第三章生物成因的沉积构造-2.doc

第三章 生物成因的沉积构造 生物成因的沉积构造是指生物由于活动或生长而在沉积物表面或内部遗留下来的各 种痕迹，其中包括生物遗迹、生物扰动构造、生物生长构造及植物根痕迹等。 一、生物遗迹 生物遗迹1ebensspuren是指生物生活期间因运动、居住、觅食、摄食等功能行为而在 沉积物表面或内部所遗留下来的、并具有一定形态的痕迹，又称遗迹化石trace fossils。从本世纪五十年代以来，遗迹化石的研究取得了很大进展，描述了许多遗迹化石的特征，提出了各种分类方案，建立属种，探讨可能的成因及其在地质学中的意义例如，Hantzschel，1962；Seilacher，1964；Crimes，Harper，1970；Frey，1975。 目前，生物遗迹的分类归纳起来有三种方案。第一，生物分类学方法，即按造迹生物的属种分类，这实际上是很困难的；第二，层位学方法，即根据保存生物遗迹的位置分类；第三，生态学方法，即按生物遗迹的形态进行分类，并建立个体的属种，一个属种只表示一种形态。系统或详细地描述各种遗迹化石已超出了我们的研究范围，这是一门独立的新兴学科遗迹学的研究范畴。下面仅简述最常见的、通俗性的遗迹化石类型。 一 足 迹 足迹tracks主要是指脊椎动物用两足或四足交替行走时，在沉积物表面上遗留下的痕迹，如鸟足迹图版673、恐龙足迹图版683以及其它动物的足迹等。有时，足迹可以呈铸型保存下来图版674。如果动物足迹断续排列成行，且具有一定的方向性，则可称为行迹track way。 在某些情况下，有“足”的无脊椎动物，如多足类动物、具有步足的甲壳类动物等，在爬行时也可以在沉积物表面上留下具有足迹的爬迹。 在地质记录中，脊椎动物的足迹只出现在脊椎动物问世以来的地层层面上，绝大多数分布在中生代和新生代地层中。 二 爬 迹 爬迹crawling traces or trails是由无脊椎动物例如蠕虫动物、节肢动物、腹足类等在沉积物表面上爬行和觅食时，以其身体的腹侧、节肢或疣足等与沉积物表面相接触而形成的连续的细小沟槽状痕迹。它们的形状多种多样，取决于造迹动物的着地器官、爬行习性、爬行目的等。有的呈直线形或蛇曲形图版682，有的是复杂弯曲的图版681，有的甚至呈螺旋形、盘回绕曲状或交织状图版684；爬迹表面可以是光滑的，也可以带有纹饰图版691。有时，爬迹具有一定的方向性或者可以显示出动物的爬行方向版图692。如果可以确定爬迹是由动物的觅食活动产生的，则可称为觅食迹browsing traces。 三 停 息 迹 停息迹resting traces是动物停息、躺卧或伺机捕捉其它生物时，在沉积物表面上遗留下的痕迹。甲壳类、棘皮动物、软体动物等常造成停息迹。 这种遗迹大多呈孤立的、具有一定形状的凹坑，其大小、深浅和形状取决于造迹动物的着地部分。例如，海星的停息迹显出特征性的五角星形凹坑；瓣鳃类生物的停息迹大多呈椭圆形凹坑，一端稍圆，另一端稍尖图版694。 四 潜 穴 潜穴burrows俗称虫孔，它们是动物在尚未固结的松软沉积物内部因居住、觅食或摄食所形成的管穴或孔道。由这三种功能行为所产生的潜穴实际上很难区别，因此我们不再作进一步细分。当能够明确鉴别它们时，可分别称为居住潜穴dwelling burrows、觅食潜穴browsing burrows、摄食潜穴feeding burrows。潜穴不仅可以由食沉积物的蠕虫动物产生，也可以由有壳的生物造成，如软体动物、节肢动物、甲壳动物等。 在某些情况下，潜穴生物可以将落入洞中的沉积物、掘穴过程中挖出的沉积物或和生物本身所排泄的废物推出洞口，在其周围堆积成小圆丘，成为生物洞丘构造图版693。丘顶有一圆孔，向下与潜穴相通。这种构造乍看起来很象泥火山、沙火山或坑丘构造，但根据其内部构造或有无生物体存在是不难区别的。 不少潜穴生物要求生活在距沉积物表面一定深度的地方。当沉积物表面发生迅速沉积或侵蚀时，生物为了生存，不得不向上或向下改变其潜穴位置。由此而产生的痕迹称为蹼状构造spreiten。这种构造看起来就象某些动物脚趾中间具有弧形纹饰的薄膜一样，故有“蹼状”之称。实际上，它们是生物向上或向下掘出新潜穴后所遗弃的部分旧潜穴。某些食沉积物的潜穴生物在摄食过程中也可以产生具有复杂型式的蹼状构造。 如果沉积物堆积得太快，潜穴生物为了生存就不得不从它原来生活的地方迅速向上移动到靠近沉积物表面的新地方。由这种移动所产生的痕迹就称为逃逸迹escape traces。这种遗迹与正常的潜穴不同，它们几乎是直立的、没有分枝的，穴壁没有涂衬，而且潜穴周围的沉积物层理总是向下弯曲。 许多潜穴生物具有涂衬其潜穴的本能。它们利用本身所分泌的粘性物质加上所排泄的粪便或掉进洞中的沉积物涂在穴壁上，使潜穴具有一个或多个衬层。因此，潜穴一般较坚固，易于保存。生物所遗弃的潜穴，大多被与周围沉积物不同的其它物质所充填。在岩层表面上，它们一般表现为大小不一的圆形或椭圆形的浅色斑点，易于辨认。 潜穴有不同的大小和形状。根据潜穴的孔径D大小一般可分为三种大型D10毫米、中型D210毫米和小型D2毫米。按照潜穴的形状及其与层面的关系可简单地将它们分为五种形态类型。 1、简单管状潜穴 这是最简单的低级潜穴。其特征是潜穴呈直管状，没有分枝；大多是与层面垂直的垂 直潜穴和斜交的倾斜潜穴。有时，在潜穴内可见到衬壁和或蹼状构造。 2、U形潜穴 这种潜穴以穴管呈U形为特征图版712、3，U形管两端的开口均位于沉积物表 面。其深度和大小与潜穴生物的大小相适应。它们可以是垂直的、倾斜的或水平的。一般来说，管子的一端为进水口，另一端是粪便和废物的排出口。生物经常涂衬穴壁以加固潜穴。在U形潜穴弯曲部分的上面或下面，时而发育有蹼状构造图版713。当沉积物表面发生快速堆积时，蹼状构造发育在U形潜穴弯曲部分的下面；当发生侵蚀时，则发育在上面。因此，可以根据蹼状构造的高度大致估计U形潜穴所在的沉积物层的净增长或净侵蚀掉的厚度。 3、Y形潜穴 这种潜穴以呈Y形为特征，如节肢动物大蝼蛄虾Upogebia major在现代海滩中所 挖掘的潜穴。其穴道为两个开口均在表面上的Y字形，即上部呈U形，在U形管弯曲部分的中央下接一条较深的弯曲穴道，但在穴道转弯处均有短盲道发育，以便于动物本身的回转活动。 4．水平潜穴 由潜穴生物在表层沉积物内沿水平方向与沉积物表面平行掘穴所形成的潜穴称 为水平潜穴。它们的形状可以是简单的，也可以是复杂的。例如葛洛克迹Glockeria就是一种复杂的水平潜穴。其潜穴呈水平放射状，偶有分枝，中间为空心区，可能是由潜穴生物沿水平方向觅食时所造成的。 5．潜穴系统 这种潜穴是由相互连通的许多管道组成的。其特征是潜穴管道多具分枝，有时可同时有几个出口通到沉积物表面。例如，某些甲壳类动物常挖掘出潜穴系统。短脊鼓虾Alphaeus brevicristatus在现代海滩中所挖掘的潜穴为多口枝状潜穴系统图版722。其主穴道较深，为一盲道，而且末端往往有一较大的洞室；从主穴道分出的各分枝穴道呈弧形，并开口于沉积物表面。 有的潜穴生物甚至象沿富矿层开采矿产一样，沿着富含有机质的沉积物层一层层地剥食，形成特殊的“采掘式”潜穴系统，如管枝迹Chondrites图26，图版24。它可能是蠕虫动物因觅食而形成的树枝状潜穴系统。其特征是潜穴呈等角度分枝，两次以上的分枝潜穴粗细大致相等。 一般来说，食悬浮物的潜穴生物具有简单的垂直、倾斜或u形潜穴，食沉积物的潜穴生物则往往产生复杂的潜穴系统。 五 钻 孔 钻孔borings是生物为居住、防护或觅食而在坚硬物体的表面上所钻成的孔洞。许多生物具有在贝壳、木头、甚至坚硬的岩石表面上钻孔的本能。例如，海绵动物、蠕虫动物、腹足动物、双壳动物以及微休菌藻类分别都有一部分营钻孔生活的。钻孔一般较光滑，可以是与被钻物体的表面垂直的，也可以是呈不同角度倾斜的；后来往往被沉积物充填。 二、生物扰动构造 生物扰动构造bioturbation structures是指生物在沉积物表面或内部活动时扰动沉积物，使物理和化学成因的原生沉积构造遭到不同程度的破坏或变形而产生的生物成因构造。根据这样的定义，上述的生物遗迹也属于生物扰动构造的范畴。不少人例如，Schafer，1972就是这样使用的。他们将生物扰动构造分为两种无定形的和定形的即遗迹化石。它们都是由生物的活动所形成的，对沉积物都有不同程度的扰动。我们只是考虑到遗迹化石的特殊性，才将它们独立一节加以论述。在自然界中，无一定形态的生物扰动构造实际上比遗迹化石更加丰富。 保存在沉积物或沉积岩中的生物扰动构造，如果具有一定形态并可鉴别时，最好视为 遗迹化石并尽可能定出属种名称；如果是无一定形态或不可鉴别的，则可泛称为生物扰动 构造。发育生物扰动构造的沉积物层或沉积岩层可称为生物扰动层或生物扰动岩。 生物扰动构造的发育，既可以使原来的原生沉积构造遭到破坏或发生变形，也可以使 沉积物显出斑状构造，甚至形成均匀层理。这里所说的斑状构造mottled structures是指 由于生物的活动而使一些颜色、结构或成分与周围沉积物不同的斑点或斑块等不规则地 断续分布在沉积物中的现象图版31。例如，泥质层中砂囊的不规则分布，浅色砂质 层中暗色泥斑或破碎介壳巢的不规则分布。这种构造的形成，或者是由于潜穴的充填，或 者是生物搅混沉积物的结果，或者两者兼而有之。 由此可见，生物扰动构造的发育程度是千差万别的。这取决于生物对沉积物的扰动强度。一般可以根据垂向剖面中原生层理受到生物破坏的面积百分数或斑状构造的多少，将生物扰动强度分为弱、中、强、完全四级。并且，可以用这些等级作为形容词冠以生物扰动构造的名称之前，如弱生物扰动构造、中等生物扰动构造、强生物扰动构造。这种划分是人为的。 当原生层理受破坏的面积小于1时，可以忽略不计；当超过95时，原生层理实际上已无法识别了，可视为均匀层理。 上述的遗迹化石和生物扰动构造虽然在各种不同的沉积环境中均有发育，但它们对 于解释沉积环境仍具有一定的重要意义。一般来说，生物遗迹常发育在沉积缓慢、水体比 较平静的氧化或弱氧化环境中。例如，在陆架泥质沉积物中遗迹化石或生物扰动构造特 别发育，常常使原生沉积构造遭到破坏和改造。．相反，在沉积物迅速堆积的环境如三角 洲前缘和浊流环境、泥沙经常移动的环境如沿岸沙坝以及H2S污染的停滞环境中，遗迹化石就不发育或很少。 根据Seilacher1967等人的研究，可以依据遗迹化石组合即遗迹相ichnofacies来恢复海洋的相对深度，进而判断沉积环境。应用遗迹化石解释沉积环境的原理是虽然生物本身随时间发生演化，但它们对相同环境的行为反应却基本保持不变。而且，许多生活在同一环境中的不同门类的生物，由于对环境往往有相似的行为反应，因此所形成的生物遗迹也大致相似。所以，许多遗迹化石有一个狭窄的沉积相或沉积环境的分布范围。下面简述从大陆到深海环境各遗迹化石组合或遗迹相的分布与基本特征。 Seilacher1967把非海相沉积物中，特别是红层中所特有的某些潜穴组成的遗迹相称为斯考依迹Scoyenia相。在这个相中发育的潜穴，以简单的垂直潜穴为特征。同时，还发育有陆地动物和鸟类的足迹。这类足迹是指示非海相和边缘环境的可靠标志。 在滨海和潮坪等边缘环境中，常见各种较深的潜穴。其形态从简单的垂直潜穴到u形潜穴都有。这类遗迹化石的组合就是所谓的石针迹相。其造迹生物主要有甲壳类、蠕虫类、蛤和腕足类的舌形贝等。据统计，边缘环境中的潜穴深度通常要比潮下环境深三倍。这显然是因为该地区波浪和潮汐作用强，海水的温度和含盐度变化大，生物要想生存就必须向深处掘穴并以食悬浮微生物为主，才能适应环境，免遭死亡。此外，在边缘环境中也常见节肢动物和软体动物所造成的各种爬迹。 例如 1Gordia 可能为腹足类的爬迹，呈光滑的曲线状沿层面分布； 2Gyrochorte 系节肢动物的爬迹，其中间呈脊状隆起，两侧有对称的叶片状足迹； 3新滩迹Sintanichnus Yang 新遗迹属，属型Sintanichnus sintanensis Yang新遗迹种，可能是无脊椎动物的爬迹，由具有方向性排列的马蹄形连续足迹组成; 4曲带迹Subpyllocorda 可能为蠕虫动物的爬迹，呈弯曲、的缎带状，其上有四 条具细横纹的平行脊； 5潮虫迹Oniscoidichnus 系节肢动物的爬迹，其中间有一脊状隆起，两侧为对 称排列的小羽叶状足迹。 在潮下带及其以下的浅海环境中，由于波浪和潮汐作用相对较弱，海水的含盐度和温度较稳定，生物潜穴的深度一般较浅，而且多为倾斜潜穴或水平的复杂潜穴。这个环境中所发育的遗迹化石组合以常见的二叶迹命名，称为二叶迹Cruziana相。下面列举数例 1二叶迹Cruziana 为三叶虫的觅食迹； 2巨画迹Megagrapton 为蛇曲形的觅食潜穴，呈较规则的均分式分枝； 3花溪迹Hauxichnus Yang et Sun 新遗迹属，属型Huaxichnus huaxiensis Yang et Sun新遗迹种。它是沿沉积物表层分布的水平觅食潜穴，一般呈直的或弯曲状的，偶有60-900的分枝； 4扬子迹Yangtzichnus Yang 新遗迹属，属型Yangtzichnus yangtzensis Yang新遗迹种。它是沿沉积物表层分布的大型水平潜穴。其总体大致为似柳条状的螺旋形；分枝潜穴沿弯曲线两侧呈交错分芽式排列，形状为纺锤形。此外，浅海环境中的遗迹化石的另一特征是具有许多生物的停息迹，如三叶虫、海星、瓣鳃类等生物的停息迹。 从浅海到半深海的过渡区，水流及波浪的影响更小，海水含氧量稍低，沉积物表层含有丰富的有机物质。生活在这里的蠕虫动物，常从一个点开始沿沉积物表层系统地摄食有机质，结果形成特征的旋卷状摄食潜穴，即所谓的动藻迹Zoophycus图版63。 Seilacher1967曾认为动藻迹是半深海的典型遗迹化石，并将这个环境中的遗迹化石组 合命名为动藻迹Zoophycus相。但目前在滨、浅海或现代深海的沉积物中不断地发现了这种遗迹化石；而在我国的石炭纪地层中发现的动藻迹则往往与含煤层系有关。因此，这种遗迹化石的指相意义尚有待进一步研究。 在稳定的深海环境中，生物一般不再需要挖掘保护性的潜穴了。相反，许多深海生物是移动的食沉积物的生物，因而往往在沉积物表面或表层形成复杂网状、蛇曲状或螺旋状爬迹。这类遗迹化石的组合称为似沙蚕迹Nereites相，其中所含的遗迹化石举例如下 1始古网迹Protopaleodictyon 为沿层面分布的不规则蛇曲形觅食潜穴，在其弯曲部分的凸出处常有分枝，构成不完全的网状潜穴； 2古网迹Paleodictyon 系沿层面分布的觅食迹，呈规则的六角形蜂巢状网孔； 3拟蠕形迹Helminthopsis 可能为蠕虫动物形成的觅食潜穴，呈蛇曲形，表面光滑无饰； 4新沙蚕迹Neonereites 为沿层面分布的蛇曲形觅食迹，其内部具有一排向同一方向凹曲的回填小板； 5瘤粒迹Granularia 可能为节肢动物的居住潜穴，呈枝状分布，表面具小瘤粒。 综上所述，从大陆和边缘环境到深海环境，生物潜穴一般由简单的垂直潜穴逐渐过渡为倾斜或水平的复杂潜穴系统；从足迹和停息迹渐变为表层觅食迹和觅食潜穴；生物的食性从以食悬浮微生物为主逐渐变为以食沉积物中的有机质为主。这就明显地表现出遗迹化石的分布随水深的分带性，也就是说，遗迹化石及其所反映的生物食性和居住条件明显地受沉积环境的控制。这一结论已部分地为现代海洋沉积物中生物遗迹的分布所证实，而且对研究湖泊沉积物中的遗迹化石来说也具有一定的参考价值。 三、生物生长构造 生物生长构造指的是主要由生物本身的生长和捕获沉积物所产生的一种具有层理的生物沉积构造。一般来说，这种构造的形成与藻类的生长有关。最典型的大概是藻叠层石，虽然藻礁和藻丘也是由藻类生物的生长所产生的一种大型构造。 藻叠层石stromatolites是由蓝绿藻细胞丝状体或球状体分泌的粘液粘结细粒沉积物所形成的一种具有不同形态的纹层状钙质沉积构造。它由两种基本纹层交互组成。一种是在藻类繁殖季节形成的富藻纹层。其特征是纹层较薄0.1毫米左右，含有较多的藻体和有机质，主要由泥晶碳酸盐矿物组成，色暗，故又称基本暗带或暗层。另一种是在藻类休眠时期生成的贫藻纹层。它的特征是纹层较厚1毫米左右，藻体和有机质含量 较低，主要由亮晶碳酸盐矿物及少量的粉屑组成，色浅，因此也称基本亮带或亮层。有时，在这两种基本纹层之间还夹有纹层状碳酸盐沉积物。 由上述两种基本纹层交互组成的藻叠层石可以有不同的形状和大小。这主要取决于藻叠层石生长的局部环境，而与藻类生物本身无关，因此，藻叠层石一般是按形态进行分类的球状、半球状、锥状、柱状、波状、层纹状等，其间还有各种过渡形态。 有关藻叠层石的分类、命名及环境意义已有不少人作过深入研究例如，朱士兴，1978；Logan，Rezak，Ginsburg，1964；Hoffman，1969，1973，1976。一般来说，藻叠层石主要发育于碳酸盐潮汐环境中，而且，层纹状和波状藻叠层石大多分布在潮上带，柱状和锥状类型主要产于潮间带，而球状和半球状藻叠层石则是潮下浅水环境的产物。但值得注意的是，藻叠层石也可发育于湖泊环境中，甚至河边滩地上王自强；全秋琦，1982。 四、植物根痕 在三角洲平原、冲积平原、沼泽、甚至海滨平原等大陆环境中，经常有各种植物生长。 当植物死亡后，它们的根就遗留在沉积物中成为植物根痕迹。它们可以是草本植物或者是木本植物的根痕。 植物根痕的特征是大小不一，直径可小到数毫米，大到几米，大多呈上粗下细的分叉状图版802。如果植物根垂直层面向下延伸则可称为立生根图版804，煤层顶、底板中的根土岩属其典型实例。 留在沉积物中的植物根，当腐烂分解后，其遗下的空洞被泥砂物质充填，成为铸型保存下来；或者，也可以被碳化或硅化而保存下来图版802。 植物根扎在沉积物中生长时，可以使原生层理遭到破坏或发生变形图版803，甚至产生斑状构造或发生土壤化现象。 植物根痕基本上分布于出现陆生植物的泥盆纪以来的陆相沉积岩层中，尤以煤系地层中最丰富。