微生物岩

微生物岩是由底棲生物群落的生長和生理活動引起沉積質點粘結和圈捕和/或表面礦物沉澱和/或生物礦化作用而產生的生物沉積岩”。其主要的類型包括疊層石、均一石、樹形石、凝塊石、核形石、紋理石以及某些碳酸岩顆粒－鮞粒、團粒、球粒和泥晶。其物質成分可由碳酸鹽岩、磷塊岩、鐵岩、錳岩和有機質頁岩組成，也可由硫化物岩、硫酸鹽岩、粘土岩和各種碎屑岩組成。其形成環境從海洋(濱海至深海)、湖泊、河流、噴泉，到洞穴、風化殼和沙漠。

基本介紹

• 中文名：微生物岩
• 外文名：Mierobolite
• 提出者：R.v.Burne
• 類型：疊層石、均一石、樹形石、凝塊石
• 特徵：質純、雜質少
• 實用意義：礦源岩，能產生石油天然氣等

簡介

微生物岩一詞由R.v.Burne提出，稱Mierobiolite，後由R.Riding改為Mierobolite。微生物岩是由底棲微生物群落的生長和生理活動, 引起沉積質點粘結和圈捕、和/ 或表面礦物沉澱、和/ 或生物礦化作用而產生的生物沉積岩。底棲微生物群落包括藍細菌為主的光能細菌、化能自養菌和化能異養菌, 以及真核微體藻(如硅藻)組成的複雜共生體。底棲微生物群落可以三種主要方式與沉積物作用: ①底棲微生物群落分布在鬆散固結的碎屑沉積中作為薄膜存在, ②粘聚的底棲微生物群落緊密共生而成為席, 圈捕和粘結沉積質點; ③與底棲微生物群落緊密共生的礦化作用而產生的固結體。

分類

微生物岩分類因不同而標準劃分不同。按照沉積物的組成類型可以分為鈣質及碳酸岩質、磷塊岩質、矽質岩以及鐵質。實際上也就是根據微生物岩的巨觀鉤造、內部結構、底棲生物群落與沉積物之問的作用以及微生物岩在地層中發育方式和特點可將微生物岩分為5種類型：疊層石、均一石、樹枝石、凝塊石、核形石、隱生石。微生物岩的巨觀產出狀態，建議用微生物岩礁和微生物岩層來與通常文獻中所用的生物礁和生物層相區別。

實用意義

微生物岩以其質純、雜質少， 常構成品位高的磷、錳、鐵、硫、石灰岩、白雲岩、菱鎂礦和硅藻土等礦床，如黔中磷礦、湘黔錳礦和宣龍鐵礦。微生物碳酸鹽岩構成疊層石礁丘、泥晶丘和核形石一鱺石灘，也粘結生物礦物體及其碎屑建造生物礁丘，造成優良的儲礦空間，形成油氣田和各種多金屬、非金屬礦產，如河北任丘油田、四川威遠氣田、雲南東川銅礦等。微生物碳酸鹽岩本身就是具有精美花紋的建築材料， 廣泛用於裝飾建築物作貼面板用。此外， 微生物成因的矽岩、灰岩和有機質頁岩也是很好的礦源岩，能產生石油天然氣和銅、鉛、鋅、鑰、釩、鈾、汞等沉積礦產。

主要特徵

微生物岩研究， 其巨觀構造類型從疊層石經層紋石、核形石和緬石，到凝塊石和樹枝石，最後為團粒、球粒和泥晶，其沉積環境從潮坪、湖泊開始, 經淺海、深海、河流, 到生物礁、冷泉、熱泉、洞穴和風化殼; 其組成岩石類型從碳酸鹽岩開始，接著為矽岩、有機質頁岩和磷塊岩, 然後擴大至鐵、錳岩、硫酸鹽岩和硫化物岩, 最後也牽涉粘土岩和碎屑岩。微生物岩成因標誌由大到小，從疊層石巨觀構造形態開始，經疊層微觀結構構造， 球、桿和線等菌體結構,到碳經磷灰石等生物礦物和有機質分子結構，甚至微量元素和同位素比值。微生物學，特別是地質微生物學知識引進沉積學, 必將引起沉積學巨大變革, 這種變革已在碳酸鹽岩領域普遍流行, 並將蔓延至其他類型沉積岩中。微生物岩（包括未成岩的沉積物）常常是孤立或是緊密相連的丘狀體或是平坦的層狀體。

微生物岩作為邊緣學科微生物沉積學的主要對象，必須進行多學科研究、交流和協作,需要地質微生物學家、微生物生態學家、古微生物學家、古生態學家、有機和無機地球化學家、沉積學家和礦物學家共同努力，才能解決一系列成因間題。

研究歷史

微生物岩研究經歷了從巨觀到微觀、從靜態到動態、從描述到成因、從比較到演化的歷史, 本文將其劃分為以下4 個階段。

早期啟蒙階段

E.Kalkowsky (1908 )首先創立“疊層石” 一詞, 指具有多少近似平面狀生物成因的細紋層構造的塊狀灰岩, 並認為原始光養生物醉類和綠藻牽涉疊層石形成。Ch.D.Walcot(1914) 觀察了北美蒙大拿州元古代Belt 超群疊層石, 並與現代藍綠藻形成的淡水鈣質結核和石灰華相比較, 認為疊層石也是藍綠藻建造、淡水成因的化石, 並按疊層石形態提出一個分類系統。後來M.Black (1933) 研究了巴哈馬安得羅斯島現代藻沉積物(疊層石) , 發現疊層石在潮間帶由藍藻圈捕和粘結碳酸鹽碎屑形成。

古生物學派與現實主義(沉積)學派對立階段

前蘇聯的V.P.Maslov 在30 年代就將柱狀疊層石劃分為彎狀和錐狀兩大類, I.K.K .ro lyu k (1 9 6 0) 提出按疊層石內部構造形態(柱體外形、壁、紋層特徵) 進行形態分類, I.N.Kryfov( 1963) 增加了分枝樣式的因素。他們採用十分複雜的林奈式分類系統, 對分枝柱狀疊層石進行系統的古生物分類和命名, 並用它來劃分和對比元古界地層, 形成古生物學派。他們沒有考慮疊層石形態也受環境因素控制, 因而在遠距離對比時發生矛盾。

相反, 歐美學者詳細研究現代疊層石, 強調沉積環境對疊層石形態的影響。他們先後對巴哈馬群島、佛羅里達海岸、百慕達群島、鱉魚灣和特魯西爾海岸的潮坪疊層石作過詳細研究。

研究者用現代沉積學知識解釋古代疊層石, 形成現實主義學派J.D.Aitken。將隱藻生物岩劃分為疊層石、層紋石、核形石和凝塊石, 並認為前兩者形成於潮間帶, 核形石形成於潮下, 凝塊石形成於潮間下部至潮下淺水。他們在套用將今論古的觀點時,沒有考慮地球表面環境的變化, 機械地將當時已發現的現代疊層石的三個成因特點— 生成於潮間帶或淺灘、藍藻捕獲和粘結碎屑顆粒、全部形態由環境控制, 推廣至古代疊層石, 並廣泛流行。

歐美學者的這種觀點首先受到前蘇聯學者的反對，如V. P. Maslov (1961)認為化學作用、生物作用和生理作用也介入疊層石形成。他主張藻類群落的多樣性決定疊層石的不同形態和構造類型。疊層石潮間帶成因的觀點受到古代疊層石研究者否定，他們根據圍岩特徵確定為潮下成因，如蒙大拿州元古界Belt超群的錐疊層石(Rezak,1957)、澳洲西部泥盆紀礁斜坡上的深水圓柱疊層石(Playford,1969) 疊層石潮間帶成因觀點也受到現代疊層石研究者異議，他們先後在佛羅里達海岸、百慕達群島、巴哈馬群島和鱉魚灣發現潮下疊層石，而且還在巴哈馬群島(Monty,1971)發現深水疊層石。此外還發現疊層石形成於熱泉、湖泊和河流環境，如T. D. Brock(1976)對黃石公園熱泉疊層石、R. B. Halley<1976)對大鹽湖疊層石、W. E. Dean(1972)對紐約綠湖淡水疊層石生物丘進行過深入研究。

古代碳酸鹽疊層石中微生物極易降解，難以保存。60年代後期元古界矽化疊層石中微生物不斷發現，使得疊層石生物學研究成為可能，如E.5.Barghoon(1965)和P.E.Cloud(1965)對北美早元古代岡弗林特含鐵建造(2.OGa)、J.W.Schpf(1968)對澳大利亞晚元古代Bitter Springs建造(0.8Ga)和H.J.Hofmann(1969)對加拿大哈得遜灣玫Iche:群島早古代地層(2 .0Ga)的研究。5.M.Awramik(1976)進一步闡明了疊層石形態與微生物群落關係，認為在層狀疊層石中球狀藍藻占統治地位，在柱狀疊層石中絲狀藍藻占統治

比較現實主叉(沉積學)研究階段

M.R.walter(1976)〔幻主編的《疊層石》一書出版，標誌著疊層石研究進入比較現實階段。由於現代微生物學家T.R.Brock、5.Golubi。等參與現代疊層石研究，大量微生物學識引入到疊層石研究中。M.R.Walter接受微生物學權威R.Y.Stanier將藍藻劃入細菌的見，強調微生物群落(主要是細菌)對形成疊層石的主導作用，認為疊層石是由微生物群落長和代謝活動引起沉積物圈捕、粘結和沉澱而產生的。該書將元古宙疊層石與現代疊層石行對比，認為疊層石不局限於潮間帶環境，只要適於微生物生長，沉積速度適中，各種環境可形成。與此同時，C.L.V.Monty 系統批判了疊層石研究中三個教條主義論點，指出疊石形成於各種環境，要利用同時形成的柱間間隙物沉積特徵來推斷生長環境;提出疊層石成是在生物化學沉澱作用與生物物理(圈捕和粘結)作用同時介入下完成的;認為藻類的成分、結構和行為對疊層石特殊微構造的發育以及某些情況下對特殊生長形態的發育決定性因素;最後他還認為疊層石由藍藻和細菌構成，一般情況下藍藻起主要作用，但在泉和深海底形成細菌疊層石.在C.L.V.Monty、H.J. Hofmann和M.B.walter等人的下，合理的比較現實主義方法終於占據統治地位。

C. L. V. Monty《顯生宙疊層石》的出版，填補了元古宙疊層石與現代疊層石之間的間隙，把疊層石研究擴大至層紋石、樹枝石和核形石，並詳細描述它們的結構構造，分析它們的生態環境。T. Peryt《包粒》一書集中討論了各種各樣環境中的核形石和微生物鱺，雖然書中將尚未發現微生物化石者稱為鱺石和豆石，將滲流帶形成者稱為滲流石。Y. Cohen《微生物席:疊層石》論文集討論了現代潮坪、鹽沼、鹽湖、陸上熱泉和深海熱泉的微生物席，並指出要研究沙漠漆、洞穴和淺海硫化物噴氣口的微生物席。在該論文集中，S. M. Awramik首次討論了疊層石的地史演化，指出疊層石的巨觀形態和造疊層石微生物大小在各個地史時期的演變。他再次提出晚元古代疊層石衰退是由於後生動物的鑽孔和牧食，但他忽視了真核藻類和後生植物的空間競爭，以及地球表面的環境變化。

許多地質微生物學家將厚僅若干毫米的微生物席作為微生物生態系統進行垂向分層研究，如S. Golubic(1973)對波斯灣阿布達比潮間帶碳酸鹽沉積、W. E. Krumbein (1979)對西奈半島亞喀巴灣海灘岩、G. Gerdes(1987)對北海南部Mellum島砂潮坪、N. Pfennig(1989)對麻薩諸塞州德角鹽沼砂一粉砂坪的研究。他們都曾指出，隨著光線強度、氧氣和硫化氫含量、Eh和pH等環境因素髮生垂向變化，微生物群落也相應發生變化，由上而下，從耐氧光能細菌經厭氧光能細菌至厭氧化能細菌，顏色相應由藍綠色經紫紅色至黑色，形成一個平衡的生態系統。隨著微生物席的生長和破壞、環境因素的變化，微生物群落分帶界限也不斷上下遷移。A. H. Knoll和張晌(1989)都曾指出，微生物席中的微生物群落可分造席微生物(mat-builders)、棲席微生物(mat-dwellers)和外來微生物(allochthonous microorganisms) 。

微生物沉積學研究階段

R. V. Burne(1987)，首先提出微生物岩(Microbiolite)一詞，認為是底棲微生物群落的生物沉積物。底棲微生物群落包括光能原核生物、真核微生物和化能(自養和異養)微生物(Bauld,1986)。他認為鈣質微生物岩的形成作用包括:圈捕和粘結作用，形成微生物粘結岩;無機鈣化作用，形成微生物灰華岩;生物影響鈣化作用，形成微生物構架岩。他提出微生物岩內部構造包括疊層石、凝塊石、核形石、球石和隱生5類。

R. Riding (1991)將微生物岩的形成作用劃分為沉積質點的圈捕作用、礦物在生物或沉積物表面的化學沉澱作用和生物組織的生物礦化作用。微生物群落信息以生物礦化作用保存最好，沉積圈捕作用保存最差。他擴大了微生物岩的範圍，將它劃分為疊層石(粘結、冷泉華、骨骼和陸上4種)、樹枝石、凝塊石、熱泉華和隱生5類。他認為粘結(agglutinated)疊層石以沉積圈捕作用為主，海相和非海相都可產生;冷泉華((tufa)疊層石、陸上(subaerial)疊層石和熱泉華(travertine)以表面化學作用為主，基本上為非海相;骨骼疊層石、樹枝石和凝塊石以生物礦化作用為主，限於古生代和中生代。隱生微生物碳酸鹽岩具有泥晶、球粒、團粒或亮晶微觀組構，缺乏明顯的巨觀組構。R. Riding在圈捕的沉積質點中沒有包括化學沉澱質點，在表面化學作用中沒有考慮大規模的海底噴泉，在生物礦化作用中只考慮藍細菌，沒有考慮其他礦化細菌。

S. Golubic(1991)，評述了現代疊層石研究，認為現代疊層石可形成於各種海水和淡水環境，某些生長於極端環境。他指出許多現代疊層石環境在古代尚未發現，大多數古代疊層石未發現現代對應物。因此只能套用現代疊層石成因中的一般原理於古代疊層石，不能機械對比。他提出生物和環境控制疊層石形態學特徵有三種情況:①由建造疊層石的主要微生物及其生長習性控制;②由環境選擇具有特殊生長要求的微生物控制;③環境力量通過修飾和塑造影響其形態。微生物對疊層石可起建造作用、破壞作用或無作用。建造作用和破壞作用的平衡決定了疊層石的加積速度和可保存性。

自C. L. V. Monty提出細菌成因白雲岩(1986)和泥晶灰岩丘為微生物成因(1990)以後，白雲岩和灰岩的微生物成因引起沉積學家的普遍重視，這方面的文章不斷增加。1993年由C. L. V. Monty負責的IGCP 334項“微生物岩隆的對比和生物沉積學”開始執行，該項目是1987-1992年IGCP261項“疊層石”的延續。該項目研究疊層石和有關建造、泥丘和有關建造(各種粘結岩和生物礁)，重點是加強微生物沉積學研究。最近他還提出內(岩溶)疊層石(endostromatolite)概念。