从席底构造到第五类原生沉积构造:沉积学中具有重要意义的概念

发育微生物席或微生物膜的沉积底被形象地称为席底,在席底上由于微生物席的发育使沉积物富黏性而抗水流改造,并在沉积面和沉积层内形成一系列奇形怪状的原生沉积构造,如变余波痕、皱饰构造、微生物席碎片、纺锤状或次圆状收缩裂缝等等,这些构造都归为席底构造;与席底相对应,那些不发育微生物席或微生物膜的沉积面则称为混合底,在混合底上单个沉积颗粒受到水流剪切与变形作用的改造而形成诸如正常波痕等原生沉积构造,这些沉积构造则归为混合底构造。席底和席底构造的概念很重要,用来专指微生物沉积作用的产物而区别于混合底和混合底构造。从沉积学概念的演变方面分析,混合底构造就是1964年Pettijohn和Potter所定义的原生沉积构造,他们曾经将其归为4大类并且沿用至今;席底构造也就是微生物形成的(或相关的)原生沉积构造,由于其在形成机理和形态上与Pettijohn和Potter所定义的原生沉积构造存在较大的区别,Noffke 2001年认为其应该具有合适的分类位置,所以就将席底构造归为“第五类原生沉积构造”并纳入Pettijohn和Potter 1964年的原生沉积构造的分类体系之中。从席底构造到第五类原生沉积构造,概念的演变表明了万能的微生物在沉积作用过程中的重要性以及沉积学家对微生物沉积作用认识的深入。这些相关的沉积构造及其所形成的席底,就像叠层石(被当作正生长原生沉积构造)一样在前寒武纪地层之中较为普遍。随着后生动物的大规模出现而造成的寒武纪“农艺革命”(Agronomic revolution)的开始,显生宙的席底及其相关的席底构造多出现在那些不适宜后生动物居住的地方并大多被混合底及其相关的混合底构造所替代;因此,与微生物相关的原生沉积构造,除熟知的叠层石以外,在席底上发育的一系列原生沉积构造,由于其具有特别的指相意义并有助于古环境重塑而被很自然地归到“第五类原生沉积构造”。该类构造由于其在前寒武纪的普遍性和显生宙的局限分布性,特别是在生物大灭绝事件之后的灾难性泛滥,对于研究地球表层环境的演变具有重要意义。所以说,从席底构造到第五类原生沉积构造,是近年来沉积学发展过程中所出现的较为重要的基本概念。根据这一重要概念,对前寒武纪地层中一些常常被认为是遗迹化石、长期以来存在的“臼齿状构造谜”(Molar-tooth structure enigma)等奇形怪状的沉积构造的成因以及从前寒武纪到显生宙地层中均有分布的特殊的纹理化构造等,将会得到一些更加合理的认识;另一方面,关于微生物形成的原生沉积构造的研究,对于了解地球表层生物变化与沉积变化之间的复杂关系将会发现更多的新问题而得到进一步的思考与研究。     

前寒武纪“臼齿状构造谜”的一些认识：来自天津蓟县剖面高于庄组的信息

臼齿状构造是一种主要分布在前寒武纪非叠层石碳酸盐岩中的、特殊的“谜”一样的沉积构造,以发育一系列奇形怪状、大大小小的裂缝和裂隙为特征,这些裂缝和裂隙由等粒和均匀的微亮晶方解石充填。臼齿状构造时代分布的特殊性（新太古代至新元古代）以及分布的全球性,使其在显生宙还未发现类似的对等物。对臼齿状构造成因的不同认识使其成为“臼齿状构造谜”。天津蓟县剖面中元古界高于庄组（1600 Ma 至 1400 Ma）第3段隐晶质泥晶灰岩序列中的臼齿状构造,以其特别的沉积特征为了解“臼齿状构造谜”提供了一些有用的信息。这些特征包括：(1)臼齿状构造特别的形态学特征,(2)由微亮晶所充填的臼齿状裂缝具有明显的边界（以富集残余有机质和黄铁矿为特点）,(3)臼齿状构造的宿主岩石是不发育叠层石和纹理化构造的隐晶质泥晶灰岩,(4)与臼齿状构造常常共生的极为特别的宏观藻类化石等。因此,臼齿状构造可以解释为一种发育在席底生境中、由一系列复杂的作用过程所形成的、与微生物相关的原生沉积构造。作为前寒武纪最普遍的沉积现象,臼齿状构造为更好地理解复杂多变的前寒武纪碳酸盐岩提供了许多有意义的信息。     

微生物形成的原生沉积构造研究进展综述

早在上世纪60年代，沉积学家Pettijohn和Potter曾经将形成原生沉积构造的地质作用划分为剥蚀作用、搬运作用、沉积作用和变形作用。在沉积期间和沉积之后到沉积物还未固结之前由上述作用所产生的沉积构造被定义为“原生沉积构造”，包括各种类型的层理、层面上的各种作用痕迹以及各种变形现象。在该分类之中，叠层石被定义为突出沉积面的正生长构造，这种构造由微生物与同沉积胶结作用共同构建而成。上世纪90年代中期至今，随着研究程度的深入，沉积学家们越来越认识到除了叠层石以外，微生物还会形成一种并不突出于底层面的原生沉积构造，并被认为是微生物席或微生物膜与各种物理作用营力共同作用的产物。这些作用营力包括剥蚀作用、搬运作用、沉积作用和变形作用。该类沉积构造被定义为微生物形成的原生沉积构造并被归为第五类原生沉积构造。正如叠层石主要产在前寒武纪以及显生宙未受到后生动物强烈改造的浅水环境中一样，微生物形成的原生沉积构造也主要发育在前寒武纪，以及显生宙的一些未受到后生动物强烈改造的潮坪和潟湖等环境之中。因此，该类沉积构造（第五类原生沉积构造）的研究，对于前寒武纪沉积环境重塑具有重要意义。燕山地区元古界串岭沟组和大红峪组碎屑岩中的变余波痕、皱饰构造和纺锤状裂缝，是碎屑岩中微生物形成的原生沉积构造的代表； 高于庄组第三段非叠层石碳酸盐岩（以灰岩为主）层面上发育大型皱饰构造和变余波痕，是碳酸盐岩中微生物形成的原生沉积构造的代表。这些沉积构造的发现和初步研究，为今后进一步深入研究奠定了良好的基础。     

臼齿状构造成因新解——以天津蓟县高于庄组第三段为例

臼齿状构造（Molar—tooth structure）是一种主要发育在前寒武纪非叠层石碳酸盐岩中的沉积构造。由于形态多样且缺乏现代的类比物,国内外地质学家曾先后建立多种模式来解释其成因,这些模式大致可以归为两类：地震液化模式和生物成因模式。近年来,一种新的模式：气泡膨胀与迁移模式得到了地质学家的广泛引用。产在天津蓟县剖面高于庄组第三段非叠层石碳酸盐岩沉积序列上部的臼齿状构造,虽然可以应用气泡膨胀与迁移模式来解释其形成机制,但是,考虑到臼齿状构造可能是微生物席封闭沉积面所激发的气泡膨胀与迁移作用的产物,并且气泡可能是由于细粒沉积中微生物提供的有机质的裂解作用的结果,表明了臼齿状构造的形成间接地与微生物生命活动存在关联。因此,可以将臼齿状构造归为席底构造（第五类原生沉积构造）的一种类型。     

南口虎峪中元古界大红峪组混积岩系的层序地层划分——海侵砂岩中的微生物席碎片简介

北京西北郊南口虎峪一带的中元古界长城系大红峪组发育完整，以一套混积岩系为特征。在南口虎峪剖面中，海侵体系域砂岩地层与高水位体系域砂泥质白云岩和叠层石白云岩组成了较有规律的层序地层相序，可以作为混积岩系层序地层划分的典型代表。在大红峪组的海侵体系域砂岩中，交余波痕、微生物形成的砂质碎片和皱饰构造表明了席底的发育，特别是其中所发育的微生物砂质碎片不但代表了碎屑岩中的一种特殊的“内碎屑”，而且其特殊的形态和产出特点成为窥视前寒武纪砂岩中席底发育的一种典型标志，从而有益于今后对类似沉积构造的阐释与研究；高水位体系域砂泥质白云岩中的纹理化构造似乎也是一种席底构造，它与其中的叠层石生物丘一起代表了前寒武纪海底微生物孤军作战的特殊生境。对该剖面大红峪组的初步研究表明，在前寒武纪地层中，除了要关注叠层石之类的微生物沉积构造以外，碎屑岩中也存在微生物活动的若干证据印席底构造（第五类原生沉积构造），由此说明正是由于微生物新陈代谢的多样性才使其成为地球上无所不在及其无与伦比的巨大生物量。     

前寒武纪海侵砂岩中的微生物砂质碎片：以北京南口虎峪剖面大红峪组为例

碎屑岩中微生物形成的原生沉积构造,由于缺乏直接的微生物证据,其识别常常比较困难。位于北京西北郊的南口虎峪一带,古元古代晚期的大红峪组(1650～1600Ma),海侵体系域砂岩地层与高水位体系域砂泥质白云岩和叠层石白云岩组成了较为有规律的沉积相序特征,成为将大红峪组划分为三个三级层序的主要标志。在大洪峪组的海侵体系域砂岩层中,一种类似于碳酸盐岩中的“内碎屑”的奇特的砂质碎片,代表了前寒武纪海侵砂岩沉积面上曾经发育过微生物席;该砂质碎片与变余波痕和皱饰构造组成系列席底构造,特殊的形态和产出特点成为窥视前寒武纪砂岩中微生物席发育的一种典型标志。因此,南口虎峪剖面大红峪组海侵砂岩中的微生物砂质碎片及其相关的席底构造的发现,有益于今后对类似沉积构造的阐释与研究,特别是那些常常被厘定为前寒武纪古老的后生动物遗迹化石的沉积构造;同时也表明,在前寒武纪地层之中,除了要关注叠层石之类的微生物沉积构造以外,碎屑岩中也存在微生物活动的若干证据即席底构造(第五类原生沉积构造),这些特别的沉积构造对前寒武纪沉积环境重塑具有重要意义。     

豫西下三叠统刘家沟组微生物成因沉积构造

微生物成因沉积构造(MISS),是微生物与沉积物相互作用的结果,可作为地质时期微生物群活动的重要标识。至目前为止,MISS主要发育在前寒武纪浅海潮间带上部至潮上带下部及显生宙生物大灭绝后微生物繁盛时期的浅水环境。文中豫西宜阳刘家沟组发育了形态多样的MISS,主要为微生物席破坏相关构造,尤其以多边形网状和纺锤状脱水裂痕最多。该研究区发育的多种MISS类型,指示了该区域的一些古环境特征。     

鲁山地区中-新元古界汝阳群和洛峪群微生物席及其矿物显微构造特征

微生物成因沉积构造（Microbially Induced Sedimentary Structures, MISS） 是底栖微生物群及其生命活动与沉积物相互 作用形成的沉积构造,是微生物群生命活动的重要产物,多出现在陆源碎屑岩中,也是微生物群落在碎屑沉积中最重要的 地质记录。该类构造在前寒武纪的广布性和显生宙的局限分布性,对于研究地球表层环境的演变具有重要意义。通过对鲁 山地区野外露头发育的MISS的详细观察和描述,依据其成因和形态观察,将其分为微生物席生长构造（Mat growth feature）、 微生物席破坏构造（Mat destruction feature） 和微生物席腐烂构造（Mat decay feature） 三种类型,包括瘤状突起、不规则侧 向生长脊、多边形网状生长脊、多边形脱水裂痕、纺锤状脱水裂痕、不规则网状脱水裂痕、次圆状网状脱水裂痕、砂火山 构造等8个主要形态构造。根据宏观形态、镜下特征等,分析讨论了MISS的形态构造、成分、成因、沉积环境等。对含有 MISS石英砂岩的镜下石英颗粒及其矿物组分特征的研究发现,宏观上形态各异的MISS的镜下特征差别不大,并且在MISS 形成过程中生物物理沉积和生物化学沉积共同起着作用,同时也发现微生物群落可能多生长在中等水动力、沉积物为细粒 的环境中。     

中元古界非叠层石灰岩中的MISS:以北京延庆千沟剖面高于庄组第三段为例

前寒武纪碳酸盐岩多以叠层石碳酸盐岩序列为特征。燕山地区中元古界高于庄组,其中的第三段(张家裕亚组)则为一个以灰岩为主、贫乏叠层石的碳酸盐岩沉积序列,该序列被定义为前寒武纪非叠层石碳酸盐岩序列。该非叠层石碳酸盐岩沉积序列,尤其以燕山西部的延庆千沟剖面最为典型。根据沉积相序列及其所反映的旋回性,可以将该剖面的高于庄组第三段划分为3个三级层序。在这些三级层序的海侵体系域和早期高水位体系域中,中薄层隐晶质泥晶灰岩(均一石灰岩)和灰黑色薄层泥灰岩组成若干潮下型米级旋回;而在隐晶质泥晶灰岩层面上,普遍发育各种奇形怪状的沉积构造。这些沉积构造包括穹窿状构造、规则网状和杂乱的帐篷脊、变余波痕等,构成一个潮下相灰岩层面上的特别的微生物形成的沉积构造(Microbial Induced Sedimentary Structure,MISS)组合。因此,延庆千沟剖面的高于庄组第三段,特别的岩石类型和沉积构造成为前寒武纪碳酸盐岩沉积中非叠层石碳酸盐岩沉积序列的典型代表,尤其是那些奇形怪状的MISS所代表的沉积学特点表明:在前寒武纪,即使在叠层石生长的黄金时段,也发育非叠层石碳酸盐岩沉积序列。因此,这些现象将特别有助于对前寒武纪非叠层石生态系所造成的另一类席底生境的深入理解,也有助于复杂多变的碳酸盐岩世界。     

燕山地区中元古代高于庄组非叠层石碳酸盐岩序列的沉积特征及其重要意义

在燕山地区中元古代高于庄组一套厚度千余米的碳酸盐沉积序列中,第三段组成一个特别的非叠层石碳酸盐岩序列。两个剖面(天津蓟县剖面和北京延庆千沟剖面）的详尽观察与研究结果表明：高于庄组第三段的非叠层石碳酸盐岩沉积序列以灰岩序列为特征,厚度为300 m至600 m不等,在蓟县剖面发育有存在成因争论的臼齿状构造,在延庆千沟剖面发育奇形怪状的席底构造。该非叠层石碳酸盐岩沉积序列表明,在前寒武纪除了3次叠层石衰减事件(分别发生在2 000 Ma、1 000 Ma和675 Ma）外,在1 450 Ma左右还可能发生过一次叠层石衰减事件。再者,高于庄组第三段构成的非叠层石碳酸盐岩沉积序列,可以大致与北美地区的Belt超群中的Helena组非叠层石碳酸盐岩沉积序列相对比,从而表明了1 450 Ma左右的叠层石衰减事件因具有全球性而有重要意义。在漫长的前寒武纪,臼齿状构造常常集中发育在叠层石衰减事件之后,因此,尽管这两种沉积构造的成因还不完全清楚却成为了解前寒武纪世界的重要线索。1 450 Ma左右的叠层石衰减事件,正好处于叠层石发育的黄金时段(2 800 Ma至1 000 Ma）,对该次事件的识别,有助于正确认识漫长而复杂多变的前寒武纪碳酸盐世界。     

中元古代叠层石—非叠层石碳酸盐岩层序地层序列及其沉积特征——以北京延庆千沟剖面高于庄组为例

北京延庆千沟剖面中元古代高于庄组为一套发育在海侵砂岩上的叠层石—非叠层石碳酸盐岩沉积序列,厚度千余米,包括4段:第一段(或称为官地亚组)主要为海侵砂岩地层;第二段(或称为桑树鞍亚组)为发育少量叠层石的含锰白云岩和灰质白云岩地层;第三段又称为张家峪垭组,为一套以均一石灰岩为主的地层序列,发育席底构造且贫乏叠层石;第四段(环秀寺亚组)以叠层石礁白云岩为特征。与蓟县剖面相比较,该剖面的高于庄组具有以下特点:(1)第一段厚度百余米的海侵砂岩地层不但表明了与下伏大红峪组之间存在较为明显的区域不整合面,而且与蓟县剖面厚数百米的叠层石白云岩地层形成明显的区别;(2)在第三段的非叠层石碳酸盐岩沉积序列中,未发现臼齿状构造,但发育丰富而典型的席底构造,而且以均一石灰岩为特征;(3)第四段的厚度为500余m,由罕见的叠层石礁序列所组成。这些特征表明,千沟剖面的高于庄组组成了一个复杂而有序的叠层石—非叠层石碳酸盐岩沉积序列,成为依据沉积相序列进行前寒武纪三级层序划分和二级层序合理归并的典型实例。更为重要的是,第四段中的叠层石生物礁和第三段的均一石灰岩序列的存在,反映了一些值得进一步研究的问题:如前寒武纪叠层石生物礁的沉积模式,非叠层石灰岩序列是否代表了一次叠层石衰减事件等等。     

豫西济源二叠纪末-三叠纪初陆相微生物成因构造及其古环境意义

在豫西济源地区发现的陆相微生物成因构造（Microbially Induced Sedimentary Structures,MISSs）,主要发育在孙家沟组和刘家沟组,可分为2大类即微生物席生长构造和微生物席破坏构造,8小类即生长脊构造、瘤状突起、曲形脱水裂痕、纺锤状脱水裂痕、似正弦状构造、树枝状脱水裂痕、多边形脱水裂痕和直脊状脱水裂痕。镜下分析显示具有大"U"形脊、定向排列的石英颗粒、近平行的暗色黏土矿物条带及悬浮排列的云母颗粒等微生物成因特征。通过与鲁山、黎城中元古界以及宜阳、柳林早三叠系微生物成因构造对比研究,认为研究区的微生物成因构造具有较为特殊的埋藏学特征,受二叠纪末灾变事件、适宜的沉积条件和气候因素控制,代表着研究区以微生物群落为主、后生动物稀少、植被贫乏、气候炎热和水土流失严重等特征的一种陆相灾后生态系。     

山西黎城中元古界常州沟组微生物成因构造(MISS)及其地质意义

在山西黎城县西井镇彭庄至大井盘公路旁剖面以及黄崖洞景区发育大量的微生物成因构造(MISS),多发育在砂岩表面。由于构造形态奇特,被误以为各种遗迹化石或是不规则的泥裂构造。依据其形态特征、成因构造和前人分类方案,将研究区此类构造分为3种类型,即微生物席生长构造、微生物席破坏构造和微生物席腐烂构造,以及9个不同形态构造,即小瘤状突起、圆顶大瘤状突起、不规则侧向生长脊、大脊状生长构造、纺锤状脱水裂痕、多边形网状脱水裂痕、曲形脱水裂痕、微生物席砂片、砂火山构造,对9种不同形态的MISS进行了详细的论述。对研究区微生物成因构造(MISS)的成因进行了探讨,与豫西鲁山地区、贺兰山苏峪口地区、北京南口地区、河北兴隆地区发育的MISS及地层特征进行类比,认为MISS对华北地台中元古代地层对比以及古环境研究有重要的指导意义。     

辽宁兴城中元古界常州沟组砂岩中微生物成因沉积构造

辽宁兴城夹山中元古界常州沟组潮间带相砂岩层面产出裂隙状构造。这些构造由0.8~3 cm长的纺锤状短裂隙和超过7 cm的长延伸裂隙组成,孤立为主,部分相连。通过与类似的层面裂隙和现代微生物席干缩裂隙的比较分析,将其解释为微生物成因沉积构造分类体系中的收缩裂隙（Shrinkage crack）,并参考席裂多边形（Mat-crack polygon）的术语称其为席裂（Mat-crack）。微生物席在脱水不充分的情况下形成纺锤状席裂,脱水充分的情况下形成席裂多边形。这些构造在常州沟组的出现,表明微生物生态系统在华北克拉通中元古代海侵初期已经开始影响古海岸带的地质作用,这对于恢复燕山裂陷槽盆地的生物—沉积作用和环境演化具有重要意义。     

Sedimentary Features and Implications for the Precambrian Non-stromatolitic Carbonate Succession: A Case Study of the Mesoproterozoic Gaoyuzhuang Formation at the Qiangou Section in Yanqing County of Beijing

In the long Precambrian period, stromatolitic carbonate successions were very common. However, the non-stromatolitic carbonate succession that is marked by subtidal deposits shows a sharp contrast to the stromatolitic carbonate succession. Both the non-stromatolitic and the stromatolitic carbonate successions are important clues for the further understanding of the evolving carbonate world of the Precambrian. The Mesoproterozoic Gaoyuzhuang Formation at the Qiangou section in northwestern suburb of Beijing is a set of more than 1000 m-thick carbonate strata that can be divided into four members （or subformations）, in which a non-stromatolitic carbonate succession marked by the scarcity of stromatolites makes up the third member of the formation. This non-stromatolitic carbonate succession can further be subdivided into three third-order sequences that are marked by the regular succession of sedimentary facies. In third-order sequences, a lot of subtidal carbonate meter-scale cycles made up of medium-bedded leiolite limestones and thin-bedded marls constitute their transgressive system tracts （TSTs） and the early high-stand system tracts （EHSTs）, a lot of meter- scale cycles made up by thin-bedded limestones and marls constitute their condensed sections （CSs）, and thick-bedded to massive dolomitic limestones or lime dolomites make up the late high-stand system tracts （LHSTs）. The particularly non-stromatolitic carbonate succession making up the third member of the Mesoproterozoic Gaoyuzhuang Formation at the Qiangou section might be the representative of the non-stromatolitic carbonate succession of the Precambrian because of its special lithological features and particular sedimentary structures, and its general sedimentary features are helpful and meaningful for the further understanding of the evolution rules of the sophisticate and evolving carbonate world of the Precambrian. The time scale of the Gaoyuzhuang Formation is deduced as that from 1600 Ma to 1400 Ma; thus, the non-stromatolitic