生物成礦作用的機(jī)理及其意義

【摘 要】生物作用是地球表層最活躍，最強(qiáng)大的地質(zhì)營(yíng)力之一，通過(guò)生物成礦作用形成了很多生物礦床。本文通過(guò)簡(jiǎn)要介紹微生物成礦概念及意義，總結(jié)生物成礦作用機(jī)理，列舉影響生物成礦的環(huán)境因素，簡(jiǎn)要的分析了生物成礦作用。

【關(guān)鍵詞】生物成礦；成礦機(jī)理；環(huán)境因素。

中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

前言

生物作用是地球表層最強(qiáng)大，最活躍的地質(zhì)營(yíng)力之一。它不僅對(duì)水圈，大氣圈和巖石圈產(chǎn)生巨大的影響，使這些圈層發(fā)生變化，而且也對(duì)地球上礦產(chǎn)資源的形成和分布有著重大的影響[1]。

生物可以在其細(xì)胞內(nèi)積極地富集各種元素，從而產(chǎn)生活性很大的化合物（如H2S），這些化合物對(duì)親銅元素的活動(dòng)性和沉積環(huán)境的氧化還原電位具有強(qiáng)烈的控制作用。生物有機(jī)殘余物有時(shí)也會(huì)受到化學(xué)、微生物和成巖作用的改造，它們利用其固有的還原性質(zhì)、酸性同金屬發(fā)生反應(yīng)。普遍認(rèn)為，有些金屬元素在黑色頁(yè)巖、泥巖、煤和石油中的含量異常高，有可能與生物或有機(jī)質(zhì)的作用有關(guān)。

近年來(lái)，學(xué)者發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多的生物參與成礦過(guò)程的證據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行了研究，提出生物及其產(chǎn)物有機(jī)質(zhì)在礦床形成過(guò)程中所起的作用叫生物成礦作用[2]。它可能從20-30億年前的地質(zhì)歷史時(shí)期一直延續(xù)到現(xiàn)在。由生物體直接堆積或由生物物理和生物化學(xué)作用造成有機(jī)或無(wú)機(jī)的成礦物質(zhì)富集、沉淀在各種水盆地中所形成的各種礦床稱為生物沉積礦床。像煤炭、天然氣和石油屬生物成因，已被人們所熟知[3]。

生物成礦作用主要有兩種方式：生物誘導(dǎo)成礦和生物控制成礦，前者是微生物分泌出代謝產(chǎn)物導(dǎo)致了之后的礦物顆粒的沉積；后者是微生物在控制礦物成核和生長(zhǎng)上起到了顯著作用[4]。

近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在金、銅、鉛、鋅、鐵、錳、磷、硫等多種礦床中發(fā)現(xiàn)了大量生物成礦作用的證據(jù)，世界上已有的若干大型、超大型礦床的形成過(guò)程中，生物起了重要的、乃至關(guān)鍵性的作用。生物成礦研究成為成礦理論中很重要的組成部分，生物成礦研究為找礦勘探提供了新的思路，正日益受到人們的重視。研究的內(nèi)容已涉及到諸多方面，包括生物成礦作用方式、生物成礦作用的實(shí)驗(yàn)?zāi)M、生物成礦的地質(zhì)背景、生物成礦作用的鑒定標(biāo)志等[5]。

1微生物成礦的概念和研究意義

微生物成礦作用是指微生物及其代謝作用所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)參與成礦或分異、聚集元素形成礦床或礦化菌體自身直接堆積形成有用礦床的作用。微生物在自然界的地質(zhì)作用，不僅僅局限于有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化和破壞及沉淀礦床的形成和改造，而且在成巖、表生地質(zhì)作用，以及其他許多方面都產(chǎn)生巨大的影響。

微生物是地球表層最強(qiáng)大的地質(zhì)營(yíng)力之一，微生物在自然界的地質(zhì)作用，不僅僅局限于有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化和破壞及沉淀礦床的形成和改造。而且在成巖、表生地質(zhì)作用，以及其他許多方面都產(chǎn)生巨大的影響，微生物成礦研究目前已成為礦床學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一[6]。

在海底沉積物中，大量的各類微生物的活動(dòng)，對(duì)沉積物的性質(zhì)和巖層的成巖成礦作用起著重要的作用。例如微生物的作用而產(chǎn)生的化學(xué)變化，可使有機(jī)物腐解而產(chǎn)生一種穩(wěn)定的物質(zhì)——腐殖質(zhì)；在堿性環(huán)境中，當(dāng)有鈣鹽出現(xiàn)時(shí)，細(xì)菌能促使鈣的沉淀。由此，某些學(xué)者認(rèn)為海洋中的細(xì)菌是促進(jìn)海洋沉積物中碳酸鈣沉淀的主要力量，由于細(xì)菌的活動(dòng)，使鐵、錳沉淀成礦床[7]。

有學(xué)者認(rèn)為，菌類和藻類微生物對(duì)成礦有較大的貢獻(xiàn)，它們參與成礦過(guò)程的方式各有不同。微生物成礦作用在不同成礦階段的重要性和表現(xiàn)形式則完全不同[6]。對(duì)金屬礦床來(lái)說(shuō)，微生物可以在許多成礦階段參與成礦（表1）。

2生物成礦作用機(jī)理

在常溫有水的自然條件下，生物（特別是微生物）成礦作用的機(jī)理主要有以下四種：

1.生物使成礦元素直接堆積成礦：生物在其自身的生理活動(dòng)過(guò)程中，從稀溶液中濃縮沉淀成礦元素，從而造成了這種元素在生物體中的富集。當(dāng)生物死后下沉海底或地底，經(jīng)過(guò)成巖作用過(guò)程，便能造成生物體中的成礦元素直接堆積成礦。

2.生物能改變生存環(huán)境的物理化學(xué)條件：植物在其生理過(guò)程中一定要吸收CO2，呼出氧氣，進(jìn)行光合作用。光合作用結(jié)果導(dǎo)致環(huán)境Eh-Ph條件的改變，而Eh-Ph條件改變則直接控制著一些元素的遷移和沉積。有些元素能通過(guò)新陳代謝反應(yīng)促使一些元素和化合物發(fā)生氧化和還原，改變電價(jià)，也可以導(dǎo)致元素和化合物的遷移和沉積。

3.生物能分解和合成有機(jī)化學(xué)物：在活的生物體中，大約50%（干重）是有機(jī)碳。有機(jī)碳主要以大分子形式存在，如蛋白質(zhì)、碳?xì)浠衔?、核酸以及類醇化合物。通過(guò)有機(jī)碳所形成的有機(jī)化合物作用，例如腐植質(zhì)的護(hù)膠作用，使一些容易沉淀而分散的金屬和非金屬作距離不等的遷移搬運(yùn)，最后被地表或地下水帶到條件適宜的環(huán)境中富集起來(lái)。

4.生物能通過(guò)生物物理作用吸附元素或阻礙礦物顆粒運(yùn)動(dòng)，造成礦元素沉積定位：許多低等生物如藻類中含有大量藻絲體，藻絲體能包卷纏繞細(xì)小礦物顆粒，從而促使原來(lái)在水流中被搬運(yùn)的顆粒沉積下來(lái)。許多磷塊巖和錳礦中的內(nèi)碎屑顆粒就是被蘭藻和紅藻藻絲固定下來(lái)的。一些砂礦也常沉積于棱狀生物障集物附近[9]。

生物成礦作用的前提和基礎(chǔ)是生物礦化作用，是特殊條件下大規(guī)模的生物礦化作用。化學(xué)控制和有機(jī)基質(zhì)的參與是生物控制礦化過(guò)程的基本因素，生物成礦原理的研究和應(yīng)用將促進(jìn)材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)的發(fā)展[10]。據(jù)現(xiàn)有材料，生物礦物已發(fā)現(xiàn)60種以上。它們主要為鈣鎂碳酸鹽、鈣鎂磷酸鹽、二氧化硅、鐵錳氧化物和羥化物，硫化物和硫酸鹽，以及有機(jī)酸鹽等。生物礦物的主要特征如下：①弱酸弱堿鹽：其特點(diǎn)是難溶并易于保留，即使溶解后也不會(huì)產(chǎn)生損害生物體的強(qiáng)酸或弱堿。這就是堿金屬元素鉀和鈉，鹵族元素氟和氯，以及絡(luò)陰離子NO3-1和SO4-2不能形成主要生物礦物體的原因。②鈣化合物：占生物礦物的一半，鈣化合物生礦體為新陳代謝過(guò)程中鈣的儲(chǔ)藏物。鈣是軟體中果膠酸鈣、藻蛋白酸鈣、酶的重要組成成分，同時(shí)也是構(gòu)成硬體部份的重要成分[11]。

生物成礦作用方式主要反映在生物及其產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)對(duì)成礦元素的富集、遷移、沉淀等方面。這種作用可以是直接的，即通過(guò)生物活動(dòng)或生物產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)本身發(fā)生作用；也可以是間接的，即生物通過(guò)對(duì)環(huán)境物理化學(xué)條件的改變促使成礦元素發(fā)生富集、遷移與沉淀[5]。

依據(jù)生物成礦作用的不同機(jī)理，我們把生物成礦作用分為四類：1.直接生物體堆積演化成礦：由生物體直接堆積形成，主要包括嗜鐵、嗜磷、嗜銅、嗜錳等細(xì)菌以及藻類和高等植物死后堆積所形成的礦床；2.生物化學(xué)成礦：主要是由生物通過(guò)光合作用、新陳代謝作用改變環(huán)境的Eh、pH條件或發(fā)生氧化還原反應(yīng)所形成的礦；3.生物物理成礦：生物（有機(jī)軟混）通過(guò)吸附作用而形成的礦床；4.生態(tài)環(huán)境成礦：主要指由于生物生長(zhǎng)所造成的特殊生態(tài)環(huán)境和多孔隙的儲(chǔ)集性能而導(dǎo)致形成的礦床[9]。

3結(jié)語(yǔ)

新技術(shù)不斷引入地質(zhì)學(xué)研究，人們逐漸認(rèn)識(shí)到生物作用是地殼表生帶最活躍和強(qiáng)大的地質(zhì)營(yíng)力。生物及其衍生的有機(jī)質(zhì)，參加礦物資源形成的全過(guò)程，生物成礦作用研究已成為當(dāng)今礦床學(xué)研究的重要前沿領(lǐng)域之一[12]，顯示出廣泛的研究前景。研究生物成礦作用不經(jīng)為找礦開拓了新方向，更是豐富了成礦理論，具有十分重要的意義。

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