风暴侵蚀形成的冲刷面、底模、沟渠、风暴撕裂构造, 风暴涡流形成的环状构造、风暴浪形成的丘状交错层理等(王瀚等, 2019), 在正常浪基面之上的风暴浪(丘状层理)、涡流(竹叶状、砾状)、风暴潮(悬浮沉积)下的风暴回流沉积等。塔北奇格布拉克组风暴沉积有以下证据: (1)大小不等的砂砾屑、鲕粒、竹叶状砾屑, 多组张性裂隙、角砾孔共生(图 9-a); (2)风暴撕裂形成长条形、大小不一的不规则泥晶砾屑, 磨圆差, 具“ 菊花状、倒小字” 构造(图 9-b); (3)多个侵蚀界面上发育不同粒径的扁平泥晶砾、砂砾(图 9-a, 9-c), 还发育由文石或少量黏土有机质等组成的泥微晶球粒, 指示风暴期间及之后的 “ 悬浮状” 沉积物; (4)具侵蚀界面、丘状层理至波状层理的水流强度逐渐降低的沉积演化序列, 并伴有泥晶鲕、藻鲕、表(皮)鲕、球鲕等多种低能水动力条件下鲕粒的共生(图 9-d)。说明近源的风暴作用将部分泥晶球粒、撕裂的泥晶块(粒)搬运至潮下浅水带至潮间低能带, 是多种鲕粒共生的主要驱动力。

图 9

Fig.9

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	图 9 塔北地区埃迪卡拉系奇格布拉克组碳酸盐岩中风暴岩沉积 a— 阔叶塔西剖面, 风暴沉积(KS-Z2q-23/22); b— 同a, 风暴沉积有关的冲刷面— 截切— 滞留沉积和小型丘状— 水平层理(KS-Z2q-50); c— XH1-0011, 星火1井, 5865.23 m, 角砾状凝块石— 鲕粒云岩, 风暴岩, 侵蚀界面、大小不等撕裂状、扁平的泥晶砾屑以及泥晶鲕间的“ 文石及少量黏土有机质” 组成的泥微晶球粒, (-); d— SGT-Z2q-13, 苏盖特布拉克剖面, 与风暴作用有关侵蚀界面、丘状与波状层理以及中低能量的多种鲕粒, (-)Fig.9 Storm deposits of carbonate rocks of the Ediacaran Qigebulake Formation in northern Tarim Basin

在阿克苏— 乌什地区6条剖面的奇格布拉克组(Z₂q)中, 已识别出滨岸、局限台地、开阔台地、台缘滩、台缘礁等沉积环境(图 1-c; 图 10)。在奇格布拉克组下部(Z₂q^1-2)内缓坡、中缓坡碳酸盐岩以及中上部的镶边台地边缘— 台地碳酸盐岩中(Z₂q^3-4), 均可见到鲕粒层。

图 10

Fig.10

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	图 10 塔北地区奇格布拉克组潮汐— 风暴影响下的多种鲕粒沉积环境及早期成岩示意图Fig.10 Schematic diagrams interpreting sedimentary environment and early diagenesis for various ooids formation effected by tidal currents and storm events of the Ediacaran Qigebulake Formation in northern Tarim Basin

奇格布拉克组下部鲕粒发育以苏盖特剖面(SGT, 图 1-c)为例。自下而上, 共发育了5层鲕粒, 厚度分别为: ①0.1 m、②0.25 m、③2 m、④0.55 m和⑤0.3 m。①与②为同心— 放射状鲕, 微亮晶胶结, 与凝块石、砂屑共生, 去云化, 应为潮道沉积。③以同心鲕、同心— 放射状鲕为主, 亮晶胶结, 与凝块石共生, 发育栉壳状结构, 应为小型的鲕粒滩沉积。④主要为泥晶鲕、薄皮鲕、放射状鲕, 下伏地层为以藻纹层— 藻球粒云岩为代表的潟湖沉积, 上覆风暴(岩)沉积, 推测其为潟湖中或一侧的浅滩沉积。⑤基本同④, 为发育于石英砂岩、泥岩侵蚀界面之上的风暴(岩)沉积。什艾日克(SA)剖面(图 1-c)类似于上述③, 鲕粒层厚度为2.5 m, 含陆屑石英, 发育与大气淡水有关的重力悬垂、溶蚀、去云化以及铸模孔等。在昆盖阔坦剖面(KG, 图 1-c)则见到了3层鲕粒(图 1-c), 与前述类似。

奇格布拉克组上部剖面(Z₂q^3-4)中可见到1~3层鲕粒。其中, 阔什塔西(KS, 图 10)剖面中发现2层鲕粒: 第1层厚2.0 m, 主要由同心鲕、同心— 放射状鲕等组成, 含陆屑石英, 与藻砂屑云岩共生; 上、下地层岩性均为肾形藻、藻球粒— 藻纹层云岩以及栉壳状云岩, 同样指示了潮道沉积; 第2层厚0.2 m, 出现于8.5~9 m厚的柱状叠层石礁中, 以泥晶鲕、放射状鲕为主, 之上为风暴岩(图 9-a; 图 10), 类似于礁盖及滞留或间断的沉积物。较为典型的剖面还有星火1井, 鲕粒层厚2~5 m, 包括了同心— 放射状鲕、泥晶鲕、薄皮鲕、放射状鲕、复鲕、碎裂与成岩改造鲕等多种类型鲕粒(图 2至图 6), 推测为潟湖两侧经风暴作用改造的台内浅滩的产物。

因此, 奇格布拉克组中鲕粒层呈现多种产状, 主要分布于台缘带微生物礁(盖)或薄层滩相(礁基)、台缘带至潮坪带的潮道、潟湖及其两侧台内浅滩等环境中。研究区奇格布拉克组真正意义上的鲕粒滩坝并不发育或存在, 这可能与前寒武纪粘滞性海底向早寒武世生物扰动混合底过渡有关(图 10)。

根据奇格布拉克组中多种鲕粒发育与共生现象, 推测出相对3种独立变量(端元)控制其形成及演化。A: 成长, 指泥(粉)晶文石、低(高)镁方解石或方解石形成以及生物、微生物有机矿化参与的成核作用(及营养物质输运); B: 生长, 指在海水或淡水中(水动力、过饱和、温度、介质条件等)生长过程; C: 改造, 指机械、化学或生物化学等改造过程, 如机械破碎、重结晶、溶解及充填、白云石化、去云化以及微生物扰动等成岩改造。综合上述3方面因素, 不难看出每种鲕粒形成的主要控制因素不同: (1)正常的同心状、放射状— 同心鲕(Ⅰ 、Ⅱ ), 指示了适中的组分扩散或营养消耗速率, 并受微生物膜增大有关矿化、共生矿物生长效应的制约, 即Ostwald熟化过程, 随着时间增加, 同心圈层间距减小(Batchelor et al., 2018); 圆形— 椭圆形为主、对称的放射状胶结, 指示了稳定的波浪、底流、翻滚作用、均匀的表面张力为主导; 大量呈单细胞、细胞群(集合体)或胞外聚合物(EPS), 可构成藻鲕(细菌鲕)、球鲕或复鲕、硫酸盐岩中还原菌产物(黄铁矿), 或参与其他类型鲕粒的生长过程中; (2)泥晶鲕(Ⅲ )、薄皮鲕(Ⅳ )、蜘蛛状或脑鲕(Ⅴ )、不规则放射状泥晶大鲕(Ⅵ )及复鲕(Ⅶ )、半月形异形(复)鲕(Ⅷ )等, 均具有较大的泥晶核, 泥晶包壳部分有明显的微生物扰动现象, 表明藻类参与或细菌活动可产生蜘蛛状— 玛瑙纹、脑状(Ⅴ )鲕粒, 反映出低能相对静水条件下含较小球粒(部分为细菌)泥晶基质形成后, 发生微生物固殖化、泥晶藻粒凝聚、泥晶化等作用, 包括底流或短暂风暴潮产生的涡流引起撕裂、滚动与搬运, 形成不同大小的鲕核, 相对高的温度和盐度、碱性海水中粘滞性海底为强烈的文石或高镁方解石胶结作用提供了基本条件; (3)上述不同类型鲕粒的成核、水动力等环境参数有所差异, 经历的成岩作用也有所不同(尤其是早期的大气淡水、微生物诱导矿化、生物矿化作用等), 一般情况下, 以粉晶白云石或陆源石英为核心的同心状、放射状— 同心鲕等, 易形成经大气淡水溶蚀产生的朵状或异形的放射状改造(复)鲕(Ⅸ )、重结晶鲕(Ⅺ )、白云石化鲕(Ⅻ -2)和去云化鲕(Ⅻ -3)(图 11)。

图 11

Fig.11

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图 11 塔北奇格布拉克组不同类型鲕粒形成中三大影响因素示意图 Ⅰ — 同心鲕、放射-同心鲕; Ⅱ — 同心-放射状鲕; Ⅲ — 泥晶鲕或球鲕; Ⅳ — 薄皮鲕或泥晶大鲕; V— 蜘蛛状-玛瑙纹、脑状鲕; Ⅵ — 放射状泥晶鲕; Ⅶ — 复鲕; Ⅷ — 半月形异形(复)鲕; Ⅸ — 朵状或异形的放射状改造(复)鲕; Ⅹ — 黄铁矿(磁铁矿化?)-白云石化鲕粒; Ⅺ — 重结晶-云化鲕粒; Ⅻ — 选择性白云石化(交代)鲕Fig.11 Schematic diagrams showing three components(microbial nucleation, growth process, diagenesis)effect on formation of different types of ooids of the Ediacaran Qigebulake Formation in northern Tarim Basin

显生宙鲕粒分布是受全球海平面位置、海洋化学组成变化等因素影响。如若大气中 pCO2从3× 10^-4atm上升至4× 10^-4 atm, 发生进积作用, 反之为退积; 在高位体系域方解石沉淀占优, 而在低位体系域文石沉淀占主导(Wilkinson and Given, 1986)。由潮汐、洋流、风及气压等构成的大洋水动力、沉积古地形(地貌)等, 对鲕粒形成亦有重要影响(Purkis et al., 2019)。

对四川下寒武统清虚洞组鲕粒时空分布的研究认为, 其主要发育于迎风面的礁滩相, 背风面或台地顶部的泥晶鲕主要生长于台地外侧等; 正常鲕发育于浅水高能环境, 大鲕则分布在受风暴影响的潮下带环境(Qian et al., 2018)。较低的鲕粒核心供给、较高的生长速率或是大量分泌有机物, 这是碳酸盐岩产生前的新元古代巨— 大鲕粒的主要成因(Sumner and Grotzinger, 1993)。

奇格布拉克组泥晶鲕、放射状鲕及多类型鲕粒共生有以下因素控制: (1)中低能的潮间— 潮下的潟湖— 浅滩环境; (2)有陆源物质、富营养组分参于, 微生物藻类十分繁盛、微生物活动强, 富含文石、有机质泥晶微球粒(或细菌鲕或球鲕), 具有较高成核与生长速率; (3)风暴或洋流(底)不但将中低能量浅滩正常的同心鲕、同心— 放射状鲕等搬运至低能的潮下带或潟湖中, 撕裂的微粒碳酸盐泥晶条带和斑块为多类型的泥晶鲕、负鲕、异形鲕的形成提供了“ 颗粒质点” ; (4)文石— 白云石海、黏滞性海底中广泛的微生物矿化、海底胶结作用和快速的拟晶白云石化(Diaz et al., 2015), 是多类型鲕粒形成与共生的基础。

另外, 在奇格布拉克组鲕粒层中, 部分同心鲕、同心— 放射状鲕及少量藻鲕或复鲕中残留了藻腐烂孔或气室, 节片中的细胞群、丝状体、钙质细管的中空钻孔, 膜状物的晶间孔及微孔隙, 早期大气淡水、微生物作用、白云岩化作用等形成了鲕模孔、粒间(溶)孔、有机微孔、晶间孔, 均具有一定的油气储集意义。孔隙中氟磷灰岩、锶— 钡的硫酸盐类质同像矿物, 应为早期成岩阶段低温孔隙流体中的产物, 与有机质的降解、硅酸盐、磷酸盐化合物风化分解或卤水有关(Griffith and Paytan, 2012)。