微生物與沉積巖的協同演化

謝樹成，顏佳新，楊義，楊江海

1.中國地質大學（武漢）生物地質與環境地質國家重點實驗室，流域關鍵帶演化湖北省重點實驗室，地球科學學院，武漢 430074

2.中國地質大學（武漢）海洋學院，武漢 430074

0 引言

生命塑造了宜居的地球，這其中的關鍵是被稱為生命引擎的微生物[1]。眾所周知，生命與礦物表現出明顯的協同演化關系，導致礦物由最初的400多種發展到4 400 多種，并表現出明顯的階段性[2]。巖石是由礦物組成的，它與微生物又會是怎樣的一種關系？雖然巖石種類繁多，包括沉積巖、巖漿巖和變質巖，但至少沉積巖與微生物可能具有協同演化關系。

自從生命起源以后，微生物在地表環境無處不在，它勢必影響在地表環境形成的沉積物和沉積巖。實際上，在地球表層系統發生的風化侵蝕作用、搬運作用、沉積成巖作用，無不貫穿著微生物的地質作用。在沉積物固結成巖的最關鍵階段，水—沉積物界面的氧化—還原分帶實際上就是根據微生物作用劃分為氧化階段、錳還原階段、硝酸鹽還原階段、鐵還原階段、硫酸鹽還原階段、甲烷形成階段。也就是說，水體環境的所有沉積物都經過了不同微生物功能群的洗禮之后才形成！所以從微生物分布情況、沉積物形成的環境等方面分析，微生物與沉積巖應該具有協同演化的關系。

1 沉積巖的微生物成因

地球系統過程涉及物理過程、化學過程和生物過程，其中表層系統的物理和化學過程都或多或少地有生物的參與，因此在表層系統形成的沉積物和沉積巖實際上是離不開生物作用的。關鍵在于生物參與的程度有多大、貢獻有多大。沉積巖可分為自生沉積巖和他生沉積巖，許多自生沉積巖都有微生物作用的烙印。隨著研究的深入，原來被認為他生沉積巖中的“碎屑巖”，其中的一些可能也是微生物參與形成的自生沉積巖。

1.1 灰巖

許多灰巖無疑與生物或生物化學作用有關，特別是微生物的作用。海洋中的Ca2+要以碳酸鹽形式沉淀下來，必須在堿性環境條件下，而微生物作用可以造成堿性環境條件。在海洋表層，由于光合自養微生物功能群的光合作用，大量消耗水體的CO2，導致海水表層的堿度增大，碳酸鈣過飽和而沉淀下來。在淺水環境，許多底棲光合自養微生物直接形成了種類繁多的鈣質微生物巖，包括疊層石、樹形石、凝塊石等[3]，甚至一些大型藻類被直接鈣化。當然，在遠洋，海水表層沉淀的這些碳酸鈣最后能否沉積，還與海洋的碳酸鹽補償深度（Carbonate Compensation Depth，CCD）相關。但無論如何，海洋的大量碳酸鈣沉積與光合自養微生物功能群的作用有關。

近些年來，人們發現越來越多的碳酸鈣不是從海水表面沉淀下來的，而是直接在海底的水—沉積物界面或者沉積物內部孔隙水里沉淀形成的，這些碳酸鈣也被稱為自生成因[4]或者海底碳酸鹽工廠產物[5]。一般而言，在水—沉積物界面附近，隨著一些有機質的氧化分解而出現一些有機酸，會使局部環境變成酸性，難以沉淀碳酸鈣。但是，當有機酸徹底分解，隨著埋深加大和氧化還原電位的進一步變化，許多化能自養微生物作用開始形成堿性的微環境。例如，鐵還原過程、硫酸鹽還原過程均可提高環境堿度。因此，碳酸鈣就會在沉積物的孔隙水里因過飽和而沉淀，從而形成自生碳酸鹽巖。

特別是，硫酸鹽還原與甲烷氧化往往耦合在一起，從而在硫酸鹽還原帶和其下的甲烷形成帶之間存在一個過渡帶。在這個過渡帶，經常出現碳酸鈣的過飽和而形成許多結核狀的碳酸鈣。在華南埃迪卡拉紀陡山沱組的黑色巖系里，出現了大量巨大的碳酸鈣結核，同時存在許多黃鐵礦，很可能與這種微生物作用過程相關。

除了光合自養微生物和化能自養微生物分別形成的這兩類碳酸鈣以外，還有許多具有粒屑結構的碳酸鈣，也可能與微生物作用有關。例如，一些鮞?；規r就與藻類或者細菌等微生物及其有機質的作用有關[6-8]。在二疊紀—三疊紀之交，許多鮞?；規r的鮞粒特別大，稱為巨鮞，它們與微生物巖伴生[9]。

1.2 白云巖

與灰巖相比，白云巖的成因更加復雜，因為它涉及鈣離子和鎂離子按照1∶1的比例進入晶格的難題，而且鎂離子在海水中是以水合鎂離子存在的，很難解離出來進入礦物晶格。雖然白云石的礦物成分和晶體結構極其簡單，但其成因卻非常復雜而成為白云石之謎。首先，現代海水對白云石是過飽和的，但卻很少有沉淀。其次，地質時期白云巖分布十分廣泛，但實驗室在低溫條件下難以無機合成白云石。因此，地質時期廣泛分布的白云巖被認為是灰巖經過后期交代作用所致，或者是熱化學成因。

自從1995 年發現微生物可以沉淀白云石以來[10]，白云巖的微生物成因引起了廣泛關注。人們陸續發現了硫酸鹽還原細菌、嗜鹽古菌、產甲烷古菌、浮游自養微生物以及與微生物有關的一些有機分子或有機碎片都能沉淀白云石，從而建立了微生物白云巖的模式[11-12]。微生物之所以能夠促進白云石的沉淀，主要是因為微生物表面具有一些活性官能團，這些官能團能從水合鎂離子中解離出鎂離子，從而在細胞表面形成白云石沉淀。

隨著模擬實驗發現越來越多的微生物能夠沉淀出白云石，地質時期的白云巖也不斷地被認為是微生物成因的。顯生宙的二疊紀—三疊紀之交，海洋動物大滅絕之后，出現了白云巖事件，白云巖沉積從淺水地區向深水地區轉移，被認為與微生物作用有關，特別是硫酸鹽還原細菌的作用[13]。在元古宙埃迪卡拉紀，陡山沱組的蓋帽白云巖被認為是低溫環境的產物，而且很可能與微生物作用有關[14]。

需要指出的是，從實驗模擬的微生物成因白云石到地質記錄的微生物成因白云巖，還有很長的路要走，實驗模擬與地質記錄的銜接還沒有完全建立起來。一是實驗模擬的微生物成因白云石主要是無序白云石，而地質體中的白云巖都是有序白云石。二是沒有建立起白云石微生物成因的識別標志。這兩大難題在很大程度上困擾著人們對地質時期微生物成因白云巖的認識，亟待突破。

1.3 泥巖

泥巖一直被認為是陸源碎屑巖，因而主要是物理成因，幾乎不太可能將它與微生物建立起聯系而具有生物成因。在水體環境，遠離岸邊依次出現礫巖、砂巖、粉砂巖和泥巖的分帶就被認為是物理分選作用的產物。在海洋環境，泥巖外圍更深水的地方往往沉積了生物成因的灰巖，那么離灰巖最近的泥巖是否也具有生物成因呢？

隨著研究的深入，人們已經發現微生物成因泥巖的蛛絲馬跡[15]。主要的依據有這樣兩方面。首先，微生物可以導致一些黏土礦物的相變或者直接沉淀黏土礦物。大家熟知的蒙脫石向伊利石轉變，傳統一直認為需要高溫高壓條件，因而需要在地下埋深數千米才能發生。然而，越來越多的實驗模擬研究發現，沉積成巖作用帶的幾乎所有微生物功能群都能在常溫常壓下將蒙脫石轉變為伊利石，因為微生物酶的催化效應與地質溫度具有同樣的效應[16]。微生物對黏土礦物的轉變還形成了石英、長石、滑石等在高溫環境常見的礦物[17]。許多泥巖里也出現了這些自形程度很高的不太可能是碎屑成因的礦物。所有這些黏土礦物以及其中的“碎屑”礦物均有可能是微生物成因。

特別值得注意的是，人們已經提出來，顯生宙泥巖在志留紀以后的豐度明顯增加，這可能與陸地植物的登陸有關。這些植物提供的有機質輸入到水體對黏土礦物起絮凝作用，從而導致泥巖豐度在植物登陸后快速增加[18]。實際上，人們已經發現，在土壤系統，剛開始主要是高等植物輸入的有機質，隨著時間的增加，這些高等植物有機質逐漸被微生物利用而使土壤里微生物有機質越來越多，最后土壤有機質主要是由微生物來源的有機質構成[19]。結合這兩方面的結果，微生物通過對陸地植物輸入水體的有機質進行改造，這可能加強了對水體黏土礦物的絮凝作用，從而出現了更多的泥巖。同時，低等生物和高等植物登陸還增強了陸地成土作用，這在很大程度上也影響了黏土礦物工廠[20]。

盡管有許多跡象顯示了微生物在地質時期泥巖形成中扮演了重要的角色，但到目前為止，還沒有在地質記錄中確認的微生物成因泥巖，這有待于后續的深入研究，特別是要建立微生物成因泥巖的識別標志，包括礦物組合、同位素組成特征以及有機分子特征等。許多泥巖往往含有大量的有機質，形成了黑色巖系，除了泥巖能吸附有機質以外，更可能是微生物成因的一個反映。

1.4 鐵質、磷質和硅質巖石

在自然界，鐵的氧化還原作用往往與鐵代謝微生物功能群有關，因而鐵質巖具有微生物成因也就不足為奇了，甚至一些沉積型鐵礦都與微生物的作用有關。在這方面比較典型的元古宙條帶狀硅鐵建造（Banded Iron Formation，BIF），其中的磁鐵礦就與鐵代謝微生物在缺氧的海洋環境將Fe2+轉變成Fe3+有關[21]。沒有這些微生物的作用，很難想象Fe2+在缺氧環境下能被大量地氧化。除了BIF以外，地質時期出現的許多紅層也可能與微生物作用有關，這些紅層往往伴隨缺氧的海洋環境里存在大量的還原性鐵，并在隨后的氧化環境被大量地氧化[22]。

磷是生命的必需元素，諸如磷塊巖等磷質巖的微生物成因也就司空見慣了。磷元素在還原條件下容易活化而在氧化條件下沉淀，導致磷塊巖經常出現在海洋的上升流區。在該區域，大量微生物作用使得底層水出現缺氧環境，磷得以活化，這些磷隨后被上升流帶入海水表層的氧化環境而沉淀，加之微生物對磷具有強大的吸附能力，大量的磷塊巖沉積。磷塊巖的沉積實際上就是一個微生物或者微生物化學過程。

如果說以上的鐵質和磷質巖石的沉淀都與Eh驅動的微生物群落變化有關，那么硅質的沉淀則主要與pH 有關。不同于鈣質沉淀需要堿度較高的水體環境，硅質沉淀則需要在偏酸性的環境下沉淀。雖然無機過程可以導致硅質沉淀，特別是地質時期的熱液噴口附近經常有硅質沉積，但地質時期的硅藻、放射蟲等真核微生物則是硅質沉積的主要貢獻者，特別是出現在海洋CCD 以下的那些大量硅質堆積，赤道等低緯度地區主要與放射蟲有關，而高緯度的海洋硅質則主要與硅藻有關。

2 微生物與沉積巖協同演化的階段性

正因為大部分的灰巖、白云巖、鐵質巖、硅質巖和磷質巖主要是微生物成因的，一些泥巖也可能與微生物作用有關，因此地質時期的微生物與沉積巖應該具有協同演化的關系。特別是，由于微生物演化具有階段性特征，氣候環境的變化也具有明顯的階段性，從而導致微生物與沉積巖的協同演化也表現出明顯的階段性特征，使得不同地質時期出現不同類型的沉積巖。

2.1 太古宙

太古宙生命剛開始起源，微生物的地質作用有限，以物理作用為主導。同時，這個時期地球表層系統總體是缺氧的環境條件。這些生物與環境特征影響了太古宙沉積巖的特征。

太古宙的礦物種類和巖石類型變化都不大，礦物主要為1 000～1 500 種，巖石有幾個重要特征（圖1）。一是以火成巖為主，沉積巖相對比例較小，大部分時間沉積巖的體積占比在25%以下。二是沉積巖以雜砂巖為主。三是白云巖占有一定的比例，遠比灰巖出現的時間要早，豐度也更高。四是條帶狀硅鐵建造BIF在太古宙后期比較豐富，最近資料顯示是整個地質時期豐度最高的時期[21]。后兩個特征，特別是BIF主要與微生物的地質作用有關，尤其是缺氧環境條件下鐵代謝微生物的作用。

圖1 地球歷史上生物、礦物、巖石和大氣含氧量的變化資料來源：礦物種類數量來自Hazen et al.[2]，各類巖石隨時間的分布來自Veizer et al.[23]，鐵建造BIF來自Konhauser et al.[21]，疊層石來自Peters et al.[24]，大氣含氧量變化來自Lyons et al.[25]Fig.1 Evolution of organisms,minerals,rocks,and atmospheric oxygen level throughout Earth history

在太古宙早期，海相碳酸鹽巖較少，呈不連續薄層分布于深水環境，主要形成于火山活動的寧靜時期[26]。即使在太古宙中期，克拉通地區薄層淺水碳酸鹽巖出現，厚度也不超過60 m[26]。但到了太古宙晚期，海相淺水碳酸鹽巖分布廣泛，厚度可達500 m，出現疊層石建造、顆粒巖等臺地邊緣沉積相帶，臺地邊緣高差可達500 m[26]，這些變化可能與微生物地質作用的增強有關。

2.2 元古宙

隨著產氧光合微生物乃至后期真核微生物的起源和爆發，元古宙的大氣海洋環境出現巨大變化，從缺氧狀態向氧化狀態轉變，礦物種類猛增，超過4 000種，沉積巖也發生了革命性的變化（圖1），元古宙因而是一個微生物與環境之間發生強烈相互作用的關鍵時期。

首先，巖石的“水火格局”出現革命性變化?；鸪蓭r占比減少，沉積巖的相對豐度顯著增加，到了后期可以占體積比的75%，基本接近顯生宙的水平。這種“水火格局”與太古宙形成了鮮明的對比，可以說沉積巖石圈發生了革命性的變化。

其次，微生物成因的巖石大幅度增加。雜砂巖的相對比例降低，間接地反映了微生物成因的巖石在增加。最為典型的微生物成因巖石是疊層石，它的豐度是整個地質時期最高的，這與元古宙是藍細菌的時代有關。這些藍細菌形成了豐富多彩的微生物巖，除了各種各樣的疊層石以外，還有樹形石、凝塊石等?？赡芘c微生物作用有關的白云巖也越來越多，元古宙晚期成了地質時期豐度最高的時期?；規r豐度也不斷地增高。BIF 在早元古代還存在，而且豐度較高，但到了中、新元古代就消失了。需要指出的是，元古宙微生物成因巖石的增加也伴隨著微生物沉積構 造（Microbially-Induced Sedimentary Structure，MISS）的多樣性[27]。同時，微生物成因的碳酸鹽臺地在形態上也發生多樣性變化，既有緩坡也有陡坡的形態[26,28]。這些特征均體現了微觀尺度的微生物能夠產生宏觀尺度的效應。

特別是，前人對元古宙微生物成因碳酸鹽巖有許多總結[26,28]，當時穩定的克拉通因發育碳酸鹽沉積的面積顯著增加而形成了大套厚層碳酸鹽巖。古元古代碳酸鹽巖臺地分布廣泛，沉積相的水深差異已經與顯生宙接近。先形成的可能是緩坡，接著形成鑲邊臺地，臺地邊緣發育寬闊的疊層石礁而形成1 000 m的地勢差異[26]。中元古代出現孤立疊層石建造，可能與碳酸鹽生產率的不同進而形成不同的地形有關。新元古代，由于藻類出現，或者后生動物的破壞，疊層石豐度下降，導致淺水碳酸鹽工廠的轉變，從底棲微生物工廠演化為浮游微生物灰泥工廠[26]。

再次，一些“碎屑”巖石也開始增多。傳統觀點認為的碎屑巖石——長石砂巖、石英砂巖和泥巖（頁巖）不斷增多，這與超大陸的聚合、大陸地殼不斷增生有關，是物理作用的體現。石英砂巖的相對比例增多，說明化學風化作用增強，可能也與微生物參與的風化作用有關。泥巖從古元古代到新元古代不斷增加的趨勢特別明顯，尤其是在新元古代豐度非常高。Sr同位素、K/Al和黏土礦物分布等證據顯示，在新元古代末期，大陸邊緣泥巖豐度突然升高與黏土礦物工廠的變化有關[20]。當時陸地的地衣等低等生物開始繁盛，成土作用加強導致黏土礦物激增，并向海輸送到大陸邊緣而沉積下來。這些沉積于大陸邊緣的泥巖同時埋藏了大量的有機碳，在一定程度上觸發了第二次大氧化事件以及隨后的動物起源和爆發。

最后，沉積巖出現硅質—磷質—鈣質轉變。在新元古代末期，呈現出硅質—磷質—鈣質巖石或者生物殼體成分的轉變，體現了海洋水化學成分的變化及其與生物相互作用的演變。中元古代乃至新元古代存在大量的硅化現象，甚至許多白云巖都被強烈硅化。之后，在新元古代晚期，出現許多磷塊巖，甚至磷酸鹽化的生物殼體。最后，出現了大量的鈣質沉積和鈣質殼體化石，包括著名的小殼化石。從硅質到磷質再到鈣質的轉變，可能與大氣海洋環境的pH、Eh 變化以及海水化學成分的變化有關，并疊加了生物（從原核微生物到真核微生物再到多細胞動物）的作用。早期的硅質沉積可能與海水偏酸性并以原核微生物為主導有關。磷質的出現反映了海洋環境條件出現頻繁的氧化還原波動，并開始有真核微生物的參與。最后出現鈣質，反映了海水堿度增大，并出現真核生物的參與，特別是多細胞動物殼體的鈣化。

2.3 顯生宙

到了顯生宙，地球表層系統徹底氧化，包括深海也出現氧化。多細胞動物出現爆發，并在生態系統占據主導地位，早古生代植物開始登陸。這些變化影響了沉積巖的演化。

首先，巖石的“水火格局”沒有大變。顯生宙沉積巖與火成巖的占比基本是從元古宙末期繼承來的，沒有發生很大的變化，大約是3:1 的比例。顯生宙最大的變化是各類沉積巖相對比例的變化（圖1）。

其次，泥巖豐度劇增并呈現紅黑之間的頻繁交替。沉積巖最大的變化是泥巖的增多，可占地表所有巖石體積比的50%，尤其是在志留紀以后大幅度增加（圖1、圖2a）。這個豐度的劇增被認為與植物登陸有關[18]。如前所述，這可能是植物—微生物的相互作用通過有機質絮凝作用影響了黏土礦物的沉淀，植物登陸還改變了陸地成土作用進而加強了黏土礦物的形成。如果說泥巖豐度在新元古代末期的增加與陸地低等生物的發展而導致成土作用增強有關[20]，那么志留紀泥巖豐度的激增則與高等植物大發展導致成土作用的增強有關，由此形成了兩次黏土礦物工廠生產體制的升級。在這個大背景下，顯生宙海相泥巖沉積序列還出現黑色巖系與紅層的交替現象，這體現了海洋氧化還原條件的變化以及微生物功能群的變化[22]。

圖2 顯生宙泥巖、碳酸鹽巖與生物演化的協同關系（a）泥巖及其與植物的關系來自[18]；（b）碳酸鹽巖分布、深海碳酸鹽沉積比例和真核浮游微生物分別來自[29-31]；（c）碳酸鹽工廠轉換和動物多樣性分別來自[32-33]，錯時相碳酸鹽沉積來自[5,34]Fig.2 Coevolution of mudstones and carbonate rocks with organisms in the Phanerozoic

再次，碳酸鹽工廠因生物與環境的變化而不斷地轉換（圖2b）。第一，從總體上來看，白云巖占比在新元古代—寒武紀之交達到峰值后開始不斷降低，但灰巖豐度在增加（圖1），這反映了多細胞動物的作用在加強，而微生物的作用開始減弱。第二，從古生代到中—新生代，碳酸鹽沉積從淺水地區不斷向深水地區轉移。古生代出現大量的多細胞動物產生的骨架灰巖或者大量宏觀底棲藻類的鈣化，這些主要出現在淺水地區。在古—中生代生物大滅絕后，出現了現代海洋占優勢的三大紅枝藻系，分別為硅藻、顆石藻和溝鞭藻[29]，顆石藻等使得碳酸鈣不斷地向深水環境輸送（圖2b），由此出現著名的中中生代革命，海洋水化學發生變化[30]。

最后，在顯生宙一些重大地質突變期出現了許多錯時相（anachronistic facies）碳酸鹽沉積，碳酸鹽工廠發生多次變化（圖2c）。這些沉積一般僅限于前寒武紀的正常淺海環境或者在極端環境才出現，但在顯生宙一些生物大滅絕后的殘存期在正常淺海環境短暫地“復辟”了，成為“時代上錯位的相”。這些錯時相包括微生物巖、鮞?；規r、蠕蟲狀灰巖、同生扁平礫石灰巖、薄層泥晶灰巖或者條帶狀灰巖、海底碳酸鹽膠結扇等[5,34]。它們的沉積環境往往極度異常，形成于低（貧）氧淺海環境，缺乏正常宏體生物，保存原始薄—紋層狀的層理，貌似深海沉積而實為淺水沉積（相對較深水），因此它們往往與各類微生物的作用有關。在顯生宙，出現了多次從骨架灰巖向鈣質微生物巖的碳酸鹽工廠轉變[32]。同時，一些MISS構造也廣泛發育。

3 結論與展望

隨著地質微生物研究的不斷深入，人們發現越來越多的沉積巖具有微生物成因。條帶狀硅鐵建造、灰巖、白云巖、泥巖以及其他硅質和磷質巖石都與微生物作用密切相關。許多沉積巖具有微生物成因，導致微生物與沉積巖具有協同演化的關系。太古宙以物理作用為主，而且以火成巖為主，但微生物作用形成的條帶狀硅鐵建造是一大重要特征。元古宙的沉積巖比火成巖多，生物作用明顯加強，大量鈣質微生物巖出現，特別是疊層石是地質歷史時期豐度最高的，白云巖也出現峰值。元古宙與顯生宙轉換時期出現了硅質、磷質到鈣質的轉換。在顯生宙，白云巖豐度降低，碳酸鹽工廠從骨架灰巖到鈣質微生物巖的多次轉換，植物登陸后泥炭在志留紀以后大量發育。沉積巖的豐度和種類在不同地質時期的變化與微生物的地史演化具有明顯的關系。

微生物與沉積巖這些協同演化最終會對巖石圈乃至整個地球系統產生重要影響[35]。太古宙晚期出現的大量微生物成因的條帶狀含鐵建造，具有高密度和大量鐵組分，容易進入地幔而導致地幔的不均一性，并會引發火山活動[36]。這些微生物成因的BIF甚至被認為可能與板塊運動的啟動有關聯[37]。在元古宙初期和末期，雪球地球的出現使得海洋里形成了大量沉積物，這些沉積物進入俯沖帶而增強了潤滑作用[38]，導致前寒武紀兩次構造活躍期和兩次超大陸的聚合，分別形成了哥倫比亞和岡瓦納超大陸[39]。在顯生宙，紅枝藻系的大發展，使得碳酸鹽沉積從淺水向深水轉移。深水碳酸鹽沉積隨著板塊俯沖輸入地幔深處，對深部碳循環產生影響[40-41]。一方面，在深部的金剛石里檢測到來自地球表層系統與細菌有關的碳。另一方面，在一些板塊俯沖帶位置，深部地幔的碳特別富集。這都體現了微生物通過沉積物對深部過程產生的重要影響。

盡管人們對微生物與沉積巖的協同演化有了一些框架性認識，但目前還缺乏定量化的研究。一方面，各類沉積巖在地質時期的分布和豐度還需要大數據方面的定量化研究。另一方面，微生物成因的沉積巖更需要定量化的分析。前寒武紀的白云巖到底有多少與微生物作用有關，顯生宙的泥巖又有多少是植物與微生物相互作用的產物，這些都有待于深入的定量化分析。微生物通過生物地球化學循環對深部過程和地球系統產生了重要影響，但微生物成因的沉積巖，通過哪些途徑對地球系統產生影響，影響的深度和程度有多大，這些途徑和影響又是如何隨時間發生演變的，都有待于今后破解。