辽东半岛震旦系甘井子组叠层石生长机制研究

苑鼎成,张永利,赖冠明,巩恩普,王俊杰,李德鹏

东北大学,沈阳,110819

内容提要: 辽东半岛新元古界震旦系甘井子组叠层石出露完好,宏观形态完整,微观构造清晰,是研究新元古代微生物碳酸盐岩建造的理想对象,对恢复古环境和古生态研究具有重要意义。笔者等选择甘井子组地层为研究对象,根据岩性特征该组自上而下可分成3段。叠层石出露于下段的底部和上段的顶部,底部叠层石为透镜状,顶部叠层石呈大规模层状。下段叠层石呈现波纹状—柱状—丘状的形态组合,上段叠层石呈现波纹状—柱状—长柱状的形态组合,均为水深不断增加的结果。笔者等通过对比现代叠层石生长机制,确定甘井子组叠层石纹层的3层构造和形成顺序,分析硬质基底对于叠层石定殖和叠层石密集生长的控制,厘定环境变化从微观到宏观对于柱体形态和叠层石规模的影响,揭示了甘井子组叠层石的形成机制。

叠层石是由微生物在特定环境下与沉积物相互作用共同形成的生物沉积建造(Awramik et al., 1976),并以纹层构造和原位生长为特征(Zhang Yi et al., 2021)。纹层构造记录叠层石原位不断生长所需要的水深、物质来源、水动力、光照等环境条件(Grotzinger et al., 1999;Vasconcelos et al., 2006;Schopf et al., 2007;Reid,2011),并通过重复叠加进而对整体形态产生影响(Riding,2008;Riding et al., 2011)。正是由于叠层石能够记录重要的古生态和古地理信息,因此对恢复地质历史时期的微生物碳酸盐岩建造具有重要意义(Mann et al., 1989; 常玉光等,2013; Wu Yasheng et al., 2021)。

叠层石最早的保存记录被认为可以追溯到3.7 Ga前(Wu Yasheng,2022),太古宙早期仅零星存在于蒸发盆地中,到太古宙晚期进一步扩展,古、中元古代达到发展的顶峰,但是在新元古代却迅速走向衰落(Riding,2006;Peters et al., 2017)。新元古代全球发生了诸如大气增氧事件、超大陆事件、雪球事件、生物爆发和灭绝事件(庞科等,2021;Zhang Yongli et al., 2023)。 与显生宙丰富的生物礁系统不同的是,在古生物学方面只能通过简单的早期生命建造体来了解这些事件(Semikhatov et al., 2000;Goh et al., 2009)。这些事件组合在不同程度上影响了微生物席的定殖、对碳酸盐岩颗粒的捕获或沉积、叠层石柱体的形态变化及叠层石的建造,并反映到叠层石的形成机制中(旷红伟等,2019)。

1 地质概况

研究区位于辽宁省大连市复州湾地区(图1a、b),构造上属于华北克拉通(庞岚尹等,2021),新元古代时期已进入稳定克拉通阶段,呈现典型盖层沉积特征(鲍志东等,2019)。甘井子组属于五行山群(五行山群自下到上为长岭子组、南关岭组和甘井子组),但是其地层划分仍存在较多争议。卜德安等(1986)认为甘井子组是震旦系的一个地层单位,作为连接南方、北方两个震旦系间的空缺地层。陈孟莪等(1990)认为其是晚前寒武纪的重要组成部分,且在地层和古生物方面与淮南有较强的相似性。曹瑞骥(2000)将其归属于胶辽徐淮区并划归到新元古代晚期。曲洪祥等(2011)将其划归为南华系且处于两次冰期之间,并认为辽南地区在甘井子组沉积时期气候较为温暖。庞科等(2021)根据生物地层学对比,总结华北克拉通中、新元古代同位素地球化学和地质年代学确定,甘井子组可能归属于更早的新元古代拉伸纪。近期通过对比甘井子组和九顶山组微体化石,更加明确了胶辽徐淮地区生物地层学对比的合理性(Zhang Yongli et al., 2023)。

图1 辽东半岛地理位置及地质简图:(a)研究区位置图(底图据自然资源部标准地图服务网站,审图号GS(2019)3333);(b)研究区地质图(据扬中柱等,2015)Fig.1 Geographical location and geological map of the Liaodong Penisula:(a) location of the Yuanjiagou profile in Fuzhou Bay area, Liaodong Penisula, North China Craton (base map from the standard map service website of the Ministray of Natural Resources, the figure number GS(2019)3333); (b)geological map of the study area (after Yang Zhongzhu et al., 2015#)

复州湾地区袁家沟甘井子组为碳酸盐岩和丰富的硅质碎屑组成的潮坪相、潟湖相沉积(曹瑞骥,2000),底部以浅灰色叠层石白云岩为标志与下伏南关岭组分界,顶部以白云岩消失并出现深灰色含砾砂屑灰岩为标志被寒武系碱厂组超覆(吴子杰等,2020)。根据岩性和古生物化石分布,甘井子组划分为3段(图2):①下段以浅灰色至深灰色的灰质白云岩为主,存在缝合线和鸟眼构造,出露透镜状叠层石(图2a);②中段以深灰色至灰色白云质灰岩为主,中段地层从下至上依次出露水平层理(图2b)、硅质沉积、白云岩碎屑、鲕粒、风暴岩和条带状燧石;③上段以灰白色灰质白云岩为主,出露大规模呈层状分布的叠层石(图2c)。

图2 辽东半岛复州湾袁家沟震旦系甘井子组综合柱状图:(a)叠层石整体呈透镜状产出,右侧人高1.8 m;(b)灰白色纹层白云岩;(c)叠层石呈层状产出Fig.2 Comprehensive column of the Ganjingzi Formation, Sinian System (Ediacaran System), in Yuanjiagou, Fuzhou Bay area, Liaodong Penisula:(a)stromatolite mound, the person on the right is 1.8 m tall; (b)grayish-white laminated dolostone; (c)stromatolite biostrome

2 甘井子组叠层石宏观特征

在对叠层石以往的研究中通常侧重将形态作为划分种属的重点,甘井子组中含有Jurusania、Baicalia、Anabaria及Conophyton的叠层石组合(曹瑞骥等,2006175～210)。该叠层石组合以中小型柱状叠层石为主,前人对此进行了详细的系统描述(曹瑞骥,2003)。目前,古生物学分类规则需要定义分类单元的层次结构:形态物种、形态属和物种类型(Kuang Hongwei et al., 2019)。但是在现代叠层石研究中,结构标准主导着物种的定义,而不用具体区分形态属(Riding et al., 2020)。因此,笔者等以叠层石宏观形态特征为分类依据,对甘井子组叠层石进行分类及命名。

2.1 甘井子组下段叠层石

复州湾袁家沟甘井子组剖面下段叠层石发育(图3a),高约2 m,最宽处约3 m。叠层石发育在灰白色纹层白云岩基底上(图3b),被中、薄层含砾屑灰色粉屑灰质白云岩所覆盖,风化面呈灰白色,具刀砍状构造。下段叠层石具有3种不同的形态分带,可划分为3个具体的生长阶段。① 第一阶段是叠层石开始形成并向上生长的阶段,该阶段高50 cm,主要由波纹状叠层石组成。波纹状叠层石呈不规则状,两个波峰间距约7 cm,波峰处的纹层相较于波谷处更加平滑(图3c)。波纹状叠层石暗层厚度为0.5～2 mm,其中较薄的暗层会出现间断;亮层厚度约为1 mm,充填于暗层之间。② 第二阶段高约1 m,主要由柱状叠层石组成,在波纹状叠层石上生长。柱体呈圆筒状,倾斜生长,较少分叉或不分叉,柱体直径随柱体生长无明显变化为3～4 cm,高2～4 cm(图3d)。柱状叠层石暗层厚薄不等,厚0.8～1 mm,而亮层厚0.3～0.5 mm。③ 第三阶段高约50 cm,由独立生长的丘状叠层石组成,覆盖在柱状叠层石之上,叠层石柱体数量相对较少。丘状叠层石柱体高6～9 cm,宽7～8 cm,柱体向上生长并逐渐膨大(图3e)。叠层石底部纹层较为圆滑,不对称生长的纹层内具有尖锐状突起,纹层随突起叠加逐渐形成丘状。丘状叠层石暗层较厚,约1～2 mm,亮层较薄, 约1 mm。

图3 辽东半岛震旦系甘井子组下段叠层石及叠层石柱体形态:(a)叠层石;(b)灰白色纹层白云岩基底;(c)波纹状叠层石;(d)柱状叠层石;(e)丘状叠层石Fig.3 Stromatolite mound and stromatolite column morphology of the Lower Member, Ganjingzi Formation, Sinian System:(a) stromatolites;(b)gray-white lamellar dolostone substrate;(c)corrugated stromatolites;(d)columnar stromatolites;(e)cumulus stromatolites

2.2 甘井子组上段叠层石

袁家沟甘井子组剖面上段叠层石呈层状产出,在横向空间的延展达数百米。上段叠层石底部以波纹状叠层石的出现为标志,定殖在灰白色灰质白云岩基底上(图4a)。波纹状叠层石纹层形态不规则,厚约10 cm,波峰间距约10 cm。上段叠层石主体由柱状叠层石组成,根据叠层石的形态特征、柱体密度和分叉多少可具体划分为两个生长阶段。第一个生长阶段叠层石生长不规律,柱体分叉较多,大小不一,大个体叠层石柱体周围生长小个体叠层石(图4b、c)。

图4 辽东半岛震旦系甘井子组上段叠层石及宏观形态:(a)浅灰色灰质白云岩基底和波纹状叠层石;(b)柱状叠层石;(c)图(b)框中放大区域,大个体叠层石被小个体叠层石所包围;(d)柱状叠层石纵截面;(e)长柱状叠层石;(f)图(e)框中放大区域,长柱状叠层石个体;(g)围绕长柱状叠层石的灰泥;(h)长柱状叠层石纵截面;(i)叠层石柱体间的灰泥Fig.4 The stromatolites of the Upper Member, Ganjingzi Formation, Sinian System, in Liaodong Penisula, and their macroscopic morphology:(a)the light grey calcareous dolostone substrate and corrugated stromatolites; (b)columnar stromatolites; (c) the enlarged area of the frame in(b), the large individual stromatolites are surrounded by small individual stromatolites; (d)longitudinal section of columnar stromatolites; (e)the long columnar stromatolites; (f) the enlarged area of the frame in(e), the long column stromatolites; (g)lime mud surrounding the long columnar stromatolites; (h)longitudinal section of the long columnar stromatolites;(i)lime mud between stromatolite columns

柱状叠层石生长在波纹状叠层石之上,初始生长间距较大,随叠层石向上生长,柱体不断增宽,叠层石柱体开始出现分叉(图4d),暗层厚约1.5 mm,亮层相较于暗层更薄,不到1 mm。叠层石向四周分叉,分叉包围中心较大柱体生长,随叠层石分叉和中心柱体增粗,叠层石柱体间距逐渐减小。第二生长阶段,叠层石生长较为密集(图4e),柱体生长分布规律(图4f),同一柱体直径无明显增长,多为4～5 cm,暗层厚度不到1 mm,亮层比暗层稍厚,约为1.5 mm。叠层石柱体间出现灰泥堆积(图4g),较叠层石柱体更为突出并包围叠层石柱体沉积。叠层石柱体形态较第一阶段更为复杂多样,椭圆状、扁平状、相互交错的柱体开始出现。在叠层石柱间砾屑较多处,柱体常呈现不规则弯曲,并在弯曲处开始分叉,新的柱体生长在老柱体的转折处(图4h)。柱体相较于第一阶段更长,柱体间距更小,生长更为密集(图4i)。

3 甘井子组叠层石建造特征

3.1 甘井子组下段叠层石建造特征

叠层石形态的改变通常与水深,水体流动速度的变化具有较强关联性(Kuang Hongwei et al., 2019;Thorie et al., 2020),甘井子组上段叠层石中,叠层石具有波纹状—柱状—丘状的形态组合,呈现出3个不同阶段的叠层石生长状态,分别代表了3种不同的叠层石生长环境(Mann et al., 1989)。波纹状叠层石指示水动力较强的潮上带环境(Allwood et al., 2006;Patranabis-Deb et al., 2018),柱状叠层石多指示水动力较弱的潮间带环境(Mann et al., 1989;Jahnert et al., 2011),丘状叠层石个体较大,占据更多的空间,是在水动力更强的条件下叠层石开始扩散生长的结果(Zhang Yi et al., 2021)。甘井子组下段叠层石的形态变化趋近于巴哈马叠层石从浅至深的形态变化(Dupraz et al., 2013),反映出叠层石在水体不断加深的环境中进行生长(图5a、b)。

甘井子组下段叠层石基底为纹层白云岩,局部可见鸟眼构造,曾处于潮间带或潮上带环境中并多次露出水面(薛耀松等,1984)。随着水体不断加深,稳定的基底和适宜的环境为微生物席的生长奠定了基础(贾志海等,2008)。波纹状纹层最早形成并平行于纹层白云岩基底进行生长,较强的水动力条件使叠层石难以形成完整的柱体(Carvalho et al., 2018)。水深的增加使水动力逐渐减弱,适宜的水流条件、营养条件和充足的空间促进柱状叠层石的形成(Jahnert et al., 2011)。在完全淹没的环境中,丘状叠层石逐渐发育,较弱的水动力条件使得叠层石柱体开始扩散生长,随叠层石生长柱体直径不断增加。

3.2 甘井子组上段叠层石建造特征

甘井子组下段呈层状产出叠层石的出现,表明开放的海洋条件也有利于叠层石的建造者——微生物席的定殖和广泛生长(Samankassou,1999)。波纹状叠层石在灰白色灰质白云岩基底上开始生长,不规则的波纹状叠层石象征定殖生长初期的动荡环境(Allwood et al., 2006)。柱状叠层石在短暂的动荡环境中开始生长,较宽的柱体,向四周扩散生长的分叉,较大柱体间距体现第一阶段生长的叠层石具备充裕的生长空间。该阶段叠层石由于具备适宜的环境和较弱的水动力条件,叠层石广泛定殖并呈现扩散生长的趋势。随着叠层石生长,叠层石柱体直径不断增加,分叉逐渐增多,导致更密集的叠层石柱体的出现(Bowlin et al., 2012)。当叠层石柱体密度到达临界值,水流会受到叠层石柱体的阻拦,造成水动力条件的改变,进而影响叠层石的形态特征,导致长柱状叠层石的出现(Bosak et al., 2013)。第二阶段生长的叠层石柱体直径基本不随叠层石生长而进行增长,叠层石柱体呈阶段性分叉或在柱体发生加宽时分叉。长柱状叠层石的生长受到水动力条件和空间的限制,柱体直径基本不变化,叠层石柱间开始堆积大颗粒沉积物(Knoll et al., 1998),形成叠层石柱体间的灰泥突起。同时由于水深和水动力强度的变化,柱体的长度受到了来自水流所携带的矿物颗粒供给的影响。流经叠层石柱体的水体流速越快,微生物席在生长和代谢过程中可以吸附和沉淀矿物颗粒或者捕获矿物颗粒就越多(Riding et al., 2020),导致叠层石柱体长于第一阶段。叠层石柱体在弯曲处开始分叉,弯曲位置叠层石柱体较为破碎,动荡的环境影响着第二阶段更多样和复杂的叠层石形态和叠层石分叉的出现(图5c、d)。

4 甘井子组叠层石微观特征

叠层构造的内部特征能够记录水深和水动力强度的细微波动(曹瑞骥,1997),相同的叠层石形态组合特征可能代表着相同的环境条件(Zhang Yi et al., 2021)。纹层是叠层石生长的基础单元,通过纹层构造的观察有助于了解引起甘井子组叠层石发生形态变化和建造的微观因素(Marais,1990;Schidlowski,2001)。

甘井子组下段叠层石内,柱状叠层石亮层主要由粉晶灰质白云石组成,暗层主要由泥晶碳酸盐矿物及少量粉晶白云石组成(图6a)。柱状叠层石的纹层自下至上有明显的不同,下部暗、亮层分界不清晰,暗层厚约2 mm、亮层厚约0.5 mm,暗层中出现椭圆形的泥晶团块。叠层石中部暗、亮层分界较为清晰,厚度有所增加,暗层厚约3～4 mm、亮层厚约1 mm。亮层出现较多自形—半自形白云石,粒径0.1～0.2 mm不等,暗层局部隆起,凝块状沉积物在每个暗层内均有分布(图6d)。中部纹层呈穹窿状,纹层弧度较下部有增加,纹层内包裹一些打碎的泥晶团块(图6e),穹窿状突起的亮层内白云石具有菱形解理(图6f)。叠层石上部暗、亮层逐渐变薄,层厚均为1 mm,且暗层颜色变浅,凝块增多。叠层石的暗层和亮层间均出现较为清晰的界限,暗层内也分化出两种不同的颜色,分别为深灰色和浅灰色,且具有明显的分界(图g),这种深色暗层、浅色暗层、亮层特征笔者等称其为3层构造。

甘井子组下段丘状叠层石亮暗层分布比较均匀,暗层较厚,约2 mm,亮层较薄,约0.5 mm(图6b)。叠层石纹层呈穹窿状,从下到上,叠层石直径呈增大的趋势,纹层弧度在叠层石直径快速增长时逐渐增大,当叠层石直径增长较慢时弧度逐渐减小。暗层中出现泥晶团块,一些区域团块呈椭球状,出现在深色暗层内(图6h)。亮层出现在叠层石纹层弧度较大区域,有时存在于暗层间的缝隙内,暗层颜色具有明显的两分特征。深色暗层、浅色暗层、亮层的三层构造特征依然可以观察到。

甘井子组上段长柱状叠层石直径较为均匀,纹层弧度较小(图6c),亮暗层分界不清晰,叠层石柱间沉积物由灰泥组成(图6i)。三层构造表现为深色暗层,黄色颗粒和颜色较浅的颗粒组成的浅色暗层和较薄亮层(图6j)。部分区域暗层出现突起,导致矿物颗粒分布不均,随着纹层的叠加,突起有增长的趋势(图6k)。柱状叠层石内纹层形态不规则,有较多突起和断裂的出现(图6l),但叠层石未出现新的分叉。

5 甘井子组叠层石生长机制研究

现代叠层石研究是探索地质历史时期中叠层石的一把钥匙,在研究中—新元古代叠层石时常参照现代叠层石用以解释其古环境和古生态(曹瑞骥等,200617)。目前对于现代叠层石研究重点聚焦于生长在开放海洋环境中的巴哈马叠层石,提供叠层石与环境互相影响关系的西澳大利亚鲨鱼湾叠层石和与前寒武纪具有相似的环境和地球化学条件的巴西东南部海岸潟湖叠层石(曹瑞骥等,1985;Paterson et al., 2010;Farías et al., 2011;Delfino et al., 2012;常玉光等,2012;Carvalho et al., 2018;Suosaari et al., 2019)。

现代叠层石在经历长时间的宏观形态研究,目前向微观的方向发展(Foster et al., 2009)。为了深入了解并还原甘井子组叠层生长形成机制,叠层石纹层构造、柱体形态是重点的分析对象,现代叠层石的微生物席内发生的纹层建造,水深、水动力强弱的影响更是重要的借鉴(Vasconcelos et al., 2008)。将甘井子组叠层石生长特征同现代叠层石纹层形成,柱体形态特征变化,叠层石建造综合对比分析,才能更好地还原叠层石的生长机制(Dupraz et al., 2006)。

5.1 甘井子组叠层石纹层形成

海水的化学成份在古代与现代有很大不同,导致古代微生物席内部生物组成与现代差别较大(Zhang Yongsheng et al., 2018)。在地质历史时期,微生物席内的生物群落不断向复杂化、多样化进行演化,但是在矿物沉淀方面其基本结构或生化功能与其祖先相似(Luo Mao et al., 2021)。甘井子组叠层石中观察到的纹层的3层构造,与微生物席的组成关系密切。在现代巴哈马微生物席常由3层不同颜色的矿物及生物层组成,具有叠层状构造,从上到下依次为绿色藻类层、碳酸盐岩颗粒层、紫红色异养细菌层(Baumgartner et al., 2010;Decho et al., 2005; Reid et al., 1995)。在巴西高盐潟湖中发现叠层石只是由两种矿物层组成,分别为泥晶矿物层和矿物层外受细菌影响重结晶形成的矿物包边,并无亮层存在,柱状叠层石的生长过程中纹层间普遍存在空隙(Keim et al., 2020)。鲨鱼湾柱状叠层石纹层呈穹窿状,空隙分布在矿物纹层之间,随着叠层石生长,空隙收缩,在叠层石边缘空隙收缩形成孔洞(Martin-Bello et al., 2019)。叠层石暗层为有机层,亮层为无机矿物层的认识在以往普遍被学者们所接受(严贤勤,2015),但是现代通过向叠层石纹层的更微观和细致研究识别出亮层可能是叠层石形成中的穹窿状空隙经后期经碳酸盐岩重结晶形成(Keim et al., 2020)。深色暗层是由微生物席绿色藻类层捕获或黏结矿物颗粒形成,随着微生物席的向上生长,深色暗层进入紫红色异养细菌层并在异养细菌层内的酸性条件下将深色暗层溶解并重结晶形成浅色暗层(Decho et al., 2005)。

甘井子组叠层石纹层的3层构造自下到上呈现出深色暗层—浅色暗层—亮层的沉积顺序。部分浅色暗层在深色暗层下部出现或围绕深色暗层,并且两种暗层的分界不清晰,说明浅色暗层在深色暗层后形成。亮层和暗层间具有明显的分界线,具有菱形解理的白云岩出现在叠层石的亮层中。白云岩自形—半自形的形态特征指示其是次生的,可能是重结晶或交代作用沿纹层间穹窿状空隙的产物(朱筱敏等,2008175～177)。

甘井子组叠层石纹层的形成可以认为是微生物席捕获并沉积白云石,使自身向上生长,并将沉积的矿物颗粒保存在微生物席内。矿物颗粒在微生物席内通过有机物的降解完成固结,形成最初的暗层。微生物席在向上生长的过程中,由于一定的生物作用,在最初的暗层周围形成重结晶的矿物包边,在微生物席的逐渐降解下,暗层发生轻微的收缩,生成层间空隙,叠层构造基本形成(图7)。

图7 叠层石生长机制:(a)微生物席收集矿物颗粒;(b)微生物席向上生长,矿物颗粒发生胶结;(c)矿物包边生成;(d)、(e)生成叠层状的暗色薄层;(f)微生物席消失,暗色纹层收缩,叠层构造初步生成Fig.7 Growth mechanism of stromatolites:(a)microbial mats collect mineral particles;(b)microbial mats grow upward and mineral particles cement;(c)formation of mineral cladding;(d), (e)formation of lamellar dark thin layer;(f)the microbial mat disappeared, the dark laminae contracted, and the laminae formed initially

5.2 甘井子组叠层石柱体生长

叠层石柱体的形成通常被解释为微生物席对颗粒进行捕获或沉积的结果(Allen et al., 2008)。相较于现代叠层石,前寒武纪叠层石通常是被动接受沉积,关于捕获的证据依然缺少(Bosak et al., 2009)。巴哈马被动接受沉积的现代微生物席大都定殖在碳酸盐岩硬质基底上(Mann et al., 1989),甘井子组叠层石也发现相同的现象(图8)。

图8 定殖于基底生长的叠层石柱体(箭头指示叠层石柱体生长方向)Fig.8 Stromatolite columns colonizedin the substrat(arrows indicate the direction of stromatolite columns)

海洋生物在太古代就开始占据硬质基底,硬质基底相对于松散沉积物能为生物提供稳定的生存环境(Butterfield,2000)。甘井子组叠层石与底部沉积物间具有明显的分界,同时底部沉积物具有明显弧度和起伏特征,说明基底先于叠层石形成并固结(张永利,200973～100)。硬质基底的存在为微生物席的定殖和叠层石的生长提供了一个理想的固定场所。微生物席定殖在硬质基底上,并依托于基底的形态垂直于基底继续生长,形成叠层石柱体。叠层石在不断生长的过程中,柱体从垂直于基底生长逐渐统一向上生长,这可能与微生物席中的生产者——绿色藻类层的亲光性密切相关(Luo Mao et al., 2021)。微生物席作为蓝藻和异养细菌的集合体,能发生光合作用,现代和前寒武发现的气泡结构就是在良好光合作用中发生的产物(Lan Zhongwu et al., 2020)。

研究区叠层石的向阳生长特性来源于光照会引发微生物席内藻类活性的增强,导致微生物席黏结更多矿物颗粒(Decho et al., 2005)。更多的沉积矿物由于自重导致碳酸盐岩颗粒在较低的位置大量沉积,较低位置的纹层加厚,使得叠层石柱体逐渐弯曲向上生长(Dupraz et al., 2006)。甘井子组叠层石弯折方向沉积变薄,背弯方向却加厚的特征得到了很好的解释。微观层面提供了更多的证据,深色暗层通常在倾斜角度较小的生长面上发育,而浅色暗层所代表的矿物包边通常在倾斜角度较大的区域加厚。

甘井子组柱状叠层石呈现从下段的不分叉到上段的2次分叉或多分叉的特征,对于柱状叠层石的形态学分类来说,分叉与不分叉是判断的关键(Andres et al., 2006;常玉光等,2013)。Bosak等(2013)通过运用定量分析来研究叠层石分叉,认为叠层石分叉可能与微观结构的破坏有关,纹层的细微变化,在叠层石纹层的反复叠加下能产生更大的变化。现代的数学模型也证明了这一点,在叠层石生长过程中碳酸盐岩颗粒在重力的作用下逐渐向柱体边缘倾斜,沉积物依次叠加,微观的裂隙最终影响叠层石柱体产生分叉(Dupraz et al., 2006)。光照在这个过程中也产生了影响,光合作用促进微生物席捕获沉积物的速率,使得矿物颗粒在叠层石柱体表面分布不均,造成叠层石柱体上表面的重力是分布不均的,由此产生更多形态的分叉(Semikhatov et al., 2000)。但是,更多的对于分叉的影响可能来源于突发事件——风暴活动,水流变化等因素对于微生物席或叠层石纹层和柱体的破坏(Dupraz et al., 2013)。现代微生物席常遭受风暴或水流作用被海洋沉积颗粒所破坏或掩埋,叠层石的生长方向受到一定程度的影响,向沉积颗粒较少区域进行生长(Mann et al., 1989)。甘井子组叠层石的柱体分叉是纹层逐渐积累沉积物并产生断裂形成的,叠层石微观层面常出现打碎的泥晶团块,可能是环境扰动造成的。叠层石在不断的侧向生长中由于受到重力或是环境的变化的影响造成纹层的缺失,叠层石在柱体的断面继续生长,导致柱体生长方向的突然变化,在原有的柱体上产生分叉(图9)。

图9 叠层石柱体分叉:(a)白色虚线表示叠层石柱体轮廓,箭头表示叠层石同一柱体的两个生长轴心方向,黑框内为缺失纹层部分;(b)图(a)框中放大区域;(c)纹层变化示意图Fig.9 Stromatolite column bifurcation:(a)the white dashed line represents the outline of the stromatolite column, the yellow arrows represents the direction of the two growth axes of the same column, and the black frame represents the missing laminae;(b)in the enlarged area of frame(a);(c)schematic diagram of laminar change

叠层石柱体形态主要为叠层石形态学特征,影响叠层石柱体的形态的基础是叠层石纹层薄厚程度(Dupraz et al., 2006),而微生物席正是叠层石纹层构建的发生工厂(Desnues et al., 2008)。生成现代柱状叠层石和波纹状叠层石的微生物席具有不同的蓝藻、细菌的组合,柱状叠层石的微生物席具有较多的真核藻类,而波纹状叠层石微生物席基本由原核生物构成(Dupraz et al., 2006)。更为基础的生物结构具有更好的稳定性和抗外界干扰能力,在较为动荡和反复掩埋的环境中不适宜柱状叠层石微生物席生长(Andres et al., 2006)。波纹状、柱状、丘状等叠层石不同形态的出现趋近于环境对于微生物席的影响而不是传统所认为的基因控制(Burns et al., 2021)。目前国内外普遍认为影响叠层石形态主要因素为水深和水动力条件的变化,叠层石的不断生长也会对其身处的水深和动力条件产生影响(Chang Yuguang et al., 2013;Bosak et al., 2013)。当叠层石柱体生长到一定的密集程度,经过叠层石柱体间的水流会发生变化,柱间过快的水流会将微生物席捕获或沉积的大颗粒沉积物进行筛选、运移,造成叠层石柱间灰泥的堆积,使叠层石柱体更加稳定,分叉受到限制(Cuerno et al., 2011)。

甘井子组叠层石柱体的形态、分叉受到水深及水动力条件的影响,适宜的水深及水动力条件才能使微生物席在基底上定殖,由于硬质基底的存在使得甘井子组上段叠层石相较于下段叠层石生长更加繁盛。微生物席结壳在硬质基底上,在生长的早期光合作用并不是影响柱体形态的主要因素,而当叠层石柱体生长到一定的高度光合作用的开始影响叠层石柱体的形态。早期的波纹状叠层石生长阶段也是微生物席早期的定殖阶段,随着水深的增加,微生物席具有更为广阔的生长空间,微生物席内的生物组成也更为复杂,影响了柱状叠层石及丘状叠层石的生长。同时,由于柱体的不断生长对微生物席所在的水深及水动力条件产生影响,环境条件的改变对叠层石柱体直径的增加起到限制作用。甘井子组叠层石分叉多受环境突然变化的影响,叠层石在动荡的环境中分叉,并出现较多的分叉形态。环境和微生物席本身均对叠层石柱体的生长产生了一定程度的影响。

5.3 甘井子组叠层石建造

现代叠层石的建造形态通常由台地形态、海浪及风暴活动控制,叠层石的建造形态及形态组合与海平面波动具有较强关联(Sanborn et al., 2020)。新元古代早期,由于构造活动,蒙古—辽东大陆隆起,造成辽南地区的海平面波动(Zhang Yongli et al., 2023)。研究区位于复州潮坪,处于层序地层框架内海退演替中的陆架边缘环境,沉积在海平面不断发生变化的可变环境中,甘井子时期更是发生多次海侵,其中甘井子组下段和上段叠层石的出现来源于两次不同程度的海侵(吴子杰等,2020)。海侵规模不同对甘井子组叠层石的形态特征产生了不同程度的影响,甘井子组下段叠层石的海侵程度弱于上段。甘井子组下段叠层石具有波纹状—柱状—丘状的形态组合,甘井子组上段叠层石具有波纹状—柱状—长柱状的形态组合,符合水浅至水深的变化。甘井子组下段叠层石在建造形成阶段,仅部分区域的叠层石存在空间进行生长,甘井子组上段叠层石的形成阶段海侵规模更大并且广泛,使得整个礁体的叠层石的生长达到一定的密度,并限制叠层石的生长。

对叠层石进行从微观到宏观的探索,本文中从纹层构造—形态组合—叠层石建造的研究是分析叠层石生长和建造的常规手段(Andres et al., 2006)。微观层面观测到微生物席通过对矿物颗粒的黏结和捕获对于叠层石纹层的形成与控制。中等层面既可以观测到纹层由于重力因素造成的不规则叠加引起柱体方向的改变,又可以了解叠层石纹层在变动的环境条件下,纹层的变化不断叠加,进而产生分叉和不同的柱体形态。而在宏观层面,环境的改变对叠层石的影响是巨大的,不仅可以控制叠层石的形成规模,还能影响叠层石形态特征组合。在微观层面,微生物席自身对于叠层石生长影响较大;在中等层面,微生物席和环境共同控制叠层石形成;在宏观层面,环境控制对叠层石形成规模的大小和形态起着主要的控制作用。随着观测尺度的扩大,微生物席的影响逐渐减弱,而环境控制影响逐渐增强。

6 结论

(1)辽南地区甘井子组叠层石在袁家沟剖面下段的底部、上段的顶部分别出露,底部出露为透镜状,叠层石具有波纹状—柱状—丘状的形态组合;顶部出露为层状,叠层石具有波纹状—柱状—长柱状的形态组合,符合水浅至水深的叠层石形态变化。

(2)甘井子组叠层石纹层微观特征具有明显深色暗层、浅色暗层、亮层3层特征,与现代微生物席组成及叠层石分层特征相似,具有良好的对比性。微生物席捕获和沉积矿物颗粒最先生成富含有机质颗粒的深色暗层。在微生物席内,矿物颗粒胶结在深色暗层周围的形成含有少量有机质的浅色矿物包边。在微生物席向上生长的过程中,碳酸盐溶液在叠层构造的空隙中充填结晶进而形成亮层。

(3)甘井子组叠层石生长在硬质基底上,基底的存在为叠层石的建造者——微生物席提供了可以附着的场所,也为叠层石的生长提供了一定的空间基础。甘井子组上段叠层石相较于下段叠层石具有更为明显和广泛的硬质基底,促进了叠层石的大量生长。

(4)将甘井子组叠层石同现代叠层石进行对比研究,确立甘井子组叠层石从纹层到整体的形成机制。在微观层面叠层石形成主要受微生物席自身因素影响;在中等层面,叠层石柱体形态既受环境影响,又受而微生物席影响;在宏观层面,环境则成为叠层石形成规模的主要控制因素。