北京西山下苇甸剖面寒武系徐庄组鲕粒研究.docx

1、文章号：1671-1505（2015）04-0517-12DOI：10.7605/gdlxb.2015.04.042北京西山下苇甸剖面寒武系徐庄组童而粒研究*邢延路冯李强中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京100083摘要对北京西山下苇甸割面寒武系徐庄组筛粒灰岩进行了观察和研究，在其中不仅发现了有核及无核同心一放射状钱、单（或多）晶朗、泥晶佛和复合斯，而且还发现了暗色颗粒包光、凝聚颗粒和黄铁矿聚集体等特殊组构。暗色颗粒包充的发现尚属首次，其可能是丝状蓝细菌菌体的残留物。凝聚颗检由方解石或白云石构成，可能代表了微生物席内的含氧，泡。生物碎屑上的附着体可能是微生物群落的痕透，在其内部发现有

2、类似佛粒的球状颗粒。复合偷胶结松散，包充不发育，表明其可能形成于相对穗定的水体环境。研究表明，徐庄蛆顿粒可能形成于水动力条件相对获弱的浅海环境中，微生物在俩粒的形成过程中发挥了较大的作用。关键词俩粒徐庄组微生物水动力古环境北京西山下苇句第一作者简介邢延路，男，1991年生，中国地质大学（北京）硕士研究生，主戛从事矿物学、岩石学和矿床学方面的研究。E-mail：jdbshsj。中图分类号：P588.24*5文献标志码：AAstudyonooidsinlimestonesoftheCambrianXuzhuangFormationatXiaweidianoutcropinWesternHillof

3、BeijingXingYanluFengLiqiangSchoolofEarthSciencesandResources,ChinaUniversityofGeosciences（Beijing）,Beijing100083AbstractThispapersystematicallystudiedthecharacteristicsofooliticlimestoneoftheCambrianXuzhuangFormationatXiaweidianoutcropinWesternHillsofBeijing.Core-beardandcore-missedconcentric-radial

4、ooids,monocrystalline/polycrystallineooids,micriticooidsandcompoundooidshavebeenfoundinthisstudy.Atthesametime,wealsofoundsomespecialtextures,suchasdark-coloredcortices,compoundedgranulesandpyriteagglomerates.Dark-coloredcorticesarefoundforthefirsttime,whichareprobablytheremainsoffilamentouscyanobac

5、teriabodies.Compoundedgranules,whichmayrepresenttheoxygen-containingbubblesinmicrobialmats,arecomposedofcrystalsofcalciteordolomite.Anattachmentisfoundonthesurfaceofabioclastandooid-likeparticlesarefoundinsidetheattachment.Compoundedooids,whicharelooselycompactedandlackofoutsidecortices,mayindicatet

6、hattheyaregeneratedinarelativelyquietshallowwaterenvironment.OurresearchshowsthatooidsintheXuzhuangFormationwereprobablygeneratedinaquietshallowwaterenvironmentandmicrobesplayedakeyroleinthisprocess.Keywordsooids,XuzhuangFormation,microbe,hydrodynamics,palaeoenvironment,Western教育部大学生创新创业训练计划项目（编号：20

7、12AX0032）资助收祸日期：2014-04-29改回日期：2015-01-20图7北京下节甸剖面寒武系徐庄组生物碎屑及其上的附着体Fig.7BioclatandspecialattachmentoftheCambrianXuzhuangFormationatXiaweidianoutcropinBeijingA-箭头所指为第枚灰岩内发育的生物碎屑.其空腔中包襄一些有机质含量较高的球状碳盐颗粒.表面上发育一附着体.单偏光;B生物碎属上的附着体.其边界与生物碎屑呈甄状平滑过渡.且在二者接触处明44出现有机质的富集（箭头所指）.单偏光化学条件起到了局部的控制作用。Brehm等（2006）研究并分

8、析了微生物作用诱导方解石沉淀的机制，认为球状的微生物席或生物膜（biofilm）体系有利于微生物生命活动的进行，这主要体现在以下几个方面：（1）保护膜内的微生物免iff外部机械作用的干扰及破坏；（2）促进微生物的增殖；（3）促进光、矿物质及一些其他资源的吸收和利用。硫酸盐还原细菌等异养微生物通过呼吸作用，消耗由蓝细菌等自养微生物所合成的有机物（表1,Eq.l）,并释放C02,同时还原SO；并生成这一过程会对其周围水体的pH值及C02分压起到很大的改变（表1,Eq.2,Eq.3）,从而促进了方解石的沉淀。在新粒内部大最发现的黄铁矿晶粒正是这种作用发生过的有力例证，在徐庄组中发现的附着体很可能就是

9、一个附着在底栖生物外壳或生物碎屑上的小型微生物群落。核心往往被认为是皱粒形成的必要条件之一。高能动荡的水体环境可以促使同心纹层包裹核心逐步增生，从而形成甄粒。前已述及，在徐庄组新粒灰岩中发育一种较为特殊的有核同心一环状笫粒（图3-D）,其核心是由含有机质很少的微亮晶方解石构成，因而在显微镜下表现为一个明亮的被暗色的富有机质筛粒皮层包裹了的核心。但是，这一所谓的“核心”为较为纯净的微亮晶方解石，更像是后期充填的产物。如果这个核心是在新粒皮层形成之后被方解石填充形成的话，那么绐粒皮层的表1微生物膜内微生物共生体系的生物一化学模型Table1Abio-chemicalmodelofitymbioli

10、csystemsinmicrobebiofilm蓝细菌'C«2*+2HCO；CaCOj+CH2O+02Eq1戾氧，化细菌厂HS+3HCO；CaCO,+2CH2O+SOfEq'2盐还原细侧Ca2*+OH+SO5'*2（CH2O）-CaCOj+COj+HS"+2H2O"'注：Eq.l为或细蔺固定CO,.合成有机质井气.促进方解石沉淀；Eq.2为厌氧硫氧化细菌氧化HS-并促进方解石讽淀；Eq.3为硫酸it还原细菌还原并促进方解石沉淀.同时生成HS,改变水体pH（ft（Duprazceta/M2009）形成方式便不能用一个动荡水体环境下的机

11、械一化学作用模式来解释。这一看似矛盾的现象利用前人对微生物群落的研究成果得到了较为有效的解释。Theobold（1852）曾在微生物席内首次发现了被碳酸盐所包裹的气泡，Chafetz等（1991）也在热泉石灰华中发现了类似的气泡。他们一致认为这些被碳酸盐所包裹的气泡是光合细菌所释放的钗气形成的。Gerdes等（1994）在对Lanzarote地区微生物席内的碳酸盐颗粒开展了系统的研究后，对他们的这种论断表示了肯定。由于气泡内富集钗气，因此CO?的分压则相对较小，这就造成了在该气泡附近的微区域内具有一个较大的C0?梯度，由于气泡边界处的水体缺少C02,从而大大提高了该部位CaCOj的饱和程度，这

12、会导致文石沿着该气泡边界致谢研究过程中得到了梅冥相教投的悉心指导和帮助；王楚楚、冯定素等参与了野外工作；显微照相得到了杨立强教投的大力支持。两位审稿专家对本文的修改给出了十分宝贵的意见。冯增昭教授对本文的进一步修改给予了作者极大的鼓舞和指导。文章的完成离不开以上各位的帮助，作者在此一并致以衷心感谢！参考文献冯增昭，陈继新，吴胜和，等.1990.华北地台早古生代岩相古地理5J.北京：地质出版社.193-200.高林志.乔秀夫.2001.北京西山寒武系下苇甸组：一个新建议的组J.地层学杂志,25(3):188-192.林云兰.刘波，泰善，等2012.北京西山下苇甸中寒武统张夏组生物丘发育特征及其地

13、质意义J.地质科技情报,31(1):10-15.卢衍豪，张文堂，朱兆玲，等1994.关于我国寒武系建阶的建议J.地层学杂志.18(4)：318-328.梅冥相.马永生，梅仕龙.等.1997.华北塞武系层序地层格架及碳酸盐台地演化JJ.现代地质.11(3):275-282.梅冥相，郭荣涛，胡媛.2011,北京西郊下苇甸剖面寒武系髭山组叠层石生物丘的沉积组构J.岩石学报,27(8):2473-2486.孟祥化，乔秀夫.离铭.1986.华北古浅海风暴沉积及丁家滩相序模式JL沉积学报.5(2)：1-18.王成述，范开强，尹占国.1990.北京西山中寒武统张夏纽皱粒特征及其环境意义J.中国地质科学院地质

14、研究所所刊，22：39-55.王英华，张秀莲，访承运，等.1989.佐北地台早古生代破酸盐岩岩石学M.北京：地震出版社,1-171.张旭.张宁，物振鸿，等.2009.北京西山下苇甸中寒武统碳酸盐岩微相及沉积相研究J.地质科技情报,28(6):25-30.朱传庆.罗物，杨物.等.2009.北京西山寒武系层序地层J).中国地©,36(1)；120-130.BrehmU,KrumbeinWE.PalinskaKA.2006.BiomicroopheresgenerateooidsinlaboratoryfJ.GeomicrobiologyJournal,23:545-550.Chafetz

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16、ofooidsJ.Sedimentology,25：70-729.FltigclLE.2004.MicrofaciesofCarbonateRocks:Analysis,InterpretationandApplicationM.Berlin:Springer-Verlag.GerdesG,PiewakD,RiegeH,etat.1994.Structuraldiversityofbioge-neticcarbonateparticlesinmicrobialmatsJ.Sedimentology,41:1273-1294.HarrisonJJ,TurnerRJ,I.yriamLR,efal.

17、2005.Biofilm：J.AmericanScience,93:508-515.TheoboldL.1852.UberdieMitwirkungderPflantenbeiderAblagerungdeskoh)f*nsaurenKalkesfJ).Ann.Phys.Chem,87：91-)07.PactonM,DArizteguiD,WaceyD,etal.2012.Goingnano：Anewsteptowardunderstandingtheprocessesgoverningfreshwaterooidforma*tionJ.Geology,40：547-5S0.PkeK,Ariz

18、teguiD,MartiniR,etal.2008.Unravellingthemicrobialruleinooidsformation:ResultsofaninsituexperimentinmodemfreshwaterLakeGenevainSwitzer-landJ.Geobiology,6：341-350.WoodsAD.20J3.MicrobialooidsandcolloidsfromtheLowerTriassic(Spathian)VirginLimestone,Nevada,USA：EvidenceforanEarlyTriadicmicrobialbloominsha

19、llowdepositionalenvironmentsJ.GlobalandPlanetar)Change,105：91-101.(责任编辑张西蜗)HillsofBeijing,XiaweidianAboutthefirstauthorXingYanlu,bornin1991,isacandidateformaster'sdegreeinChinaU-niversityofGeosciences(Beijing).Heismainlyengagedinmineralogy,petrologyandoregeology.E-mail；jdbshsj.斯粒多为直径小于2mm的球状颗粒，主

20、要存在于碳酸盐岩中。目前，关于硕粒的成因有2种主流的认识：一种是机械及化学成因说（Duguideta/.,2010）,即认为皱粒形成于较为动荡的水体环境中。另一种是微生物成因说，认为微生物在碳酸盐沉淀及兼粒同心纹层的形成过程中发挥了关键的作用。如Duguid等（2010）通过对巴哈马滩第粒的观察和研究，认为斯粒的形成与微生物不存在直接的关系，在方解石、文石沉淀及硕粒同心纹层形成过程中，化学过程起到了关键的作用。然而，Brehm等（2006）通过实验室培养，成功地利用他们所定义的“球状微生物群落”人工合成了缅粒，进一步强调了笫粒形成的微生物作用机制。此外，通过对瑞典LakeGeneva地区淡水断

21、的研究，发现光合微生物所控制的微生物群落在皱粒形成的早期诱导了方解石的沉淀（Pl&ezR,2008）o在弟粒的机械及化学成因模式下，朗粒的形成似乎离不开一个动荡的水体环境。然而，若是微生物的作用占主导，则较为动荡的环境条件可能不再是一个必要条件（Pactona/.,2012）,这也就导致了2种成因说在解释鳍粒的形成条件上的较大矛盾。2种假说的差异，代表了在地质历史时期地层中广泛发育的颇粒所反映的沉积相及其代表的相应沉积环境不同。因此，研究笫粒的成因，对更为准确地厘定其所反映的古沉积环境、划分沉积相都具有十分重大的意义。基于以上认识，笔者对北京西山下苇甸寒武系徐庆组顶部的厚层缅粒灰岩进行

22、了系统的野外观测和室内研究，发现了很多颐粒形成过程中的微生物作用信号。文中通过讨论在研究过程中所发现的特殊的质粒及组构，试图为鳞粒的微生物成因研究提供更多的理论依据。1地质背景北京西山下莘甸寒武系剖面位于北京市门头沟区妙峰山镇（图1）,是华北地台寒武系沉积现象较为丰富的地层剖面之一。20世纪80年代以来.很多学者对该剖面进行了较为系统的沉积学研究（孟祥化等，1986；王英华等，1989；冯增昭等，1990；卢衍豪等，1994；梅冥相等，1997,2011；高林志和乔秀夫，2001；张旭等，2009；朱传庆等，2009）o该剖面寒武系出露较为完整，从下至上依次为：第二统昌平组、馒头组；第三统毛庄

23、组、徐庄组、张夏组、岗山组；芙蓉统长山组、凤山组。各组地层出露相对完好，发育丰富的沉积现象。其中，在徐庄组、张夏组及固山组顶部均发育有大套厚层状缅粒灰岩。前人利用该剖面对张夏组新粒灰岩及生物丘（王成述等，1990；郝云兰等,2012）、曲山组叠层石生物丘及沉积组构（梅冥相等，2011）等进行过较为详细的研究。但是，尚未有学者对该剖面徐庄组颐粒灰岩中缅粒的特征及其他一些沉积组构进行过系统的研究。图1北京下苇甸剖面位置(据郝云兰等，2012,有修改)Fig.)GeographicallocationofXiaweidianoutcropinBeijing(modifiedfromHaoetal.,

24、2012)下苇甸剖面徐庄组厚70-80m,与下部毛庄组及上部张夏组均为平行不整合接触。徐庄组下部主要为一套潮坪相的细粒碎屑岩一泥岩沉积，夹有白云岩透镜体及透镜层；向上为1套厚层甄粒灰岩，厚约40m,反映了高能的缅粒滩相沉积（冯增昭等，1990；梅冥相等，2011）。总体上，第粒灰岩呈浅灰色一灰色，粒径多为0.30.7mm,部分颗粒粒径可达1mm；颗粒含最可达50%以上，分布相对均匀。由于徐庄组项粒灰岩所显示出的高能缅粒滩相，是在华北地台上早古生代以来首次出现的高能量的滩，且是以陆源沉积为主导的坪环境向以碳酸盐沉积为主导的滩环境演化的第1个滩（冯增昭等，1990）,而到了张夏期，华北地台则成了一

25、个广阔的碳酸盐岩台地（冯增昭等，1990；朱传庆等，2009）o因此，徐庄组结粒滩在沉积环境演变的过程中发挥了承上启下的作用，故对其中以缅粒为代表的沉积组构的研究，对深入了解这种演变背后的环境意义具有不可瞽代的作用。2主要就粒类型及特征对徐庄组顶部第粒灰岩以23m为间隔取样，进行了手标本及镜下特征的详细观察和记录，并将知粒灰岩等间距划分为5个层段（图2）。总体上，徐庄组内笫粒类型丰富，主要包括具核同心一放射状皱、无核心同心一放射状皱、单（或多）晶笄、泥晶州以及复合斯粒等。2.1具核同心一放射状鳞具核同心一放射状缩在徐庄组笫粒灰岩中发育最为广泛，在各个层段均有发现，其中，在第一、四和五段发育较多

26、。总体上，具核同心一放射状甄的粒径多为300600形状规则，多呈圆一椭圆状，分布不均匀，局部成群密集分布。知粒的核心特征变化明显，根据成分可划分为泥晶方解石核心（图3-C）、亮晶方解石核心（图3-D）、白云石晶粒聚集核心及生物骨屑核心等。此外，核心的直径变化较大，为50300jxm。相应地，皮层厚度也变化较大，但其成分变化不大，主要为有机质含杭较高的泥晶或微船方解石。由于受到后期成岩作用影响，大部分皱粒的同心纹层遭到了不同程度的破坏，变得模糊不清。但是，亦发现有由白云石晶粒规则排列所表现出的同心纹层结构（图3-A）,其可能是受后期白云岩化作用改造所致，反映了原始触粒同心纹层的存在。2.2无核同

27、心一放射状质无核同心一放射状第以其不发育明显核心而与有核缩粒区分开来。该种颇粒发育相对广泛，在徐庄组第二、三段发育较为集中。缅粒的粒径多为岩性柱庄地层般聚赣段|生物碎房I/IIV-vI1771同心.放|KM秘|检庆岩|«««岩图2北京下苇甸削面寒武系徐庄组地层特征及主要顷粒类型Fig.2CharacteristicsoftheCambrianXuzhuangFormationatXiaweidianoutcropinBeijingandmaintypesofooids300-500|im,形状为较规则的球一椭球状（图4-A, 4-B,4-C,4-D）,多数仍依稀可

28、见由微晶方解石构成的圈层结构。该种皱粒的成分均一，内外变化不明显，具有相对较高的有机质含量（图4-B, 4-C）e部分皱粒的外表面发育有黄铁矿聚集体（图4-B）。无核同心一放射状甄的外表面平滑完整（图4-A,4-C）,这与现代巴哈马滩知粒较为相似，表现为浮游结粒的典型特征（Gerdeseta/.,1994）o梅冥相等（2011）曾在该剖面寒武系曲山组笫粒灰岩中发现了类似的无核心新粒，认为这种缅粒属于微生物席内形成的底栖甄粒。2.3单（或多）晶筛这种颗粒主要发育在徐庄组皱粒灰岩的第四段，在其他几个层段零星出露。单（或多）晶绐最典型特征表现为其由一块或数块方解石晶体构图3北京下苇甸剖面寒武系徐庄组

29、具核同心一放射状佰粒特征Fig.3Characteristicsofconcentric-radialooidswithobviouscoresoftheCambrianXuzhuangFormationalXiaweidianoutcropinBeijingA-A显著同心纹层的倘粒，核心富含有机质.单偏光；B-H粒在正交偏光下显示出十字消光特征；C-具不规则、富有机质泥乩核心的同心一放射状笋粒，核心和皮层之间发育1层亮色层.单偏光；D-R亮色核心的同心状第粒.核心主要由微骷方第石构成并在一定程度上表现出受到编粒皮层控制及后期充填的特征，有机质含景低.如粒边部发育黄铁矿倾粒聚集，单偏光图3北京下苇甸剖面寒武系徐庄组具核同心一放射状佰粒特征Fig.3Characteristicsofconcentric-radialooidswithobviouscoresoftheCambrianXuzhuangFormationalXiaweidianoutcropinBeijingA-A显著同心纹层的倘粒，核心富含有机质.单偏光；B-H粒在正交偏光下显示出十字消光特征；C-具不规则、富有机质泥乩核心的同心一放射状笋粒，核心和