下三疊統(tǒng)鮞?；?guī)r中微生物礦化組構(gòu)特征及意義——以川東北地區(qū)飛仙關(guān)組為例

蔣裕強(qiáng)，何沅翰，邢鳳存，谷一凡，蔣嬋

1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500 2.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059 3.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，成都 610059 4.中國(guó)石油西南油氣田分公司勘探事業(yè)部，成都 610041

0 引言

無(wú)論是在現(xiàn)代或古代沉積環(huán)境，還是在微生物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，微生物，特別是細(xì)菌類，與碳酸鹽沉積物都有著緊密的聯(lián)系，其能夠廣泛參與到碳酸鹽沉積過(guò)程中[1-7]。目前發(fā)現(xiàn)在意大利Calabria地區(qū)三疊系[8]和中國(guó)塔里木地區(qū)震旦系[9]、寒武系[10-11]、烏魯木齊地區(qū)二疊系等古老地層中存在云質(zhì)微生物礦化組構(gòu)[12-13]，而魯西地區(qū)寒武系[14]、陜南地區(qū)寒武系[15]地層中存在灰質(zhì)微生物礦化組構(gòu)；在巴西拉戈阿韋梅利亞潟湖[16]、澳大利亞庫(kù)龍潟湖[17]以及中國(guó)青海湖[18-19]等現(xiàn)代咸化湖泊中也發(fā)現(xiàn)了微生物礦化組構(gòu)。目前在培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，部分研究者通過(guò)模擬咸化水體環(huán)境，利用微生物作為反應(yīng)媒介，也成功獲得了原生白云石沉淀物[20-31]。

前人對(duì)川東北地區(qū)上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組—下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組沉積方面研究主要集中在沉積微相及其分布[32-36]，而對(duì)晚二疊世末期海洋底棲生物大滅絕之后的早三疊世的微生物發(fā)育情況關(guān)注較少。王永標(biāo)等[37]通過(guò)分析二疊系—三疊系界線附近廣泛發(fā)育的鈣質(zhì)微生物巖，指出鈣質(zhì)微生物巖通常分布在生物礁和淺水碳酸鹽臺(tái)地，并向深水區(qū)逐漸尖滅。周志澄等[38]在飛仙關(guān)組巨鮞灰?guī)r中發(fā)現(xiàn)了大量疑似藍(lán)細(xì)菌，認(rèn)為鮞?；?guī)r的形成與早三疊世微生物爆發(fā)性生長(zhǎng)有較大關(guān)聯(lián)。

本研究選取川東北地區(qū)開(kāi)江—梁平海槽西側(cè)下三疊統(tǒng)印度階飛仙關(guān)組碳酸鹽巖臺(tái)地邊緣鮞粒灰?guī)r樣品，利用掃描電鏡(SEM)對(duì)鮞粒及粒間方解石膠結(jié)物和白云石充填物的晶體表面以及晶體之間微米級(jí)別和納米級(jí)別的組構(gòu)進(jìn)行觀察，在識(shí)別微生物存在的基礎(chǔ)上，進(jìn)行微生物的形態(tài)和類型劃分，進(jìn)而探討早三疊世微生物大爆發(fā)對(duì)研究區(qū)飛仙關(guān)早期快速沉積的影響。

1 地質(zhì)背景

由于受到北部廣旺臺(tái)盆、米倉(cāng)山—大巴山構(gòu)造帶以及“峨眉地裂”運(yùn)動(dòng)的共同作用，晚二疊世長(zhǎng)興組沉積初期，川東北地區(qū)發(fā)育克拉通內(nèi)裂陷，形成了以開(kāi)江—梁平海槽為主體的“槽臺(tái)”碳酸鹽沉積格局[39-42]；早三疊世飛仙關(guān)組在該地貌格局下繼承性沉積[43]，逐漸對(duì)開(kāi)江—梁平海槽進(jìn)行充填，水體不斷變淺，至飛仙關(guān)組沉積中—晚期，開(kāi)江—梁平海槽被填平，“槽臺(tái)”沉積格局消失，全區(qū)均一化為淺水碳酸鹽巖臺(tái)地沉積環(huán)境。

晚二疊世上揚(yáng)子地區(qū)處于赤道附近，腕足、腹足和海綿等宏體水生生物極為發(fā)育。在近10 Ma的沉積時(shí)間內(nèi)，川東北地區(qū)開(kāi)江—梁平海槽臺(tái)地邊緣沉積了厚約300～500 m、以生屑灰?guī)r和生物礁灰?guī)r為主的灰?guī)r沉積物。晚二疊世末期，全球范圍內(nèi)發(fā)生了一次地質(zhì)史上最大的生物滅絕事件，超過(guò)90%的海洋物種滅絕[44-49]，導(dǎo)致全球范圍內(nèi)早三疊世的海洋生態(tài)系統(tǒng)十分荒涼，但微生物活動(dòng)卻十分繁盛[47-49]。在該背景下，川東北地區(qū)飛仙關(guān)組沉積期(約5 Ma)共沉積了厚達(dá)380～710 m的泥晶灰?guī)r和鮞粒灰?guī)r (圖1)，沉積厚度遠(yuǎn)超過(guò)宏體水生生物繁盛的晚二疊世。

2 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

在巖芯觀察與描述基礎(chǔ)上，對(duì)TS5、QL51、QL52等3口井的下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組鮞?；?guī)r進(jìn)行系統(tǒng)取樣并磨制配套薄片，用Olympus BX51分析后，敲取巖樣新鮮面，制備成小于0.5 cm×0.5 cm的片狀小樣，放于Cambridge Stereoscan360中用酒精超聲10～15 min清洗;用稀鹽酸酸蝕后，放于烘箱中干燥24 h，利用精密刻蝕鍍膜儀(PECS, model 682)噴涂納米金(Au)。噴涂?jī)x器設(shè)置為離子束電壓為7 000 V，離子束電流為300 A，速率為每秒鐘0.12 nm噴鍍的總厚度小于15 nm。利用日立S-4800掃描電鏡進(jìn)行微觀分析和礦物成分EDS能譜分析。以上實(shí)驗(yàn)均在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心完成。

圖1 研究區(qū)開(kāi)江—梁平海槽飛仙關(guān)組沉積模式及沉積剖面示意圖Fig.1 Sedimentation model and section sketch of Feixianguan Formation, western Kaijiang-Liangping Trough in study area

3 鮞粒形態(tài)結(jié)構(gòu)特征

配套薄片(茜素紅染色)鏡下特征表明：鮞粒多為同心狀鮞粒，粒間為亮晶方解石膠結(jié)；鮞粒直徑主要為0.2～0.8 mm，呈橢圓狀或不規(guī)則狀，同心紋層結(jié)構(gòu)明顯，由多層密集疊置、明暗交替的泥晶方解石紋層組成(圖2B)。鮞粒在掃描電鏡下呈均一狀，為泥晶方解石覆蓋(圖2C)。對(duì)亮晶膠結(jié)物進(jìn)行掃描電鏡觀察時(shí)，在亮晶膠結(jié)物表面及晶體之間發(fā)現(xiàn)了大量特殊的微米級(jí)別和納米級(jí)別的微生物礦化組構(gòu)。

4 微生物礦化組構(gòu)特征

根據(jù)形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征，在掃描電鏡下識(shí)別出三種可能的微生物礦化組構(gòu)，分別為空腔狀、顯微瘤狀及纖狀等。

4.1 空腔狀微生物礦化組構(gòu)

在高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下，可發(fā)現(xiàn)大量微米級(jí)空腔狀微生物礦化組構(gòu)。與礦物晶體的顯微特征明顯不同，空腔狀微生物礦化組構(gòu)由較薄的殼構(gòu)成，大量發(fā)育于方解石晶體表面或晶體之間，對(duì)碳酸鹽顆粒起到黏結(jié)作用(圖3)。其能譜圖顯示出C原子含量遠(yuǎn)高于O原子含量，含有少量Ca原子(圖4)，為灰質(zhì)特征，可能有一定有機(jī)質(zhì)殘留。

空腔狀微生物礦化組構(gòu)呈似球狀、豆?fàn)罨虿灰?guī)則箱狀，直徑為2～5 μm，大多數(shù)成群分布于晶體之間，也可見(jiàn)成團(tuán)附著在晶體表面，僅少量單獨(dú)附著于晶體表面(圖3)。如圖3B所示，空腔狀微生物礦化組構(gòu)與微米級(jí)方解石伴生，圖中a區(qū)域以微米級(jí)方解石為主，基本不含空腔狀微生物礦化組構(gòu)，而b區(qū)域則以空腔狀微生物礦化組構(gòu)為主，有少量微米級(jí)方解石?？涨粻钗⑸锏V化組構(gòu)間的接觸部位普遍存在一個(gè)連通管道，寬約0.6～1.7 μm，連接了大部分空腔狀微生物礦化組構(gòu)(圖3D)，形成鏈狀排列，多條鏈進(jìn)一步組合形成復(fù)雜的網(wǎng)狀排列(圖3B，C)。

4.2 顯微瘤狀微生物礦化組構(gòu)

在晶體表面或晶體內(nèi)部發(fā)育大量顯微瘤狀微生物礦化組構(gòu)，其在一定程度上改變了晶體的形態(tài)(圖5)。其能譜特征為：Ca原子含量略高于Mg原子含量(圖6)，為云質(zhì)特征。較大的顯微瘤狀微生物礦化組構(gòu)呈孤立狀分布，直徑約190～270 nm，也可見(jiàn)多個(gè)呈瘤狀組合分布，根據(jù)其數(shù)量多少，發(fā)育規(guī)模有較大差別，較小的直徑約380～770 nm，而較大的直徑約850～1 700 nm(圖5A)。對(duì)較大一級(jí)別的顯微瘤狀微生物礦化組構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步觀察，發(fā)現(xiàn)其是由更小一級(jí)直徑約25～100 nm的顯微瘤狀微生物礦化組構(gòu)組成。較小的顯微瘤狀微生物礦化組構(gòu)不僅構(gòu)成較大的顯微瘤狀微生物礦化組構(gòu)，也大量發(fā)育在晶體表面，呈席狀分布(圖5)。

圖2 研究區(qū)開(kāi)江—梁平海槽西側(cè)飛仙關(guān)組鮞?；?guī)r典型形態(tài)結(jié)構(gòu)特征a.川東北地區(qū)開(kāi)江—梁平海槽西側(cè)下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組鮞?；?guī)r巖芯照片；B.鮞粒間被亮晶膠結(jié)物充填，鮞粒呈橢圓狀或不規(guī)則狀，同心紋層結(jié)構(gòu)明顯，鮞粒核部可見(jiàn)半自形—自形白云石，茜素紅染色；C.鮞粒外形的均一狀特征及粒間粒狀方解石膠結(jié)物(樣品來(lái)源于TS5井，2 872 m)Fig.2 Typical morphological structure of oolitic limestones in the Feixianguan Formation, western Kaijiang-Liangping Trough, study area

圖3 空腔狀微生物礦化組構(gòu)SEM照片a.晶粒間大量分布空腔狀微生物礦化組構(gòu)；B.空腔狀微生物礦化組構(gòu)和微米級(jí)方解石分區(qū)域分布；C.空腔狀微生物礦化組構(gòu)間由一個(gè)管道連接；D.為C中虛框區(qū)域進(jìn)一步放大(樣品來(lái)源于TS5井，埋深2 872 m)Fig.3 SEM photomicrographs of cavity-shaped mineralized fabric

圖4 空腔狀微生物礦化組構(gòu)EDS能譜及元素分析(測(cè)試位置見(jiàn)圖3B中Point 1)Fig.4 EDS and elemental analysis of cavity-shaped mineralized fabric

4.3 纖狀微生物礦化組構(gòu)

纖狀微生物礦化組構(gòu)發(fā)育于方解石膠結(jié)物晶體之間的孔隙中，呈微米—納米級(jí)(圖7)。根據(jù)其能譜分析結(jié)果，O原子含量大于50%，Ca原子含量為16.59%(圖8)。多個(gè)纖狀微生物礦化組構(gòu)可呈群落分布。在空間較充足的區(qū)域呈短簇發(fā)散狀生長(zhǎng)，稱為短纖狀微生物礦化組構(gòu)(圖7)，而在空間較狹窄的區(qū)域纖狀微生物礦化組構(gòu)沿晶面生長(zhǎng)，呈細(xì)長(zhǎng)絲狀，稱為長(zhǎng)纖狀微生物礦化組構(gòu)(圖7B)。

短纖狀微生物礦化組構(gòu)一般長(zhǎng)度較短，直徑較大，由根部向尖端逐漸變細(xì)。有些以顯微瘤狀微生物礦化組構(gòu)組合體為生長(zhǎng)點(diǎn)分散生長(zhǎng)(圖7A)，有些在晶面上呈現(xiàn)為發(fā)散狀生長(zhǎng)，大小不均勻，較小的長(zhǎng)度約為0.2 ～1 μm，直徑約70～180 nm，較大的長(zhǎng)約0.6～1.6 μm，直徑約125～250 nm(圖7)。

長(zhǎng)纖狀微生物礦化組構(gòu)長(zhǎng)度最大近4 μm，最小約0.5 μm，直徑變化較小，約60～120 nm，在靠近微孔隙區(qū)域生長(zhǎng)方向較為雜亂，遠(yuǎn)離微孔隙的區(qū)域多為并排生長(zhǎng)。晶面中部?jī)H見(jiàn)少量長(zhǎng)纖狀微生物礦化組構(gòu)輪廓，推測(cè)是由于礦化作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)被破壞的結(jié)果(圖7B)。

圖5 顯微瘤狀微生物礦化組構(gòu)SEM照片a. 大量顯微瘤狀微生物礦化組構(gòu)呈瘤狀和分散狀分布在晶粒表面；B. 顯微瘤狀微生物礦化組構(gòu)呈瘤狀聚集，廣泛分布于晶粒表面；C. 顯微瘤狀微生物礦化組構(gòu)呈席狀分布；D. C中虛框區(qū)域進(jìn)一步放大，可見(jiàn)晶粒表層斷面有明顯的顯微瘤狀結(jié)構(gòu)(A、B來(lái)源于QL52井，埋深3 983 m；C、D來(lái)源于QL51，埋深3 969 m)Fig.5 SEM photomicrographs of micro-nodule-shaped mineralized fabric

圖6 顯微瘤狀微生物礦化組構(gòu)EDS能譜及元素分析(測(cè)試位置見(jiàn)圖5C中Point 2)Fig.6 EDS and elemental analysis of micro-nodule-shaped mineralized fabric

圖7 纖狀微生物礦化組構(gòu)SEM照片a.顯微瘤狀微生物礦化組構(gòu)集合體上呈短簇發(fā)散狀發(fā)育的纖狀微生物礦化組構(gòu)；B.纖狀微生物礦化組構(gòu)在晶粒間呈分散細(xì)長(zhǎng)絲狀發(fā)育，晶粒表面見(jiàn)較強(qiáng)的排列特征，絲狀輪廓被嚴(yán)重破壞(來(lái)源于QL51井，3 969 m)Fig.7 SEM photomicrographs of arrow-shaped mineralized fabric

圖8 纖狀微生物礦化組構(gòu)EDS能譜及元素分析(測(cè)試位置見(jiàn)圖7A中Point 3)Fig.8 EDS and elemental analysis of arrow-shaped mineralized fabric

5 討論

5.1 微生物結(jié)構(gòu)類型成因

微生物碳酸鹽形成的生物基礎(chǔ)是EPS(細(xì)菌的胞外聚合物)、微生物膜以及微生物席[50]。微生物膜由生存于EPS中的薄層細(xì)菌群落組成，繼續(xù)生長(zhǎng)較厚就形成微生物席[51]。微生物碳酸鹽的形成模式主要有三種：1)微生物對(duì)碎屑顆粒的吸附和黏結(jié)；2)微生物自身的鈣化(如藍(lán)細(xì)菌的鈣化形成球狀化石)；3)碳酸鹽礦物在微生物或沉積物表面上的無(wú)機(jī)沉淀[52]。

顆粒間的空腔狀微生物礦化組構(gòu)呈似球狀、豆?fàn)罨虿灰?guī)則箱狀，直徑為2～5 μm，大多數(shù)成團(tuán)分布；空腔狀微生物礦化組構(gòu)間存在寬約0.6～1.7 μm的連通管道，其將大部分空腔狀微生物礦化組構(gòu)連接為一個(gè)整體，形成鏈狀排列，多條鏈組合進(jìn)而形成復(fù)雜的網(wǎng)狀排列，推測(cè)應(yīng)該是由微生物自身礦化形成。

在鮞粒中觀察到最小粒級(jí)直徑約25～100 nm的顯微瘤狀微生物礦化組構(gòu)，彼此緊密分布，可聚集成較大瘤狀和席狀分布。目前在厭氧條件下微生物沉淀白云石的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌為了避免被礦化的礦物埋藏，會(huì)產(chǎn)生大量的納米球狀顆粒[11,53]，其形態(tài)特征與本次觀察到的顯微瘤狀微生物礦化組構(gòu)十分相似。由雪蓮等[11]和陳興等[54]分別在塔里木盆地上寒武統(tǒng)疊層石白云巖和西天山地區(qū)鉛鋅礦石中也發(fā)現(xiàn)該類型微生物礦化組構(gòu)，直徑約30～600 nm，呈鏈狀相連或群落狀聚集分布，認(rèn)為其屬于微生物新陳代謝活動(dòng)的產(chǎn)物。據(jù)此推測(cè)本次觀察到顯微瘤狀礦化組構(gòu)也是由微生物代謝產(chǎn)物礦化形成。

晶體間的纖狀微生物礦化組構(gòu)一般呈細(xì)長(zhǎng)絲狀和發(fā)散狀，長(zhǎng)度最大約4 μm，最小約0.2 μm，直徑約60～250 nm。陳興等[54]和Jones[55]分別在西天山地區(qū)鉛鋅礦石和英屬西印度群島鐘乳石中也觀察到具相似結(jié)構(gòu)的微生物礦化組構(gòu)，呈絲狀、管狀或纖狀，且部分與納米球狀顆粒伴生，認(rèn)為其屬于細(xì)菌胞外聚合物。據(jù)此推測(cè)本次觀察到的纖狀微生物礦化組構(gòu)為胞外聚合物。

5.2 早三疊世碳酸鹽快速沉積

除了研究區(qū)以外，貴州西南部Wuzhuan、Tienbao地區(qū)和川西地區(qū)早三疊世碳酸鹽沉積速率也遠(yuǎn)大于晚二疊世的沉積速率，說(shuō)明早三疊世碳酸鹽快速沉積現(xiàn)象普遍存在[56-57]。

早三疊世廣泛分布的鮞粒反映了當(dāng)時(shí)海洋中缺氧、微生物繁盛和碳酸鹽超飽和等環(huán)境條件[58-62]，而厭氧微生物在缺氧環(huán)境中的降解作用會(huì)提高海水的堿性[63-65]，進(jìn)而促進(jìn)了碳酸鹽的沉積。目前已有研究發(fā)現(xiàn)微生物包括厭氧的硫酸鹽還原細(xì)菌、產(chǎn)甲烷古菌以及好氧的嗜鹽需氧菌等都有助于克服白云石低溫沉淀的動(dòng)力學(xué)障礙，促進(jìn)原生白云石沉淀[20-23,26,28,30,66]。并且即使現(xiàn)存的EPS層和死亡的細(xì)菌被異養(yǎng)細(xì)菌占領(lǐng)或分解，它們?nèi)匀挥心芰s束各種離子，可作為多種礦物質(zhì)的成核中心[3,67-69]。由此推測(cè)在缺乏宏體水生生物的早三疊世中，大量的微生物活動(dòng)在碳酸鹽沉積過(guò)程中可能起到了“催化劑”的作用，是促進(jìn)碳酸鹽沉積的主要?jiǎng)恿χ弧?/p>

本次研究初步認(rèn)為早三疊世大量的微生物活動(dòng)可能降低了碳酸鹽的沉積門(mén)限，從而促進(jìn)了海洋環(huán)境中碳酸鹽的沉積，并導(dǎo)致于二疊紀(jì)末發(fā)育的克拉通內(nèi)裂陷—開(kāi)江—梁平海槽在早三疊世被快速填平，是早三疊世碳酸鹽快速沉積現(xiàn)象的直接誘因。

6 結(jié)論

(1) 在川東北地區(qū)開(kāi)江—梁平海槽西側(cè)下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組鮞粒灰?guī)r粒間膠結(jié)物中觀察到較多保存較完整的微生物礦化組構(gòu)：1)直徑為2～5 μm的空腔狀微生物礦化組構(gòu)，相接處由寬約0.6～1.7 μm的管道連通；2)直徑約25～100 nm的顯微瘤狀微生物礦化組構(gòu)，可聚集成瘤狀和席狀分布；3)呈細(xì)長(zhǎng)絲狀和短簇發(fā)散狀分布的纖狀微生物礦化組構(gòu)，長(zhǎng)度最大約4 μm，最小約0.2 μm，直徑約60～250 nm。

(2) 在鮞粒灰?guī)r中觀察到的多種類型的微生物礦化組構(gòu)，為研究災(zāi)變事件后早三疊世的微生物種類、微生物新陳代謝活動(dòng)和微生物大爆發(fā)事件提供了直觀證據(jù)，也為早三疊世快速沉積大量碳酸鹽提供了一定的啟示：推測(cè)大量的微生物活動(dòng)是早三疊世碳酸鹽快速沉積現(xiàn)象的直接誘因，并導(dǎo)致于二疊紀(jì)末發(fā)育的克拉通內(nèi)裂陷—開(kāi)江—梁平海槽在早三疊世被快速填平。