叠层石成因与形成条件的研究进展

叠层石成因与形成条件的研究进展

层压是由绿细菌和其他微生物（如蓝细菌）形成的一层生物沉积结构。最早的叠层石出现在35亿年前,被认为是地球上最古老的化石(Buicketal,1981;Lowe,1980,1983),是地球上探索生命起源和生物演化的直接证据。Kalkowsky在1908年首先定义了“叠层石”这一术语,并强调具有一定的几何学形态、断面显示典型纹层构造的,应该属微生物成因。其后的几十年,叠层石定义得到不断补充和修订,如,Aitken(1967)引入了“凝块石”这一概念来表述那些内部不分层,具有明显的凝块或内部多孔的生物沉积建造,但目前的定义仍未被普遍接受(Riding,2000,2002)。在其成因探讨中,Ginsburg(1991)提出,叠层石是一种成层的生物沉积构造,主要在蓝细菌等微生物群体的作用下,通过微生物席对外来沉积物进行捕捉、粘附以及碳酸盐的沉淀而行成。最近曹瑞骥(2003)概括为:叠层石是由蓝藻类的微生物(少数为细菌、真菌或真核藻类)在特定的环境下与无机沉积物相互作用共同构成的一种生物沉积建造体。当前叠层石的研究内容广泛,主要包括成因机理、分类、微生物席和纹层以及对环境的指示意义、生物地层学探讨和成矿作用等。其中,成因机理方面研究进展明显,并具有深入探讨生命起源和生物演化的重要意义。为此,本文对近20年来有关叠层石成因和形成条件方面的研究成果进行汇总,旨在推动该领域的进一步深入研究。1叠层石的分类由于研究目的不同,叠层石的分类依据和方案也各不相同(曹瑞骥,2003),但多以其沉积组分、形态以及成因等方面的依据为主(邱树玉等,1998)。最常见的分类,即根据叠层石的形态特征,划分为丘状、柱状和锥状等叠层石类型(Logan,1961;Aitken,1967;曹瑞骥等,2003);而根据成因则划分为骨架叠层石、凝集叠层石、细粒叠层石以及陆地叠层石等(Riding,2000)。在此仅对叠层石的成因划分类型进行综述。1.1微生物路径研究表明,低等菌藻类生物自身的钙化对骨架叠层石的形成起主要作用,并可在叠层石中保存钙化的化石成分(Riding,1977;Monty,1981)。因此“骨架”这一术语反映的是一种微生物钙化的特征。有些骨架叠层石内含有生物膜、捕捉的颗粒以及早期的胶结物。骨架叠层石在古生代和中生代海洋环境中广泛存在,现代则主要局限于钙质含量高的河流中,其数量较少的原因主要是由于生物席中直立的丝状体干扰了纹层的产生和保存。1.2集叠层石的形成过程凝集叠层石主要通过生物作用捕捉和粘附沉积物颗粒而形成(Riding,1991),也是目前研究最为深入的叠层石类型。凝集叠层石在形成过程中可以包裹从泥晶到砾石等各个粒级的沉积物,通常沉积组分粒度越大,所形成的纹层就越粗糙且不规则,部分粗粒叠层石的沉积常与凝块石共同产出,这也是现代SharkBay和LeeStocking岛叠层石的总体特征。然而在古生代以及前寒武时期的叠层石中,这种粗粒的叠层石非常少见(Riding,1991;Bragaetal,1995)。1.3微生物及其建造作用细粒叠层石是凝集成因还是沉淀成因目前尚有争论(Fairchild,1991),对其中微生物的存在及其建造作用大小仍是当前研究的热点。现代叠层石中,部分层状潮间带叠层石属细粒特性的,而新生代晚期珊瑚礁和藻礁中的细粒叠层石壳体和纹层则大多数是沉淀成因的(Riding,1991),由此可见,元古代细粒叠层石的成因解释就更为复杂。1.4活性炭质沉岩的形成模式在陆地,微生物成因的层状钙质沉积物曾被称为地衣(Klappa,1979)和陆地叠层石(Riding,1991)。Wright(1989)认为微生物在钙质沉积的形成方面发挥了重要作用,因此一些陆地钙质沉积可以被认为是微生物碳酸盐岩,而具纹层特征的应该属叠层石。王福星等(1994)和戎昆方等(1998)相继探讨了洞穴叠层石的成因等问题,并根据Kalkowsky(1908)的叠层石定义,认为如果这种洞穴钙质沉积内部发育纹层则应视为叠层石沉积。2层压板形成条件2.1叠层石结构表面物膜的增加在叠层石形成过程中无论是对沉积物的捕捉、粘附还是原地碳酸盐的沉淀,起关键作用的是组成微生物席的成分、微生物膜及其所分泌的胞外聚合物(EPS,ExtracellularPolymericSubstances)的数量和属性,他们不仅是叠层石形成的生物基础,还会影响到生物膜的捕捉和粘附能力、微生物席的钙化以及碳酸盐的沉淀等作用程度(Reidetal,2000b),因此有必要对微生物席、生物膜以及EPS做一简述。2.1.1生物席内部的生物成分和营养方面微生物席具有复杂的构造,通常存在于叠层石和其他的大型水下微生物碳酸岩的表面。现代正在生成的微生物席通常具有毫米级别的厚度,而一些较大的微生物,如具有丝状体的蓝细菌、硅藻以及部分藻类等则可形成内部相互交错复杂的丛状生物席,其内部的组分非常明显。这些微生物席能够捕捉泥晶颗粒,较厚的生物席甚至可以粘附较粗的颗粒。微生物席除了提供稳定性和保护以外,还能为内部复杂的互养微生物群体提供能量和营养。生物席内部微生物复杂的光合作用与呼吸作用等关系紧密,并最终决定微生物席的钙化和保存程度。许多细菌是通过矿物质和其他物质的降解得到营养和能量,微生物席与基底紧密粘附进一步加剧了矿物质的降解和风化作用,这些释放出的物质会进一步沉淀。因此,微生物席不仅在生物化学循环方面具有全球的重要性,而且这一作用也直接影响了沉积物的粘附以及矿物质的沉淀(Ehrlich,1998)。2.1.2生物膜内部组构生物膜是一种存在于EPS基质中由细菌群体所组成的亚毫米级别的薄层。其内部包含了很多管道和聚集物,这些内部组构的大小在20~40μm之间。当构成生物膜的生物种类较少并处水体低能的情况下,细胞的聚集体形成了规则的三维网络空间,网络空间又被管道系统所分割,这些管道具有输送水分、养料、氧气和废物的作用。但在生物膜内部生物种类较多时,其内部组构则较为不规则。生物膜的厚度一般为几十到几百微米,而且其内部成分只能在电子显微镜下观察到。生物膜对叠层石形成的作用非常复杂,可以捕捉非常小的颗粒,也可以通过细菌的新陈代谢等过程而钙化(Perry,1999)。2.1.3通过吸附大量的催化剂和微生物,将生物膜和基底连接起来EPS在微生物席中广泛存在,对微生物碳酸盐岩的产生具有重要的影响。EPS由生物膜分泌产生,细菌、蓝细菌以及硅藻等都能够分泌出大量的EPS(Decho,1990)。聚集在细胞外的EPS具有保护作用的粘性基质,同时在水体环境中可将生物膜和基底连接、将微生物粘附在基底上,为生物膜提供稳定性、加速新陈代谢反应并且成为扩散的屏障和吸附的载体,与真核生物组织的功能相类似(Lawrenceetal,1991)。对于生物本身,EPS不仅可提供物理和化学方面的保护作用,而且有助于营养物质的吸收。2.2微生物的制备研究近年来,对叠层石形成过程中的生命活动,即生物作用的不断认知,反映了叠层石成因机制研究的重要进展。这方面的成果主要包括生命活动中的微生物光合作用和硫还原作用等(Lavaletal,2000;Reidetal,2000a;Visscheretal,2000;Arpetal,2001,2003)。2.2.1光照与caco3微生物的光合作用能够促使CaCO3沉淀,但是相对应的呼吸作用也会导致CaCO3的溶解。一般情况下,光合作用和呼吸作用总是紧密相连,但是在生物席表面0.5mm以下通常不会有O2的存在,从而为光合作用引发CaCO3的沉淀提供了前提条件(Visscheretal,1999)。微生物席中含有许多微生物群体,这些群体主要包括蓝细菌、喜氧异养细菌、硫还原细菌以及硫氧化细菌(Visscheretal,1992)。与光合作用有关的主要是前两种细菌类型。这是一种生物膜内部的钙化作用,受到EPS的属性以及周围环境的控制。光合作用主要体现在两方面,一方面通过的微生物对水体中溶解无机碳(DIC,DissolvedInorganicCarbon)的吸收,改变微环境中的DIC含量和pH值,形成有利于沉淀的碱性微环境;另一方面光合作用能够促进微生物产生更多的EPS并改变EPS的化学性质促进CaCO3的沉淀。因此光合作用引发碳酸盐的原地沉淀主要发生在水体中DIC含量较低而钙的含量较高的环境中(Arpetal,2001)。光合作用引发生物膜中的钙化需要3个关键过程,首先是水体中CaCO3的过饱和程度。在水体中DIC含量较低的情况下,微生物的光合作用会极大的影响微生物周围水体环境中的DIC总量,从而直接影响水体的化学性质,创造有利于CaCO3沉淀的碱性水体环境。其次,在生物膜中的微环境中,光合作用促进EPS形成高度的水合网络空间,这种水合网络空间可以从外部CaCO3过饱和水体中吸附二价离子并降低内部的扩散速率,使生物膜中富含Ca2+和Mg2+离子,进一步提高微环境中的过饱和程度。通过对现代生成的钙化物的研究发现,这种生物膜内部微环境中的CaCO3的过饱和程度可以达到周围水体CaCO3饱和程度的10倍以上,因此在这种微环境中EPS主动吸附和聚集Ca2+的能力是很高的。最后也是最重要的是生物膜内部需要形成微观碱性梯度,光合作用在形成生物膜内部碱性梯度的过程中发挥了至关重要的作用,在光合作用过程中生物膜有选择性的吸收水体中的CO2而不是HCO3-,从而形成生物膜内部相对酸性而不是中性的微环境(Arpetal,2001),在这种酸性环境中EPS会产生大量的酸性功能团。在Ca2+过饱和的环境中,与碳酸盐晶体晶格相对应的排列规律的酸性功能团则能够促进种晶即固体碳酸盐晶体的产生(Arpetal,1998;1999;Kawaguchietal,2001)。另外,在光合作用下生物膜中的酸性功能团会在内部二价阳离子饱和沉淀以后进行重新排列,从而进一步促进CaCO3在生物膜中的沉淀(Arpetal,1999)。光合作用对钙化生成物同位素的影响也非常大,Lee等(2001)研究了藻类和微生物的光合作用对钙化生成物同位素的影响,由光合作用所形成的钙化生成物的δ13C值远远高于或低于一般的平衡值(-6‰~+8‰),而且与呼吸作用的程度以及微环境直接相关。2.2.2叠层石矿物质结构硫的还原作用能够促进CaCO3的沉淀,但同时硫的氧化作用也会导致CaCO3溶解,这些作用都与生物席中的硫还原细菌以及硫氧化细菌直接相关。在微生物席中的硫还原细菌发挥了促进碳酸盐沉淀的作用。在厌氧微生物的呼吸作用中,硫充当了O2的功能,当然硫的还原作用在有O2的情况下也可以发生,只是速度有所降低(Visscher,1992)。硫还原作用主要通过以下反应来促进CaCO3的沉淀:2[CH2O]+SO42-+Ca2+→CaCO3+CO2+HS-+H++H2O。其中,[CH2O]代表有机碳,研究发现叠层石微生物席中全部有机碳的49%~63%是通过硫的还原作用进行矿化(Visscheretal,1999)。生物席中的一些生物群体,如Schizothrix和Solentia等原地生产的有机碳成分以及一些外生聚合物等都促成了微生物的一些异养生命活动,而且这些生物席内部的外生聚合物也成为硫还原细菌进行还原作用的有机碳来源。在硫还原过程中会产生HS-,这种产物会在硫氧化细菌的氧化过程中重新氧化,从而导致CaCO3的溶解:HS-+2O2+CaCO3→SO42-+HCO3-+Ca2+。硫氧化细菌的氧化作用同样需要O2的存在和参与,由于生物席内部缺乏O2,因此这种氧化作用在生物席中也难以发生。另外,硫还原作用产出的HS-更易于从微生物席中扩散逸失。因此,硫还原作用和硫氧化作用在时间和空间上的分离程度要比光合作用和呼吸作用高,也更易于碳酸盐的沉淀。硫还原作用的结果就是微生物膜的钙化以及薄层泥晶的形成,当更多的碳酸盐沉淀到叠层石表面的时候,这一表面的微生物膜就会成为下部的沉积层,而且是以一种基本连续的薄的泥晶胶结壳体的形式存在,进而形成非常规律和致密的叠层石内部纹层。由于这种作用在O2缺失和存在的情况下都能进行,并且只要微生物席的条件允许就可以形成沉淀,因此在现代的海洋条件下这种方式更容易形成叠层石沉积,现代的巴哈马地区叠层石中就存在着以这种方式形成的较薄的纹层(Reidetal,2000a;Arpetal,1999)。2.2.3从水体中的吸附和沉淀作用在CaCO3饱和程度较高而且水体化学条件较为碱性的环境中,生物膜内部无法形成酸性环境和碱性梯度,而且生物膜内部的EPS无法产生足够的排列规律的酸性功能团,因此光合作用对钙化的影响较小,而主要取决于EPS的属性和吸附方式。在上述环境中,EPS主要依靠其羧化功能团主动从水体中吸附二价阳离子,如Ca2+等,而在光合作用中则依靠降低内部的扩散速率和酸性功能团的配位作用。这种吸附作用不断进行直到超过EPS吸附Ca2+的能力后,碳酸盐微晶体就会在生物膜的表面沉淀并导致钙化。由于水体中的化学成分的变化具有季节性和周期性,因此以这种方式形成的纹层反映了一种季节性的周期变化。值得关注的是,微生物也从碳酸盐在其表面的沉淀中得到益处,因为这种沉淀作用会在细胞膜的外部产生氢离子:Ca2++HCO3-→CaCO3+H+这一沉淀和钙化作用不断进行就会在细胞膜的外部形成氢离子浓度梯度,这一梯度是微生物细胞产生ATP,吸收营养物质的基本能量(Visscheretal,1999)。这种形成方式也为太古代大气中氧气含量很低而且光合作用还没有发展起来的情况下,叠层石的产出提供了理论依据。目前这种叠层石的形成环境在正常海洋条件下很少见,只存在于一些碱性的湖泊环境中。2.2.4驱动碱降解过程中ca2+的含量除光合作用和硫还原作用外,EPS可以在生物膜与过饱和水体接触的部位通过降解促进钙化。这种降解是否能够促进钙化主要取决于水体中DIC和Ca2+的含量。EPS在降解过程中首先发生脱羧基作用以及戊糖的降解,前者能够释放出EPS中吸附的Ca2+,如果环境中Ca2+的含量较低就会大大提高微环境中Ca2+的过饱和程度;而后者在降解过程中会释放CO2,如果微环境中DIC的含量较低,就会明显提高微环境中的酸性程度,从而很快在平衡降解过程中释放出Ca2+,导致微环境中Ca2+过饱和程度的下降,阻止CaCO3的沉淀。而在DIC含量较高的环境中,降解过程中释放出的CO2不能明显的影响微环境中的酸性程度,随着Ca2+的不断增加和饱和程度的不断提高最终促进CaCO3的沉淀。因此,EPS降解促进碳酸盐的沉淀主要发生在DIC含量较高而Ca2+的含量较低的环境中(Arpetal,1998)。而在DIC含量较低的环境中,有氧EPS的降解会导致CaCO3饱和程度的下降,从而阻止钙化的形成,这种情况在现代的海洋中普遍存在,因此这也是现代正常海洋环境中叠层石罕见的原因。2.3生物和环境因子的影响1976年Walter就指出,对沉积物的捕捉和粘附、微生物钙化作用以及碳酸盐的原地沉淀是叠层石形成的重要方式。当时对其具体的形成过程还知之甚少,尤其在微生物和环境因素对生成方式的影响方面(Riding,2002)。经过20多年的不断探讨,研究表明这些形成方式主要反映在生物席内部的物理化学微环境对沉积物捕捉和粘附的影响(Reidetal,2000a;Visscheretal,2000;Arpetal,2001),微生物自身的钙化作用,以及微生物引发的碳酸盐的原地沉淀作用方面。2.3.1吸附沉积物的作用微生物对沉积物的捕捉和粘附一直都被认为是叠层石形成的重要方式(Grotzingeretal,1999)。原核生物和真核藻类等都能够通过这种方式形成叠层石(Feldmannetal,1997;Dravis,1983;Dilletal,1986)。生物席中微生物的大小、运动性、生长的方向以及微生物之间的相互关系决定了粘附和捕捉沉积物的能力,另外EPS也发挥了很大的作用。微生物席会将经过其表面的沉积物捕捉并固定,这些被捕捉的沉积物的粒径变化很大而且成分复杂,从细粒到粗粒、硅质、甚至碳酸盐颗粒都有,因此微生物席所捕捉的颗粒类型主要取决于周围沉积物的供应以及生物席的构造。对沉积物的捕捉作用可以是简单的物理包裹作用,也可以是EPS内部和表面的粘附作用。微生物在生长的过程中通过细胞、丝状体以及生物膜将捕捉到的沉积物包裹,并将其粘附到生物席中进而成为表面微生物生长的基底,而且随着生物席的继续生长,这种加积作用也持续进行。另外,如果生物席的表面非常不平整,微生物个体较大,表面直立的藻丝体较多并且能够生成大量粘性的EPS,就会形成以纹层粗糙和凝集为特征的现代巴哈马叠层石(Dravis,1983;Dilletal,1986;Riding,2000;Reidetal,2000a)。而那些表面光滑的生物席,由于表面起伏较小而只能捕捉非常细小的沉积物甚至不能够捕捉粘附沉积物。微生物席和EPS的作用表明对粗碎屑颗粒的捕捉和粘附并不一定需要真核生物的存在(Reidetal,2000b)。2.3.2早期的叠层石微生物的钙化作用被认为是元古代叠层石形成的重要过程(Gebelein,1976)。Riding(1977)将这种主要通过微生物自身钙化而形成的具有微骨架的叠层石称为骨架叠层石。在巴哈马地区的骨架叠层石中,藻丝体会在藻类死亡以后进行钙化。粘附作用和藻丝体的钙化将鲕粒沉积物胶结形成了坚硬的叠层石骨架构造(Reidetal,2000b)。与白垩纪以前的叠层石不同,这种现代的骨架叠层石主要产在低能、超咸的局部水体环境中(湾和湖泊等),或者是在淡水湖泊中。在开阔的海洋环境中,这种骨架叠层石非常少,仅在部分地区有报道,如巴哈马(Reidetal,1995,2000a)和Belize的ChetumalBay地区(Rasmussenetal,1993)。在显生宙叠层石中经常出现大量钙化的蓝细菌,尽管蓝细菌是前寒武时期主要的叠层石建造生物而前寒武叠层石中却没有显示出管状或囊状蓝细菌微化石(Riding,1994)。这一方面是由于前寒武时期后生动物缺少硬壳部分和合适的埋藏条件而难以保存下来(曹瑞骥,1999),另一方面这种微生物的缺乏是由于蓝细菌外层物质在成岩过程中的迅速降解和/或重结晶。最近在我国江苏北部的九顶山组中,发现了晚元古代燧石叠层石中保存极为完好而且清晰的微生物席,其中显示出原始生长状态的微生物(曹瑞骥等,2001,2003),对这种叠层石的研究为揭示前寒武时期微生物席的组成、纹层的成因以及微生物作用提供了极为重要的信息。2.3.3叠层石与生物生命活动前寒武时期的叠层石主要是由捕捉和粘附作用还是由原地碳酸盐的沉淀所形成,至今还在争论(Grotzingeretal,1999;Fairchild,1991;Riding,2002)。早期研究中,一些学者认为叠层石中的早期成岩作用来自于海洋水体中无机的胶结作用(Logan,1961;Dilletal,1986)。目前的研究主要集中在生物席的表面和生物膜的内部所发生的钙化作用,而且这些钙化作用都受到了微生物生命活动的控制和影响,这些生命活动主要包括微生物光合作用和硫还原作用等(Lavaletal,2000,Reidetal,2000a,Visscheretal,2000;Arpetal,2001,2003)。综上所述,叠层石的任何一种形成方式都与微生物席的成分以及水体中CaCO3的过饱和程度直接相关。与真核藻类和后生生物的钙化作用完全不同,生物膜内部的沉淀作用并不是被微生物所控制,而是仅仅受到新陈代谢等生命活动的影响和引导(Pentecostetal,1986)。碳酸盐的原地沉淀作用既可以发生在生命活动时期,也可以形成于生物非活动状态(Golubic,1991)。另外,叠层石的各种生长方式也不是相互排斥的,主要受到建造生物类型和沉积环境的影响和控制(曹瑞骥,1997,1999;曹瑞骥等,2003;夏正楷等,1998;Semikhatovetal,2000)。在Belize的ChetumalBay地区,叠层石在不同的生长阶段,其生长的机制也有所不同。在底部,叠层石的生长明显是通过生物席对颗粒的捕捉和粘附作用,在经历了一定的生长阶段以后,并且与海底沉积物距离较远的情况下,生物席引发的碳酸盐原地沉淀和藻丝体的钙化成为主要的生长方式(Rasmussenetal,1993)。2.4阿拉伯海的叠层石现代叠层石在浅水、潮间带、潮上带和潮下带区域均有分布,从巴哈马海滩生长于正常海水环境中的巨型潮下带叠层石,到生长于阿拉伯海的厘米级别的叠层石都有分布,甚至在洞穴中也有叠层石的生长(王福星等,1994;戎昆方等,1998),而且大小差别很大。综合近年来对现代叠层石的研究可以看出,其生长主要受以下沉积环境因素的控制。(1)巴哈马地区的叠层岩石一些研究者认为,白垩纪以后骨架叠层石的生长限制在湖相环境中的原因,主要是由于海水化学条件的明显变化造成的(Riding,1982;Pentecostetal,1986)。巴哈马地区的叠层石一般都生长在离河口和潮道很近的范围内,在这种环境中促进了蓝细菌席的生长和礁体的发育,而且这种较低盐度的水体条件也抑制了后生生物的生长。另外,淡水与海水的混合也会导致方解石的过饱和从而促进了方解石的沉淀。超咸的水体条件也会抑制后生和破坏生物的生长使叠层石的内部纹层构造能够保存。澳大利亚SharkBay和科威特的Sabkha叠层石均为这种条件下的产物(Duaneetal,1999)。(2)微生物席的形成现代巴哈马地区的叠层石总是生长在一个具有坚硬鲕粒基底和运动的鲕粒砂丘共同存在的环境中(Reidetal,1991),坚硬的基底为微生物席的形成提供了条件。其叠层石就产在潮下带或潮间带的沉积环境中,直接覆盖在低角度起伏的鲕粒砂岩坚硬基底上,并且有频繁活动的鲕粒砂丘,因此叠层石的分布和面积受到基底限制。SharkBay地区的叠层石情况类似。(3)巴哈马地区沉积型生物的分布礁后地区较高的陆源物质的流入很明显不利于藻类和破坏生物的发育,因此也就为叠层石的发育创造了有利条件。例如在巴哈马地区,根据受陆源沉积物影响的程度(从低到高),建造生物的分布依次为珊瑚、分支珊瑚藻和介壳珊瑚藻,最后是最能经受陆源沉积物的以Schizothrix为主的微生物席。陆源沉积物的不断流入和沉积阻止了破坏生物的生长和聚居,以及珊瑚和珊瑚藻的生长,从而有利于叠层石的形成(Macintyreetal,1996)。(4)早期成岩作用与真核生物竞争理论相对应的是微生物的钙化理论。研究显示(Ginsburg,1991;Reidetal,1991),准同期的成岩作用对于叠层石的生长和保存具有重要的作用,如果成岩作用缺失,则叠层石既无法形成也无法保存。被捕捉到叠层石表面的鲕粒沉积物的早期成岩作用主要是通过藻丝体的钙化作用。在CaCO3过饱和的环境中,钙藻的藻丝体会在藻类死亡以后迅速进行钙化,并将捕捉到的鲕粒等碎屑颗粒包裹、胶结形成了坚硬的骨架构造