再論華北寒武系竹葉狀灰巖丘成因

陳吉濤

中國科學院南京地質古生物研究所，現代古生物學和地層學國家重點實驗室，南京 210008

0 引言

竹葉狀灰巖是一種特殊的碳酸鹽內碎屑礫巖，以其側切面似竹葉而得名，國外多稱之為扁平礫石礫巖（flat-pebble conglomerate）而更形象地描述了礫屑的三維形態。竹葉狀灰巖是寒武系全球普遍發育的一種碳酸鹽巖相，因其在特定地層中發育，被認為可能指示了寒武紀溫室氣候下獨特的古海洋和古生態環境[1-2]。同時，竹葉狀灰巖通常被認為是風暴沉積，由風暴浪打碎已固結的條帶灰巖，經過搬運改造沉積而成[3-4]。而風暴沉積在恢復古氣候和古地理演變、古板塊位置等方面都具有重要指示意義。盡管如此，對風暴作用過程的認識，現代海洋觀察和相關實驗室模擬研究均較為匱乏，因此對很多竹葉狀灰巖的成因，尤其是豎直或傾斜排列的（如倒“小”字、菊花狀等）扁平礫屑的沉積過程，一直是沉積學的爭論熱點[1,5-9]。近年來，也有很多國內外相關研究表明，一些竹葉狀灰巖可能是在早期成巖過程中由軟沉積物變形而成[10-17]，并不能直接反映風暴氣候及海底強水動力環境。因此，十分有必要對竹葉狀灰巖的沉積過程進行精細剖析。

竹葉狀灰巖層位幾何形態多種多樣，多以側向相對連續沉積為特征，但也有不同形態的透鏡體狀、河道狀、丘狀、不規則狀等。在魯西萊蕪九龍山剖面寒武系芙蓉統炒米店組中部發育了一層頗為壯觀的丘形竹葉狀灰巖，近年來引起多位學者的關注，并對其成因進行了不同角度的探討[18-21]。因其得到廣泛關注，且成因解釋各不相同，又缺乏相關的沉積學證據，或會引起學界同仁的誤讀。作為對上述研究的補充，本文對該丘形竹葉狀灰巖開展了詳細系統的觀察和描述，并對其成因提出新的見解。在傳統沉積學研究中，對任何沉積現象的成因解釋須基于翔實的野外和鏡下沉積學特征，希望本文能起到拋磚引玉之作用，引起沉積學同仁的關注。

1 地質和地層概況

華北臺地是典型的陸表海碳酸鹽巖臺地，形成于華北板塊（又稱為中朝板塊）穩定克拉通之上[7]。華北臺地寒武系主要是一套以碎屑巖和碳酸鹽巖交互沉積為特征的穩定沉積序列（圖1）。魯西地區發育的多個寒武系剖面是華北臺地寒武系標準剖面（如饅頭山剖面、唐王寨剖面、九龍山剖面等）?，F將魯西地區寒武系巖石地層由下至上簡要介紹如下：李官組（厚約40 m）主要在臨沂和淄博地區發育，上覆于前寒武紀花崗片麻巖或變質沉積巖之上，主要含交錯層理石英砂巖和紋理狀泥巖[22]。朱砂洞組（厚15～40 m）主要以紋理狀泥狀白云巖、疊層石、及灰綠色泥巖等為特征[23]。饅頭組（厚220～250 m）以磚紅色—紫紅色泥巖、丘狀交錯層理砂巖及少量鮞?；規r等為特征[23]。張夏組（厚約180 m）以巨厚層鮞?；規r、凝塊石、樹形石為特征，在萊蕪、沂南等地，張夏組中部發育盤車溝頁巖段[24]。崮山組（厚50～105 m）主要以紫紅色和黃綠色頁巖夾薄板狀、瘤狀灰巖和竹葉狀灰巖為特征[14]。炒米店組（厚190～260 m）主要以多種碳酸鹽巖相為特征，包括條帶灰巖、薄板狀灰巖、生屑粒泥—泥粒和顆?；規r、鮞?；規r、微生物巖及多層竹葉狀灰巖[14,25]。上覆三山子組白云巖的原生沉積巖相與炒米店組類似，但其在魯西地區有較大的穿時性[25]，這也導致其下的炒米店組的厚度有一定變化。

圖1 魯西寒武系綜合地層；本文研究層位位于炒米店組中部，紅色箭頭指示的是右邊柱狀圖的層位，柱狀圖標彩色的層位即是本文關注的竹葉狀灰巖丘的發育層位Fig.1 Integrative stratigraphy of the Cambrian in western Shandong province,showing the stratigraphic position of the studied flat-pebble conglomerate mound

2 丘形竹葉狀灰巖產出層位及共生巖相

2.1 產出層位

本研究關注的丘形竹葉狀灰巖層發育在九龍山剖面炒米店組中部層位（圖1），屬于寒武系芙蓉統江山階，即原長山階中上部（圖1）。筆者針對該層在九龍山剖面的6個露頭點進行追蹤研究（圖2），在九龍山剖面的南側距離800 多米的三個露頭點（露頭1～3）以及北側的兩個露頭（露頭4～5），均發現在鮞?；規r層中發育形態不盡相同的丘形或不規則狀竹葉狀灰巖，但再向東側追蹤到露頭6，在該鮞?；規r中沒有發現竹葉狀灰巖丘。

圖2 山東萊蕪九龍山剖面竹葉狀灰巖丘出露和觀察點（a）谷歌地圖；（b）野外照片Fig.2 Outcrop sections of the flat-pebble conglomerate mounds in the Jiulongshan section(a) Google map showing location of the six studied outcrops;(b) Field photo showing three outcrops

2.2 共生巖相

竹葉狀灰巖丘發育在一層橫向產出穩定的碳酸鹽巖相中，該巖層之下為薄板狀泥狀灰巖夾頁巖，之上為鈣質泥巖夾薄板狀—瘤狀泥狀灰巖（圖1）。該巖層主要含上部具波狀層理的鮞?；規r（亞層A 和B）及下部具交錯層理或疊瓦狀構造的竹葉狀灰巖（亞層C），三個亞層均由清晰的截切面分隔（圖3）。鮞?；規rA 和B 亞層之間發育清晰、突變、平緩的界面（圖4a），該界面截切之下的鮞粒，橫向可追蹤上千米，是典型的硬底構造[26]，竹葉狀灰巖丘發育在該硬底構造之上（圖3、圖4b）。

圖3 竹葉狀灰巖丘及共生巖相素描與野外照片（九龍山剖面露頭1）Fig.3 Sketch and photograph of the flat-pebble conglomerate mounds and associated facies in outcrop 1 of the Jiulongshan section

圖4 竹葉狀灰巖丘共生巖相（a）鮞?；規rB亞層頂部的硬底構造（箭頭），硬底構造之上為含礫鮞?；規r；（b）竹葉狀灰巖丘發育在硬底構造之上；（c）硬底構造之上發育的球粒顆?；規r亦被截切，并由含礫鮞?；規r覆蓋；（d）硬底構造之上發育的球粒顆?；規r由竹葉狀灰巖丘覆蓋；（e，f）鮞?；規r頂部發育的對稱浪成波痕構造；（g）亞層C竹葉狀灰巖，礫屑多呈疊瓦狀排列，頂部為一層球粒顆?；規r，且被截切（箭頭）；（h）鮞?；規rB 亞層頂部硬底構造之上的竹葉狀灰巖席，且其頂部被截切（藍色箭頭），此處硬底構造多被縫合線改造（白色箭頭）；（i）鮞?；規rB亞層頂部硬底構造之上的竹葉狀灰巖透鏡體，被竹葉狀灰巖丘覆蓋Fig.4 Associated facies of the flat-pebble conglomerate moundshardgroud surface (arrows) at the top of oolite sublayer B,above which are planar cross-stratified gravelly oolites (a),flat-pebble conglomerate mound (b),and intact thin peloidal grainstone (c,d);(e,f) the top of oolite sublayer A shows symmetric wave ripples;(g) the entire oolite bed is underlain by limestone conglomerates with imbricated and horizontal,polymictic clasts;(h) thin,discontinuous (lens-shaped) limestone conglomerate within oolites,containing imbricated,red-rimmed clasts,overlain by gravelly oolites with a sharp boundary (blue arrows);(i) conglomerate lens,overlain by a flat-pebble conglomerate mound with a recognizable boundary (dash line)

鮞?；規r中偶夾一層2～4 cm 厚、橫向不連續的球粒顆?；規r，且具清晰的上下界面（圖4c，d）。鮞?；規r主要含有同心鮞、少量橢圓形鮞粒、球粒及生物碎屑，亮晶方解石膠結。硬底構造之上的鮞?；規rA 亞層下部含有少量扁平狀礫屑，具板狀交錯層理，或呈疊瓦狀或平伏狀排列（圖3、圖4a，c）。兩層鮞?；規r普遍發育波狀層理，其層面見對稱浪成波痕構造（圖4d，e），偶見板狀—槽狀交錯層理。鮞?；規rB 亞層橫向（向東）厚度變薄，但其上的硬底構造依然清晰可見。

該巖層下部的C 亞層是具交錯層理的竹葉狀灰巖，礫屑主要為細至粗礫大?。╣ranule-cobble）的泥狀灰巖和球粒顆?；規r（圖4g）。雜基主要含有球粒顆粒和生物碎屑等，一般為亮晶方解石膠結。礫屑大多具有紅色氧化圈、分選較差、磨圓較好，見一端呈棱角狀的破碎礫屑。少量較大的礫屑無紅色氧化圈，且磨圓較差。礫屑多呈平伏狀或疊瓦狀，上部見板狀交錯層理（圖3b）。竹葉狀灰巖底界清晰突變，明顯侵蝕下伏薄板狀、具紋理的泥狀灰巖；頂面亦清晰突變，該竹葉狀灰巖內的礫屑和雜基被截切，其上覆為波狀層理鮞?；規rB亞層。偶見該竹葉狀灰巖由幾厘米厚的一薄層含礫球粒顆?；規r覆蓋，該顆?；規r也被截切，截切面偶被縫合線改造，上覆為鮞?；規r（圖4g）。

竹葉狀灰巖席或透鏡體也出現在鮞?；規rB 亞層頂部的硬底構造之上（圖3、圖4h，i），厚度僅為幾厘米，略具平緩起伏狀，有時見底部呈下凸狀，類似于淺水道；礫屑主要為具紅色氧化圈的泥狀灰巖和少量球粒顆?；規r、鮞?；規r、和生屑顆?；規r，磨圓較好，但有些礫屑破碎呈棱角狀；雜基多為球粒顆?；規r；礫屑多呈疊瓦狀排列。此類竹葉狀灰巖席或單獨出現在鮞?；規r中（圖4h），其頂部礫屑和雜基被截切；或位于竹葉狀灰巖丘底部且二者界面可識別（圖4i）。

3 竹葉狀灰巖丘特征

3.1 幾何形態

在野外露頭剖面上，竹葉狀灰巖丘多呈底平頂凸并向兩側逐漸變薄的丘形（圖3），在不同方向的露頭均可見丘形（圖5a，b），表明其三維形態為圓形或橢圓形丘的可能性較大（圖5a，b）。但通過一個側面的觀察，也見不規則狀（圖5c）。雖然如果垂向露頭并非絕對平面可導致圓形丘側切面形態不規則，但也很可能反映該竹葉狀灰巖的三維形態就是不規則的。竹葉狀灰巖丘兩側下部多呈清晰突變的不規則狀邊緣（圖5d），見竹葉狀灰巖團塊脫離巖丘（圖5d，e）。所觀察到的竹葉狀灰巖丘厚度多小于鮞?；規r的厚度，但也見其與鮞?；規r層頂面一致，丘厚度可達33 cm。在竹葉狀灰巖丘與鮞?；規r層厚度一致時，竹葉狀灰巖丘頂部則多呈平緩或極平坦狀（圖5f，g）。

3.2 礫屑和雜基

丘形竹葉狀灰巖主要含中至粗礫礫屑，礫屑主要巖性為具紋理狀球粒顆?；規r，次棱角—次磨圓狀（圖6a～c）。見少量具紅色氧化圈的均質泥狀灰巖和生物碎屑顆?；規r礫屑，磨圓較好（圖6a），偶見含海綠石鮞?；規r礫屑（圖6a）。礫屑多呈扁平狀，見彎曲起伏狀。竹葉狀灰巖主要為礫屑支撐、礫屑雜亂狀排列、無定向結構。竹葉狀灰巖丘底部見較為完整的薄板狀球粒顆?；規r和平伏的礫屑，而其上部多為傾斜和豎直排列的礫屑，且上部的礫屑和雜基均被截切（圖6d），頂部豎直礫屑360°均有排列（圖5g）。

圖6 竹葉狀灰巖礫屑和雜基特征（a）主要含紋理狀球粒顆?；規r礫屑，見少量具紅色氧化圈的泥狀灰巖和生物碎屑顆?；規r礫屑，以及鮞?；規r礫屑；（b～d)雜基中的疊層石；（e）疊層石交替出現的泥晶和亮晶方解石的紋層，見明顯的泥晶化的鈣化微生物團塊；（f，g）礫屑上側原地發育的葛萬菌和似腎形菌；（h，i)雜基中的鈣化葛萬菌團塊；（j）雜基中的破碎鮞粒和多期次鮞粒和海綠石顆粒等；（k）雜基中的三葉蟲和鈣藻等生物碎屑；（l）雜基局部被白云巖化Fig.6 Characteristics of clasts and matrix of the flat-pebble conglomerate mound(a) mostly subrounded peloidal grainstone clasts,with a few rounded,red-rimmed lime mudstone and bioclastic grainstone clasts,and an oolite clast;(b-d) convex-up laminated (stromatolitic) matrix;Note a sharp truncation surface (white arrow) by the overlying oolites in (d);(e) photomicrograph of stromatolitic matrix,with fragment of calcified microbes along the lamina;(f,g) calcified microbial filaments (Girvenalla and Renalcis) along the clast,indicating in situ growth of cyanobacteria;(h,i) fragments of calcified microbes in matrix;(j) broken and multigeneration ooids,fossil fragments,and glauconite grains in matrix;(k) fossil fragments (mainly calcareous algea and trilobites) in matrix;(l) dolomites in matrix

雜基主要含有白色、具紋理狀或凝塊狀微生物巖（多為泥晶—微晶方解石），以及褐色白云巖（圖6a～d）。見疊層石發育在礫屑之上，呈小型隆起構造，幾至幾十厘米寬、幾厘米高（圖6b～d）；鏡下可見交替出現的泥晶（鈣化微生物？）和亮晶方解石的紋層，沿紋理也見明顯的泥晶化的鈣化微生物團塊（圖6e）。礫屑上側常見原地發育的葛萬菌（Girvanella）和似腎形菌（Renalcis）等鈣化藍細菌（圖6f，g）。雜基也含鈣化葛萬菌碎屑和團塊（圖6h，i），見破碎鮞粒和多期次鮞粒（圖6j），生物碎屑包括三葉蟲、棘皮類、腕足類、鈣藻等，以及球粒、海綠石等顆粒（圖6k）。雜基局部被白云巖化，形成自形白云石晶體（圖6l）。

4 竹葉狀灰巖丘成因探討

我國學者對竹葉狀灰巖的研究可追溯到20世紀20 年代[27]，之后很多學者對竹葉狀灰巖的成因展開討論[4,6,9,13,17,28-33]，其成因大多被解釋為風暴沉積。竹葉狀灰巖一般呈現不同形態的層位幾何形態和礫屑的排列狀態等特征，因此也被解釋為風暴流不同程度搬運和改造之后在不同沉積環境下的沉積（如原地和異地沉積）。魯西寒武系炒米店組鮞?；規r中發育的丘形竹葉狀灰巖，因見其在一些露頭中有較為規則的丘狀形態，其成因解釋引起諸多討論[18-21]。

非常遺憾地指出，van Loonet al.[18-19]沒有經過系統細致觀察，認為這些竹葉狀灰巖丘均含有相同的成分和組構，而且這些竹葉狀灰巖丘具有“頭部和尾部”，以及“底部的剪切帶”等特征，但據本文上述特征可以看出，其實均不然。而作者據此將這些竹葉狀灰巖丘解釋為滑移（sliding）而成。但如果是滑移，那么這些丘形竹葉狀灰巖是怎么被破碎而成的？若如作者所述，可能是風暴破碎而成，又為何未在地層中廣泛出現？因為沒有直接的地質證據，只能推測，可能是由于極強風暴引起竹葉狀灰巖巖塊的滑移（及隨后的不斷破碎），但風暴引起的什么沉積過程和水動力條件將之破碎？云云，不得而知。

而在其后的研究中[21]，van Loon 作為通訊作者在其2012 年的文章基礎上，又增加了一些新的野外照片，以佐證其相關論點，但對一些巖性的描述是完全錯誤的。如將寒武系典型的條帶灰巖，即淺灰色泥狀灰巖（lime mudstone）和黃色泥灰巖（marlstone）互層，分別描述為鮞?；規r和泥狀灰巖（文獻[21]中圖14）；將一些竹葉狀灰巖雜基中的白云巖描述為鮞?；規r（文獻[21]中圖15）。另外，作者在該文中提出新的觀點，否定了之前的猜測，認為風暴不可能打碎一個橫向連續的巖層，也無法讓其移動并滑移[21]。作者又提出海嘯可觸發上述現象的推論，但海嘯同樣會引起其他沉積現象，而他們卻沒有發現這類證據（也沒有進一步解釋）。最終，該文作者提出最可能引起竹葉狀灰巖層破碎并滑移的機制是地震作用，且地震作用是由同沉積斷層引起；其推測的同沉積斷層是由于不均一的沉積速率和載荷導致，這一論斷也沒有任何地質證據或參考文獻佐證，而且作者在后文中又提及（華北）陸表海并非以顯著的水深變化為特征。既是如此，又何來不均一的沉積速率和載荷導致同沉積斷層？貌似自相矛盾。更何況整個魯西地區炒米店組（及其之上的三山子組）原生沉積巖相類型和厚度并沒有較大變化[14,25,34]。

另一方面，筆者與研究生導師根據前期工作認為這些竹葉狀灰巖丘并非丘形，也可能像是底平頂凸的“隧道”形狀[20]，并將之解釋為液化的含竹葉狀礫屑的流體，在外力觸發下注入到鮞?；規r中。雖然注入巖（injectite）的確經常發育在碎屑巖體系中，并形成多種幾何形態，如碎屑巖墻、巖床、沙火山等[35-36]，但文中所描述的竹葉狀灰巖若是由含礫屑的液化流注入鮞?；規r，又為何沒有突出于該鮞?；規r層之上，即便其之上的泥巖比鮞粒更難以固結，也沒有發現任何擠入泥巖的現象。相反的是，竹葉狀灰巖的頂面最多與鮞?；規r層同高（圖3），并以平滑的硬底構造為特征。

因此，本文認為這些竹葉狀灰巖丘并非是由碎屑巖墻的擠入形成的[20]，也非風暴、海嘯或地震引起的竹葉狀灰巖層的破碎及滑移而成[18-19,21]，應該是在初始沉積過程中堆積、改造形成。具體沉積過程詳細闡述如下。

亞層C 竹葉狀灰巖中的板狀交錯層理、疊瓦狀構造等特征指示其沉積于較強的牽引流作用之下（圖7a）。大多礫屑和雜基由該牽引流搬運、磨圓，甚至再次破碎，并在此沉積，而少量較大的、形狀不規則的礫屑則可能是由強水流在原地侵蝕、破碎薄板狀灰巖形成。破碎的和磨圓較好的礫屑均指示高能狀態下礫屑之間強烈的碰撞。該竹葉狀灰巖或其之上局部堆積的球粒顆?；規r均被截切，表明其在遭受侵蝕之前已經固結為硬底構造。波浪不斷磨蝕竹葉狀灰巖亞層C 之上的硬底構造，同時沉積形成波狀層理鮞?；規r（亞層B，圖7b）。鮞?；規r亞層B在膠結后也被侵蝕，形成廣闊的硬底構造。在該硬底構造面之上，風暴混合流搬運并沉積薄層的、橫向不連續的竹葉狀灰巖（圖4h，i），并在其之上沉積一定厚度的丘狀交錯層理球粒顆?；規r（圖7c）。這些薄板狀球粒顆?；規r被風暴浪原地破碎成礫屑（圖7d），并可能繼續侵蝕之下的鮞?；規r硬底構造。在硬底構造之上，強大的風暴浪加之風暴引起的盆地回流相互干涉形成的混合流，將從上游或附近搬運而來的礫屑以及先前原地破碎的礫屑，堆積成初始的竹葉狀礫屑丘或不連續的、厚度不均的礫屑層（圖7e）；在風暴過后，礫屑之上和之間的空隙被藍細菌充填，并形成疊層石。疊層石的黏結阻礙了豎直礫屑被再次改造，并進一步黏結或障積下次風暴流帶來的礫屑，最終逐漸形成大小不均的竹葉狀礫屑丘或灘（圖7e）。之后，可能由風暴引起的強水流攜帶少量礫屑和鮞粒，搬運并堆積形成A亞層下部的板狀交錯層理含礫鮞?；規r；在風暴之后，在以正常波浪主導的鮞灘環境中，波狀層理鮞?；規r逐漸堆積（圖7f）。在竹葉狀礫屑丘或灘堆積形成之后，不斷地遭受水流和波浪的沖刷改造，形成清晰的邊緣，而竹葉狀礫屑丘頂部可能遭受波浪長時間的磨蝕，形成平坦的硬底構造（圖7f）。這之后，可能由于相對海平面上升，鈣質泥巖沉積于正常浪基面之下。

圖7 竹葉狀灰巖丘沉積過程Fig.7 Depositional processes of the flat-pebble conglomerate mounds

由此可見，這幾十厘米厚的巖層中，蘊藏著多次風暴事件引起的、跌宕起伏的沉積過程和水動力條件的變化，加之鈣化微生物的參與，使得這種含豎直扁平礫屑的竹葉狀灰巖丘最終堆積保存于鮞?；規r中。以上是對該竹葉狀灰巖丘沉積成因定性的分析和討論。風暴引起的混合流能搬運細砂級沉積物并在正常浪基面之下、風暴浪基面之上形成丘狀—洼狀交錯層理[37-38]。強大的風暴引起的混合流能否搬運并堆積竹葉狀礫屑，并形成礫屑丘或灘，尚需水槽實驗或計算機模擬等對水動力機制進行定量研究[39]。

5 結束語

魯西寒武系炒米店組在鮞?；規r中發育的竹葉狀灰巖丘應該是再風暴引起的初始沉積過程中堆積、并被后期的水流和波浪改造而成，其反映了復雜的沉積過程和水動力條件。先前由風暴混合流形成的薄板狀球粒顆?；規r再次被后來強大的風暴引起的水流或波浪破碎、搬運、并堆積成似丘狀形態。在沉積之后，鈣化微生物的黏結作用使得豎直狀扁平礫屑得以保存，并可再次黏結或障積礫屑或其他碳酸鹽顆粒，最終竹葉狀灰巖丘在水流和波浪的不斷侵蝕下，被同時沉積的鮞粒埋藏。

對該竹葉狀灰巖丘成因的探討，是基于對其詳細野外特征的過程解釋，若有不當之處，敬請學界前輩和同仁批評指正、不吝賜教。因篇幅有限，未能展示該層的所有野外和鏡下特征，如有同仁對此感興趣或有異議，抑或想了解更多相關特征，歡迎隨時與筆者聯系，也可同去野外現場討論。

致謝 本文成文于《沉積學報》創刊40周年之際，倍感榮幸。感謝王成善院士和林暢松教授的約稿和鼓勵；感謝劉寶珺先生和已故孫樞先生多年前對筆者在竹葉狀灰巖研究中的親筆指導和建議，筆者保存完好、珍藏至今；感謝三位評審專家中肯的修改意見和建議。借此，也?！冻练e學報》蒸蒸日上，祝中國沉積學學科蓬勃發展。