沉积学报  2018, Vol. 36 Issue (1): 57−71

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林孝先, 彭军, 侯中健, 韩浩东, 李旭杰, 马春疆
LIN XiaoXian, PENG Jun, HOU ZhongJian, HAN HaoDong, LI XuJie, MA ChunJiang
四川汉源-峨边地区上震旦统灯影组藻白云岩特征及成因研究
Study on Characteristics and Geneses of Algal Dolostone of the Upper Sinian Dengying Formation in the Hanyuan-Ebian Area of Sichuan Province, China
沉积学报, 2018, 36(1): 57-71
ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2018, 36(1): 57-71
10.3969/j.issn.1000-0550.2018.008

文章历史

收稿日期:2016-11-21
收修改稿日期: 2017-01-22
四川汉源-峨边地区上震旦统灯影组藻白云岩特征及成因研究
林孝先1,2, 彭军3, 侯中健4, 韩浩东3, 李旭杰3, 马春疆3     
1. 国土资源部沉积盆地与油气资源重点实验室, 成都 610081;
2. 绵阳师范学院资源环境工程学院, 四川绵阳 621000;
3. 西南石油大学地球科学与技术学院, 成都 610500;
4. 成都理工大学地球科学学院, 成都 610059
摘要: "藻白云岩"术语的提出已有五十年历史,震旦系藻白云岩以其巨大的厚度,精美的原生结构、构造,以及丰富的微生物化石和矿产资源而闻名,但至今其成因仍存在争议。以四川汉源-峨边地区上震旦统灯影组藻白云岩为研究对象,对其宏观的剖面、岩石学、原生构造特征,微观的白云石和微生物化石形态、原生结构特征,以及相应的地球化学特征进行了详细研究。结果表明:研究区灯影组藻白云岩为一套在潮坪和潟湖环境下形成的微生物(碳酸盐)岩的岩石类型组合,以藻黏结型的叠层状、纹层状、葡萄状和均一状(藻)白云岩为主要的次级类型;藻白云岩中主要发育原生的隐晶状微生物白云石和次生的纤维状拟晶白云石,其形成与蓝细菌、硫酸盐还原细菌、中度嗜盐好氧细菌和红藻等微生物的矿化作用密切相关:沉积-同生阶段,主要由微生物诱导矿化作用形成大量纳米似立方体粒状和(亚)微米级片状微生物白云石,同时共(伴)生纤维状文石和高镁方解石;同生-准同生阶段,主要由微生物影响矿化作用形成纳米球粒状和微米级不规则状、球状和卵状微生物白云石,同时纤维状文石和高镁方解石因微生物催化矿化作用和拟晶白云石化作用形成纤维状拟晶白云石;随后微生物白云石与拟晶白云石一起组成具纹层状、叠层状、均一状等构造的藻白云岩。对藻白云岩特征及成因的研究有助于理解微生物-矿物交互作用和过程的复杂性、多样性,也为前寒武纪微生物矿化作用、微生物白云石和拟晶白云石研究提供了新的实例。
关键词藻白云岩     微生物矿化作用     微生物白云石     拟晶白云石     灯影组    
Study on Characteristics and Geneses of Algal Dolostone of the Upper Sinian Dengying Formation in the Hanyuan-Ebian Area of Sichuan Province, China
LIN XiaoXian1,2, PENG Jun3, HOU ZhongJian4, HAN HaoDong3, LI XuJie3, MA ChunJiang3     
1. Key Laboratory of Sedimentary Basin and Oil and Gas Resources, Ministry of Land and Resources, Chengdu 610081, China;
2. College of Resources and Environmental Engineering, Mianyang Teachers'College, Mianyang, Sichuan 621000, China;
3. College of Geosciences and Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;
4. College of Earth Sciences, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
Foundation: Financially Supported by the Open Fund of Key Laboratory of Sedimentary Basin and Oil and Gas Resources, Ministry of Land and Resources (China), No. zdsys2015002)
Abstract: Based on the macroscopic characteristics of profile, petrology and original structures, the microscopic characteristics of morphology and original textures of dolomite and microbial fossils and the corresponding geochemical characteristics, this paper studied the characteristics and geneses of algal dolostone of the Upper Sinian Dengying Formation in the Hanyuan-Ebian Area of Sichuan Province, China. The results show that the algal dolostone is a set of microbialites or microbial carbonates association formed in the tidal flat and lagoon, in which the laminated, stromatolithic, botryoidal and uniform (algal) dolostones are dominate. There are mainly two different texture and genesis types of dolomites, primary cryptocrystalline microbial dolomite and secondary fibrous mimetic dolomite. The geneses of the two types of dolomites are closely related to microbial biomineralization of Cyanobacteria, sulphate-reducing bacteria (SRB), moderately halophilic aerobic bacteria and red algae. In the precipitation and syngenetic stages, a large amount of nanometre-sized (pene-) cubical granular and (sub-) micron-sized sheeted dolomites is formed by microbially induced mineralization; meanwhile, fibrous aragonite and high-Mg calcite are developed. In the syngenetic and penecontemporaneous stages, nanometre-sized (spherulitic) granular and micron-sized irregular, spherical and ovoidal dolomites are formed by microbially influenced mineralization, in the meantime the fibrous aragonite and high-Mg calcite transform into the fibrous mimetic dolomite through microbially catalysed mineralization and mimetic dolomization. Then the microbial and mimetic dolomite form laminated stromatolithic and uniform dolostone together. The research of characteristics and geneses of algal dolostones is useful to comprehend the complexity and diversity of mineral-microbe interaction and process in this paper, and provides a new example of the investigation of microbial biomineralization, microbial dolomite and mimetic dolomite in the Precambrian era.
Key words: algal dolostone     microbial biomineralization     microbial dolomite     mimetic dolomite     microbialites     Dengying Formation    
0 引言

在四川盆地及邻区,上震旦统灯影组藻白云岩(algal dolostone)是铅锌矿、菱镁矿、磷矿重要的容矿母岩和矿源层[1-2],也是天然气藏重要的储集层[3]和烃源岩[4]。灯影组藻白云岩研究由来已久,至少可追溯到二十世纪六十年代[5-6],后经不断研究,学者们已认识到藻白云岩特征和成因的复杂性[7-12],但研究中也存在一些问题。严格来说,“藻白云岩”这一术语的原始定义较弱,其所谓的“藻”其实是藻类和细菌等组成的微生物复合体,故把其称为微生物白云岩(microbial dolostone)更为合适,也有其他研究者将其称为蓝细菌白云岩[13]或微生物碳酸盐岩[14],隶属于微生物岩(microbialites)研究范畴。

回顾历史,微生物岩相关研究至少可以追溯至十七世纪中叶[15],直到二十世纪八十年代,它们先后经历了(无机→生物)岩石成因、(藻类→细菌)微生物种类、(淡水→海水和咸水)沉积环境、(单一→多种)岩石类型等方面的认知转变。二十世纪八十年代之后,微生物地质学研究受到重视,相关研究也开始迅猛发展,其研究内容和趋势主要体现在形成机制[16-17]、形态学[18-19]、环境意义[20-21]、微生物培养实验[22-23]、与矿产资源关系[24-25]等五个方面。

在这种背景下,四川盆地及邻区灯影组藻白云岩的研究现状和存在问题主要包括:1)藻白云岩成因还存在争论,生物与非生物、原生与次生的观点都有存在,例如,作者在前期研究中发现藻白云岩中同时包含原生的微生物白云石(microbial dolomite)和次生的拟晶白云石(mimetic dolomite)[2],但二者的详细特征、形成过程、相互关系等问题还需进一步研究。2)已认识到藻类、细菌等微生物在藻白云岩形成过程中的重要作用[12],但微生物还缺乏系统性研究,如对其形态、种类、胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)、生物膜、微生物席以及微生物作用的类型、机制等研究还有待深入。3)藻白云岩是一套白云岩类型的组合,包含很多种构造类型[10, 26],如叠层状、纹层状、葡萄状等构造,但缺乏系统性的形态学、分类学研究。4)藻白云岩中保存有精美的原生结构和构造,但缺乏详细的特征和成因研究,其中诸如文石、高镁方解石假晶等原生结构的研究较少,哪怕研究较多的葡萄状构造,也存在同生—准同生和表生成因的激烈争论[27-28]。5)藻白云岩及其原生构造(包含微生物诱发沉积构造(microbial induced sedimentary structure,MISS))的环境、生态意义研究相对薄弱。6)藻白云岩与矿产资源关系研究还未受到重视。

基于此,本文针对四川汉源—峨边地区灯影组藻白云岩的特征和成因,从形态学、岩石学、矿物学、微生物学、原生结构、原生构造和古环境等特征研究出发,较为系统地探讨了研究区灯影组藻白云岩的形成机制和成因问题。

1 地质背景

研究区位于四川盆地西南缘、攀西大裂谷北端的汉源—峨边地区(图 1),区内上震旦统灯影组地层中发育一套巨厚的藻白云岩,其保存有丰富的化石和精美的原生结构、构造,是研究藻白云岩的理想场所。

图 1 研究区位置及地层分布图 Figure 1 The location and strata distributions of the study area

研究区灯影组地层划分还存在一定的争议,本文为和国际年代地层系统对比,将上震旦统灯影组与新元古界(Neoproterozoic)埃迪卡拉系(Ediacaran)对应,上覆地层为下寒武统麦地坪组,下伏地层为下震旦统观音崖组,灯影组由下至上可分为四段,藻白云岩主要发育在灯二段,其次在灯四段(图 2),而在灯三段底部发育蓝灰色、灰色、黑色泥岩。灯影期为全球海平面上升时期,研究区及邻区主要发育环绕碳酸盐台地的潮坪相和潟湖相沉积,而灯二段和灯四段沉积期主要为高水位体系域时期,利于藻白云岩发育。另外,在晚震旦世—早寒武世,研究区发生区域性的桐湾抬升运动,形成多期平行不整合面或风化壳。关于桐湾运动期次(或幕次),一直存在2期或3期的争论,但作者发现在先锋剖面至少存在4期不同规模的平行不整合面或风化壳(图 2)。灯二段与灯三段、麦地坪组与筇竹寺组之间的平行不整合面规模较大,形成风化壳,可区域对比;灯四段与麦地坪组之间的平行不整合面规模中等,岩溶现象十分明显,也可区域对比;而灯三段与灯四段之间的平行不整合面规模较小,只局部地区发育明显,区域对比性相对较差。桐湾运动的(2期、3期或4期)期次争论其实并不矛盾,主要与其不同的划分级别和规模有关。

图 2 研究区灯影组地层剖面及平行不整合特征 A.灯二段与灯三段之间的平行不整合面规模较大,形成风化壳,可区域对比;B.灯三段与灯四段之间的平行不整合面规模较小,只局部地区发育明显,区域对比性相对较差;C.灯四段与麦地坪组之间的平行不整合面规模中等,岩溶现象十分明显,也可区域对比;D.麦地坪组与筇竹寺组之间的平行不整合面规模也较大,形成风化壳,可区域对比。野外照片摄于先锋剖面。 Figure 2 The stratigraphic profile and parallel unconformity of the Dengying Formation in the study area
2 材料与方法

本文研究样品来自于研究区高桥、先锋、金口河、马烈、团宝山、唐家等剖面(图 1)的灯二段和灯四段地层,主要为具丰富微生物化石、原生结构和构造的藻白云岩。首先对藻白云岩的剖面结构、岩石学、形态学、原生构造特征进行了宏观分析,在此基础上,对具不同原生构造的藻白云岩中的白云石、微生物化石、原生结构等特征及其成因分别进行了微观的沉积学和地球化学分析。具体使用的测试分析方法及其仪器如下:白云石和微生物化石的形态、结构、矿物、晶体和光学特征观察使用了(日本尼康,LV100POL)偏光显微镜和(美国FEI,Quanta250 FEG)场发射扫描电子显微镜;白云石和微生物化石的阴极发光特征观察使用了(德国,CL-4)阴极发光显微镜;白云石和微生物化石的常量、微量元素分析使用了(英国Oxford,INCAx-max20)能谱仪(配合扫描电子显微镜使用)和(美国PE,ELAN DRC-e)电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)。上述测试分析工作主要在油气藏地质及开发工程国家重点实验室和成都理工大学测试中心完成。

3 结果 3.1 野外剖面宏观特征

藻白云岩地层厚度较大(图 3A),关于其分类还存在一定的争议。根据宏观形态、原生构造和微生物作用特征,藻白云岩可以分为藻黏结型和藻粒屑型两种类型[10],而研究区灯影组藻白云岩可依此细分为:1)藻黏结型白云岩,包括叠层状白云岩、纹层状白云岩、葡萄状白云岩、均一状白云岩、雪花状白云岩、凝块状白云岩、核形石白云岩;2)藻粒屑型白云岩,包括藻砾屑白云岩、藻砂屑白云岩、藻粉屑白云岩。在这些藻白云岩中,以叠层状白云岩、纹层状白云岩、葡萄状白云岩、均一状白云岩为主,其次为雪花状白云岩、藻砂屑白云岩、凝块状白云岩,其余偶见。叠层状白云岩(图 3BC)主要呈穹窿状、丘状、微指状、波状,柱状的少见,其中叠层清晰,明暗层分明,微生物席十分发育。纹层状白云岩(图 3DE)中可见清晰的、呈水平状的明暗层,暗层时断时续,为发育的微生物席,还可见鸟眼孔发育。葡萄状白云岩(图 3FG)主要由顺地层、(层间和穿层)溶蚀孔缝中产出的白云石化葡萄状团块和葡萄状、栉壳状胶结物或充填物组成,其中葡萄状团块具有核心和厚的包壳,核心主要为凝块石、葡萄石、藻砂屑等,包壳中可见清晰的、弯曲的明暗层。关于葡萄状白云岩的成因问题,会在下文做专门讨论。均一状白云岩(图 3HI)为泥微晶白云岩,因含微生物化石、有机物较多,颜色偏深,多呈深灰色,无明显的宏观构造,常与纹层状白云岩、叠层状白云岩、凝块状白云岩共生。另外,在野外剖面上,各类型藻白云岩的发育分布具有一定的规律性,由下往上组成旋回性结构,比如均一状白云岩、凝块状白云岩、藻团粒白云岩通常发育在旋回的下部,指示水动力条件较弱的较深水环境,纹层状白云岩、葡萄状白云岩、叠层状白云岩、藻砂屑白云岩发育在旋回的中部,指示水动力条件较强的浅水环境,而雪花状白云岩发育在旋回的上部,指示潮上带环境,这反映了海平面由下往上由深变浅的相对变化过程(图 2)。

图 3 研究区灯影组藻白云岩野外剖面宏观特征 A.藻白云岩剖面特征,灯二段,先锋剖面;B.叠层状藻白云岩剖面特征,叠层清晰,呈穹窿状,灯二段,高桥剖面;C.叠层状藻白云岩剖面特征,叠层石呈微指状、波状(红色虚线示意),灯二段,金口河剖面;D.纹层状藻白云岩剖面特征,层厚较薄,灯四段,先锋剖面;E.纹层状藻白云岩剖面特征,明暗纹层清晰,鸟眼孔发育,灯二段,唐家剖面;F.葡萄状藻白云岩手标本特征,孔缝中产出,灯二段,马烈剖面;G.葡萄状藻白云岩剖面特征,顺地层产出(黄色箭头),见葡萄状团块(红色虚线框放大),葡萄状团块具核心和厚的包壳,灯二段,高桥剖面;H.薄层均一状藻白云岩剖面特征,无明显的宏观构造,灯二段,高桥剖面;I.中—厚层均一状藻白云岩剖面特征,无明显的宏观构造,灯二段,唐家剖面。 Figure 3 The macroscopic profile characteristics of algal dolostones of the Dengying Formation in the study area
3.2 显微特征 3.2.1 白云石特征

在厘米级及以上尺度,灯影组藻白云岩具有如上所述的多种次级类型;而在毫米尺度,即普通偏光显微镜观察下,藻白云岩中的白云石主要具有隐晶状和纤维状两种产状;在微米及纳米级尺度,即扫描电镜观察下,隐晶状和纤维状白云石还可细分出若干次级类型(图 4)。

图 4 研究区灯影组藻白云岩中的白云石微观特征 A.纹层状白云岩中发育的泥微晶白云石和微生物化石,泥微晶白云石与微生物作用有关,微生物席(黄色箭头)和藻迹(蓝色箭头)发育明显,灯二段,单偏光;B.葡萄状白云岩中发育的纤维状白云石,包壳明暗层分明、层面弯曲,具高级白干涉色,文石前驱的纤维状假晶和波状消光十分明显(红色箭头),明层(黄色箭头)较厚,颜色较浅,暗层(蓝色箭头)较薄,颜色较深,还可见至少4个不同包壳之间形成的多边形妥协边(黄色虚线),灯二段,正交偏光;C.白云石化葡萄状团块的阴极发光图片,核心(蓝色箭头)的泥晶白云石发暗红色光,半自形—自形(菱形)微晶白云石(红色箭头)发黄光,包壳(蓝色箭头)暗层中的纤维状白云石发暗红色光或弱发光,明层中的弱发光—不发光,灯二段;D.片状白云石(黄色箭头)(能谱确认)(红色十字),灯二段,SEM;E.不规则状白云石(蓝色箭头)(能谱确认)与片状白云石(黄色箭头)共生,在不规则状白云石表面还见纳米级粒状白云石(红色箭头)发育,灯四段,SEM;F.微米级卵状白云石,表面富集Si、Mg元素(能谱确认),表面还可见纳米球状白云石,灯四段,SEM;G.微米级球状白云石(黄色箭头),内部呈放射状,与Sánchez-Román et al.[34]研究相似,与中度嗜盐好氧细菌作用有关,周围见黏土矿物(蓝色箭头)发育,灯四段,SEM;H.纤维状白云石,产于白云石化葡萄状团块的包壳明层中,文石前驱的纤维状假晶的短轴宽约1~8 μm,其中白云石生长晶纹(蓝色箭头)清晰,有晶内及晶间的微孔隙(红色箭头)发育,灯二段,SEM;I.纤维状白云石,产于白云石化葡萄状团块的包壳暗层中,与明层中的特征相似,呈共轴生长(蓝色箭头),晶内及晶间的微孔隙(红色箭头)发育,但其较之明层具有更小的、更自形的白云石晶体(黄色箭头),且因富含泥质或有机质造成白云石晶体生长纹不常见,灯二段,SEM。 Figure 4 The microscopic characteristics of dolomites of the Dengying Formation in the study area

(1) 隐晶状白云石特征

隐晶状白云石主要产于叠层状、纹层状、均一状、凝块状白云岩中,色暗,富含有机质,在普通偏光显微镜下显微形态、结构特征不明显(图 4A)。在扫描电镜下,隐晶状白云石特征明显,易于识别,主要呈片状、不规则状、球状、卵状、纳米粒状等形态。片状白云石(图 4D图 5H),普遍发育,较为致密,内部存在孔洞,断口处可见片状白云石堆积,类似泥页岩的片理结构,表面干净、未见黏土矿物。不规则状白云石(图 4E),常与片状白云石共生,也可单独产出,其表面受黏土矿物影响而富集Si、Mg元素。片状、不规则状白云石的特征与Perri et al.[29]、王小林等[30]研究的微生物白云石具有很好的可对比性。球状、卵状白云石(图 4F)的形态相似,表面也富集Si、Mg元素;粒径在1~20 μm之间,以1~3 μm为主,小粒径的白云石,或单独产出,或几个簇生(或共生),而大粒径的白云石多单独产出,且内部可见放射状结构(图 4G),周围还共(伴)生有黏土矿物。纳米粒状白云石较少单独出现,多以纳米似立方体粒状的形态出现在微生物席(生物膜)的周围(图 5D),或以纳米球状的形态出现在不规则状、球状、卵状白云石的表面(图 4EF)。球状、卵状、纳米粒状白云石的特征可与Vasconcelos et al.[31], Aloisi et al.[32], Sánchez-Román et al.[33-34], Bontognali et al.[35-36],McKenzie et al.[22]等研究的微生物白云石相对比。相应的,隐晶状白云石的显微结构主要有黏膜状(或席状)结构、片状结构、不规则状结构、纳米粒状结构、放射状结构及簇状结构等。这些隐晶状白云石及其结构的形成与微生物席(生物膜)发育和EPS矿化作用密切相关,特别是纳米粒状白云石,代表了微生物白云石早期成核阶段的产物,在微生物白云石识别中具有重要的指示作用。

图 5 研究区灯影组藻白云岩中的微生物化石微观特征 A.红藻(黄色箭头)和藻迹(蓝色箭头)化石,发育于均一状白云岩中,灯四段,单偏光;B.藻斑点、藻团粒(黄色箭头)和藻迹(蓝色箭头)化石,发育于均一状白云岩中,灯二段,正交偏光;C.微生物席(黄色箭头)和肾形菌(Renalcis)(蓝色箭头)化石,发育于叠层状白云岩中,被后期方解石脉破坏,灯四段,正交偏光;D.微生物席(生物膜或EPS)(黄色箭头)呈席状覆盖、包裹白云石(能谱确认),这些白云石多具纳米似立方体粒状结构,灯四段,SEM;E.席状或片状的微生物席(生物膜或EPS)(黄色箭头)与近圆柱状黄铁矿(能谱确认)共生,灯四段,SEM;F.实心球状蓝细菌(Nanococcus)化石,具隐晶结构,细胞表面片状物疑为矿化的细胞壁或胞外聚合物(EPS)(蓝色箭头),富集Si、Mg元素(能谱确认),也可见片状生物膜(或EPS)(黄色箭头)发育,灯四段,SEM;G.空心球状蓝细菌化石,粒径15 μm左右,颗粒表面富集Si、Mg元素(能谱确认),灯二段,SEM-EBS;H.树枝状蓝细菌(Epiphyton)化石(黄色箭头),细胞内的物质已完全白云石化(能谱确认),与片状白云石(红色箭头)、不规则状白云石(蓝色箭头)共生,灯四段,SEM;I.丝状蓝细菌(Girvanella)化石(蓝色箭头),疑似葛万菌,见于葡萄状白云岩包壳明层中,灯二段,SEM。 Figure 5 The microscopic characteristics of microbial fossils of the Dengying Formation in the study area

(2) 纤维状白云石特征

纤维状白云石主要产于葡萄状、纹层状、叠层状、藻砂屑、凝块状白云岩中,可从中识别出纤维状文石和高镁方解石前驱的晶体特征。

1) 文石前驱特征

① 异化颗粒包壳中的文石前驱

该类文石为等厚纤维状环边文石,主要发育于葡萄状团块、藻砂屑、凝块石等异化颗粒的包壳中。相对来说,葡萄状团块包壳中的文石特征最为突出,其厚度较大,具多层明暗层组合,文石前驱的纤维状假晶和波状消光特征明显(图 4B),而藻碎屑、凝块石的包壳较薄,往往只发育一层暗层。在葡萄状团块中,最靠近核心的是暗层,颜色最深,远离核心,明暗层厚度增大,文石前驱共轴生长,纤维状假晶和波状消光更加明显,且在包壳边缘处常见妥协边界发育(图 4B)。在明层中,文石前驱保存有较好的纤维状结构,宽度多在1~8 μm之间,白云石晶体局限其中,共轴生长,可见其垂直于长轴方向的晶体生长纹(图 4H),阴极发光呈弱发光—不发光(图 4C)。在暗层中,文石前驱主要沿明层继续共轴生长,但其具有更小的、更自形的白云石晶体,表面多被泥质覆盖,晶体生长纹不常见(图 4I),阴极发光比明层稍强,发暗红色光或弱发光,与富含有机质的核心发光相似(图 4C)。在明暗层内,还常见文石前驱晶内的细小包裹体,晶内、晶间的微孔隙(图 4H)等。

② 纹层状和叠层状白云岩中的文石前驱

该类前驱以纹层状白云岩中水平层状的等厚纤维状文石前驱的特征最为明显,而叠层状白云岩中的文石前驱含量相对较少,多为弯曲层状或丘状。与上述异化颗粒包壳中的文石前驱相比,其也具有特征的明暗层、纤维状假晶和波状消光,但其为层状产出,单层厚度较薄,整体颜色较深,常见与高镁方解石、石膏等共生。

2) 高镁方解石前驱特征

该类前驱也主要出现在纹层状和叠层状白云岩中,多为等厚纤维状高镁方解石前驱,与等厚纤维状文石前驱、石膏等伴生。纤维状高镁方解石在理论上可细分为放射轴状纤状方解石(radiaxial fibrous calcite)、束状光性方解石(fascicular-optic calcite)、放射状纤状方解石(radial fibrous calcites)三种类型[37]。在研究区灯影组,主要发育放射轴状纤状方解石前驱,呈层状,具波状消光、不规则边界、内部沉积物,也见部分晶面平直、不具波状消光的放射状纤状方解石前驱。阴极发光呈暗红色或弱发光。

3.2.2 微生物化石特征

研究区灯影组叠层状、纹层状、均一状、葡萄状藻白云岩中含有丰富的微生物化石,可细分为实体化石和遗迹化石两类,其主要成分为泥晶白云石,但可见泥晶高镁方解石前驱矿物特征。

(1) 微生物实体化石特征

微生物实体化石种类主要为藻类和细菌(图 5)。藻类以红藻为主,其次为绿藻。红藻(图 5A)主要呈结核状、卵状、球状,粒径一般大于200 μm,也见丝状体组成的毫米级的藻群体,红藻的细胞壁多呈隐晶结构,而细胞内的白云石晶体粒径稍大,疑为孢子囊和生殖窝等组织构造。细菌(图 5C图 5F~I)主要为蓝细菌门(Cyanobacteria or Cyanophyta)色球藻纲(Chroococcophyceae)和藻殖段纲(Hormogonophyceae)下属(genus)的肾形菌(Renalcis)、微球菌(Nanococcus)、葛万菌(Girvanella)和附枝菌(Epiphyton)等,是EPS的重要生产者[38],多以(实心和空心)球状、卵状、肾状、树枝状单细胞体以及实心丝状体形式出现,个体较小,粒径多小于200 μm,以1~20 μm为主,细胞表面多富集Si、Mg元素,疑似细胞壁或胞外聚合物(EPS),内部为白云石。

(2) 微生物遗迹化石特征

微生物遗迹化石主要以微生物席、生物膜、藻迹和藻斑点等形式存在(图 5A~F)。微生物席(图 5C)主要发育在叠层状白云岩中,其次发育在纹层状白云岩中(图 4A),其余类型的藻白云岩中微生物席发育较弱,或以早期的EPS或生物膜(图 5D~F)形式存在。微生物席(生物膜)主要呈片状、席状的黏土矿物包裹微生物和白云石,同时常伴生有霉球状、近圆柱状黄铁矿(图 5E),这与微生物席的包裹、封闭作用有关,说明微生物中硫酸盐还原细菌(SBR)的存在,与Teske et al.[39]、McKenzie et al.[22]、Bontognali et al.[36]的研究具有较好的可对比性。藻迹(图 4A图 5AB)主要由泥晶白云石和有机质组成,色暗。藻斑点,呈隐晶结构,富含有机质,呈褐色、黑色粒状,其周围一般发育藻迹,多个藻斑点常聚集形成藻团粒,或定向的排列形成局部的纹层(图 5B)。

除上述藻类和细菌外,由特殊的内部呈放射状的球状白云石(图 4G)和微生物作用痕迹,推测应该还有中度嗜盐好氧细菌的存在,这可与Sánchez-Román et al.[34]研究对比。

3.3 地球化学特征 3.3.1 常量元素特征

对研究区灯影组藻白云岩中的片状、不规则状、球状、卵状、纳米粒状等隐晶状白云石和纤维状白云石进行了扫描电镜能谱分析(表 1)。除去两个极大值,Mg/Ca原子百分比值主要分布在0.76~1.53之间,平均值为1.08,这与理想的原生白云石的Mg/Ca原子百分比值(为1.00)十分接近,说明其为原生沉淀或早期白云石化成因,而其中两个极大值,与微生物(EPS)对Si、Mg等阳离子的吸附、富集作用有关[36]

表 1 研究区灯影组藻白云岩中白云石的Mg、Ca原子百分比扫描电镜能谱分析表 Table 1 The Mg and Ca atoms percent characteristics of dolomites of the Dengying Formation in the study area
样品编号 层位 样品描述 Mg/% Ca/% Mg/Ca
Y001-02 灯四段 蓝细菌化石,图 5H能谱分析 2.68 3.53 0.76
不规则状白云石,图 4E能谱分析 2.24 2.34 0.96
Y002-02 灯四段 片状、不规则状白云石 10.50 9.61 1.09
实心球状蓝细菌化石,图 5F能谱分析 11.63 2.88 4.04
卵状白云石,表面富集Si、Mg元素,图 4F能谱分析 6.95 1.31 5.31
球状白云石集合体,富集Si、Mg元素 7.46 4.86 1.53
Y003-03 灯四段 隐晶状泥晶白云石 9.51 7.55 1.26
Y004-02 灯四段 生物膜或EPS包裹的纳米粒状白云石,图 5D能谱分析 11.74 12.84 0.91
Y030-09 灯四段 片状白云石 10.76 10.90 0.99
Y009-04-02 灯二段 片状白云石,图 4D能谱分析 9.14 10.17 0.90
不规则状、片状白云石 12.62 15.65 0.81
不规则状白云石 2.82 1.96 1.44
Y010-03 灯二段 纳米粒状白云石 3.50 3.48 1.01
Y010-05 灯二段 纤维状白云石 8.26 7.92 1.04
纤维状白云石 8.30 5.86 1.42
Y012-03 灯二段 隐晶状泥晶白云石 11.43 11.97 0.95
空心球状蓝细菌化石,图 5G能谱分析 1.92 1.65 1.16
Y019-07 灯二段 不规则状白云石 9.85 9.15 1.08
不规则状白云石 9.61 7.54 1.27
Y021-03 灯二段 隐晶状泥晶白云石 10.37 9.07 1.14
隐晶状泥晶白云石 10.31 12.48 0.83
  注:(Y002-02)图 4F图 5F的能谱分析具有高Mg/Ca值,而与其相似的(Y012-03)图 5G的Mg/Ca值明显偏低,这是因为图 5G中的微生物化石是空心的,细胞壁太薄,小于SEM电子束直径,造成分析结果受周围的白云石干扰,呈现低Mg/Ca值特征。
3.3.2 微量元素特征

研究区灯影组藻白云岩的微量元素比值分析显示(表 2),Sr/Ba值多分布在5.33~17.76之间,平均值为11.88,U/Th值多分布在2.55~66.31之间,平均值为27.49,Ce/La多分布在1.54~2.79之间,平均值为1.86,利用古盐度、古氧相判别标准分析可知(表 2),藻白云岩主要形成于贫氧—厌氧的海相环境,与灯影期潮坪—潟湖相沉积的地质背景相吻合,且这种高盐度、缺氧环境正适合微生物生长。进一步分析发现,葡萄状、叠层状白云岩的Sr/Ba、U/Th、Ce/La平均值都较小,指示水深较浅、相对富氧的海相环境,而均一状、纹层状白云岩的平均值都较大,指示水深较深、相对贫氧的海相环境,这与它们的剖面旋回性结构规律基本一致(图 2)。

表 2 研究区灯影组藻白云岩微量元素分析表(μg/g) Table 2 The trace elements characteristics of algal dolostones of the Dengying Formation in the study area(μg/g)
样品编号 层位 样品描述 Sr Ba Sr/Ba U Th U/Th Ce La Ce/La
Y001-03 灯四段 均一状白云岩 35.65 2.46 14.49 0.27 0.02 12.09 0.34 0.20 1.66
Y002-03 灯四段 纹层状白云岩 43.85 2.47 17.76 0.35 0.02 16.57 0.70 0.41 1.70
Y005-07 灯四段 葡萄状白云岩 59.97 11.24 5.33 0.76 0.30 2.55 1.36 0.89 1.54
Y010-06 灯二段 葡萄状白云岩 79.34 5.18 15.33 0.45 0.02 25.00 0.29 0.15 1.89
Y012-03 灯二段 纹层状白云岩 43.95 5.30 8.29 0.93 0.02 38.83 0.30 0.18 1.70
Y013-03 灯二段 均一状白云岩 44.27 6.64 6.66 1.06 0.02 66.31 0.32 0.17 1.88
Y014-03 灯二段 叠层状白云岩 46.25 4.11 11.26 0.43 0.03 16.62 0.19 0.12 1.64
Y028-03 灯二段 纹层状白云岩 46.14 2.98 15.48 1.56 0.04 38.00 1.76 0.63 2.79
古盐度、古氧相判别[40-41] 淡水环境:Sr/Ba<0.6;半咸水环境:0.6≤Sr/Ba<1;咸水环境:Sr/Ba≥1 厌氧、准厌氧环境:U/Th>1.25;贫氧环境:0.75≤U/Th≤1.25;常氧环境:U/Th<0.75 厌氧、准厌氧环境:Ce/La>2.0;贫氧环境:1.5≤Ce/La≤1.8;常氧环境:Ce/La<1.5
3.3.3 碳、氧同位素特征

对研究区及邻区灯影组藻白云岩的碳、氧同位素数据进行了收集和分析(表 3),发现碳同位素(δ13CPDB)值多分布在-0.39‰~2.35‰之间,平均值为0.66‰,氧同位素(δ18OPDB)值多分布在-8.09‰~-3.31‰之间,平均值为-6.68‰,这与Veizer et al.[42]、黄志诚等[43]、罗贝维等[44]的研究结果具有较好的一致性,说明其未经成岩作用强烈改造,能反映原始海水性质。另外,通过原始海洋古盐度Z值和古温度T值计算公式分析可知(表 3),古盐度Z值多分布在122.51~129.75之间,平均值为125.33,指示海相(成岩)环境(Z值>120),而古温度T值多分布在32.49 ℃~58.88 ℃之间,平均值为50.61 ℃,这与灯影期研究区处于低纬度高温环境的地质背景相一致[43],且这个温度也适合微生物的大量繁殖[47]

表 3 研究区及邻区灯影组藻白云岩碳、氧同位素特征 Table 3 The carbon and oxygen stable isotopes characteristics of algal dolostones of the Dengying Formation in the study area
层位 样品描述 δ13CPDB/‰ δ18OPDB/‰ 古盐度Z 古温度T值/℃ 数据来源 地区
灯四段* 纹层状白云岩 0.77 -7.71 125.04 56.61 文献[45] 四川资阳
灯二段* 藻砂屑白云岩 -0.33 -8.09 122.60 58.88
灯二段* 藻白云岩 0.32 -6.91 124.51 51.94 文献[10] 四川盆地
灯二段* 藻白云岩 0.27 -7.99 123.86 58.28 文献[46] 四川资阳
葡萄状白云岩 -0.39 -7.99 122.51 58.30
灯二段* 均一状白云岩* 1.66 -3.31 129.05 32.49 文献[43] 四川峨眉山
灯二段 藻白云岩* 2.35 -4.74 129.75 39.91 文献[44] 四川峨边
  注:*表示由原文推测而得。古盐度Z=2.048×(δ13CPDB+50)+0.498×(δ18OPDB+50),古温度T=16.9-4.38δ18OPDB+0.1δ18OPDB2
4 讨论 4.1 白云石成因与微生物作用

如上所述,研究区灯影组藻白云岩中发育隐晶状和纤维状两种不同结构的白云石,它们分别指示微生物白云石和拟晶白云石两种不同的成因类型。这两种成因的白云石拥有不同的成因模式,在其形成过程中,微生物作用起到了决定性的作用。

与微生物岩(藻白云岩)相关的微生物作用(microbial activities)主要包括物理的(生物)稳定((bio-)stabilization)、障积、捕获、黏结(baffling, trapping and binding)等作用[48],以及化学的(生物和有机)矿化作用((bio-and organo-)mineralization)[49-50]。在本文中,灯影组微生物白云石和拟晶白云石的形成是生物—化学作用过程,主要受微生物矿化作用影响。传统观点认为,微生物矿化作用(microbial biomineralization)只有生物控制矿化和生物诱导矿化(biologically controlled and biologically induced mineralization)[51]。近年来,有机矿化作用(organomineralization)研究受到重视[52],Dupraz et al.[53]由此提出了生物影响矿化作用(biologically influenced mineralization),随后Bontognali et al.[54]实验证实了该观点,并将其修正为微生物影响矿化作用(microbially influenced mineralization),至此,第三种微生物矿化作用类型开始受到人们重视。在研究区,基于前文藻白云岩的宏观、微观和地球化学特征研究,认为微生物白云石主要由沉积、同生、准同生阶段微生物诱导和影响矿化作用(microbially induced and microbially influenced mineralization)形成,而拟晶白云石的形成除前期受微生物诱导矿化作用外,后期还受另一种微生物作用影响,本文暂且将其定义为一种新的微生物作用——微生物催化矿化作用(microbially catalyzed mineralization)。

(1) 微生物诱导矿化作用

微生物诱导矿化作用主要发生在沉积—同生阶段,其次是准同生阶段,与潮间带、潟湖环境下活跃的微生物新陈代谢活动有关,是主动的微生物作用。这些微生物主要为蓝细菌和硫酸盐还原细菌(图 5),它们为微生物白云石的形成提供了大量的成核位置(nucleation sites)和有利的微环境。由于成核位置众多,除了最初的纳米粒状微生物白云石(图 4EF)十分发育外,还大量发育由纳米似立方体粒状微生物白云石(图 5D)形成的片状微生物白云石(图 4D图 5H)。与这些纳米粒状、片状微生物白云石共(伴)生的矿物主要有黄铁矿(图 5E)、纤维状文石和高镁方解石(图 4HI),发育的构造主要为与微生物席有关的微生物诱导构造(MISS)(图 3BC图 5C)。

(2) 微生物影响矿化作用

微生物影响矿化作用主要发生在准同生阶段的潮上带环境中,是被动的微生物作用,微生物新陈代谢活动减弱,并出现大量死亡,微生物种类主要为硫酸盐还原细菌,其次为蓝细菌和中度嗜盐好氧细菌(图 5)。它们也能为微生物白云石的形成提供一定的成核位置和相对有利的微环境。但是,成核位置显著减少,主要由活着蓝细菌的EPS和死去蓝细菌的未水解的EPS共同提供。EPS的蜂窝状构造先吸附Si、Mg离子,后吸附Ca离子[36],这可以克服白云石形成的动力障,也是上文微生物白云石能谱分析中其表面富集Si、Mg元素(图 4F)的原因,并且导致了纳米球粒状微生物白云石的形成,随后,大量的纳米球粒状微生物白云石聚集形成微米级不规则状、球状和卵状微生物白云石。微生物白云石形成的微环境除受微生物调解作用外,还受准同生阶段的强蒸发作用影响,这可从与微生物白云石共(伴)生的粒状、片状、针状石膏以及鸟眼孔构造得到证实,此外,纤维状文石、高镁方解石以及MISS继续发育,微生物化石开始频繁形成(图 5)。

(3) 微生物催化矿化作用

由前文可知,次生的纤维状白云石与原生的微生物白云石密切共(伴)生,这暗示其与微生物白云石、微生物作用有着密切的成因关系。纤维状白云石可见明显的文石和高镁方解石前驱的假晶特征,关于其成因,可用拟晶白云石化作用(mimetic dolomization)加以解释。拟晶白云石化作用(mimetic dolomization)由Sibley[55]通过新生代与古生代的白云岩结构对比研究(新生代白云岩中保存有精美的原生结构和构造,而在古生代中少见)提出,其研究和定名的前身是Sibley[56]、Kaldi et al.[57]、Bullen et al.[58]、Sibley et al.[59]对白云石结构和白云石化作用类型的研究。后经Zempolich et al.[60]、Corsetti et al.[61]、Hood et al.[62]、Kaczmarek et al.[63]的补充、完善,拟晶白云石化作用逐渐被研究者们所接受。作者也曾对拟晶白云石化作用进行过详细研究[28],本文中将其定义为“高位体系域时期,在同生—准同生阶段的高Mg/Ca值、微生物(席)繁盛、相对高温的(潟湖和潮坪)沉积环境下,无机和微生物成因的高镁方解石或/和文石在结晶、析出的同时或之后快速发生的保留其原始结构和构造的白云石化作用”。在研究区灯影组中,葡萄状、纹层状、叠层状白云岩及微生物化石等中发育有典型的拟晶白云石(图 45),葡萄状白云岩的前驱矿物主要是(等厚)纤维状(环边)文石,纹层状、叠层状白云岩的前驱主要是(等厚)纤维状文石和高镁方解石,而微生物化石的前驱主要是隐晶状高镁方解石。拟晶白云石化作用过程中的微生物催化矿化作用主要是指,在同生—准同生阶段,活着的和刚死亡的微生物的EPS能持续吸附、聚集Mg离子,甚至其水解和去碳酸基(hydrolysis and decarboxylation)后也能释放Mg离子,始终保持富Mg的微环境,并使Mg离子能相对容易的进入经无机结晶作用和微生物诱导矿化作用等析出的纤维状或隐晶状文石和高镁方解石的晶格中,催化或促使它们在析出的同时或之后快速转变为白云石,并保留其晶体的形态和结构等特征。

4.2 藻白云岩形成过程讨论

研究区灯影组藻白云岩在成岩作用过程中未遭受强烈的改造作用,故其形成过程中最主要和重要的就是微生物矿化作用形成拟晶白云石和微生物白云石的过程。

(1) 拟晶白云石形成过程

拟晶白云石作用的本质是纤维状、隐晶状文石和/或高镁方解石发生白云石化并保留其假晶的作用和过程。具体的作用和形成过程在作者另一篇文章中[28]已有详细的描述,在此不再赘述。

(2) 微生物白云石形成过程

不同的微生物活动状态、作用方式和作用阶段形成的微生物白云石具有不同的形态特征(图 6)。微生物新陈代谢活动控制着微生物白云岩的宏观形态,如旺盛的微生物活动可以形成具(纹)层状构造的叠层石、纹层石,而衰弱的微生物活动一般形成无层状构造的均一石。微生物白云石的形成与微生物EPS密切相关。EPS是蜂窝状的有机网状物(alveolar organic network),其内的有机大分子或官能团起着酸性有机模板(organic template)的作用[36]。该酸性有机模板具有结构导向、电荷平衡(吸附阳离子)和影响沉积物元素组成等作用,可以提供成核位置,导致白云石的形成。在沉积—同生阶段,微生物新陈代谢活动活跃,EPS、生物膜、微生物席十分发育,微环境主要呈还原环境,EPS提供的成核位置众多,主要由微生物诱导作用形成大量纳米似立方体粒状微生物白云石(图 5D),并进一步组成(亚)微米级的片状微生物白云石(图 4D图 5H)。在准同生阶段,海平面下降,微生物新陈代谢活动减弱,微生物作用包括微生物影响和诱导作用,主要发生在潮上带的近地表环境中。该环境下的潜流带或孔缝中,还存在原始的海水,微环境受微生物调解和蒸发作用共同控制,成核位置由于微生物的死亡而大量减少,由存活微生物的EPS和死亡微生物未水解的EPS共同提供。所以,准同生阶段形成的微生物白云石相对较少,呈零星分布,但是由于微环境的相对稳定,微生物白云石个体稍大,形态多呈纳米球粒状以及由其组成的微米级不规则状、球状和卵状等(图 4EFG)。最后,片状、不规则状、球状、卵状微生物白云石与纤维状拟晶白云石一起组成具纹层状、叠层状、均一状等构造的藻白云岩(图 6)。

图 6 研究区灯影组微生物白云石形态演化特征 Figure 6 The morphological evolution of microbial dolomite of the Dengying Formation in the study area
4.3 葡萄状藻白云岩成因讨论

葡萄状藻白云岩成因的核心问题包括葡萄状构造成因和白云石化成因两个部分,作者前期也做了探讨性的研究[28],本文将对一些富有争议的问题进行再次探讨,以期抛砖引玉。

葡萄状白云岩中的“葡萄状”应是指“葡萄状构造”,而不能粗略地称为“葡萄石”。在沉积学研究领域,无论是在现代还是在地质历史时期中,葡萄状构造主要以碳酸盐海滩的葡萄石、葡萄状团块、胶结物,以及溶洞中的葡萄状充填物、洞穴沉积物(如石钟乳)等形式存在。目前,关于研究区及邻区灯影组葡萄状白云岩的成因问题,存在沉积—准同生成因和表生成因的争论。作者通过前期[28]及本文研究认为,两种成因都有存在,藻白云岩中的葡萄状白云岩,作为一种岩石类型,其更多的应是沉积—准同生阶段海水成因,而藻白云岩溶蚀洞、缝中的葡萄状充填物或沉积物应是表生阶段大气淡水成因。表生成因之所以备受研究者关注,很大一部分原因是因为灯影组中的相当大一部分矿产资源都赋存于岩溶葡萄状构造中,但是关于岩溶成因,目前的(锶同位素)地球化学证据更偏向于表生大气淡水成因,而传统沉积学的显微镜、阴极发光特征更偏向于准同生大气淡水成因。如何去综合分析、界定大气淡水作用阶段、规模,是值得进一步探讨的问题。

另外,还有一些有趣的问题值得关注。1)无论葡萄状构造是沉积—准同生成因还是表生成因,它的形成过程中都有微生物参与其中,那么微生物的作用是什么?微生物新陈代谢作用能调解其周围的微环境,诱导、影响矿物的生长,其微生物—矿物交互作用明显区别于矿物无机沉积作用。2)怎么区分沉积—准同生阶段和表生阶段的微生物及其作用?两个阶段具有不同的生长环境,微生物种类、群落组成、繁盛程度等都有区别,微生物—矿物交互作用也存在差异,如形成矿物的大小、形态、规模都有差异。3)若葡萄状构造是沉积—准同生成因,那么微生物在葡萄状构造和白云石形成过程中,起着什么作用,二者有无联系或差异?前文已有提及,微生物作用是一种综合作用,既能形成微生物白云石,也能催化文石、方解石转变为白云石,还能通过黏结、捕获矿物等方式形成葡萄状、叠层状、纹层状、凝块状等构造。这些问题的解答还很粗略,也存在纰漏,目前只能做尝试性的探讨,需要进一步的实例研究证实。

5 结论

(1) 研究区灯影组藻白云岩为一套在潮坪和潟湖环境下形成的微生物(碳酸盐)岩岩石类型组合,以叠层状、纹层状、葡萄状和均一状白云岩为主,其次为雪花状、藻砂屑白云岩和凝块状白云岩。

(2) 灯影组藻白云岩中发育两种不同结构、成因的白云石,分别是原生的隐晶状微生物白云石和次生的纤维状拟晶白云石,二者密切共(伴)生,其形成与蓝细菌、硫酸盐还原细菌、中度嗜盐好氧细菌、红藻等微生物的矿化作用密切相关。微生物白云石主要由沉积—准同生阶段的微生物诱导和影响矿化作用形成,而拟晶白云石主要由沉积—(准)同生阶段的无机结晶作用、微生物诱导矿化作用,以及同生—准同生阶段的微生物催化矿化作用、拟晶白云石化作用共同形成。

(3) 灯影组藻白云岩的形成过程中最主要和重要的是隐晶状微生物白云石和纤维状拟晶白云石的形成过程。在沉积—同生阶段,主要由微生物诱导矿化作用形成大量纳米似立方体粒状微生物白云石,并进一步组成(亚)微米级的片状微生物白云石,同时共(伴)生纤维状文石和高镁方解石;在同生—准同生阶段,主要由微生物影响矿化作用形成纳米球粒状微生物白云石, 并进一步组成微米级不规则状、球状和卵状微生物白云石,同时因微生物催化矿化作用发生文石和高镁方解石的拟晶白云石化作用形成纤维状拟晶白云石;最后,微生物白云石与拟晶白云石一起组成具纹层状、叠层状、均一状等构造的藻白云岩。

致谢: 感谢评审专家对本文提出的宝贵意见。感谢杂志社、出版商对本文的支持。感谢中国地质调查局成都地质调查中心和四川省地质矿产勘查开发局区域地质调查队为本文提供野外工作保障。感谢帮助本文的所有人。
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