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叠层石形成的主控因素分析

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 285次


基金项目:国家自然科学基金项目(项目名称:《中扬子台地早奥陶世微生物岩及其控制因素》。编号:41572322,时间:2016.01-2019.12)和2016年国家级大学生创新训练计划项目基金(编号:2015009)联合资助。

第一作者简介:程俊,(1993-),男,本科生,现主要从事地质学专业的学习, 湖北武汉蔡甸长江大学武汉校区地球科学学院 430100 18086457312 Email529033789@qq.com

通讯作者简介:肖传桃,(1965-),男,教授,地质系主任,博士研究生导师,研究方向地层学及沉积学,ctxiao@yangtzeu.edu.cn

 



 

摘要:关于叠层石形成的主控因素在叠层石的研究中缺乏理论性的总结。文章综合有关叠层石形成条件的研究成果,结合一些地区产出的叠层石实例, 综合运用地球化学分析和沉积相分析方法,指出叠层石的形成是沉积环境和形成叠层石的微生物共同作用的结果。初步探讨了微生物在叠层石形成中的控制作用、通过实例具体分析了沉积水体的盐度、温度、能量以及陆源碎屑注入对叠层石形成的影响;对比论述了后生动物的演化和环境因素在叠层石的形成与衰减的过程中谁占主导作用。

关键词:叠层石  形成  主控因素

中图法分类号:Q913.2         文献标识码:A

The Analyses on the Main Controlling Factors

in the Formation of Stromatolites

CHENG Jun   XIAO Chuan-tao   HU Hui-ting 

School of Geosciences, Yangtze University, Wuhan 430100, Hubei, China

Abstract: The main controlling factors in the formation of stromatolites lack a theoretical summary.On the basis of the previous research achievements,the research indicates that sedimentary environments and the microorganisms which are the biological components of the stromatolites affect its formation together with analyzing the typical cases by the methods of geochemistry and sedimentary facies.The preliminary discussion demonstrates that the microorganisms play a controlling role in its formation.The salinity,temperature,energy of the water as well as the terrigenous detritus to the sea is how to influence the formation of stromatolites.At last,this paper discusses what is the dominant function in the formation and decline of stromatolites beween the evolution of metazoans and changing environments.

Key WordsStromatolite ;Formation;Main controlling factors

 

0 引言

自Kalkowsky创造了“叠层石(stromatolite)”名称以来[1],人们对叠层石的认识在不断的深化和发展[2-4],在此期间,关于叠层石与微生物席、叠层石的形成机理、叠层石与矿产资源、叠层石的命名和分类、叠层石的生物地层学意义等基础研究已经取得了一定的进展[5-18]。然而, 有关叠层石形成因素研究虽有涉及,但多局限于某一地产出的叠层石的研究,缺乏综合性的对比和总结[19-24]。作为地球上最古老的化石之一,正如Knoll等所说:“在地球历史上最初85%的记录中,叠层石是碳酸盐岩中最重要的沉积特征,是地球上探索生命起源和生物演化的直接证据”[25]。因此,对叠层石形成的主控因素研究具有深入探讨生命起源和生物演化的重要意义。本文在前人有关影响叠层石形成的因素方面的研究成果基础上加以对比和总结,旨在推动该领域的进一步深入研究。

 

1 概述

叠层石的发现距今已有两百多年的历史,Kalkowsky创造了“叠层石(stromatolite)”名称,并提出了叠层石“或是由纯粹的叠层纹层组成,或是由厚或薄的夹有少量矿囊、鲕石和数量不等的岩屑的许多薄层叠层纹层组成”的观点[1]。Walcott对在元古宙硅质叠层石纹层中首次发现似蓝菌的微化石的研究中,提出叠层石是在非海相环境下碳酸钙通过蓝菌的作用沉淀而形成的观点[26]。之后,Black对巴哈马群岛安德罗斯岛的藻类沉积物的研究,Ginsburg对佛罗里达州潮坪的藻席的研究以及Logan对西澳大利亚鲨鱼湾(Shark Bay)的研究,证实了海相环境也有叠层石的存在[27-29]。Walter指出“叠层石主要是蓝菌类的微生物,通过生长和新陈代谢作用捕获、粘结和沉淀沉积物,形成的一种生物沉积构造”;Riding根据对叠层石形成过程中蓝藻类的微生物通常以层状微生物席的形式出现给出叠层石一个十分简明的定义:“叠层石是一个层纹状底栖微生物席的沉积”;我国曹瑞骥指出“叠层石是由蓝藻类的微生物(少数为细菌、真菌或真核藻类)在特定的环境下与无机沉积物相互作用共同构成的一种生物沉积建造体”[10,30-31]

 

2 中国叠层石研究概述

中国叠层石的研究起步较早,大致可以分为建国前和改革开放以来的两个时期。20世纪20年代,葛利普(Grabau,1922)首次引进了Walcott关于叠层石的概念,田奇璀在1923年报道了北京西山晚前寒武纪地层中产出的叠层石,高振西等(1934)确认蓟县古、中元古代地层高于庄组产出叠层石Collenia cylindrical Grabau,杨杰(1936)在山西五台地区滹沱群中发现Gymnosolen属的叠层石。从20世纪70年代到现在的四十余年的时间里,地质工作者在国内多个地点发现不同时代的叠层石[14,19-20,31-36](表1),叠层石研究进入快速发展阶段,至1993年,朱士兴等编著了《中国叠层石》,这是中国第一本较全面论述叠层石的著作,进入新世纪以来,随着大量区域性叠层石生物地层学资料的积累,曹瑞骥与袁训来2006年编著了《叠层石》,这些著作对叠层石的研究成果进行系统的归纳总结,在大量的研究成果中,不乏对影响叠层石形成的因素方面有过涉及,但多局限于某一地产出的叠层石的研究[19-24],缺乏综合性的对比与总结。

1 中国叠层石主要分布点资料统计

Table 1 Statistics of main distribution of the Stromatolites in China

3 叠层石形成的主控因素

影响叠层石形成和生长的因素很多,本文认为生物作用和沉积环境是叠层石形成的主控因素,在沉积环境因素中,水体盐度、温度、水动力条件以及陆源碎屑物质又是主要因子。

3.1 生物作用

叠层石的生物组分主要是蓝藻类的微生物,蓝藻类的微生物是叠层石的本质特征,在叠层石形成过程中发挥着绝对控制作用。

微生物席(Microbial Mat)作为现代生物学上的术语,广泛应用在叠层石的研究中。Awramik(1984)指出“微生物席是一个极为动态的和复杂的小自然生态系统”;曹瑞骥对巴哈马安德罗斯湖岛潮上水塘现代微生微席、张昀和Copper(1984)对北美古元古代冈费林特组叠层石中的微生物席、曹瑞骥和袁训来对我国苏北新元古代九顶山组叠层石中的微生物席的研究[14,37-38],揭示了微生物席是由微生物组成呈丝状和球状的微生物群落的生物构成本质属性。并且曹瑞骥对巴哈马安德罗斯湖岛潮上水塘现生微生物席的研究中发现:①造席丝状体表面常粘结少量碎屑;②有时丝状体表面布满等粒径的方解石晶体[37]

Decho研究表明细菌、蓝细菌以及硅藻等都能够分泌出大量的胞外聚合物(EPS , Extracellular Polymeric Substances)。EPS聚集在细胞外面,起保护细胞的作用。而且EPS还具有粘性,能够在水体环境中将细菌群体或群落组成的微生物膜同基底连接、粘附在一起,保持细菌群体或群落的稳定性,阻止了它们的扩散,有助于细菌群体或群落新陈代谢反应的进行,细菌群体或群落新陈代谢反应的进行又产生了更多的EPS,EPS有助于CaCO3 沉淀[39]

微生物的光合作用能够通过对水体中溶解的无机碳(DIC ,Dissolved Inorganic Carbon)的吸收,从而直接影响水体的化学性质, 创造有利于CaCO3 沉淀的碱性水体环境。微生物进行的光合作用促进EPS 形成高度的水合网络空间, 这种水合网络空间可以从外部CaCO3 过饱和水体中吸附二价离子并降低内部的扩散速率, 使生物膜中富含Ca2+和Mg2+, 进一步提高Ca2+和Mg2+在微环境中的过饱和程度,促进CaCO3 的沉淀。对现代生成的钙化物的研究发现, 这种生物膜内部微环境中的CaCO3 的过饱和程度可以达到周围水体CaCO3 饱和程度的10 倍以上[40,17]。此外微生物的硫还原作用也能促进CaCO3 的沉淀。并且,在生物席的表面和生物膜的内部所发生的钙化作用——被认为是元古代叠层石形成的重要过程(Gebelein,1976), 受到了微生物生命光合作用和硫还原作用的控制和影响。研究表明在光合作用和硫还原作用较明显的位置CaCO3 的沉淀量也较大, 有助于泥晶纹层的快速形成和成岩作用[41]

从以上的讨论中可以看出,微生物是微生物席的最主要的组分,生物能分泌EPS、生物能进行光合作用和硫还原作用。不难看出,在叠层石形成过程中,无论是对沉积物的捕捉、粘附还是原地碳酸盐的沉淀, 构成叠层石的微生物作为媒介起着关键的作用。

 

3.2 沉积环境

生物及其组合在地层中的纵向和横向分布是严格受其生活方式和环境条件(如水深、水温、盐度、水动力条件、氧的含量、基底性质及营养物质丰度和种类等) 控制[42],而结合实例分析,水体盐度、温度、水动力条件以及陆源碎屑物质是影响叠层石形成的主要因子。

 

3.2.1 水体盐度

前寒武时期叠层石在各种水体环境中广泛存在, 而在进入显生宙以后则迅速衰落, Riding和Pentecost在谈及前寒武纪以后叠层石急剧减少的原因时,指出水体的盐度是影响叠层石形成的是重要原因之一[43]。这一认识来源于巴哈马地区、澳大利亚Shark Bay 和科威特的Sabkha 叠层石等现代海洋叠层石沉积的研究。人们发现巴哈马地区叠层石一般都生长在离河口和潮道很近的范围内, 在这种环境中,淡水与海水混合,水体具有较低的盐度,促进了蓝细菌席的生长和方解石的过饱和,是促使方解石的沉淀重要原因。而澳大利亚Shark Bay 和科威特的Sabkha 叠层石的形成的水体为超咸水环境,高盐度抑制了后生动物的生存,减少了后生动物的扰动作用,使叠层石的内部纹层构造能够保存。

虽然这一认识是基于现代海洋叠层石沉积研究得出的结论,但对地质历史时期中的叠层石研究仍具有指导意义。据研究, Sr /Ba 值是反映古盐度的重要指标:①Sr /Ba值在大陆淡水沉积物中< 1,而咸水湖和海相沉积物中> 1;②随盐度的提高而有明显增大的趋势[33]。对河北阳原东目连第四系叠层石、六盘山地区下白垩统六盘山群李洼峡组叠层石、柴达木盆地古近系新近系湖相叠层石和可可西里地区中新世五道梁群湖相叠层石的样品进行地球化学分析,反映了叠层石形成于低盐度或咸水甚至超咸水的环境(表2)。

2 六盘山、柴达木、河北阳原、可可西里叠层石Sr /Ba 特征

Table 2 The ratio of Sr and Ba of the stromatolites in Liupan Mountain area,Qaidam Basin,Yangyuan County of Hebei Province and Hoh Xil area

 

3.2.2 水体温度

现代叠层石多分布在热带或亚热带地区,如:澳大利亚Shark Bay、科威特海湾以及巴哈马地区。对现代形成叠层石的微生物进行室内培养实验,其结果表明,当最高温度低于1215℃时,蓝藻停止生长,处于“休眠”状态[44],反映了温度通过影响形成叠层石的微生物的生长进而影响到叠层石的形成。

海(湖)水中的CaO与MgO主要是陆源碳酸盐的流入和海(湖)水中地球化学过程的产物。当陆源碳酸盐流入少的情况下,CaO含量主要与蒸发率和气候有密切关系,炎热和干燥的气候条件有利于海(湖)水的蒸发和CaO的沉淀。六盘山地区下白垩统六盘山群李洼峡组和柴达木盆地古近系—新近系湖相叠层石形成于水体较为清洁[22,24],即陆源碎屑物质注入少的环境,叠层石中相对于藻礁较高的CaO含量和CaO/MgO值(表3)表明:叠层石形成时期是水体温度较高、蒸发量较大的干旱气候环境。此外,在我国南方发现的叠层石的研究也表明其形成于温度较高的环境[32,45]

3 六盘山地区和柴达木盆地叠层石和藻礁CaO含量和CaO/MgO比值特征

Table 3 The ratio of CaO and MgO and the contents of CaO of the stromatolites

and algal reefs in Liupan Mountain area and Qaidam Basin 

 

3.2.3 水动力条件

水动力条件即海平面变化影响叠层石形成后的形态。对现代巴哈马叠层石微生物席的研究表明,不同能量的波浪携带的颗粒对宏观藻类和微生物席的埋藏等影响不同,同时后生动物为躲避能量不同的风浪而对微生物席内部结构的也存在着不同的扰动强度。因此,水动力条件的不同会影响微生物席层理结构,进而最终塑造出具有不同宏观形态的叠层石(图1)。

 

1 水动力条件与叠层石形态的关系(据赵震,1994

Fig.1 The relationships between water dynamic conditions and the morphologies

of the stromatolites (from Zhao Zhen,1994)

1-层状叠层石;2-微型柱状叠层石;3-穹形叠层石;4-柱状叠层石;

5-球状叠层石(核形石);6-含弥散粒的锥形叠层石;7-锥形叠层石;

8-分叉柱形叠层石;9-小型礁体叠层石;10-生物鲕球状叠层石

1-laminated stromatolite2-Miniature columnar stromatolite3-periclinal stromatolite

4-columnar stromatolite5- spherical stromatoliteoncolite);6-pyramidal stromatolite

with dispersal grains;7-pyramidal stromatolite;8-pronged columnar stromatolite;

9-small stromatolite reef;10-oolite spheroidal stromatolite with biological components

我国在河南省西部的登封关口和三门峡渑池等地的寒武纪地层馒头组一段和二段中发现了叠层石,其宏观形态特征明显,类型丰富,形状多样。按形态分类可分为柱状、缓波状、半球状和围绕竹叶状砾屑灰岩生长的叠层石等4 大类8 小类[46]。根据各类叠层石与围岩的关系、以及围岩岩性的变化和层理结构、化石等沉积特征,可以推测不同类型叠层石形成的水动力条件,建立起叠层石的形态和水动力条件的对应关系(图2)。在间歇性暴露、水动力很弱的潮上带和水动力条件较弱的潮间带上部主要发育近水平状,缓波状和小柱状叠层石;而在在水动力条件较强潮间带中部和水动力条件很强潮间带下部至潮下带,叠层石以圆柱状为主,半球状和少量锥柱状以及围绕竹叶状砾屑生长的叠层石。

 

IMG_256

2 豫西寒武系馒头组叠层石的形态、沉积特征和沉积环境

Fig.2 The morphologies sedimentary characteristics  and forming sedimentary environments of the stromatolites from Cambrian Mantou Formation,Western Henan

 

3.2.4 陆源碎屑物质

陆源碎屑物质对叠层石形成的影响从根本上来说是影响了形成叠层石微生物的生存。原核生物繁衍适于湖水洁净程度较高的环境,陆源物质的大量注入引起的水体浑浊,会造成微生物的大量死亡[42,45],叠层石微生物席便无法保存,反映了陆源碎屑的注入与叠层石的形成关系十分密切。这一点在巴哈马的Highborne Cays得到了验证:当叠层石生长在频繁被沙子掩埋和饱受泥沙侵蚀力的磨损环境中且埋藏较快时,会造成微生物的大量死亡。

叠层石中的氧化物如SiO2、Al2O3、Fe2O3 和FeO等来源于陆源碎屑的氧化物,其含量也能在一定程度上反映同期陆源碎屑物的注入数量。在六盘山地区下白垩统六盘山群李洼峡组和柴达木盆地古近系新近系发现的叠层石中均伴随发育藻礁,地球化学分析对比(表4)可以发现,叠层石相对于藻礁有较低的SiO2、Al2O3、Fe2O3 和FeO的含量,应形成于陆源物质注入少的清洁水体环境。

4 六盘山地区和柴达木盆地叠层石和藻礁SiO2Al2O3Fe2O3 FeO含量特征

Table 4 The contents of SiO2Al2O3Fe2O3 and FeO of the stromatolites and algal reefs in Liupan Mountain area and Qaidam Basin 

 

4 后生动物对叠层石形成影响的讨论

叠层石与其他生物一样,在地质历史上经历了从局部出现到广泛发育再到逐步衰退的演变过程,现如今只能在一些特殊的环境中找到其踪迹。关于叠层石衰减的原因一直存在着后生动物竞争机制和沉积环境变革机制两派的对立。

对显生宙生物界而言,随着后生动物丰度在显生宙的增加,叠层石一直呈衰减趋势,并存在着两个显著的变化,即生物骨骼化作用和生物扰动作用[47]。并且,在实际的发现中,Reid 等在现代叠层石中发现大量内部纹层被蛤和海绵等生物破坏的痕迹,且有明显的生物痕迹被保存在纹层中[48]。我国学者曹瑞骥等在我国湖北保康马桥神农架群石家冲组的叠层石中发现了生物钻孔和食草动物破坏留下的疤痕[14]。常玉光等在河南登封寒武系地层中发现多层叠层石层顶部出现生物介壳层,且破碎程度较高,表明水动力条件的加强和大量后生动物的出现,后生动物啃食和破坏等占住了叠层石的生长空间[19]。现代巴哈马地区如果没有周期性鲕粒砂的沉积作用清除珊瑚藻等真核生物的生长, 叠层石的发育和微生物的生长就会停止[49]。这些事实都证明无脊椎后生动物对于这些叠层石的保存具有重要的影响。因此,支持后生动物竞争机制学派认为:从前寒武纪到今天叠层石明显减少的长期变化是对后生生物出现和成功演化的响应, 即微生物成因的叠层石的衰减是后生动物竞争的必然结果。

但坚持沉积环境变革机制学派认为,如果认同叠层石的衰减是后生动物成功演化的必然结果,又该如何解释前寒武纪叠层石的衰减?世界上动物最早出现的时间不早于5.8亿年[50-51]更多准确的叠层石丰度的数据证明了叠层石第一次开始衰减的时间约在2000Ma[52]远远早于后生动物的出现。如果后生动物的干扰作用是叠层石衰减的主要因素,叠层石和后生动物之间存在着此消彼长的关系。那么在后生动物的短暂减少的时期应该有利于叠层石的暂时增多。然而,事实并非完全如此,在显生宙后生动物至少经历了5 次生物大灭绝事件中,其中只有在晚泥盆世、晚二叠世叠层石形态种的数量有回升现象, 而在晚奥陶世、晚三叠世和晚白垩世的3 次后生动物灭绝事件之后却都没有出现叠层石形态种数量增加的地质记录[53]。而且Reid在对现代叠层石成因的研究中发现,生物钻孔虽然对叠层石的形成具有破坏作用,但这种微生物的钻孔在随后的充填过程中将颗粒粘结起来形成了横向上相连的泥晶层, 从而为叠层石提供了构造上的支撑作用。这些泥晶层随后被沉积覆盖形成了叠层石的内部纹层[54]

因此后生动物可能对叠层石的生长有一定的干扰作用, 但并不能证明是其衰减的主要原因。影响叠层石形成与衰减都应归于形成叠层石微生物的自身生长以及同沉积成岩作用和钙化作用,否则叠层石形成过程中积聚和保存过程都无法实现。Riding指出:“同沉积钙化作用对于微生物碳酸盐岩的形成、维持、保存和丰度起到了关键性的作用,在地质历史中扮演的角色要比后生动物竞争重要得多,重新认识同沉积成岩作用和钙化作用可以把叠层石衰减的原因转移到环境控制因素[53]”(表5)。而同沉积成岩作用和钙化作用又受周围沉积环境所影响,其依赖于海水化学成分中Ca2+的饱和程度,在整个地质历史中,海水中较高的Ca2+ 浓度与叠层石较高的丰度相吻合[55]。因此,叠层石发展的主要控制因素可以归结于海水化学条件变化即沉积环境变化及微生物自身的进化。正是由于沉积环境的变化促使一系列不利叠层石形成的因素叠加, 造成了叠层石在地球历史中呈现从开始出现、发育繁盛到衰减残存的长期演变过程。

5 叠层石衰减和发育的两种解释(Riding, 1997)

Table 5 Two interpretations of stromatolites decline and developmentfrom Riding,1997)

 

5 结论

1)叠层石的形成是特殊沉积环境和形成叠层石微生物共同作用的结果, 在其形成发展过程中, 记录了地质历史中环境和生物的演化,是地球上探索生命起源和生物演化的直接证据。

(2)生物作用体现在生物构成了微生物席的主要部分,微生物分泌的EPS、微生物的光合作用和硫还原作用以及微生物自身的钙化在叠层石的形成过程中起着绝对控制作用。叠层石沉积时的水体盐度、陆源碎屑物质注入对叠层石形成的影响体现在影响形成叠层石的微生物的生存;温度影响叠层石组成成分——CaCO3的沉淀;海平面变化即水动力变化影响叠层石形成后的形态。

(3)地史中的五次叠层石衰减不能简单地用后生动物竞争来解释,后生动物可能对叠层石的生长有一定的干扰作用, 但并不能证明是其衰减的主要原因。影响叠层石形成与衰减都应归于形成叠层石的微生物本身和沉积环境因素,环境因素对于叠层石的形成要比后生动物竞争更加重要。

 

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