白云岩的原生碎屑沉积及燧石条带的硅胶固化作用

    本周《地质论评》最新一期论文发表了苏德辰老师主笔的研究论文：

        苏德辰，吕洪波，章雨旭，孙爱萍，朱晓青，贺静，袁效奇. 2022. 碳酸盐岩中的燧石条带成因争鸣—以北京西山中元古界雾迷山组为例。地质论评，68（5）：1605—1620.

 该文从准备撰写到正式发表，经历了近五年的时光。2017年冬天，我和章雨旭研究员跟随苏德辰研究员和孙爱萍高工一起到北京西山雾迷山组露头野外考察了一天。经过现场仔细观察和热烈讨论，一致认为：那套白云岩和所夹的燧石条带都是原生沉积的结果，而非成岩交代所致，应该尽快撰写论文发表。两年后我再次跟随苏老师和孙老师一起现场考察，并采集部分标本（磨制岩石薄片），拍摄了更加典型的照片。后来我和年轻学者朱晓青一起观察薄片，进一步证实了野外的认识。再后来，苏德辰、章雨旭研究员和我经常讨论，苏老师又就薄片和野外现象与贺静、袁效奇高工沟通。经过大家商议，由苏老师主笔完成该研究论文。经过两年文献准备，苏老师撰写初稿后给其他作者提意见，反复修改多个版本，最终提交《地质论评》发表。苏德辰研究员最近科研任务重，而且还承担着繁忙的地学科普工作，暂无时间撰写博文，就由我根据自己的理解先完成一篇简单的介绍。本博文尽量反映论文的要点，但毕竟以我自己的认识为主，可能存在着不少偏差，发现错误请读者批评指正。有兴趣进一步了解详细论述的同仁可以到地质论评网站下载原文。

  地质论评杂志社网站全文链接：

http://www.geojournals.cn/georev/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20226805003&flag=1

   该文曾于2022年08月20日在《地质论评》官网网络发布。全文链接：

http://www.geojournals.cn/georev/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20226804063&flag=1

  中国大陆广泛分布着从前寒武纪到古生代的碳酸盐岩，其中不少含有燧石条带或“燧石结核”（chert nodule）。然而，地学界对这些夹在碳酸盐岩中的燧石条带或“结核”至今也没弄清楚形成机理，仅有一系列假说而已。其中，流行最广的说法就是成岩期交代说，这也是“燧石结核”这个名称被广泛使用的原因。经过最近几年在北京西山等地的野外观察，我们发现：这些碳酸盐岩中的“燧石结核”并非真正的结核，而是二氧化硅凝胶团沉降在白云质灰泥之上后慢慢固化成岩的结果，与成岩交代没有任何关系。根据野外观察和岩石薄片鉴定判别：白云岩本身也是机械沉积后再成岩的结果，并非成岩阶段交代碳酸钙所致。本篇博文将对最新研究成果进行简单介绍，以便促进碳酸盐岩和燧石成因机理的深入探讨。

  本项研究以传统的野外观察方法为主，附以岩石薄片显微镜观测手段，全部用地质学原理和野外地质经验进行分析探讨，没有依赖过于高精尖新的仪器设备或化学分析手段。我的感悟是：地质学问题还得用地质学基本功破解，高精尖新的技术手段是锦上添花，而非反过来代替传统的地质学方法。换句话说：地质学基本功是地学研究不可或缺的根基，缺少根基的高精尖新手段往往会导致认知跑偏。

  本博文认识要点如下：

  1、北京西山雾迷山组白云岩是机械沉积的结果：野外观察发现有大量内碎屑砾石，岩石薄片观察有丰富的反复搬运过的白云石颗粒。无论宏观还是微观都显示了很多颗粒已经磨圆，而且颗粒大小混杂，显然为机械搬运后再沉积的结果。

  2、夹在白云岩层之间的硅质条带或团块在沉积前是以凝胶形态存在的。燧石“结核”并非结核，而是硅胶堆积的结果，其浑圆状边缘就是水下硅胶与水体不溶的相变边界。

  3、大量波痕存在说明当时白云岩沉积环境为碳酸盐台地，而且水体极浅，甚至位于平缓的潮间带到潮下带环境。

  4、硅胶溶液团在相对低洼处停息而覆盖在已经沉积的白云质灰泥之上，而白云质灰泥机械沉积也常常覆盖住硅胶团，故硅胶团呈现大小不等的片状分布，而剖面上看则形成硅质条带或孤立的“结核”，取决于剖面切割硅胶团块的位置，如果连续切割面积很大，就表现为燧石夹层。

  5、在灰泥覆盖硅胶的过程中，因压力不均匀或者下伏硅胶厚度不一，在某些薄弱点形成硅胶层上涌凸起，有些突破上覆灰泥而溢出，如果反复发生覆盖—溢出—覆盖—溢出作用，则可形成不同大小的具有同心纹状鼓包，形态上有时甚至与叠层石相似（并不排除有真正的叠层石存在）。

  6、极浅水的碳酸盐台地常常遭受风暴和大浪袭击，因此白云质灰泥反复搬运，也常常引发事件沉积。伴随着事件沉积，半固结状态的硅胶可以被打碎并裹挟到白云质灰泥中二次搬运，因此事件沉积灰泥层内不仅有大小不等的白云石角砾或磨圆的砾石，也可见浑圆状的燧石团块、揉皱构造和燧石角砾等，有些半固结的硅胶团块被拉裂而出现裂缝，裂缝中被灰泥充填。

  7、碳酸盐台地也可以遭受地震影响而局部破裂或导致事件沉积。白云质灰泥半固结状态下遭受地震影响而局部拉开，下伏尚未完全固化的硅胶可以向上贯穿灰泥层，局部可以灌入到灰泥裂缝中。

  8、白云质灰泥机械沉积后成岩的速度高于硅胶固化成岩。影响硅胶固化成岩的关键因素是时间：硅胶团块一旦沉降到水底，就开始了其缓慢而不可逆的固化成岩进程。在二者各自成岩的进程中，一旦受到事件干扰，就会形成各种各样的软沉积物变形构造。二者之间是纯粹的机械接触，可以相互沉积覆盖或穿插，但没有任何交代或物质交换现象。

  9、本文尚未研究二氧化硅来源以及在水中逐渐析出凝聚的原因，也未探讨白云质灰泥的形成原因。然而，可以肯定的是：燧石和白云岩均为原生沉积的产物，事实不支持交代成因说。

    请朋友们仔细阅读照片中的文字说明，看看这些照片是否揭示出上述特点：

    再补充一张辽宁朝阳寒武纪白云岩层面上散落的燧石团块，看看是否符合海水中二氧化硅凝胶滴落在碳酸盐灰泥上的特征：

  下面是显微镜下岩石薄片所展示的特征：

白云岩及燧石条带沉积—成岩过程简述：

  在海水中飘荡的二氧化硅凝胶团应为不规则的棉絮状，大小不等形状各异，如同浒苔一样随波逐流。这些凝胶团逐渐聚集而且浓度增加，当比重大于海水时，就会降落在海底。一旦沉降在海底（碳酸盐岩灰泥）之上，就开始其硅胶固化成岩的过程，尽管这个过程非常缓慢。

  海底的硅胶在固化过程中将失去更多水分而进一步收缩。如果没被新的灰泥沉积覆盖，浓缩到一定程度时凝胶团表面会出现龟裂纹，而如果被灰泥覆盖则凝胶体受上覆灰泥重力影响而产生相应的变形，龟裂就不明显了。

  上覆灰泥覆盖后，本身也开始固结成岩，方式是内碎屑颗粒之间的孔隙被碳酸盐矿物胶结。根据变形特征判断，灰泥胶结变硬成岩的过程应该比硅胶固化要快，所需时间更短。在二者完全固化之前，受到台风、地震等事件的干扰，软弱层可能发生事件沉积而产生各种软沉积物变形构造。反过来，恰恰是这些软沉积物变形构造为我们提供了成岩阶段变形事件的关键信息，进而揭示出白云质灰泥的机械沉积和硅胶原生滴落的真相。这里，来自沉积学的基本原理和构造地质学的变形机制为研究软沉积物变形构造奠定了理论基础，而野外现象观察积累了充分的地质事实，在此基础上获得的认识就是传统地质学的精髓。

  需要重申的是：我们今天的认识是就是传承老一代地质学家扎实基本功的必然结果。

  为什么我在这里如此强调传统地质学的重要性？因为，早在半个世纪前我们的前辈就用传统的野外观察手段明确指出：碳酸盐岩中燧石“结核”是原生沉积而非成岩交代所致，只是后来流行的成岩交代说将珍贵的原创性成果淹没在浩瀚如海的文献之中。

  当苏德辰老师搜索并研读数百篇文献时才惊奇的发现，我的导师夏邦栋教授1965年就发表了一篇宁镇山脉碳酸盐岩中燧石结核成因的论文：

  夏邦栋.1965.宁鎮山脉古生代碳酸盐地层中燧石結核的成因。地质学报，45（3）：254—264.

该文的主要认识：

         1-碳酸盐岩层间燧石结核部分是原生成因的，一部分可能是早期成岩成因的。

         2-结核的堆积是以二氧化硅凝胶体方式发生的。

         3-整个成岩过程会使结核的形态发生不规则变化，变化有时是很剧烈的。

         4-燧石结核只含在一定层位的地层中，说明硅质物是周期性供应的，与古大陆的剥蚀或古火山喷发有关。

  苏老师阅读到这篇文献后，为夏老师的地质基本功所折服。遗憾的是，我是在苏老师提醒后才阅读了这篇短文。以前看见燧石“结核”就笃信“成岩交代”说，延误了自己学习和发现的机会。看看这篇五十几年前的论文：没有照片，仅仅简单的文字描述和几张黑白插图就将燧石的野外特征介绍得清清楚楚。就让我们欣赏一下夏老师论文中的素描图吧！

  我在南京大学读书和工作二十余年，从众多老师们言传身教中不仅获得了地质学基础知识和野外工作经验，更是学到了严谨求实、不断探索的科学精神。南大地质系很强，不是强在院士众多，也不是强在经费充足，而是强在一大批基本功扎实的教师群体和一代代不断传承的敬业学风。

  夏邦栋教授以基本功扎实、工作勤奋享誉全国地学界，而校外人很少知道的是：他还是南大地质系最著名的严师之一。有幸成为夏老师的大弟子，我经历了硕士阶段广泛的知识积累和严格的野外训练，留校后又和夏老师一起从事普通地质学教学和沉积大地构造研究工作。跟随老师的脚步，探索大地的奥秘，这种历练让我受益终生！

  夏老师年近八十还自主修编《普通地质学》，为第三版彩色版的问世作出了重要贡献。最近十年他热衷于格律诗创作，已经成为南京离退休学者群中的著名诗人，发表诗集一部。夏老师工作时是我的老师，退休后仍是我学习的榜样。

  今年十月的某一天是夏邦栋教授九十周岁生日。谨以此文祝夏老师生日快乐，身体健康！

    2022.09.24

（文中照片未标注者由吕洪波和苏德辰拍摄，转发请注明：转自科学网吕洪波的博客）