微生物碳酸鹽巖的顯微結(jié)構(gòu)基本特征*

吳亞生 姜紅霞 李 瑩 虞功亮

1 中國科學(xué)院新生代地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029 2 中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院，北京 100029 3 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 4 河北地質(zhì)大學(xué)古生物研究院，河北石家莊 050031 5 中國科學(xué)院水生生物研究所，湖北武漢 430072

1 現(xiàn)狀和問題

微生物巖的原始定義(Burne and Moore，1987)指底棲微生物群落與碎屑或化學(xué)沉積物相互作用形成的沉積，是通過微生物群落(1)對碎屑沉積的捕集和粘結(jié)作用、(2)無機(jī)鈣化作用、(3)生物影響的鈣化作用形成的沉積；這3種作用形成的巖石分別叫微生物粘結(jié)巖、微生物泉華、微生物骨架巖；生物影響鈣化作用可能是光合作用引起的化學(xué)變化或者是晶體在微生物膠鞘表面成核的結(jié)果(Burne and Moore，1987)；微生物巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括疊層石型的、凝塊石型的、核形石型的、球形的、隱形的(Burne and Moore，1987)；疊層石主要是微生物捕集和綁結(jié)作用形成的，凝塊石主要是生物影響的鈣化作用形成的。疊層石是生物成因的具有細(xì)紋層構(gòu)造的碳酸鹽巖塊體(Kalkowsky，1908；Awramik and Margulis，1974；Krumbein，1979；Burne and Moore，1987)。凝塊石的原始定義(Aitken，1967)指未鈣化的藍(lán)藻和綠藻形成的、具有宏觀的凝塊結(jié)構(gòu)或海綿結(jié)構(gòu)的巖石；凝塊由微晶(8～20iμm)灰?guī)r組成。雖然后來的學(xué)者提出了一些新的微生物巖類型，如樹枝石和均一石(Riding，1991，2011a)，但是迄今未見可靠的實(shí)例報(bào)道。

由于微生物巖的定義來自于宏觀特征，所以微生物巖的識(shí)別都是根據(jù)宏觀特征進(jìn)行的， 即根據(jù)對露頭、手標(biāo)本、光面、薄片的肉眼直接觀察確定(Aitken，1967，圖 19; Burne and Moore，1987，圖 10; kennard and James，1986，圖 2; Kah，1992，圖 2，圖 3; Grotzinger， 2000，圖 6; Shapiro， 2000，圖 3，圖 4; Riding， 2011b，圖 8，圖 10)。一些學(xué)者的文章中雖然有微觀照片，但是微觀特征并沒有用于微生物巖的識(shí)別和分類。中觀特征固然是微生物巖的重要特征，但某些中觀特征是成巖作用形成的，并不是微生物的作用形成的，例如二疊紀(jì)—三疊紀(jì)界線地層的微生物巖在露頭上表現(xiàn)為凝塊狀，但是，深入研究后發(fā)現(xiàn)是成巖作用形成的結(jié)構(gòu)(Wuetal.， 2014;吳亞生等，2018)。根據(jù)中觀特征識(shí)別微生物巖的另一個(gè)缺陷是不能對小的標(biāo)本、特別是小于1icm的標(biāo)本進(jìn)行識(shí)別。而在石油工業(yè)中大量的鉆井是不取心的，巖性的確定是根據(jù)巖屑；巖屑一般小于1icm。微生物巖能不能根據(jù)微觀特征來識(shí)別，微生物巖的顯微結(jié)構(gòu)有什么基本特征、是否可以用于微生物巖的識(shí)別和分類，是作者關(guān)注的主要問題。作者從微生物碳酸鹽的形成機(jī)制上討論其顯微結(jié)構(gòu)特征，并且用現(xiàn)代和古代微生物巖的實(shí)例來驗(yàn)證理論推測。

2 術(shù)語和研究方法

微生物作用主導(dǎo)形成的礦物叫微生物礦物；微生物作用主導(dǎo)形成的巖石叫微生物巖；微生物作用主導(dǎo)形成的碳酸鹽礦物組成的泥晶或顆粒形成的沉積物叫微生物碳酸鹽沉積；微生物作用主導(dǎo)形成的碳酸鹽礦物的建造或巖石，叫微生物碳酸鹽巖或簡稱微生物巖。建造的含義是巖石的骨架是由原位的微生物形成的。微生物作用形成的碳酸鹽礦物、微生物作用形成的碳酸鹽沉積物、微生物作用形成的碳酸鹽建造或巖石，統(tǒng)稱為微生物碳酸鹽巖。

微生物礦化指微生物體的某個(gè)部分、某些部分或全部變成礦物的現(xiàn)象。微生物誘導(dǎo)結(jié)晶指微生物作用引起的礦物結(jié)晶。國外文獻(xiàn)中將微生物誘導(dǎo)結(jié)晶作用籠統(tǒng)叫做微生物誘導(dǎo)礦化。微生物誘導(dǎo)結(jié)晶作用形成的礦物覆蓋微生物體的表面形成的殼狀結(jié)構(gòu)叫礦物殼。

作者通過一個(gè)微生物碳酸鹽的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)來增加對微生物碳酸鹽形成過程和機(jī)制的認(rèn)識(shí)，然后根據(jù)對形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)，推斷微生物碳酸鹽巖應(yīng)具有的顯微結(jié)構(gòu)特征。再通過對現(xiàn)代和古代微生物巖實(shí)例的觀察，確定它們是否有預(yù)測的顯微結(jié)構(gòu)特征。

微生物碳酸鹽培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)于2018年7月至10月間在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)容器為一個(gè)30×50×30icm大小的無蓋塑料箱，裝10icm厚自然土壤，加入自來水，使水深達(dá)到10icm，溫度22～35i℃，正常日光照射。

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，巴哈馬、鯊魚灣、基里巴斯都有典型的現(xiàn)代微生物碳酸鹽巖在形成。由于不方便采樣，作者根據(jù)前人文獻(xiàn)中微生物碳酸鹽巖的顯微照片分析其顯微結(jié)構(gòu)特征。

為了觀察古代微生物碳酸鹽巖的顯微結(jié)構(gòu)特征，此次研究對新疆塔里木盆地阿克蘇城西南蘇蓋特布拉克村附近寒武系第三階剖面的微生物巖進(jìn)行剖面測量，并采集標(biāo)本，制作薄片，在偏光顯微鏡下觀察其顯微結(jié)構(gòu)特征。

3 藍(lán)藻誘導(dǎo)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)2018年7月份開始。1周后，土壤表面生長出深藍(lán)色的絲狀微生物，鏡下確定微生物包括藍(lán)藻的鞘絲藻屬Lyngbya和絲狀綠藻絲藻屬(Ulothrix)；14 d后，顯微鏡下見到少數(shù)Lyngbya的膠鞘表面出現(xiàn)一些顆粒狀的碳酸鹽(圖 1-b，1-c，1-d，1-e，1-g，1-h；圖 2-a，2-b，2-e，2-f)；23 d后，很多Lyngbya絲體表面有碳酸鹽顆粒，顆粒呈點(diǎn)狀，直徑1.8～6.4iμm；35 d后，取樣做掃描電鏡觀察，見到一部分Lyngbya絲體膠鞘表面全部被碳酸鹽顆粒覆蓋(圖 1-f右下角；圖 2-c，2-d)，形成一個(gè)包裹絲體的礦物殼。但是，絲體的前端表面沒有碳酸鹽礦物；很短的Lyngbya絲體、新形成的絲體表面沒有碳酸鹽礦物形成。始終未見其他藍(lán)藻屬種或其他藻類表面有碳酸鹽礦物形成。10月份氣溫下降到10i℃以下，箱中的微生物死亡。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析探討

該實(shí)驗(yàn)沒有人工添加微生物菌種，所以，微生物全部來源于土壤中的微生物菌種。只有Lyngbya的表面有碳酸鹽礦物形成，說明一定的條件下只有某些微生物能夠引起碳酸鹽礦物形成，即微生物碳酸鹽的形成與微生物的種類有關(guān)： 有的屬種能夠形成，有的屬種不能形成，說明誘導(dǎo)結(jié)晶作用確實(shí)存在。不是所有微生物的表面都有碳酸鹽礦物形成，說明礦物是誘導(dǎo)結(jié)晶作用形成的，不是無機(jī)作用形成的；如果所有微生物的表面都有碳酸鹽礦物形成，那么，反而說明可能是無機(jī)結(jié)晶作用形成的。

a—4個(gè)粗的是藍(lán)藻絲體(L: Lyngbya)，表面尚無碳酸鹽顆粒形成；1個(gè)細(xì)的是綠藻絲體(U: Ulothrix)；b—單偏光照片，1個(gè)藍(lán)藻絲體(Lyngbya)，一半有碳酸鹽顆粒；c—是B的紅色方框的放大；d—1個(gè)藍(lán)藻絲體(L: Lyngbya)和4個(gè)綠藻絲體(U: Ulothrix)，藍(lán)藻絲體有膠鞘，膠鞘表面覆蓋有1層碳酸鹽顆粒；e—是d的紅色方框的放大；f—7個(gè)有礦物殼的藍(lán)藻絲體(Lyngbya)，2個(gè)未鈣化的藍(lán)藻絲體(Lyngbya)，許多黃綠色的綠藻絲體(Ulothrix)，右下角的1個(gè)藍(lán)藻絲體全部被碳酸鹽覆蓋，其余的未被全部覆蓋；g—正交偏光，有至 少10個(gè)表面有碳酸鹽顆粒的藍(lán)藻絲體；h—是g的紅色方框的放大，干涉色為高級白，是方解石或文石的特征圖 1 藍(lán)藻誘導(dǎo)結(jié)晶培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的照片F(xiàn)ig.1 Photomicrographs of microbes in an experiment on induced carbonate precipitation by cyanobacteria

a—4個(gè)絲體表面有稀疏分布的顆粒狀碳酸鹽；b—是a的紅色方框的放大，標(biāo)出能譜測點(diǎn)位置；c—3個(gè)藍(lán)藻絲體表面全部被碳酸鹽顆粒覆蓋；d—是c的紅色方框的放大；e—1個(gè)藍(lán)藻絲體表面的碳酸鹽顆粒；f—是e的紅色方框的放大，顯示碳酸鹽顆粒由0.1×1iμm的棒狀 晶體組成；g和h—是b中位置14和15處的能譜圖圖 2 藍(lán)藻絲體的掃描電鏡照片及能譜圖(與 圖 1 同源的樣品)Fig.2 Scanning electron microscope(SEM)graphs and energy spectrogram(EDS)(the same cyanobacterial samples as inFig.1)

在本實(shí)驗(yàn)條件下，藍(lán)藻Lyngbya絲體只在膠鞘表面形成碳酸鹽，而不在膠鞘內(nèi)部形成。Riding(1977)觀察到碳酸鹽礦物在藍(lán)藻Plectonema的膠鞘內(nèi)部形成，使之可以保存為化石。誘導(dǎo)結(jié)晶是在膠鞘表面形成碳酸鹽礦物，形成的礦物殼的厚度不均勻，不能形成可以進(jìn)行屬種鑒定的化石。

誘導(dǎo)結(jié)晶是一個(gè)逐漸進(jìn)行的過程，最初只在微生物體表面形成少數(shù)點(diǎn)狀分布的碳酸鹽礦物顆粒，然后數(shù)量逐漸增多，再后覆蓋整個(gè)微生物絲體的表面，形成一個(gè)包圍絲體的礦物殼。

微生物的生長是微生物碳酸鹽形成的先決條件。微生物的生長需要一定的溫度。揚(yáng)州位于北緯32.39°，北京市區(qū)位于北緯39.9°。吳亞生曾對揚(yáng)州和北京的河流及湖泊的水華發(fā)生情況進(jìn)行了多年的觀察，發(fā)現(xiàn)無論是揚(yáng)州還是北京，冬季的河水表面是清澈的，沒有微藻水華，說明藍(lán)藻等微生物較少。但是，在春夏秋季，凡是富營養(yǎng)化的水體，表層水都會(huì)因?yàn)樗A的存在而呈綠色。微藻水華主要由藍(lán)藻以及部分微小的綠藻形成。這個(gè)現(xiàn)象說明，控制微生物生長的第一因素是溫度，第二因素是水體的營養(yǎng)元素含量。當(dāng)然還有其他次要因素。

4 微生物碳酸鹽形成機(jī)制和微觀特征

微生物碳酸鹽必須是微生物作用形成的。Burne和Moore(1987)認(rèn)為，形成微生物碳酸鹽的作用主要有2種： 捕集作用和生物影響的鈣化作用。前者指絲狀以及非絲狀微生物的黏性膠鞘粘結(jié)和包裹沉積物的作用(注： 本文作者認(rèn)為，微生物的膠鞘未必是黏性的)，后者指微生物的作用使碳酸鹽在生物體表面或者在膠鞘內(nèi)部形成的作用。另外一些學(xué)者將生物有關(guān)的碳酸鹽形成作用分為3種： 生物誘導(dǎo)、生物影響(Duprazetal.， 2009)和生物控制(McConnaughey，1989;Lowenstam and Weiner，1989;Grotzinger and Knoll，1999;Reid，etal.， 2000;Franke and Bazylinski，2003;Reidetal.， 2003;Weiner and Dove，2003;Duprazetal.， 2004;Riding，2011a;Kazmierczaketal.， 2015)。生物誘導(dǎo)指生物的生理活動(dòng)影響了環(huán)境，例如，微生物的光合作用導(dǎo)致微環(huán)境的pH上升，從而導(dǎo)致碳酸鹽礦物形成的作用。生物影響指生物的特性影響晶體的形狀和成分的碳酸鹽形成作用。根據(jù)作者對微生物誘導(dǎo)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)的觀察結(jié)果，對前人提出的微生物碳酸鹽形成模式做了細(xì)化和補(bǔ)充，認(rèn)為形成微生物碳酸鹽的作用主要有3種(圖 3): 捕集作用，微生物誘導(dǎo)結(jié)晶作用，生物控制鈣化作用。

4.1 捕集作用

捕集作用指絲狀或非絲狀微生物的聚集體，對沉積物的阻擋作用和保護(hù)作用。阻擋作用使水流中攜帶的泥晶或者顆粒沉積下來，保護(hù)作用的含義是使已經(jīng)沉積在微生物體之間的沉積物不被水流沖刷走。分2種情況：

1)微生物體之間的沉積物未能在微生物體腐爛降解之前半固結(jié)或固結(jié)，這樣，在微生物體腐爛之后，很可能不能在沉積物中留下孔洞(圖 3-a)。如此形成的沉積物，與水流中攜帶的沉積物由于重力作用而沉積形成的沉積物沒有顯著的區(qū)別，因而難以識(shí)別。這種成因的巖石是否屬于微生物碳酸鹽有待商榷。

2)由于膠結(jié)作用，或者由于露出水面而發(fā)生的脫水作用，沉積物在微生物體腐爛消失之前固結(jié)或者半固結(jié)，因此，在微生物體腐爛降解之后，微生物體在沉積物中留下孔洞，稱為?？住Ｄ？资钩练e物的結(jié)構(gòu)不均勻(圖 3-b)： 如果沉積物由于?？锥ㄏ蚺帕谢蚱渌蛐纬杉y層結(jié)構(gòu)，就叫疊層石；如果沒有紋層結(jié)構(gòu)，就叫凝塊石。

4.2 微生物誘導(dǎo)結(jié)晶作用

指微生物的生理活動(dòng)，例如光合作用，導(dǎo)致其周圍水體微環(huán)境的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，如pH值上升，從而引起碳酸鹽礦物結(jié)晶的作用(在英文中叫induced calcification，但這是不恰當(dāng)?shù)慕蟹ǎ驗(yàn)閷?shí)際上不是微生物本身變成鈣質(zhì))。實(shí)驗(yàn)表明，這種作用形成的礦物一般是附著在微生物體的表面(如果微生物體有膠鞘，那么指膠鞘的表面)，并且開始是呈孤立的點(diǎn)狀，然后逐漸覆蓋微生物體的整個(gè)表面?？梢苑譃?種情況：

1)碳酸鹽呈點(diǎn)狀分布在微生物體的表面(圖3-c)，如果微生物體死亡分解，那么，碳酸鹽礦物就以分散的顆粒存在，形成松散的沉積物，這種點(diǎn)狀碳酸鹽顆粒的大小在1.8～6.4iμm，亦可更大或更小。這種成因的巖石是否屬于微生物碳酸鹽巖亦有待商榷。

2)如果碳酸鹽礦物形成包圍微生物體的殼，但是，相鄰微生物體的碳酸鹽殼不相互聯(lián)接，那么，微生物體死亡腐爛之后，碳酸鹽殼將形成松散的沉積物，殼的內(nèi)部有微生物體留下的孔，叫做?？?。這種成因的巖石是否屬于微生物碳酸鹽巖同樣有待商榷。

a1～a3、b1～b3—捕集作用trapping;c1～c3、d1～d3、e1～e3—生物誘導(dǎo)結(jié)晶；f1～f3—生物控制鈣化。c1～c3—微生物碳酸鹽呈點(diǎn)狀附著在微生物體表面；d1～d3—微生物碳酸鹽在微生物體表面形成殼，殼之間的空間未被充填滿；e1～e3—微生物碳酸鹽在微生物體表面形成殼，且因?yàn)橛谐浞值臅r(shí)間生長，殼之間的空間被微生物碳酸鹽充填滿；f1～f3—微生物碳酸鹽只分布在膠鞘內(nèi)部，形成厚度均勻的殼，即化石。a3如果能夠識(shí)別，也屬于微生物碳酸鹽，但是難以識(shí)別；b3、d3、e3屬于狹義的微 生物碳酸鹽；f3既屬于微生物碳酸鹽，又屬于微生物礁的范疇圖 3 以絲狀藍(lán)藻為例的微生物碳酸鹽形成模式Fig.3 Formation models of microbial carbonates by filamentous cyanobacteria

3)如果碳酸鹽礦物形成包圍微生物體的殼，且相鄰微生物體的碳酸鹽殼之間相互聯(lián)接，碳酸鹽礦物沒有完全充填滿殼之間的空間，那么碳酸鹽殼將形成多孔的微生物碳酸鹽建造(圖3-d)。這種建造是典型的微生物巖。在碳酸鹽沉積學(xué)中，建造指處于原位的生物骨骼構(gòu)成的碳酸鹽體。在微生物碳酸鹽建造中，殼處于生長時(shí)的位置；殼的內(nèi)部有微生物體留下的模孔。殼之間有未被充填的孔隙，稱為剩余孔洞。

4)如果碳酸鹽礦物形成包圍微生物體的殼，而且殼之間的空間被碳酸鹽礦物充填滿，那么，將形成比較致密的微生物碳酸鹽建造(圖 3-e)。

4.3 生物控制鈣化作用

生物控制鈣化作用指生物的生理活動(dòng)引起礦物在生物體內(nèi)部或者表面的特定部位聚集，形成具有特定形狀、結(jié)構(gòu)的骨骼的作用。例如，藍(lán)藻的生理活動(dòng)促成碳酸鹽礦物在藍(lán)藻膠鞘內(nèi)形成，最終形成厚度均勻的壁。這種厚度均勻的壁保持了藍(lán)藻的形狀和大小(圖 3-f)；它們?nèi)绻槐４嬖诘貙又?，就叫化石?，F(xiàn)代自然環(huán)境中，如印度洋的亞達(dá)伯拉環(huán)礁(Aldabra Atoll)上的一個(gè)小水坑中就有生物控制鈣化的織線藻Plectonema(Riding，1977)。再例如，雙殼類外套膜的表面有碳酸鹽晶體的形成，形成有特定形狀、結(jié)構(gòu)和成分的殼，構(gòu)成外骨骼。珊瑚的骨骼具有同樣的性質(zhì)。

以上模式圖是以絲狀微生物為例的。但無論是絲狀微生物，還是非絲狀微生物都可以發(fā)生捕集作用和誘導(dǎo)結(jié)晶作用，例如，太平洋的基里巴斯島上的現(xiàn)代潟湖中正在形成的微生物碳酸鹽建造主要由非絲狀的微生物形成(Arpetal.， 2012)。這說明，典型的微生物碳酸鹽建造或微生物巖都有微生物留下的?？?，并且往往有包圍模孔的礦物殼。

5 現(xiàn)代微生物碳酸鹽巖顯微結(jié)構(gòu)特征

微生物碳酸鹽在微生物席死亡之后就進(jìn)入成巖階段。目前所知最老的微生物碳酸鹽巖是澳大利亞皮巴拉37億年前的疊層石(Nutmanetal.， 2016)。古老地層中的微生物碳酸鹽巖可能遭受了白云石化、溶蝕作用、膠結(jié)作用、去白云石化作用等各種成巖作用的影響，尤其是白云石化作用、溶蝕作用和膠結(jié)作用。這些成巖作用會(huì)不同程度地改造或破壞微生物碳酸鹽巖的原始結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)代自然環(huán)境的微生物碳酸鹽巖基本未受到成巖作用改造。

世界很多地方的現(xiàn)代自然環(huán)境中都有微生物碳酸鹽巖在形成(Reidetal.， 2003;Jahnert and Collins，2011；Suosaarietal.， 2016)。要確定這些微生物碳酸鹽巖的顯微結(jié)構(gòu)是否都有?？缀偷V物殼，一種辦法是去這些地方采樣進(jìn)行研究，另一種辦法是檢查前人文章里的顯微照片。作者采用第2種辦法，檢索并研究了所有涉及現(xiàn)代微生物碳酸鹽巖的文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)只要有顯微照片，并且顯微照片的分辨率足夠高，就能看到這些微生物碳酸鹽巖有?？缀偷V物殼。這里僅舉鯊魚灣、巴哈馬、基里巴斯3個(gè)例子作為代表。

5.1 鯊魚灣現(xiàn)代微生物碳酸鹽巖

澳大利亞鯊魚灣的疊層石舉世聞名，凝塊石也同樣重要。這2種微生物碳酸鹽巖分布在鯊魚灣的哈梅林潟湖。前人的研究發(fā)現(xiàn)，凝塊石分布在潮上帶、潮間帶上部和潮下帶下部，而疊層石只分布在潮間帶下部和潮下帶上部(Reidetal.， 2003;Jahnert and Collins，2011;Suosaarietal.， 2016)。疊層石由鈣質(zhì)紋層與排列成紋層的孔洞交互組成(圖 4-a;Jahnert and Collins，2011，圖 3B)。放大后(圖 4-b)，可見鈣質(zhì)紋層由模孔和其間的鈣質(zhì)組成。圍繞模孔的鈣質(zhì)顏色淺，應(yīng)當(dāng)為礦物殼，厚度為125iμm。?？讏A形或蠕蟲狀，直徑有125iμm和250iμm 2種。

a—修改自Jahnert 和 Collins(2011)的圖 3B，被稱為膠狀疊層石Colloform structure。紋層狀，由鈣質(zhì)紋層和其間的孔洞組成的紋層組成；b—是a的紅色方框的放大，見到鈣質(zhì)紋層由?？?H)和其間的鈣質(zhì)組成；?？讏A形或蠕蟲狀，直徑125、250iμm；?？字車邪咨牡V物殼(C)，其厚度125iμm；c—修改自Patterson(2014)的圖 49A，手標(biāo)本，鮞粒凝塊石，見到白色的鮞粒和其間的黃色和褐色藻絲體；d—是c的紅色方框的放大，見到2種直徑的藻絲體(T)，直徑分別為23、46iμm。粗藻絲體外面的乳白色礦物殼(C)厚度為38iμm； e—是c的藍(lán)色長方形框的放大，可見白色鮞粒(o)之間有很多?？?H)和乳白色的礦物殼(C)，模孔的直徑為34～43iμm圖 4 澳大利亞鯊魚灣和巴哈馬海布礁現(xiàn)代微生物碳酸鹽巖的顯微結(jié)構(gòu)特征Fig.4 Microfabrics of the modern microbial carbonates in Shark Bay of Australia and Highborne Cay，Bahama

a—修改自Arp等(2012)的圖 6E，采集自基里巴斯鹽湖的手標(biāo)本，上層是橙色的微生物席，中層是死的微生物，下層白色的是網(wǎng)狀的微生物碳酸鹽巖；b—修改自Arp等(2012)的圖 13B，采集自與a相同的地點(diǎn)，為白色網(wǎng)狀的微生物碳酸鹽巖；c—修改自Arp等(2012)的圖 13F，薄片顯微照片，標(biāo)本采集自與a相同的地點(diǎn)，單偏光；d—是c的紅色方框的放大，顯示微生物碳酸鹽巖由?？缀推溟g的碳酸 鹽組成，?？讏A形或蠕蟲形，直徑有10iμm和19iμm 共2種圖 5 基里巴斯現(xiàn)代微生物碳酸鹽巖的顯微特征(據(jù)Arp等，2012；有修改)Fig.5 Microfabrics of modern microbial carbonates in Kiribati(modified from Arp et al.， 2012)

5.2 巴哈馬現(xiàn)代微生物碳酸鹽巖

巴哈馬是現(xiàn)代微生物碳酸鹽巖的著名產(chǎn)地之一，因被認(rèn)為是現(xiàn)代正常淺海環(huán)境微生物碳酸鹽巖的唯一代表而地位特殊。巴哈馬的微生物碳酸鹽巖包括疊層石和凝塊石2種，都產(chǎn)在礁后潟湖的潮間帶和很淺的潮下帶(Reidetal.， 1995;Planavsky and Ginsburg，2009)。巴哈馬海博內(nèi)礁(Highborne Cay)的凝塊石形成小型平坦的碳酸鹽巖臺(tái)地(Patterson，2014)。雖然Patterson(2014)把這種微生物碳酸鹽巖叫凝塊石，但在手標(biāo)本上，看不到典型的凝塊結(jié)構(gòu)。之所以被叫做凝塊石，可能是因?yàn)?個(gè)原因： (1)缺乏紋層結(jié)構(gòu)，(2)有一些0.5～3icm大小的洞。

采集自臺(tái)地表面的標(biāo)本保留了絲狀藻及其外的礦物殼(圖 4-c，4-d)叫做礦物殼，僅僅因?yàn)樗诮z狀藻的周圍；其實(shí)它是絲狀藻類誘導(dǎo)碳酸鹽礦物結(jié)晶形成的。有很多絲狀的孔洞(圖 4-c，4-d)，其周圍有淺色的礦物殼，所以它們是絲狀藻類腐爛之后留下的，屬于模孔。?？椎闹睆?4～43iμm(圖4-e)。形成這種?？椎慕z狀微生物可能是Dichothrix(Patterson，2014)。這是一個(gè)以銳角行假分枝的絲狀藍(lán)藻屬，包括40多個(gè)種。照片中該絲狀藻的確是以銳角分枝的，應(yīng)當(dāng)屬于Dichothrix。

5.3 基里巴斯現(xiàn)代微生物碳酸鹽巖

基里巴斯是太平洋的一個(gè)島國，島上有很多高鹽度湖泊。高鹽湖的水很淺，只有幾米。其底部生長著一層橙黃色的微生物席，微生物席的下面是微生物作用形成的碳酸鹽巖(Arpetal.， 2012;本文圖 5-a)。在手標(biāo)本上就可以看到這種微生物碳酸鹽巖呈白色不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Arpetal.， 2012;本文圖 5-b)。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)似乎歸入凝塊石比較合適。在顯微照片上可以看到，微生物碳酸鹽巖由密集的?？缀推溟g的碳酸鹽組成(圖 5-c，5-d)。?？讏A形和蠕蟲形，直徑10iμm和19iμm。?？字g的碳酸鹽的厚度與?？紫嗨?，可達(dá)19iμm；它們是否為礦物殼，難以確定。

以上3個(gè)例子說明，現(xiàn)代自然環(huán)境的微生物碳酸鹽巖的基本特征就是具有?？住Ｄ？椎耐饷婵赡苡械V物殼。礦物殼之間可能是被膠結(jié)的鮞?；蛘呱靶?。如果沒有砂屑，殼之間可能有原始孔隙，叫剩余孔隙。剩余孔隙可以在后來的成巖作用中被較晚形成的礦物充填。

6 塔里木盆地寒武紀(jì)微生物巖顯微結(jié)構(gòu)

地質(zhì)歷史時(shí)期的成巖作用是否會(huì)把微生物碳酸鹽巖的原始顯微結(jié)構(gòu)特征抹去？需要通過對地質(zhì)歷史時(shí)期的微生物碳酸鹽巖的研究來確定。雖然前人對地質(zhì)歷史時(shí)期的微生物碳酸鹽巖做了很多研究，但是一般都不是以顯微結(jié)構(gòu)為主要內(nèi)容的。作者雖然已經(jīng)對大量的古代微生物碳酸鹽巖進(jìn)行了研究，但限于篇幅在此只對中國新疆寒武系第三階的一個(gè)剖面進(jìn)行介紹。

以塔里木盆地阿克蘇城西南80ikm處的蘇蓋特布拉克剖面為例，介紹寒武紀(jì)微生物巖的宏觀、中觀、微觀特征。該剖面有出露很好的寒武系第三階肖爾布拉克組。很多學(xué)者對該剖面肖爾布拉克組的微生物巖進(jìn)行了研究(宋金民等，2012;Baietal.， 2017;鄧世彪等，2018;鄭劍鋒等，2019)。作者實(shí)測確定該組厚度187im，幾乎全部由白云巖組成。根據(jù)宏觀特征將該組分為5段。第Ⅰ段，黑色，薄層狀；第Ⅱ段，黑色，似薄層狀或塊狀，有蜂窩狀溶洞；第Ⅲ段，灰色，紋層狀；第Ⅳ段，灰黃色，丘狀體和其間的薄層狀深灰色白云巖(圖6-a)；第V段，灰黃色—黑色，中層狀。在第Ⅲ段、第V段露頭上可見紋層構(gòu)造，其余地層露頭上看不到任何微生物巖特征。在顯微鏡下可見，第Ⅰ段以紋層結(jié)構(gòu)為主，也有凝塊結(jié)構(gòu)。第Ⅱ段，以凝塊結(jié)構(gòu)為主。第Ⅲ段，是紋層結(jié)構(gòu)與凝塊結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。第Ⅳ段以凝塊結(jié)構(gòu)為主(圖6-a，6-b，6-c)。第V段下部以紋層結(jié)構(gòu)為主，上段以砂屑結(jié)構(gòu)和紋層結(jié)構(gòu)為主。

第Ⅳ段厚度約24im，露頭上見到由丘狀體和其間的薄層狀巖石構(gòu)成。丘狀體高度6～20im。丘狀體內(nèi)部在露頭上呈塊狀。在顯微鏡下，可見丘狀體內(nèi)部的塊狀白云巖、丘狀體之間的薄層狀白云巖都具有凝塊結(jié)構(gòu)，都屬于凝塊石。丘狀體內(nèi)部的凝塊石由暗色不規(guī)則網(wǎng)狀、斑點(diǎn)狀、蠕蟲狀的“凝塊”，以及其間的淺色區(qū)域(稱為亮斑)組成(圖 6-d，6-e)。斑點(diǎn)狀“凝塊”的直徑、蠕蟲狀“凝塊”的寬度、組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的“凝塊”的寬度為44～140iμm；亮斑的直徑最大可達(dá)400iμm。

對亮斑和暗色“凝塊”進(jìn)行局部放大后(圖 6-f，6-g)可見，亮斑和暗色“凝塊”都有絲狀的小孔。因?yàn)樾螤畛室?guī)則的絲狀，認(rèn)為它們是微生物的?？?。亮斑中模孔的密度比“凝塊”中小很多。亮斑內(nèi)部和暗色“凝塊”內(nèi)部的?？滋卣飨嗤鄶?shù)呈稍微彎曲的管狀，長度可達(dá)15iμm，少數(shù)是圓形的，直徑為1iμm。亮斑由寬度達(dá)到50iμm的半自形白云石晶體組成?？梢姲自剖w的邊界。亮斑內(nèi)?？椎拈g距較大，所見最大間距可以達(dá)到15iμm；模孔之間是淺色的十分均勻的白云石。淺色的白云石膠結(jié)物使得亮斑呈淺色。暗色“凝塊”內(nèi)部的?？缀苊芗?，間距一般只有1iμm。

暗色凝塊石內(nèi)部模孔密集，亮斑內(nèi)部模孔稀疏，代表當(dāng)時(shí)微生物的分布不均勻。亮斑內(nèi)的微生物十分稀疏。環(huán)境條件的改變，使得微生物稀疏處的剩余孔洞沒有被誘導(dǎo)結(jié)晶礦物充填，后來被白云石晶體充填膠結(jié)。微生物密集處，?？酌芗?。由于某種原因，使得?？字g的碳酸鹽呈黑色。黑色的碳酸鹽與黑色的模孔2個(gè)因素使得暗色凝塊石區(qū)域是暗色的。

?？椎闹睆胶烷L度與現(xiàn)代海洋的絲狀藍(lán)藻群動(dòng)蓋絲藻(Geitlerinemaionicum)(王夢夢等，2017)相似。G.ionicum的絲體直徑1.2～1.4iμm。所以，模孔可能是Geitlerinemaionicum留下的。

塔里木盆地寒武系第三階微生物巖的例子說明即使是寒武紀(jì)的經(jīng)過強(qiáng)烈白云石化改造的微生物巖也保留了微生物的模孔。無論前寒武紀(jì)還是顯生宙，除了白云石化的微生物巖地層外，還有許多未遭受白云石化的地層，它們的微生物巖原始結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)有更好的保存。既然嚴(yán)重白云石化的微生物巖中?？卓梢员４妫敲?，成巖作用影響較小的微生物巖地層中的?？赘鼞?yīng)當(dāng)能夠被保存。

a—1個(gè)微生物丘的野外露頭，丘形，內(nèi)部塊狀，由白云巖組成；丘周圍是層狀白云巖地層；b—是a的方框的放大；c—是b的方框的放大，見到巖石由?？?紅色箭頭所指)和網(wǎng)狀的“凝塊”(黃色箭頭所指)組成；d—采集自b的標(biāo)本的薄片，由暗色的蠕蟲狀和網(wǎng)狀的“凝塊”(紅色箭頭所指)和其間的亮斑(黃色箭頭所指)組成；e—是d的方框的放大；f—是e的左邊黃色方框的放大，為白云石晶體的一部分(Do)，其上有少數(shù)絲狀的?？?紅色箭頭所指)；?？字睆?～1.5 μm；g—是e的右邊黃色方框的放大，由較小的不規(guī)則形狀的 白云石晶體組成，有較多的絲狀?？?紅色箭頭所指)，以及黑色的孔洞(黃色箭頭所指)圖 6 中國新疆塔里木盆地阿克蘇市烏什縣蘇蓋特布拉克村附近寒武系第三階微生物巖的顯微結(jié)構(gòu)Fig.6 Photomicrographs of microfabrics of microbiailte of the Cambrian Stage 3 (Xiaoerbulake Formation) at Sugaitebulake, Aksu, Xinjiang, Northwest China

7 討論

幾個(gè)典型的現(xiàn)代微生物碳酸鹽巖的實(shí)例以及塔里木盆地寒武系第三階微生物巖的例子都說明，現(xiàn)代和古代微生物碳酸鹽巖的研究不能只在宏觀、中觀尺度上，還要在顯微和亞顯微尺度上進(jìn)行。

在宏觀尺度上主要觀察微生物巖的產(chǎn)狀。宏觀產(chǎn)狀包括幾個(gè)厘米厚的薄層狀，也可以是幾米到幾十米高的丘狀。在中觀尺度上主要觀察微生物巖是紋層狀的還是凝塊狀的，觀察其薄層的特征、其幾厘米大小溶洞的特征、其窗格構(gòu)造的特征。超過4icm大的孔洞只能在手標(biāo)本上觀察，因?yàn)樵诒∑胁荒芸吹狡淙病Ｔ谖⒂^尺度上，主要觀察幾十到幾百微米大小的結(jié)構(gòu)特征，以及毫米和厘米級結(jié)構(gòu)的顯微特征。對凝塊石而言，在幾百微米的尺度上，儼然由幾百微米厚的蠕蟲狀、網(wǎng)狀的黑色“凝塊”和其間的亮斑組成。“凝塊”由較細(xì)的晶體組成，一般由泥晶或粉晶組成；亮斑是由較粗的晶體組成，顏色較淺。在亞顯微或幾微米的尺度上，幾百微米尺度的“凝塊”是由模孔和其間的白云質(zhì)組成，亮斑其實(shí)是模孔稀疏的地方；“凝塊”其實(shí)是?？纵^為密集的地方。

不同尺度的特征有不同的意義。幾百微米尺度的結(jié)構(gòu)，反映的是微生物生長的不均勻，是由底質(zhì)狀況、適宜微生物發(fā)育的環(huán)境條件的持續(xù)時(shí)間長短等因素決定的。而幾微米尺度的結(jié)構(gòu)，反映的是微生物席的組成、水體沉積物的多少等特征。微生物席的組成受環(huán)境的物理化學(xué)條件控制。所以，不同尺度的研究都有意義，都是不可缺少的。

前人定義的凝塊指的是孔洞之間的泥晶骨架。作者的研究說明，以前的所謂凝塊其實(shí)由更小的基本單元——模孔和礦物殼或者?？缀推溟g的礦物組成，因此建議，當(dāng)?？字g的碳酸鹽無法區(qū)分是礦物殼或其他類型時(shí)，籠統(tǒng)叫做基本凝塊(proclot)。?？资俏⑸锪粝碌?，其大小和形狀是規(guī)則的，且與微生物的大小和形狀一樣。在成巖階段，?？卓赡鼙荒z結(jié)物充填，也可能遭受溶蝕作用而擴(kuò)大和形狀變得不規(guī)則。雖然成巖作用可能形成溶蝕孔隙，但溶蝕孔隙的形狀和大小是不規(guī)則的。通過對形狀和大小的分析，可以區(qū)分模孔和溶蝕孔。

8 結(jié)論和建議

1)實(shí)驗(yàn)表明，誘導(dǎo)結(jié)晶只在某些微生物的表面發(fā)生，開始是形成點(diǎn)狀碳酸鹽顆粒，后來形成碳酸鹽礦物殼。一般而言，微生物碳酸鹽巖的基本組成單元是?？缀偷V物殼，還可以有孔隙和膠結(jié)物。

2)無論是現(xiàn)代還是古代的微生物碳酸鹽巖，?？椎拇嬖谑瞧浠咎卣鳌Ｒ?個(gè)典型的現(xiàn)代微生物碳酸鹽巖的實(shí)例，說明現(xiàn)代自然環(huán)境的微生物碳酸鹽巖顯微結(jié)構(gòu)都有模孔，可能大多數(shù)有礦物殼。塔里木盆地寒武系第三階的微生物巖在顯微尺度上由暗色“凝塊”和亮斑組成；在亞顯微尺度上，暗色“凝塊”由?？缀推溟g的膠結(jié)物組成。