PDF《臼齿构造主要成因模式及时空分布意义》

第31 卷第3期2009 年9月地球科学与环境学报 Journal of Earth Sciences and Environment Vol .

31 No.

3 Sep .

2009 收稿日期 :

2008 -11-20 基金项目 : 国家自然科学基金项目( 40472065) ;

中国石油化工股份有限公司项目( C

0800 -07-ZS-164) 作者简介 : 陈留勤(

1983 - ) , 男,甘肃陇南人 , 理学博士研究生 , 从事沉积学与层序地层学研究 . E-mail: liuqincheen@163. com 臼齿构造主要成因模式及时空分布意义 陈留勤(中国地质大学 地球科学与资源学院 , 北京 100083) 摘要 :在综述臼齿碳酸盐岩成因研究历程和国内外最新研究成果的基础上, 总结评述了

6 种主要的臼齿构造成 因模式, 其核心问题是在元古代正常潮下浅海环境中构建成岩作用早期臼齿构造裂缝形成及等粒微亮晶方解石 快速沉淀充填的物理、化学及微生物条件. 其中, 气泡扩张裂缝模式、微生物 -地球化学模式和同沉积地震脱水 模式等具有一定的代表性. 臼齿构造多产出于正常浅海潮下环境, 并且呈幕式特点产出于前寒武纪地层记录 中, 其时空发育特点似乎表明与叠层石发育的不相容性. 臼齿碳酸盐岩在中新元古代集中发育的事实可能反映 了有利的物理、化学和生物条件在地质历史上的唯一结合. 理清臼齿构造成因问题是认识前寒武纪复杂的碳酸 盐岩世界的重要线索. 关键词:臼齿碳酸盐岩;

前寒武纪谜;

臼齿构造;

成因模式 中图分类号:P534. 1;

P588 .

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5 文献标志码:A 文章编号:1672-6561( 2009)

03 -0245 -09 Origin Models of Molar Tooth Structures and Their Temporal Spatial Distribution Significances CHEN Liu-qin ( School of the Earth Sciences and Resources , China University of Geosciences , Beijing 100083, China) Abstract:Molar tooth carbonate is a category of fine -grained cryptocrystalline mud carbonate in the Precambrian era with molar tooth structure, w hich are characterized by various morphologic features and different sizes filled with equigranular microspar calcite, and there is no analog in the Phanerozoic. On the basis of the research course analysis and the latest investigation on molar tooth structures , six dominating origin models are outlined .The core issue is how to construct a reasonable physical , chemical and microbial condition for early rapid precipitation and filling of molar tooth cracks in the subtidal shallow marine.Of these, three models of gas bubble and expansion crack origin , microbial -geochemical origin and synsedimentary seismic origin are the most representative ones .Molar tooth structures are episodically located in Precambrian subtidal shallow marine environment , and their tem poral and spatial characteristics indicate incompatibility with stromatolites .The fact that molar tooth carbonates w ere concentrated in the period of Mid- and Neo -Proterozoic may reflect the only combination of favorable physical, chemical and biological conditions in the entire geological history . Understanding the genetic origin of molar tooth structures is a crucial clue to the complicated Precambrian carbonate w orld . Key words: M olar tooth carbonates;

Precambrian conundrum ;

molar tooth structure;

genetic model

0 引言 地质历史时期的沉积作用存在许多明显的特 点,尤其是约占地球全部历史 9/10 的前寒武纪地 球更是充满了众多引人入胜的科学命题[ 1] ,比如生 命的早期演化、 雪球地球、盖帽碳酸盐岩 、 叠层石衰 减事件 、 臼齿构造碳酸盐岩等问题.对这些基础地 质问题的研究,不仅有助于更深刻地认识早期地球 系统 ,而且对于现在全世界极为关注的气候、资源 等重大问题的理解也具有重大意义.其中, 臼齿 碳酸盐岩( M olar Tooth Carbonates) 是指发育在 中―早新元古代地层中的一种特殊沉积事件 ,也有 人把它称为 微亮晶碳酸盐岩 .臼齿碳酸盐岩是 指发育有臼齿构造并由等粒微亮晶方解石充填的 具肠状和褶皱席状的碳酸盐岩[ 2] .在地质文献中 Bauerman[ 3] 首次使用 臼齿( M olar Tooth , M T) 一词描述加拿大―美国边境附近蒙大拿西部的中 元古代 Belt 超群中具有类似大象臼齿纹饰构造的 碳酸盐岩 ,这些特殊的构造主要包括分布于白云岩 质泥岩中结晶良好的方解石亮晶岩席, 它是一个描 述性术语 ,不具成因意义, 最重要的特征是充填物 性质和早期快速成岩作用.目前, 臼齿构造( 有人 也称之为 臼齿状构造 , M olar Tooth S tructure) 的形成机制和在新元古代消亡的时间及意义成为 众多沉积学家关注的焦点 ,已经在世界上各主要大 洲的

50 多个地区发现了臼齿构造发育的层位[ 4-7] . 尽管对臼齿构造的研究已经历了一个多世纪 ,但由 于其形成时代古老和缺少可以使用 现实主义原 理 的现代类似物 ,至今臼齿构造的成因机制及其 地质意义仍然是一个尚未全面理解的前寒武纪 谜[8] .要解决臼齿构造的成因问题 ,首先要确定臼 齿构造裂缝的形成机理和充填于其中的等粒微亮 晶方解石的快速沉淀机制 ,进而要说明臼齿构造明 显的时空分布限制的原因及其与叠层石在时空发 育特点上似乎互不相容的动力机制 ,最终要为臼齿 构造在中新元古代正常潮下浅海的大量产出提供 地质 、 地球化学模型.因此 , 在借鉴前人研究成果 并结合自己认识的基础上 ,阐述和讨论了上述臼齿 构造成因相关问题.

1 臼齿碳酸盐岩的沉积特征 臼齿构造是一种大量产出于中 、 新元古代潮下 浅水泥质灰岩中的具等粒结构的微亮晶方解石集 合体 .臼齿碳酸盐岩由臼齿构造和细粒沉积物基 质两部分组成 , 二者呈突变接触 , 边界由难溶有机 质和细粒黄铁矿晶体组成.在天津蓟县剖面中元 古代不发育叠层石的高于庄组第三段均一石灰岩 层面上发育的臼齿构造呈现灰黑色或黑色 , 比灰色 或灰白色的基质要暗 ,但显微镜下却比基质颜色浅 ( 图1) .臼齿构造和基质在组分和结构上有明显的 区别 .基质岩石一般为泥晶灰岩、粉砂质灰岩、泥a~ d 为臼齿构造的野外露头照片 , 臼齿构造显示为大级别至小级 别带状以及发丝状 ;

b 中与臼齿构造共生的球状物可能为宏观 藻 类化石 ;

d 显示了臼齿构造与围岩( 泥晶灰岩) 之间所发育的富 集 黄铁矿晶体的边界;

d 中有的臼齿构造受到水流外力作用改造而 成为内碎屑充填在冲刷面之上 , 显示其早期成岩作用;

e 为臼齿构 造内部充填的等粒微亮晶方解石晶体 ;

f 显示了 充填等粒微亮 晶 方解石晶体的臼齿构造与围岩( 泥晶灰岩) 之间 发育的富集黄 铁 矿晶体的边界 图1天津蓟县剖面高于庄组臼齿构造 的宏观和微观特征 Fig.

1 Macroscopic and Microscopic Characteristics of Molar Tooth Structures from Gaoyuzhuang Formation at Jixian Section, Tianjin 灰岩等细粒沉积, 常含黏土矿物和粉砂颗粒 , 臼齿 构造内部则为较纯净的均匀等粒方解石微亮晶, 粒 度一般在

5 ~

15 μ m ,不具有典型的胶结物特征, 有 时显示出注入沉积物充填[ 9] 或内部流体流动[ 10-11] 的证据 ;

基质化学组分 Ca、Mg 、 A l、K 、 C r 等峰值均 突出, 臼齿构造仅保存 Si 和Ca 两组峰值 .另外 , 在臼齿构造中发现了超微生物化石遗迹 [ 5-7] .复杂 而不规则的 M T 构造大体上可以分为 : ①大级别带 状;

②小级别带状 ;

③发丝状;

④复杂席状、板片状 ;

⑤斑点状.虽然在剖面露头和一般显微镜切片观 察中表明臼齿构造是各自分开的 ,然而, Long [ 12] 利用X射线计算断层照相法( X-ray computed tomo- graphy , C T) 对加拿大不列颠哥伦比亚省北部古元 古代 George 组臼齿碳酸盐岩的研究首次证明了臼 齿构造裂隙在形成之初是互相联接的, 而且充填的 亮晶方解石的结晶作用是在裂缝系统的许多局部

246 地球科学与环境学报 第31 卷 中心开始的.当臼齿构造仍留在原处, 周围沉积物 差异压实使带状臼齿构造褶皱弯曲或断裂甚至破 碎改造为臼齿构造内碎屑( 图1d) ,这种常见的差异 压实和侵蚀作用表明, 臼齿构造的形成接近于早期 成岩过程中的沉积物- 水界面 [

2 ,

9 , 13] .这种特殊的沉 积构造有可能成为探索前寒武纪浅水潮下环境中沉 积物流变学和化学特征的重要线索,也构成了缺少 化石的前寒武纪地层记录的潮下浅海相标志. 臼齿构造碳酸盐岩主要发育于正常浅海潮下 环境 .元古代时期广大较深浅海泥晶碳酸盐沉积 物内广泛发育与臼齿构造有关的非营光合粘结作 用蓝细菌生态系 ,与潮坪环境营光合粘结作用的蓝 绿藻类叠层石生态系明显不同[ 7] .臼齿构造与叠 层石几乎不出现在同一层位 ,通常总是发育在比叠 层石系列更深的水体和软泥环境中 [ 2] ( 图2) .天津 蓟县剖面中元古代高于庄组第三段的臼齿构造主 要发育于中至深缓坡泥晶灰岩地层中, 从臼齿构造 经纹理化构造再到叠层石构成了一个向上变浅的 沉积序列( 图3) .臼齿构造和叠层石作为前寒武纪 两种特殊的沉积构造类型 ,二者在时空发育方式上 表现出明显的不相容性.这样一来, 前寒武纪至少 存在

2 个海洋........