豫西魯山汝陽群微生物成因構(gòu)造宏觀特征分析及其環(huán)境演化

鄭 偉，孫鳳余

（河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454003）

豫西魯山汝陽群微生物成因構(gòu)造宏觀特征分析及其環(huán)境演化

鄭 偉，孫鳳余

（河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454003）

豫西魯山地區(qū)汝陽群發(fā)育了大量形態(tài)特征多樣的微生物成因構(gòu)造(microbially induced sedimentary structures)，簡稱MISS，是微生物席或微生物膜與其他物理作用營力(如剝蝕作用、沉積作用、搬運(yùn)作用和變形作用)相互作用的產(chǎn)物，也可被視為一種廣義的遺跡化石，其最主要的兩種類型是多邊形網(wǎng)格狀脫水裂痕和紡錘形脫水裂痕。筆者通過對地層中發(fā)育的微生物成因構(gòu)造宏觀特征的描述和統(tǒng)計分析，探討了MISS與沉積環(huán)境之間的關(guān)系，認(rèn)為微生物成因構(gòu)造的總體特征演化規(guī)律與汝陽群趨于穩(wěn)定的沉積環(huán)境演化規(guī)律一致，其形態(tài)特征與微生物席厚、暴露時間頻繁與否有著密切的關(guān)系。

魯山；汝陽群；MISS；演化規(guī)律

1 引言

微生物在前寒武紀(jì)海洋中居統(tǒng)治地位，微生物席作為當(dāng)時微生物生命活動的主要產(chǎn)物之一，廣布于海底，其存在可以回溯到前寒武紀(jì)3.4 Ga[1]。前寒武紀(jì)微生物因缺乏鈣化外壁而很少能保存為實體化石[2]，故以往對前寒武紀(jì)微生物群落的認(rèn)識主要來自碳酸鹽巖地層中保存的生物沉積構(gòu)造（如疊層石、核形石及凝塊石），而對碎屑巖沉積條件下微生物群的發(fā)育與分布知之甚少[3]。二十世紀(jì)末，關(guān)于硅質(zhì)碎屑巖中的生物沉積構(gòu)造大量報道，促進(jìn)了這種生物沉積作用的研究[4-7]。這些沉積構(gòu)造被地質(zhì)學(xué)家命名為“席相關(guān)沉積構(gòu)造”[8]、“微生物席誘導(dǎo)構(gòu)造”、以及“微生物成因沉積構(gòu)造”（microbially induced sedimentary structures，簡稱MISS）[9]等。微生物群通過生命代謝、生長、破壞、腐爛等過程在沉積物中留下的各種生物沉積構(gòu)造，也可被視為一種廣義的遺跡化石[10]，廣泛分布在前寒武紀(jì)地層以及寒武紀(jì)以來后生動物缺乏的環(huán)境中。有關(guān)MISS及其生物地質(zhì)過程的研究近年來發(fā)展迅速，為深刻認(rèn)識地球早期生命演化及微生物與環(huán)境系統(tǒng)相互作用提供了重要信息，已成為當(dāng)前地球生物學(xué)（Geobiology）一個活躍的研究方向[3]。這種構(gòu)造在我國元古代碎屑巖地層中有廣泛分布[3,11]。筆者通過豫西魯山地區(qū)汝陽群發(fā)現(xiàn)的大量微生物成因構(gòu)造的宏觀特征及其所處沉積環(huán)境進(jìn)行研究和分析，得出微生物成因構(gòu)造與沉積環(huán)境之間的演化規(guī)律，希望能為前寒武紀(jì)微生物成因構(gòu)造研究提供佐證。

2 汝陽群區(qū)域地質(zhì)特征及沉積環(huán)境

豫西地區(qū)在構(gòu)造古地理上屬于華北地臺南緣。在古元古代末的中條運(yùn)動之后,華北板塊已初具規(guī)模，構(gòu)成了統(tǒng)一的華北古陸，進(jìn)入中元古代后，沿古大陸的南部邊緣又發(fā)生了大規(guī)模的裂陷運(yùn)動，形成了一個三叉裂谷系。大約1 450 Ma以后這個三叉裂谷系便進(jìn)入緩慢冷卻和熱收縮條件下的下沉階段，由此形成相對穩(wěn)定下降的沉積盆地，并接受了大量沉積，形成汝陽群（豫西）碎屑巖、碳酸鹽巖沉積組合[12]。

汝陽群剖面位于河南省中西部的魯山縣，剖面總厚度約1 530 m，與下伏熊耳群呈不整合接觸，與上覆洛峪群整合接觸。汝陽群自下而上可分為云夢山組、白草坪組、北大尖組三個組，各組之間均為整合接觸(圖1)。其沉積環(huán)境演化規(guī)律為，從下部云夢山組初期動蕩的海灘沉積到相對穩(wěn)定的海灘沉積、潮坪沉積和淺海相沉積的交替出現(xiàn)，再到中期白草坪組較為穩(wěn)定的海灘沉積、潮坪沉積以及淺海相沉積，一直到北大尖組穩(wěn)定的沉積模式，并逐漸過渡到陸源碎屑不充分的碎屑巖和碳酸鹽混合沉積，以及單純的碳酸鹽沉積。也就是說汝陽群經(jīng)歷了海侵和海退的交替出現(xiàn)，沉積環(huán)境從不穩(wěn)定到相對穩(wěn)定，再到穩(wěn)定，最后到陸源碎屑供應(yīng)不足，碳酸鹽巖沉積逐漸開始的沉積環(huán)境[12-17]。

圖1 豫西魯山汝陽群地層序列及研究剖面位置圖Fig.1 Localities of the studied sections and Simplified stratigraphic succession from Ruyang Group(Lushan outcrop)in Western Henan

3 汝陽群微生物成因構(gòu)造描述

研究區(qū)汝陽群發(fā)育了大量的MISS，主要分布在紫紅色、暗紅色石英砂巖層內(nèi)，在泥質(zhì)-粉砂質(zhì)細(xì)砂巖夾層與中粒砂巖交互的地方最為常見，常與波痕、薄層泥巖共生，以網(wǎng)格狀和紡錘狀MISS居多。Sehieber[18]將MISS分為四類，微生物席生長構(gòu)造(Mat growth feature)，微生物席破壞構(gòu)造(Mat destruction feature)，微生物席新陳代謝構(gòu)造(Mat Metabolism Structure)和微生物席腐爛構(gòu)造(Mat decay feature)四大類，以此分類依據(jù)為準(zhǔn)，該區(qū)發(fā)現(xiàn)的第二類MISS居多。微生物席破壞構(gòu)造多指由于微生物席遭受物理過程破壞而發(fā)生破裂、卷邊、變形、褶皺或被搬運(yùn)再沉積而形成的一系列相關(guān)構(gòu)造。常見的有各種形態(tài)的脫水裂痕(syneresis或desiccation cracks)、卷邊(curled mat margins)、席片(mat chips)、席卷(mat roll-ups)及部分微皺痕(mat wrinkles)構(gòu)造。其中最常見的是由于沉積表層暴露、微生物席脫水而形成的各種脫水裂痕；這也是地層中發(fā)現(xiàn)最多、容易識別的一類MISS。

表1示出汝陽群地層中MISS的描述及其沉積環(huán)境，從表中可以發(fā)現(xiàn)MISS主要發(fā)育于云夢山組地層中，且形態(tài)多樣；北大尖組次之，出現(xiàn)了特殊類型的蛇曲形和長彎棍形；白草坪組僅有幾層發(fā)育MISS。海灘環(huán)境的上臨濱到前濱，碎屑巖潮坪環(huán)境潮下帶到潮上帶下部都有分布，這表明在中元古代微生物席的定居環(huán)境是非常廣泛的。從MISS發(fā)育的豐度來看，海灘環(huán)境的前濱和碎屑巖潮坪環(huán)境的潮間帶最為豐富，種類也較多，這應(yīng)該是遠(yuǎn)古微生物席定居的最適宜區(qū)域[3]。微生物席脫水裂痕是地層中發(fā)育最多的類型，表明當(dāng)時的環(huán)境以淺水期為主，應(yīng)屬于濱海環(huán)境。MISS的間斷分布，表明當(dāng)時水深和水動力的變化，應(yīng)該與當(dāng)時小型的海進(jìn)和海退旋回相關(guān)。

表1 魯山地區(qū)汝陽群MISS描述Table 1 Features of the MISS in the Ruyang Group,Lushan Area

續(xù)表1 Table 1 Continuation

從表中也可以清楚地看出，在研究區(qū)發(fā)育的MISS主要以網(wǎng)格狀和紡錘狀脫水裂痕為主，并且有明顯的分布特點(diǎn)，即在海灘環(huán)境發(fā)育的MISS以網(wǎng)格狀脫水裂痕為主，而在潮坪環(huán)境發(fā)育的MISS以大小不一的紡錘狀脫水裂痕居多，且形態(tài)多樣。

網(wǎng)格狀脫水裂痕構(gòu)造，常由近直或略彎曲砂脊交互形成不規(guī)則的多邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。砂脊寬3～15 mm，突出層面2～8 mm不等。砂脊兩側(cè)發(fā)育明顯的“毛邊(frayed edges)”構(gòu)造或“撕紙效應(yīng)(paper blotting)”[3]，表明其由韌性微生物席脫水干裂所致。砂脊頂面均為平面，為上覆沉積物壓擠所致（圖版I-1、2）。其多發(fā)育在海灘環(huán)境，表明當(dāng)時的海灘出現(xiàn)了較長時間的暴露，直至厚層微生物席開裂形成多邊形。水位的降低是出現(xiàn)這種變化的原因，而且持續(xù)時間較長。這種大型多邊形脫水裂痕的大量出現(xiàn)，可能表明當(dāng)時海洋處于海退階段，那么，海灘上發(fā)育這種構(gòu)造可以作為小型海退的指示標(biāo)志。

紡錘狀脫水裂痕構(gòu)造，多呈紡錘狀，形狀大小不一，而且有的相互重疊(圖版I-3、4、5、6)，同時其砂脊并沒有明顯的上覆沉積物壓擠痕跡，可能脫水裂痕形成后剛剛被上覆砂質(zhì)沉積物充填，適宜的環(huán)境形成的微生物席又覆蓋上邊，但不是所有的地方都被覆蓋，所以有相互重疊的現(xiàn)象，表明為多期脫水裂痕所致。這些構(gòu)造多出現(xiàn)在云夢山組頂部、白草坪組和北大尖組。

4 汝陽群MISS特征統(tǒng)計分析

從4個方面對汝陽群發(fā)育的MISS進(jìn)行了統(tǒng)計分析，一是MISS的席厚，二是MISS的脊寬，三是MISS席厚與沉積環(huán)境之間的關(guān)系，四是MISS的脊寬與沉積環(huán)境之間的關(guān)系，下面逐一討論。

MISS席厚是通過脊高來估測的。從脊的起源來看，一是生長脊，突出于層面，它是微生物席生長到一定程度后側(cè)向生長產(chǎn)生的，與瘤狀、簇狀突起一樣，代表著較厚的微生物席的存在。二是微生物席脫水干裂后，裂隙被填充所形成的脊。由于微生物席干裂卷邊形成加厚邊緣，最后開裂處的充填物往往略高于兩側(cè)席面[19]。脊寬即為古代微生物席開裂空隙的充填后形成脫水裂隙的寬度，由于后期的脫水作用及成巖期的壓實等作用，往往會使脊高較原來低些，使脊寬較原來寬些，但其統(tǒng)計規(guī)律仍能反映出MISS宏觀的演化特征。

從圖2可以看出，汝陽群發(fā)育的MISS席厚表現(xiàn)為，云夢山組到白草坪組和北大尖組整體逐漸變薄，中間有輕微變化。

汝陽群MISS脊寬統(tǒng)計(圖3)表明,汝陽群MISS脊寬在云夢山組一段和二段下部較大，在二段中上部出現(xiàn)跳躍增長，到云三段、云四段和白草坪組逐漸趨于穩(wěn)定并逐漸變小，在北大尖組略有增長。

從圖4可以看出MISS席厚，在海灘的前濱環(huán)境MISS席較厚，在碎屑潮坪的潮間沉積環(huán)境表現(xiàn)的較為穩(wěn)定，席厚主要在4 mm附近浮動，個別略有跳躍。

汝陽群MISS脊寬與沉積環(huán)境間關(guān)系統(tǒng)計（圖5）表明，汝陽群MISS與沉積環(huán)境有著密切的聯(lián)系，脊寬在海灘沉積環(huán)境的前濱中跳躍明顯，總體表現(xiàn)脊較寬；脊寬在碎屑潮坪沉積潮間沉積中總體較為穩(wěn)定，其脊寬主要處在5～10 mm之間，有個別出現(xiàn)跳躍。

5 討論

MISS被認(rèn)為是微生物席群落與沉積環(huán)境相互作用的產(chǎn)物。多數(shù)人認(rèn)為組成古代微生物席的生物的優(yōu)勢種群是藍(lán)細(xì)菌（分子化石的證據(jù)），這種自養(yǎng)的光合細(xì)菌分布在微生物席的表層，主要有絲狀和球狀兩種形態(tài)，其優(yōu)勢地位一直持續(xù)到顯生宙，是淺水環(huán)境微生物席的主要建造者[20]。汝陽群MISS的大量分布，以及MISS在元古代的大量發(fā)現(xiàn)都說明了這些構(gòu)造在元古代碎屑巖潮坪環(huán)境具有相當(dāng)高的保存可能性，這種可能性很可能是由當(dāng)時的微生物群落控制，主要因為被微生物席定居的沉積界面能夠抵抗物理的侵蝕作用。這種抗侵蝕性以及微生物席對沉積物的粘結(jié)、障積、捕獲作用和內(nèi)生礦物（碳酸鹽巖、黃鐵礦等）的生成被推測是微生物席覆蓋地區(qū)沉積速率增加和形成厚的碎屑巖沉積根本原因[21]。目前報道的MISS主要集中在中－新元古代海相沉積中，或顯生宙的生物危機(jī)期，多發(fā)育在潮下帶上部到潮上帶下部的環(huán)境中，出現(xiàn)在中、細(xì)砂巖層面上。這些特征指示了古代微生物席分布的最適區(qū)域和生活環(huán)境。

總體來說，汝陽群發(fā)育的MISS有如下特征和規(guī)律：1）網(wǎng)格狀MISS主要發(fā)育在云夢山組，并且大部分出現(xiàn)在前濱環(huán)境，到白草坪組和北大尖組已經(jīng)很少見到網(wǎng)格狀MISS。紡錘狀MISS和其他一些類型MISS分布較為廣泛，在云夢山組、白草坪組和北大尖組都有發(fā)育，紡錘狀MISS主要出現(xiàn)在碎屑潮坪的潮間沉積環(huán)境，在北大尖組中上部發(fā)育多發(fā)育奇形怪

圖版1云夢山組的大網(wǎng)格狀MISS，砂脊頂被壓平Pic.1 The big Mesh-like and flat ridge MISS in the Yunmengshan Formation

圖版3云夢山組的相互重疊的紡錘狀MISSPic.3 The overlapping fusiform MISS in the Yunmengshan Formation

圖版5北大尖組的大鳥足狀MISSPic.5 The big pedate MISS in the Beidajian Formation

圖版2云夢山組的近圓網(wǎng)格狀MISS，砂脊頂被壓平Pic.2 The subrounded Mesh-like and flat ridge MISS in the Yunmengshan Formation

圖版4北大尖組的發(fā)育在波痕上的鳥足狀MISSPic.4 The pedate MISS with ripples in the Beidajian Formation

圖版6云夢山組紡錘狀、鳥足狀和不規(guī)則網(wǎng)格狀疊置的MISSPic.6 The anomalous Mesh-like MISS with pedate and fusiform MISS in the Yunmengshan Formation

圖2 汝陽群MISS席厚統(tǒng)計圖Fig.2 The cartogram of mat thickness of the MISS in the Ruyang Group

圖3 汝陽群MISS脊寬統(tǒng)計圖Fig.3 The cartogram of mat ridge width of the MISS in the Ruyang Group

圖4 汝陽群MISS席厚與沉積環(huán)境間關(guān)系統(tǒng)計圖Fig.4 The relationship between mat thickness of the MISS and sedimentary environments in the Ruyang Group

圖5 汝陽群MISS脊寬與沉積環(huán)境間關(guān)系統(tǒng)計圖Fig.5 The relationship between mat ridge width of the MISS and sedimentary environments in the Ruyang Group

2狀的MISS，其頂部為疊層石構(gòu)造。2）MISS個體特征從云夢山組到北大尖組呈現(xiàn)逐漸變小，并趨于穩(wěn)定。網(wǎng)格狀MISS多邊形直徑從云夢山組一段到二段下部逐漸變小，并穩(wěn)定在15～20 mm之間，在四段出現(xiàn)跳躍。MISS脊寬在云夢山組一段和二段下部較大，在二段中上部出現(xiàn)跳躍增長，到云夢山組三段、云夢山組四段和白草坪組逐漸趨于穩(wěn)定并逐漸變小，在北大尖組略有增長，其與沉積環(huán)境的關(guān)系呈現(xiàn)出在海灘沉積的前濱環(huán)境中跳躍明顯，總體脊較寬；在碎屑潮坪沉積潮間沉積中總體較為穩(wěn)定，其脊寬主要處在5～10 mm之間，有個別出現(xiàn)跳躍。從它們的形態(tài)可大體指示暴露時間的長短。從紡錘形到封閉的多邊形再到網(wǎng)格狀多邊形，如果不考慮溫度的影響，微生物席暴露的時間在逐漸增加。3）MISS席厚從云夢山組到白草坪組和北大尖組整體逐漸變薄，中間有輕微變化，最后基本穩(wěn)定在2～4 mm之間，其席厚與沉積環(huán)境的關(guān)系表現(xiàn)為在海灘的前濱環(huán)境MISS席較厚，在碎屑潮坪的潮間沉積環(huán)境表現(xiàn)的較為穩(wěn)定，席厚主要在4 mm附近浮動，個別略有跳躍，較網(wǎng)格狀MISS席厚薄。現(xiàn)代微生物席研究表明，潮坪環(huán)境微生物席的厚度從向陸一側(cè)向海逐漸增加，到潮上帶下部和潮間帶上部達(dá)到最大值，然后逐漸減少至潮下帶，呈楔狀分布[22]。因此，微生物席的厚度應(yīng)代表著一定的環(huán)境特征。4）從MISS發(fā)育的豐度來看，云夢山組出現(xiàn)了一個MISS發(fā)育的聚集區(qū)，這個區(qū)域在云二段，發(fā)育的MISS的類型多樣而且豐度很高。和其他區(qū)域相比，其特征非常明顯，即使在其他具有相似環(huán)境特征的區(qū)域也不見發(fā)育如此多的MISS。說明在這一時期微生物席是非常繁盛的。推測其原因可能是由于云一段出現(xiàn)的火山活動，使海水中含有豐富的礦物質(zhì)，有利于微生物的生長。在云夢山組頂部以及白草坪組，基本上只見紡錘狀脫水裂痕。這種改變可能源于后者泥質(zhì)沉積物的增加，不利于微生物席的生長[23]。

綜上所述，筆者認(rèn)為汝陽群MISS從云夢山組到北大尖組整體上是有其演化規(guī)律的，MISS個體從云夢山組到北大尖組逐漸變小，多邊形網(wǎng)格狀構(gòu)造的直徑也趨于變小，席厚也相應(yīng)變薄，反映出從云夢山組到北大尖組整體上演化規(guī)律與汝陽群的沉積環(huán)境趨于穩(wěn)定的演化規(guī)律一致，其外形特征可能與微生物席厚、暴露時間頻繁與否有著密切的聯(lián)系。

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Macro-analysis on the Microbially Induced Sedimentary Structures Features and the Sedimentary Environmental Evolution in the Ruyang Group of Lushan,Western Henan

ZHENG Wei,SUN Feng-yu
(Institute of Resources and Environment,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China)

Abundant Microbially Induced Sedimentary Structures(MISS)were preserved in the Ruyang Group of Lushan,Western Henan Province.They formed by the combining action of the microbial mat(or microbial film)with some kinds of physical actions such as denudation,sedimentation,transportation and deformation.To some extent,they can be regarded as trace fossils.Mesh-like and fusiform syneresis cracks are dominant.Based on the description and the macro-analysis on the MISS features,the authors discuss the relation between MISS and sedimentary environment,it is considered that the evolution of the MISS is consistent with the sedimentary environments.The morphological features of the MISS have a close relation to the thickness of microbial mat and their frequent exposure.

Lushan;Ruyang Group;MISS;evolution

P534.3;Q931

A

1672－4135(2011）03－0170-09

2011-02-21

國家自然科學(xué)基金：豫西寒武紀(jì)沉積底質(zhì)變革與造跡方式響應(yīng)（41072003）；濟(jì)陽坳陷區(qū)Mz/Pz不整合面揭示的地形演化過程研究（40902033）

鄭偉(1979-)，男，河南柘城人，講師，從事古生物學(xué)和沉積學(xué)研究工作，Email:zhengw99@hpu.edu.cn。