肖傳桃，吳彭珊，李沫汝，楊志偉，周思宇，郭瑞，張超

長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430100

0 引言

自Kalkowsky[1]1908年提出“疊層石(stromatolite)”術(shù)語(yǔ)以來(lái)，人們對(duì)疊層石的認(rèn)識(shí)在不斷的深化和發(fā)展[2-5]。長(zhǎng)期以來(lái)，在有關(guān)疊層石與微生物席、疊層石的形成機(jī)理、疊層石與礦產(chǎn)資源以及疊層石的分類(lèi)和命名和其生物地層學(xué)意義等研究領(lǐng)域中取得了許多成果[6-23]。作為地球上最古老的化石之一，在地球歷史上最早期的85%的記錄中，疊層石是碳酸鹽巖中最具有特色的沉積，是地球上探索生命起源和生物演化的直接證據(jù)[24]。因此，對(duì)疊層石形成的主控因素研究具有深入探討生命起源和生物演化的重要意義。

疊層石是微生物巖中的一種最常見(jiàn)類(lèi)型，是藍(lán)細(xì)菌等底棲微生物生命活動(dòng)與沉積作用相互作用而形成的一種特殊的原生紋層狀、波狀、柱狀等生物沉積構(gòu)造，這些原生生物記錄了大量的微生物與環(huán)境、地球化學(xué)和地球物理等方面的信息[25]。早古生代的兩次重要生物演化事件(寒武紀(jì)生物大爆發(fā)與奧陶紀(jì)生物大輻射)都與包括疊層石等微生物巖在內(nèi)的生物礁生態(tài)系統(tǒng)密切相關(guān)[26]。生物大爆發(fā)后不久的寒武紀(jì)早期，以古杯類(lèi)(Archaeocyathids)為主要格架的生物礁與微生物巖共生并大量繁盛[27-29]。寒武紀(jì)第二世末期的生物滅絕事件，導(dǎo)致古杯類(lèi)動(dòng)物造礁生態(tài)系統(tǒng)的全面崩潰[30-31]。這之后的寒武紀(jì)中晚期(即寒武紀(jì)第二世末期的生物滅絕事件到奧陶紀(jì)早—中期的生物大輻射事件之間約22個(gè)百萬(wàn)年的時(shí)間內(nèi))，古海洋中動(dòng)物骨骼較為匱乏，取而代之的是包括疊層石在內(nèi)的大量微生物巖的繁盛。該時(shí)期一直被認(rèn)為是微生物巖廣泛發(fā)育的時(shí)期[32-34]，也是生物礁生態(tài)系統(tǒng)由微生物巖建造向后生動(dòng)物建造的轉(zhuǎn)折時(shí)期[31]，而該時(shí)期的海洋也被稱(chēng)為“貧乏骨骼的海洋”[35-36]。疊層石等微生物巖的繁盛與這些重大生物事件可能具有密切的聯(lián)系，因此，詳細(xì)查明疊層石等微生物巖的類(lèi)型并深入進(jìn)行研究，對(duì)理解這些重大生物事件具有一定的指導(dǎo)意義。

在已有的文獻(xiàn)和成果中，有關(guān)前寒武系、寒武系、古近系、新近系和第四系疊層石研究成果較豐富，但關(guān)于奧陶紀(jì)疊層石方面的研究成果與實(shí)例很少[37-39]；鑒于此因，作者認(rèn)為，對(duì)下奧陶統(tǒng)疊層石的研究不僅豐富了我國(guó)疊層石的產(chǎn)出層位和類(lèi)型、對(duì)于奧陶系烴源巖的勘探具有經(jīng)濟(jì)意義，更重要的是本研究成果對(duì)于探索微生物巖發(fā)育與中奧陶世后生生物大輻射之間的關(guān)系具有重要的科學(xué)價(jià)值。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

本次研究的疊層石發(fā)現(xiàn)于湖北松滋南部地區(qū)下奧陶統(tǒng)，該區(qū)位于江漢盆地的西南部，在大地構(gòu)造位置上位于中揚(yáng)子地臺(tái)和江漢盆地的南緣。研究區(qū)奧陶系三統(tǒng)齊全，其地層序列與長(zhǎng)江三峽地區(qū)一致，下統(tǒng)自下而上包括南津關(guān)組、分鄉(xiāng)組和紅花園組，中統(tǒng)包括大灣組和牯牛潭組，上統(tǒng)包括大田壩組、寶塔組和臨湘組，但缺失五峰組。本區(qū)奧陶系以碳酸鹽巖沉積為主，間夾頁(yè)巖或鈣質(zhì)頁(yè)巖，總厚約為463 m。在區(qū)域構(gòu)造上，研究區(qū)奧陶系圍繞以三疊系為核部的仁和坪向斜周緣、以寒武系為核部的劉家場(chǎng)背斜周緣分布，在奧陶紀(jì)時(shí)期研究區(qū)經(jīng)歷了局限臺(tái)地、開(kāi)闊臺(tái)地、沉沒(méi)臺(tái)地、廣海陸棚以及奧陶紀(jì)末期深水盆地環(huán)境的演化過(guò)程[40-41]。其中，南津關(guān)組、分鄉(xiāng)組和紅花園期均發(fā)育疊層石，形成了本區(qū)下奧陶統(tǒng)最具特征的微生物巖沉積。

本次發(fā)現(xiàn)的疊層石微生物巖主要見(jiàn)于研究區(qū)南津關(guān)組、分鄉(xiāng)組和紅花園組。南津關(guān)組下部為灰色厚層—塊狀亮晶砂屑、礫屑灰?guī)r、凝塊石灰?guī)r、疊層石灰?guī)r及條帶狀泥晶灰?guī)r夾黃灰色頁(yè)巖，厚76.5 m；上部為灰色中—厚層、厚層—塊狀亮晶砂屑、礫屑灰?guī)r、泥晶白云巖、灰質(zhì)白云巖夾鮞?；?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r夾凝塊石云質(zhì)灰?guī)r，厚97.8 m。南津關(guān)組產(chǎn)有較多的化石，按它們產(chǎn)出的層位特征，似可明顯地劃分為兩個(gè)組合；下部為DactylocephalusdactyloidesAsaphopsisgranulatus組合，上部為Szechuanellaszechuanensis-Pseudobasilicussp. 組合。前者為宜昌剖面南津關(guān)組下部D.dactyloides-A.inflatus帶的化石，后者亦為我國(guó)揚(yáng)子區(qū)南津關(guān)組下部的重要分子，在長(zhǎng)陽(yáng)花橋，松滋卸甲坪均產(chǎn)于D.dactyloides帶的上部層位。Asphopsis一屬在西歐、北美均為T(mén)remadocian階下部的重要化石，因此，本區(qū)南津關(guān)組與宜昌地區(qū)南津關(guān)組可對(duì)比，其時(shí)代屬于Tremadocian早期[37,40-41]。

分鄉(xiāng)組下部主要為灰色中層亮晶砂屑灰?guī)r、核形石礫屑灰?guī)r夾凝塊石灰?guī)r等；上部為泥晶生屑灰?guī)r、亮晶藻屑灰?guī)r、薄層瘤狀灰?guī)r、厚層疊層石灰?guī)r等與黃褐色頁(yè)巖互層，化石豐富，本組厚71 m。分鄉(xiāng)組產(chǎn)較多化石，所產(chǎn)的三葉蟲(chóng)Tungtzeellaszechuanensis、T. sp.為揚(yáng)子區(qū)分鄉(xiāng)組及其相當(dāng)層位特有的帶化石，分布很廣。筆石化石較重要的有Acanthograptussinensis、A.sinensisvar.fenhsiangensis，其中Acanthograptus廣泛分布于云、貴、川等地的桐梓組上部，為分鄉(xiāng)組代表性帶化石。牙形石較重要的有Drepanodusarcuatus、Paltodusdelifer、Paroistodusnumarcuatus等，其中Paltodusdeltifer是始于分鄉(xiāng)組之底、消失于分鄉(xiāng)組之頂?shù)闹匾?，Drepanodusarcuatus為分鄉(xiāng)組P.deltifer-Triangulodusproteus帶的重要分子(朱忠德等，1995)[37,40-41]。Paroistodusnumarcuatus則為歐洲Tremadocian階上部重要化石，因此，本區(qū)分鄉(xiāng)組的層位應(yīng)屬于Tremadocian晚期。

2 疊層石發(fā)育特征

研究區(qū)的疊層石主要分布于松滋劉家場(chǎng)地區(qū)的南津關(guān)組、分鄉(xiāng)組和紅花園組(圖1)，從疊層石的發(fā)育演替情況來(lái)看，構(gòu)成了兩個(gè)疊層石建礁旋回，南津關(guān)組為第一個(gè)旋回，分鄉(xiāng)組和紅花園組為第二個(gè)旋回。

2.1 縱向發(fā)育特征

在上述三個(gè)疊層石建礁旋回中，南津關(guān)組發(fā)育3層疊層石，分鄉(xiāng)組和紅花園組各發(fā)育一層疊層石。總體來(lái)講，研究區(qū)下奧陶統(tǒng)自下而上疊層石的層數(shù)、厚度逐漸減少，規(guī)模也向上逐漸變小，但三個(gè)組沉積時(shí)期有各自的個(gè)性。其中，南津關(guān)組和分鄉(xiāng)組規(guī)模最大，紅花園組規(guī)模較小。在南津關(guān)組內(nèi)部，第一層和第二層疊層石厚度和規(guī)模較大，第三層疊層石規(guī)模較小，形成了規(guī)模由大至小的代表下奧陶統(tǒng)第一個(gè)疊層石建礁旋回。分鄉(xiāng)組和紅花園組各發(fā)育一層疊層石，不同的是分鄉(xiāng)組疊層石厚度和規(guī)模很大，紅花園組疊層石規(guī)模較小，兩者構(gòu)成了一個(gè)由大變小的疊層石建礁旋回。

2.2 橫向發(fā)育特征

從橫向發(fā)育特征來(lái)看，南津關(guān)組第一層疊層石發(fā)育在第二段的底部，為灰色厚層—塊狀疊層石灰?guī)r，厚約2.7～3.2 m。其底部為淺灰—灰白色色亮晶生屑含礫砂屑灰?guī)r，頂部為灰色、黃灰色泥質(zhì)條帶灰?guī)r。本層疊層石在橫向上的發(fā)育特征變化較大，不僅其層厚發(fā)生一定的變化，而且其紋層的疊置樣式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有明顯變化，在洈水響水洞一帶自東而西疊層石類(lèi)型呈現(xiàn)出柱狀、大型波狀、紋層狀以及凝塊狀(詳見(jiàn)下文中討論部分)，呈現(xiàn)疊層石類(lèi)型變化的橫向露頭范圍大約為2 km左右。在凝塊狀疊層石頂部可見(jiàn)食草動(dòng)物腹足類(lèi)Ecculiomphalus等生物化石。南津關(guān)組第二層疊層石發(fā)育在第二段的下部，為灰色厚層—塊狀疊層石灰?guī)r，厚約2.5～2.9 m，其底部為淺灰色亮晶砂屑灰?guī)r，頂部為黃色鈣質(zhì)泥巖。與第一層疊層石類(lèi)似，本層疊層石在橫向上的發(fā)育特征變化也較大，其紋層的疊置樣式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化，在研究區(qū)自東而西疊層石的類(lèi)型由柱狀、大型波狀變?yōu)榧y層狀，其中柱狀疊層石不僅單獨(dú)成礁，而且和Pelmatozoan(有柄棘皮動(dòng)物)聯(lián)合建礁，形成了地史上最早的Pelmatozoan生物礁[39]。南津關(guān)組第三層疊層石發(fā)育在第四段，為深灰色中—厚層疊層白云巖，厚約2.5～2.9 m，其底部為淺灰色亮晶礫屑灰?guī)r，頂部為灰色中層亮晶砂屑灰?guī)r。與前兩層疊層石不同，本層疊層石在橫向上的發(fā)育較局限，體現(xiàn)為一個(gè)規(guī)模較小的丘狀疊層石。

圖1 松滋地區(qū)下奧陶統(tǒng)巖性柱狀圖Fig.1 Lithologic column of Lower Ordovician in Songzi area

分鄉(xiāng)組疊層石發(fā)育在第二段下部，為灰色厚層—塊狀疊層石灰?guī)r，厚約7.5～8.2 m，其底部為淺灰色亮晶砂屑、生屑灰?guī)r，頂部為黃色泥巖。本層疊層石在橫向上也具有不同的發(fā)育特征，其紋層的疊置樣式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化，在研究區(qū)響水洞至雷家塌一帶自東而西疊層石的類(lèi)型由柱狀、大型波狀變?yōu)榧y層狀，其中柱狀疊層石不僅單獨(dú)成礁，而且和Calathium(瓶筐蟲(chóng))聯(lián)合建礁，形成了地史上最早的Calathium生物礁[42-43]。

紅花園組疊層石發(fā)育在本組底部，為灰色厚層—塊狀疊層石Calathium灰?guī)r，厚約2.2～2.5 m，其底部為淺灰色亮晶生屑灰?guī)r，頂部為黃色泥巖。本層疊層石主要以藻紋層形成存在，可以呈現(xiàn)獨(dú)自互相包裹的紋層，或者圍繞Calathium包裹生長(zhǎng)等形式生長(zhǎng)。在橫向上其發(fā)育特征變化較小。紅花園組疊層石主要集中于下部，向上明顯減少。

3 疊層石的類(lèi)型及沉積特征

有關(guān)疊層石的分類(lèi)方案較為復(fù)雜，目前的分類(lèi)方法主要有四種，一是根據(jù)疊層石的成因進(jìn)行分類(lèi)，分為骨骼疊層石、黏結(jié)疊層石、石灰華疊層石、細(xì)粒疊層石和陸生疊層石等；二是根據(jù)疊層石的形態(tài)類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，并分為超群、群、形、亞形等級(jí)別；三是根據(jù)生物學(xué)采用的雙名法對(duì)疊層石進(jìn)行屬、種的分類(lèi)[14,21]，但屬、種不具有生物學(xué)演化上的含義；四是根據(jù)疊層石幾何形態(tài)進(jìn)行分類(lèi)，可以分為：層狀疊層石、波狀疊層石、丘狀疊層石、柱狀疊層石、指狀疊層石等。關(guān)于疊層石的分類(lèi)述評(píng)有學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了討論[44]，本文不做贅述。由于前人對(duì)奧陶紀(jì)疊層石研究較少，本文根據(jù)幾何形態(tài)特征將研究區(qū)的疊層石分為以下幾種類(lèi)型，即層狀、波狀、柱狀、丘狀以及凝塊石狀，其中凝塊狀疊層石是本文新命名的疊層石類(lèi)型。

3.1 層狀疊層石

層狀疊層石又稱(chēng)席狀疊層石，其紋層具有近水平或略有波狀起伏特征(圖2A)。研究區(qū)該類(lèi)層狀疊層石較為發(fā)育，在南津關(guān)組，分鄉(xiāng)組中均有分布，疊層石灰?guī)r外觀呈層狀至塊狀，其紋層近水平展布，略有小的波狀起伏，巖層的整體厚度和形態(tài)而無(wú)明顯變化。在野外風(fēng)化面上層狀疊層石紋層較粗糙、欠規(guī)則，紋層之間可見(jiàn)少量生物碎屑和砂屑。南津關(guān)組層狀疊層石局部發(fā)育微小的不規(guī)則凝塊，凝塊大小小于1～2 mm。暗紋層為主體表現(xiàn)為深灰色不規(guī)則條帶，亮紋層表現(xiàn)為灰色斷斷續(xù)續(xù)不規(guī)則條帶，紋層明暗間隔明顯，總體上亮層要大于暗層，紋層對(duì)厚約7～15 mm，暗層1～5 mm。層狀疊層石灰?guī)r單層厚度不穩(wěn)定，厚約0.4～3.6 m不等，但分鄉(xiāng)組略厚于南津關(guān)組。在顯微巖相特征方面，層狀疊層石具有不均一的結(jié)構(gòu)，總體來(lái)講，疊層石灰?guī)r以泥晶方解石為主要組成，其次可見(jiàn)少量生物碎屑，如棘皮類(lèi)和腕足類(lèi)碎屑，還可以發(fā)育少量砂屑。局部暗色紋層橫向變?yōu)榘瞪?xì)小的凝塊，凝塊也由泥晶團(tuán)塊組成。疊層石的暗層中可見(jiàn)大量的Girvanella絲狀體微生物(圖3D)，在暗層中呈互相纏繞狀，且大致平行于紋層展布，其周?chē)酁槟嗑Х浇馐?，也可?jiàn)白云石化晶體的存在。

3.2 波狀疊層石

波狀疊層石是指紋層具有波狀起伏特征的疊層石，該類(lèi)疊層石在研究區(qū)最為發(fā)育，在南津關(guān)組、分鄉(xiāng)組和紅花園組中均有分布(圖2B，C，D)。其中，南津關(guān)組和分鄉(xiāng)組中的波狀疊層石灰?guī)r外觀呈層狀，且橫向上分布于層狀疊層石與柱狀疊層石之間，其紋層多表現(xiàn)為較為規(guī)則起伏的波狀，波長(zhǎng)為5～40 cm，以15 cm左右為主，波高為1～15 cm，以5 cm左右為主；紅花園組疊層石則多呈塊狀或丘狀，其紋層不太規(guī)則，介于波狀和柱狀之間，波長(zhǎng)約6～10 cm，波高5～15 cm。而紅花園組疊層石呈不規(guī)則波狀，其波峰高低起伏不平，紋層較清晰，多呈包裹狀。在野外風(fēng)化面上疊層石紋層較粗糙，且紋層厚薄不一，粗細(xì)不均，紋層之間可見(jiàn)少量生物碎屑和砂屑。橫向上看南津關(guān)組中相鄰波狀紋層之間的波谷處可見(jiàn)有少量的凝塊，大小約1.5～4 cm不等，此外，暗色紋層在橫向上延伸中局部相變?yōu)槲⑿〉哪龎K，凝塊大小1～2 mm。暗紋層為主體表現(xiàn)為深灰色不規(guī)則條帶，亮紋層表現(xiàn)為灰色斷斷續(xù)續(xù)不規(guī)則條帶，紋層明暗間隔明顯，總體上亮層略大于暗層，紋層對(duì)厚約6～19 mm，暗層0.5～5 mm。波狀疊層石灰?guī)r單層厚度不穩(wěn)定，厚約0.5～4.9 m不等。

圖3 松滋劉家場(chǎng)地區(qū)下奧陶統(tǒng)疊層石特征(2)A.柱狀疊層石，a為柱狀雙錐疊層石，產(chǎn)自南津關(guān)組；B.凝塊狀疊層石，白色箭頭為凝塊，朝上的黑色箭頭為紋層，朝下的黑色箭頭為紋層放大，產(chǎn)自南津關(guān)組；C.凝塊狀疊層石中的鉆孔動(dòng)物腹足類(lèi)Ecculiomphalus，白色箭頭為Ecculiomphalus，黑色箭頭為凝塊，產(chǎn)自分鄉(xiāng)組；D.層狀疊層石顯微特征，箭頭為Girvanella管狀體相互纏繞形成的暗紋層，產(chǎn)自南津關(guān)組；E.波狀疊層石顯微照片，箭頭為Girvanella管狀體斜交于亮紋層中，產(chǎn)自紅花園組；F.疊層石中紋層之間的棘皮碎屑，產(chǎn)自南津關(guān)組Fig.3 Characteristics of stromatolites of Lower Ordovician in Songzi area(2)

在顯微巖相特征方面，波狀疊層石具有不均一的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，橫向上，波狀疊層石分為波狀紋層系列和波狀紋層間，縱向上，可分為紋層與紋層間。紋層間以泥晶方解石為其主要組成，其次可見(jiàn)少量生物碎屑和砂屑，生物屑如棘皮類(lèi)，局部暗色紋層橫向變?yōu)榘瞪?xì)小的凝塊，凝塊也由泥晶團(tuán)塊組成。相鄰的波狀紋層間構(gòu)成了波狀疊層石特征的微相—水道間沉積，它代表了波狀疊層石生物礁礁間水道微相，主要充填生物碎屑和砂屑，生物屑以海百合莖干為主，其次為由泥晶團(tuán)塊組成的凝塊。疊層石的暗層中可見(jiàn)大量的Girvanella絲狀體微生物，在亮紋層中呈斜交或垂直紋層方向發(fā)育，其周?chē)鸀槟嗑Х浇馐?、部分已?jīng)重結(jié)晶(圖3F)。該類(lèi)疊層石構(gòu)筑于亮晶含礫砂屑灰?guī)r之上，分鄉(xiāng)組發(fā)育于亮晶生物屑之上。

3.3 柱狀疊層石

柱狀疊層石是指外觀呈柱狀形態(tài)的疊層石，該類(lèi)疊層石在研究區(qū)較為發(fā)育，主要見(jiàn)于南津關(guān)組和分鄉(xiāng)組(圖2F、圖3A)，疊層石灰?guī)r外觀呈厚層狀至塊狀，且橫向上有序分布于研究區(qū)波狀疊層石與層狀疊層石的東側(cè)。柱狀疊層石由相互獨(dú)立的垂向上堆疊的、向上彎曲或上凸的許多柱狀體組成，每個(gè)柱狀體內(nèi)部由暗色藻紋層和淺色鈣質(zhì)沉積薄層向上相間排列疊置而成，柱狀體內(nèi)部四周紋層往往會(huì)下垂彎曲而形成外壁。柱狀疊層石的柱體橫斷面多呈圓形、橢圓形及不規(guī)則橢圓形等，直徑8～50 cm不等，高約40～180 cm不等。疊層石的柱狀體縱切面呈不同的形態(tài)，有的呈下粗上細(xì)，有的呈上粗下細(xì)，有的下粗上尖，有的呈中間粗上下兩頭尖的，根據(jù)橫斷面及縱切面的形態(tài)組合特征，研究區(qū)的南津關(guān)組和分鄉(xiāng)組柱狀疊層石可以分為圓柱狀疊層石(下粗上細(xì))、錐柱狀疊層石(下粗上尖)、倒錐柱狀疊層石(上粗下細(xì))和雙錐柱狀疊層石(中間粗上下兩頭尖的，新命名)，其中前三種類(lèi)型見(jiàn)于豫西寒武系饅頭組中[19]，雙錐柱狀疊層石為本區(qū)首次發(fā)現(xiàn)的新類(lèi)型(圖3A)。在柱狀疊層石的各柱體之間充填的沉積物均為生物碎屑和砂屑，生物碎屑的類(lèi)型主要為有柄棘皮動(dòng)物的莖干碎屑，含量大約為40%左右，其次為少量砂屑。柱狀疊層石的紋層對(duì)厚約8 mm，亮層發(fā)育，幾乎相當(dāng)于紋層對(duì)厚度，但暗層極不發(fā)育，約厚0.1 mm左右，較波狀疊層石和層狀疊層石薄很多，此種現(xiàn)象可能與藍(lán)細(xì)菌不太發(fā)育有關(guān)。值得指出的是，在部分柱狀疊層石內(nèi)部可見(jiàn)有柄棘皮動(dòng)物的原地垂直固著生長(zhǎng)，他們與藍(lán)細(xì)菌一起形成障積—黏結(jié)礁[19]。

在顯微巖相特征方面，柱狀疊層石也具有不均一的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，橫向上，柱狀疊層石分為柱狀體和柱體間兩部分，縱向上也可分為紋層與紋層間。紋層間以泥晶方解石為其主要組成，其次可見(jiàn)生物碎屑和砂屑，生物屑如棘皮類(lèi)(圖3F)，較少見(jiàn)凝塊。相鄰的柱體間構(gòu)成了柱狀疊層石特征的微相—礁間水道沉積，其規(guī)模比波狀疊層石間的水道大，水動(dòng)力更強(qiáng)，代表了柱狀疊層石生物礁礁間水道微相，主要充填生物碎屑和少量砂屑，生物碎屑等均被亮晶膠結(jié)物充填。疊層石的暗色紋層不太發(fā)育，其中偶見(jiàn)葛萬(wàn)菌類(lèi)絲狀體微生物，紋層間周?chē)酁榱辆Х浇馐?、部分為泥晶方解石。該?lèi)疊層石多半構(gòu)筑于亮晶生屑灰?guī)r之上。

3.4 丘狀疊層石

丘狀疊層石是指形態(tài)上向頂部方向凸起而無(wú)向下凸出的半圓丘狀疊層石，該類(lèi)疊層石在研究區(qū)不太發(fā)育，少量見(jiàn)于南津關(guān)組二段和分鄉(xiāng)組二段，且多半獨(dú)立發(fā)育或者發(fā)育于層狀疊層石的之間(圖2E)。其紋層延伸規(guī)律性較好，呈丘狀彎曲的紋層往往會(huì)在疊層石的邊緣融合，沒(méi)有向底部方向的凸出，南津關(guān)組疊層石紋層較清晰，分鄉(xiāng)組暗色紋層不發(fā)育。丘狀疊層石寬為5～16 cm，高為10～30 cm。南津關(guān)組紋層內(nèi)部的基本層微構(gòu)造一般為斷續(xù)的凝塊定向排列而成。在顯微巖相特征方面，丘狀疊層石也具有不均一的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，橫向上，相變?yōu)樯靶忌靶蓟規(guī)r或者層狀疊層石灰?guī)r。縱向上也可分為紋層與紋層間。紋層間以泥晶方解石為其主要組成，生物碎屑或砂屑較少。該類(lèi)疊層石構(gòu)筑于的砂屑、生屑灰?guī)r之上。

3.5 凝塊狀疊層石

凝塊狀疊層石是本文新命名的一種疊層石，其形態(tài)上呈凝塊狀、不規(guī)則狀斷續(xù)或連續(xù)雜亂分布(圖3B)。大型結(jié)構(gòu)呈層狀，但中型結(jié)構(gòu)與凝塊石相似，很難區(qū)別，如果僅根據(jù)其外表特征可以鑒定為凝塊石，但從野外橫向延伸上追索發(fā)現(xiàn)凝塊狀疊層石與層狀或波狀疊層石相連，故命名為凝塊狀疊層石。該類(lèi)疊層石在研究區(qū)發(fā)育較少，僅見(jiàn)于南津關(guān)組二段第一層含疊層石地層中。凝塊狀疊層石灰?guī)r外觀呈厚層狀至塊狀，側(cè)向上厚薄不一，且橫向上分布于層狀疊層石與波狀疊層石之間。疊層石內(nèi)部形態(tài)呈凝塊狀、不規(guī)則狀斷續(xù)或連續(xù)的雜亂分布，凝塊風(fēng)化面呈灰棕色，新鮮面呈深灰色，局部結(jié)成斑狀，或不規(guī)則網(wǎng)狀，局部隱約可見(jiàn)凝塊呈現(xiàn)斷續(xù)的紋層特征(圖3B)，但暗色層厚薄不一，紋層間隱約可見(jiàn)少量砂屑及生物屑。

在顯微巖相特征方面，凝塊疊層石也具有不均一的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。準(zhǔn)紋層間以泥晶方解石為其主要組成，其次可見(jiàn)少量的生物碎屑和砂屑。暗色層多表現(xiàn)為凝塊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與凝塊石很相似，以泥晶團(tuán)塊為特色，其中偶見(jiàn)葛萬(wàn)菌類(lèi)絲狀體微生物，其周?chē)酁槟嗑Х浇馐?。該?lèi)疊層石多半構(gòu)筑于亮晶砂屑灰?guī)r之上。

值得指出的是在凝塊疊層石的層面上可見(jiàn)食草動(dòng)物腹足類(lèi)Ecculiomphalus化石及生物擾動(dòng)痕跡(圖3C)，認(rèn)為研究區(qū)凝塊疊層石是生物擾動(dòng)造成的(見(jiàn)下文討論)。

4 疊層石的沉積模式及環(huán)境特征

根據(jù)疊層石發(fā)育的形態(tài)類(lèi)型，結(jié)合不同類(lèi)型疊層石內(nèi)部的巖性與沉積特征，對(duì)研究區(qū)各類(lèi)疊層石沉積環(huán)境進(jìn)行如下分析，并總結(jié)了其沉積模式(圖4)。

4.1 層狀疊層石

該類(lèi)疊層石主要特征是呈水平層狀或較低的波狀形態(tài)，發(fā)育的巖性主要為泥晶灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r，僅在暗色紋層間看見(jiàn)少量砂屑或粉屑。疊層石局部暗色紋層橫向變?yōu)榘瞪?xì)小的凝塊，且凝塊也由泥晶團(tuán)塊組成。此外，在該類(lèi)疊層石灰?guī)r中未見(jiàn)暴露沉積相標(biāo)志，疊層石的暗層中可見(jiàn)大量的葛萬(wàn)菌類(lèi)絲狀體微生物，該類(lèi)生物多半生活于水體不太開(kāi)闊的水體中。疊層石底部發(fā)育亮晶砂屑灰?guī)r，頂部局部含少量泥質(zhì)。綜合以上沉積特征認(rèn)為，層狀疊層石可能形成于潮間帶環(huán)境中，可能生活于潮間帶偏上部的生態(tài)環(huán)境。

4.2 波狀疊層石、丘狀疊層石與凝塊狀疊層石

波狀疊層石在橫向上分布于層狀疊層石與柱狀疊層石之間，其紋層多表現(xiàn)為較為規(guī)則起伏的波狀，其發(fā)育的巖性主要為泥晶灰?guī)r，其顏色呈灰色至深灰色。暗色紋層在橫向上延伸中局部相變?yōu)槲⑿〉哪龎K，橫向上看南津關(guān)組中相鄰波狀紋層之間的波谷處可見(jiàn)有較多的凝塊，大小約1.5～6 cm不等。紋層的波谷處除少量凝塊之外，還多見(jiàn)砂屑及生物屑，在暗色紋層間可見(jiàn)少量砂屑或粉屑。上述現(xiàn)象反應(yīng)了波狀疊層石形成需要一定的能量，應(yīng)該較層狀疊層石形成的能量稍高。疊層石灰?guī)r被擊打成碎塊后臭味較濃，反映了微生物巖的有機(jī)質(zhì)仍然保存較好，也反映了其水體較層狀疊層石略深。疊層石的暗層中也可見(jiàn)葛萬(wàn)菌類(lèi)絲狀體微生物，該類(lèi)生物多半生活于水體不太開(kāi)闊的水體中。疊層石底部發(fā)育亮晶砂屑、或生物屑灰?guī)r，頂部局部含少量泥質(zhì)(南津關(guān)組)，或者為黃灰色頁(yè)巖(分鄉(xiāng)組)。丘狀疊層石在橫向上分布較為局限，其形成機(jī)理與波狀疊層石大致相似。凝塊狀疊層石屬于生物擾動(dòng)后形成的特殊疊層石，從外貌上看，其內(nèi)部應(yīng)該保留了部分波狀疊層石的特征，因此，形成環(huán)境與波狀疊層石相似。綜合以上沉積特征認(rèn)為，波狀疊層石可能形成于具有較弱能量的潮間帶環(huán)境中，可能生活于潮間帶偏中部的生態(tài)環(huán)境中。

4.3 柱狀疊層石

柱狀疊層石且橫向上有序分布于研究區(qū)波狀疊層石與層狀疊層石的東側(cè)，其柱體橫斷面多呈圓形、橢圓形及不規(guī)則橢圓形等。柱狀體縱切面呈不同的形態(tài)，有的呈下粗上細(xì)，有的呈上粗下細(xì)，有的下粗上尖，有的呈中間粗上下兩頭尖的，它們可以分為圓柱狀疊層石(下粗上細(xì))、錐柱狀疊層石(下粗上尖)、倒錐柱狀疊層石(上粗下細(xì))和雙錐柱狀疊層石(中間粗上下兩頭尖的)。紋層間以泥晶方解石為其主要組成。在柱狀疊層石的各柱體之間充填的沉積物均為生物碎屑和砂屑，生物碎屑的類(lèi)型主要為有柄棘皮動(dòng)物的莖干碎屑，含量大約為40%左右，其次為少量砂屑，其膠結(jié)物多為亮晶方解石，它們代表了柱狀疊層石生物礁間的水道微相，該類(lèi)疊層石多半構(gòu)筑于亮晶生屑灰?guī)r之上。上述現(xiàn)象反應(yīng)了柱狀疊層石形成需要較高的能量，應(yīng)該較波狀疊層石形成的能量高。綜合以上沉積特征認(rèn)為，波狀疊層石可能形成于潮間帶下部至潮下帶上部的較高能量的環(huán)境中。

圖4 松滋地區(qū)下奧陶統(tǒng)疊層石沉積模式Fig.4 Stromatolites Sedimentary Model sketch of Lower Ordovician in Songzi area

5 疊層石發(fā)育與中奧陶世后生動(dòng)物大輻射之間的關(guān)系探討

研究區(qū)下奧陶統(tǒng)時(shí)期存在三個(gè)疊層石發(fā)育旋回，即南津關(guān)組沉積期、分鄉(xiāng)組沉積期和紅花園組沉積期。從發(fā)育特征來(lái)講，自下而上疊層石的層數(shù)、厚度逐漸減少，規(guī)模也向上逐漸變小，但三個(gè)沉積時(shí)期有各自的個(gè)性。其中，南津關(guān)期和分鄉(xiāng)期規(guī)模最大，紅花園期規(guī)模明顯縮小并最終消失，從功能學(xué)來(lái)講，下奧陶統(tǒng)的造疊層石微生物逐漸由建礁轉(zhuǎn)為輔助建礁，并在弗洛期末期消失。研究區(qū)下奧陶統(tǒng)疊層石演化特征說(shuō)明什么？究竟是什么原因?qū)е逻@其在弗洛期末期消失？他們與殼體生物演化之間存在什么關(guān)系呢？這是許多學(xué)者正在思考的問(wèn)題。

從生物的多樣性研究來(lái)看，奧陶紀(jì)存在著三次生物演化的多樣性高峰期[45]，但最主要的是出現(xiàn)在早、中奧陶世的首次峰值。早、中奧陶世正是海洋無(wú)脊椎動(dòng)物出現(xiàn)大分異、發(fā)生大輻射的重要時(shí)期?；谌蛐缘纳镅莼瘮?shù)據(jù)，Sepkoski對(duì)早古生代時(shí)期不同生物門(mén)類(lèi)的多樣性演化進(jìn)行了分析[46]，分析結(jié)果表明，盡管奧陶紀(jì)時(shí)期不同門(mén)類(lèi)多樣性發(fā)生了明顯劇增，但它們輻射的起始時(shí)間有著明顯的不同步現(xiàn)象。例如，三葉蟲(chóng)、腕足動(dòng)物、筆石、大多數(shù)軟體動(dòng)物以及棘皮動(dòng)物從奧陶紀(jì)初就已開(kāi)始發(fā)生顯著的多樣性增長(zhǎng)，而同樣是營(yíng)底棲固著、且以群體方式生活的苔蘚蟲(chóng)與珊瑚的爆發(fā)始于大坪期(即阿侖尼格中晚期)，而三葉蟲(chóng)演替體現(xiàn)為Whiterock 動(dòng)物群替代Ibex動(dòng)物群，其演替時(shí)間大致在晚奧陶世早期[47-49]。不僅如此，其他不同生物類(lèi)群其多樣性演化也具有相似的特征，如珊瑚幾乎是呈指數(shù)型加速遞增，而部分軟體動(dòng)物和腕足動(dòng)物則以階梯式遞增[49]。浮游生態(tài)的筆石在中奧陶世早期就達(dá)到其多樣性的頂峰。牙形石則在下奧陶統(tǒng)末幾乎達(dá)到了頂峰期。但研究表明，奧陶紀(jì)最大的生物輻射是發(fā)生在中奧陶世大坪期[46]。因此，有些學(xué)者認(rèn)為地史時(shí)期疊層石的逐漸減少、衰退與后生動(dòng)物豐度增加有一定關(guān)系，換句話(huà)說(shuō)，疊層石減少與后生動(dòng)物不斷啃食形成疊層石的微生物菌藻類(lèi)有一定關(guān)系，如Reid 等在現(xiàn)代疊層石中發(fā)現(xiàn)大量?jī)?nèi)部紋層被蛤和海綿等生物破壞的痕跡，且有明顯的生物痕跡被保存在紋層中[49]；我國(guó)學(xué)者曹瑞驥等在我國(guó)湖北?？雕R橋神農(nóng)架群石家沖組的疊層石中發(fā)現(xiàn)了生物鉆孔和食草動(dòng)物破壞留下的疤痕[14]。

總體來(lái)講，本文贊成上述觀點(diǎn)，即疊層石在縱向上逐漸減少的主要原因是后生動(dòng)物大量增加并不斷啃食形成疊層石的菌藻類(lèi)微生物的結(jié)果。首先，這一點(diǎn)可以從生物演化的多樣性特征得到證實(shí)，即下奧陶統(tǒng)末期及中奧陶世初期后生動(dòng)物特別是底棲后生動(dòng)物的大量增加與疊層石的減少有著對(duì)應(yīng)關(guān)系；其次，在研究區(qū)的多數(shù)疊層石中我們發(fā)現(xiàn)了后生食草動(dòng)物腹足類(lèi)Ecculiomphalus化石(圖3C)，局部層段食草動(dòng)物幾乎呈集聚式存在，這些食草動(dòng)物不僅啃食了形成疊層石的菌藻類(lèi)微生物，造成疊層石數(shù)量的不斷減少，而且破壞了疊層石的生長(zhǎng)狀態(tài)，并且形成了研究區(qū)獨(dú)具特色的凝塊狀疊層石(圖3B，C)。

此外，從中奧陶世開(kāi)始，研究區(qū)海平面的快速上升也是疊層石減少的原因之一。由于海平面的較快速上升，研究區(qū)經(jīng)歷了由沉沒(méi)臺(tái)地、廣海陸棚演化為奧陶紀(jì)末期深水盆地環(huán)境的過(guò)程[40-41]，使得疊層石原有的生存環(huán)境因素和條件徹底破壞，從而也會(huì)導(dǎo)致中奧陶世開(kāi)始疊層石快速衰減。因此，雖然后生動(dòng)物大輻射是疊層石衰退原因之一，但環(huán)境條件的變化也是疊層石衰退不可忽視的因素之一。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)松滋劉家場(chǎng)地區(qū)下奧陶統(tǒng)疊層石沉積特征的研究，取得如下認(rèn)識(shí):

(1) 研究區(qū)下奧陶統(tǒng)南津關(guān)組、分鄉(xiāng)組和紅花園組均發(fā)育疊層石，且疊層石在縱向上具有規(guī)模、厚度和數(shù)量逐漸減小的特征，在橫向上其類(lèi)型也發(fā)生有規(guī)律的變化，由水平層狀、波狀逐漸變?yōu)橹鶢畹念?lèi)型。

(2) 新發(fā)現(xiàn)并命名了凝塊狀疊層石和雙錐柱狀疊層石兩種新類(lèi)型。根據(jù)幾何形態(tài)發(fā)育特征，本文將研究區(qū)的疊層石分為以下幾種類(lèi)型，即層狀、波狀、柱狀、丘狀以及凝塊狀疊層石。作者認(rèn)為凝塊狀疊層石實(shí)際上是由于食草動(dòng)物和擾動(dòng)所形成的。

(3) 在對(duì)各類(lèi)型疊層石的沉積特征進(jìn)行詳細(xì)闡述基礎(chǔ)上，結(jié)合不同類(lèi)型疊層石內(nèi)部的巖性、微相及顯微特征，對(duì)研究區(qū)各類(lèi)疊層石沉積環(huán)境進(jìn)行了分析，并總結(jié)了研究區(qū)疊層石的沉積模式。

(4) 對(duì)疊層石發(fā)育與中奧陶世后生動(dòng)物大輻射之間的關(guān)系進(jìn)行了探討，根據(jù)中奧陶世初期后生動(dòng)物的大量輻射與疊層石突然減少的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合研究區(qū)疊層石中發(fā)現(xiàn)許多后生食草動(dòng)物腹足類(lèi)Ecculiomphalus化石等現(xiàn)象，認(rèn)為疊層石隨時(shí)間的逐漸減少、衰退與后生動(dòng)物豐度增加有一定關(guān)系。指出食草動(dòng)物不僅啃食了形成疊層石的菌藻類(lèi)微生物，造成疊層石數(shù)量的不斷減少，而且破壞了疊層石的生長(zhǎng)狀態(tài)，結(jié)果形成了研究區(qū)獨(dú)具特征的凝塊狀疊層石。此外，研究認(rèn)為，中奧陶世開(kāi)始，海平面的快速上升也是研究區(qū)疊層石減少直至消失的原因之一。