自生泥晶：過去，現(xiàn)在和未來

沈越峰，張樂，沈臻歡，陳亞婕

1.合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院，合肥 230009

2.中國地質大學（北京）地球科學與資源學院，北京 100083

0 引言

自生泥晶（autochthonous micrite，簡稱automicrite），也可被稱為原地微晶碳酸鈣（in situmicrocrystalline Ca-carbonate）或原地灰泥（in place lime mud），以區(qū)分他生泥晶或異地泥晶（allochthonous micrite，簡稱allomicrite）。自Wolf[1]提出這一概念以以來，國內外眾多學者對不同碳酸鹽巖環(huán)境中自生泥晶的顯微特征[2]和地球化學特征[3]、自生泥晶形成過程和來源[4]等問題進行了深入的研究和探討。伴隨著微生物巖[5-15]、碳酸鹽灰泥丘[16-17]和生物礦化作用及其衍生的有機礦化作用[18-20]研究的進一步深入，碳酸鹽自生泥晶的研究也取得了重要進展。

然而，在自生泥晶的研究過程中，也存在著部分爭議。首先，“微生物巖”這一術語[21]已被廣泛用于標記各種微晶礁（丘）巖，包括大多數(shù)自生泥晶結構。而且，一部分作者將微生物巖等同于自生泥晶[2]。然而，Bourque[22]認為如果沒有令人信服的證據(jù)證明是主要由底棲微生物群落構建的巖相，微生物巖這個術語就變得無意義。再者，很多生物紋層結構或凝塊結構不是微生物巖所特有的，海綿、藻類和其他后生動物也可以形成類似的結構。因此將微生物巖簡單地等同于自生泥晶是有爭議的。其次，微生物巖（主要是自生泥晶）被廣泛用來追蹤其成因和來源并指示同時期沉積水體的地球化學特征[3,23]，但微生物巖保留地球化學組成的機制和原理尚未清晰，有待于進一步的總結和實踐。最后，區(qū)別自生泥晶和他生泥晶對碳酸鹽巖分類，特別是對碳酸鹽巖建造的分類具有顯著意義，并且能夠更合理地解釋地質歷史時期碳酸鹽巖建造的生物群落組成及其演化[4]。

為此，本文在前人的基礎上，對自生泥晶概念的提出和發(fā)展進行了概括；對自生泥晶的礦物組成、顯微結構、熒光和陰極發(fā)光顯微特征進行了總結；對自生泥晶的形成過程和來源（包括生物礦化作用、有機礦化作用和無機沉淀三種方式）進行了探討；對自生泥晶在不同沉積環(huán)境碳酸鹽巖中的貢獻及其地球化學指示進行了論述；對自生泥晶在地質歷史時期的分布做了歸納；最后對自生泥晶的后續(xù)研究方向提出了一些展望。

1 自生泥晶概念的提出和發(fā)展

泥晶（micrite）這一術語在碳酸鹽巖研究中已經(jīng)得到了廣泛的應用。它起初是微晶方解石“microcrystalline calcite”的縮寫，指的是隱晶至微晶級別的碳酸鹽顆粒。泥晶這一概念是由Folk[24]首先提出的，起初是一個指示成因的術語，指的是固結的因機械沉積而形成的灰泥?，F(xiàn)在絕大部分學者將其作為一個非成因指示的術語，指的是粒度通常小于4 μm（可能有不同的標準）的細粒碳酸鹽基質[25-26]。自生泥晶（autochthonous micrite，簡稱automicrite）的概念首先是由Wolf[1]在闡述鈣藻（鈣質微生物）的沉積產(chǎn)物時提出的，指的是原地形成的碳酸鈣泥晶基質（matrices formedin situ/in place），用以區(qū)分非原地形成的泥晶，即他生泥晶或異地泥晶。Wolf[1]最初介紹的是與鈣藻（微生物）相關的自生泥晶（即藻自生泥晶，algal automicrite）。Flügel[27]總結指出，自生泥晶是指在海底或沉積物中由于物理化學、微生物、光合作用和/或生物化學過程而在原地形成的細粒（隱晶—微晶質）自生碳酸鈣礦物（方解石和/或文石）。Jameset al.[28]在Origin of Carbonate Sedimentary Rocks一書中對自生泥晶的概念進行了進一步的提煉，指出自生泥晶是指通過無機和/或有機媒介過程作用而沉淀在海底或者沉積物中的文石或方解石膠結物。這一微晶碳酸鹽明顯不是沉積物，而是同沉積膠結物。自生泥晶具有特定的結構和較為單一的礦物化學組成。作為原地礦化作用的初級產(chǎn)物，自生泥晶與他生泥晶具有不同的成因。他生泥晶指的是非原地形成的泥晶，來源于其他各種碳酸鹽顆粒的破碎作用和原始細粒碳酸鹽物質的沉積作用而形成的微泥晶基質，其可能包括不同的礦物和化學組成。

自生泥晶的概念在微生物巖[2-3,29-35]和碳酸鹽巖礁丘尤其是灰泥丘[4,36-56]研究過程中得到了進一步深化。近幾年，自生泥晶的概念得到了進一步擴大，應用到了與甲烷有關的冷泉碳酸鹽巖[57-59]和陸相碳酸鹽沉積（泉水沉積，泉華，鈣華，石灰華，鈣質結殼等[28,60-64]）當中。

很多研究者將自生泥晶（automicrite）這一術語等 同 于 微 生 物 巖[2,21,65]（microbialite）或 有 機 泥晶[29,31,42,66-69]（organomicrite）。根據(jù)形成模式和形成位置的不同，Reitner[29]又將有機泥晶分成兩類，包括堆積有機泥晶和袋狀有機泥晶。堆積有機泥晶指的是呈現(xiàn)出凝塊石狀、疊層石狀或呈塊狀硬底類型的垂直生長構造。袋狀有機泥晶是由半封閉微孔洞中的后生動物（大部分是海綿）封閉的降解或腐爛組織中，或者是由鉆孔動物鉆孔形成的孔洞中發(fā)育充填構造而形成的。此外，Leeset al.[70]在灰泥丘的研究中提出了多泥晶結構（polymud fabric）的特征，這一概念在自生泥晶的研究中也被許多作者所沿用[47,56,71]。Keimet al.[72]在研究意大利三疊紀的白云巖陡斜坡沉積中提出了自生泥晶相（automicrite facies，指代具有大量自生泥晶的野外地層）和自生泥晶工廠（automicrite factory）的概念。Pomaret al.[73]重新定義了Schlager[74-75]的底棲“灰泥丘工廠（mud mound factory）”，重命名為“底棲自生泥晶工廠（benthic automicrite factory）”。一些作者又將微生物工廠（microbial factory）等同于底棲自生泥晶工廠[76-77]。

國內對于自生泥晶的研究相對較少，《沉積地球化學應用》講座編寫組[78]首次提到了自生泥晶一詞，并簡單介紹了不同來源泥晶的地球化學組成特征。朱士興[79]總結了第30屆國際地質大會題為“鈣藻、疊層石和灰泥丘的演化和環(huán)境意義”的2~6學科討論會材料，在國內首次介紹了automicrite的成因、分類、形成環(huán)境等領域的國際研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。朱士興[79]將自生泥晶當作一種巖石類型，翻譯成“原地微晶灰?guī)r”。進入21世紀，隨著國內對碳酸鹽巖研究的進一步深入，自生泥晶的概念已被廣泛地應用到了碳酸鹽巖研究當中。馬永生等[80-81]在《碳酸鹽巖微相：分析、解釋及應用》中也將自生泥晶翻譯成了“自生泥晶灰?guī)r”。賈志鑫[82]通過對湖北宜昌九龍灣剖面震旦陡山沱組蓋帽碳酸鹽巖微相研究，推測本層蓋帽碳酸鹽巖原本是顆粒和基質均以泥晶形式沉淀的自生泥晶灰?guī)r。梅冥相等[8,83-85]在研究疊層石生物丘（層）和微生物誘導（有機礦化作用）的沉積構造時，說明了這些沉積構造都是底棲自生泥晶工廠[73]的產(chǎn)物，并且強調了自生（原地）泥晶成因的不確定性。楊勇強[86]提到了湖相自生泥晶的碳氧同位素特征。杜翔[87]和楊巍[88]在四川盆地東部晚二疊世海洋底棲生物礁系統(tǒng)研究中，識別出三種臺地邊緣礁微相類型，強調了自生泥晶在微生物丘格架形成中的重要性。閆振等[16]在介紹灰泥丘時，提到了原地成因的灰泥及其形成方式，并指出灰泥丘的形成機制、時空演化、控制因素及古地理古環(huán)境指示意義是將來灰泥丘研究的主要方向。沈越峰等[89]探討了塔里木盆地奧陶系瓶筐石—尋常海綿碳酸鹽巖丘自生泥晶的來源。陳百兵[90]在豫西宜陽地區(qū)寒武系饅頭組鮞?；?guī)r特征及演化的研究中指出了微生物自生泥晶化對鮞粒中泥晶形成的作用[91]。王龍[92]研究了太行山中南部及其鄰區(qū)寒武系微生物碳酸鹽巖主導的生物丘，為以原地自生泥晶構成為主的生物丘提供了較好實例和巖石記錄。

本文綜合前人論述，按照Wolf[1]以及Reitneret al.[31]的嚴格定義，并進行了部分擴大，將automicrite這一英文術語理解為自生泥晶，即通過無機和/或有機媒介過程作用在原地形成的泥晶碳酸鈣。自生泥晶是碳酸鹽巖中一個重要的不具成因指示的結構組分，微生物巖和有機泥晶都應歸入自生泥晶的范疇[22,38,75]。

2 自生泥晶的礦物組成和結構特征

自生泥晶有一定的礦物組成，粒度結構、超微結構和外貌形態(tài)，并且通常表現(xiàn)為不同的多泥晶結構（polymud fabrics）特征。

2.1 自生泥晶的礦物組成

現(xiàn)代海洋環(huán)境中產(chǎn)出的自生泥晶主要是以文石為主，地質歷史時期海洋中產(chǎn)出的自生泥晶的礦物組成有可能是文石，亦有可能是方解石，可能與同時期海水地球化學組成（鈣離子飽和度，鎂鈣比等）相關[2,29,58,93-98]。

2.2 自生泥晶的粒度

自生泥晶的粒度根據(jù)一般泥晶的概念，是隱晶（在普通偏光顯微鏡下不可識別）或微晶（在普通偏光顯微鏡下能識別粒度，但在雙目放大鏡或手標本中不能識別的）級別的。Folk[24]嚴格定義了泥晶的粒度，指的是只能在顯微鏡下或借用掃描電鏡才能識別的碳酸鹽顆粒，晶體粒度小于4 μm，平均在2~3 μm。然而在碳酸鹽巖巖石學分析中，尤其是碳酸鹽巖微相分析中，不同泥晶晶體粒度的上限也被應用，包括：10 μm[99]、20 μm[100]和30 μm[25]。 Bosellini[101]還區(qū)分了一類泥晶micrite I（晶體粒徑<4 μm）和二類泥晶micrite II（晶體粒徑為4~30 μm）。Folk[102]提出了微泥晶（minimicrite）的概念，這些微泥晶的顆粒大部分小于1 μm。Bernier[103]還強調了區(qū)分非常細粒泥晶（粒徑通常小于2 μm）和其他泥晶在巖相學分析中的重要性。由上，本文限定自生泥晶的粒度大小為小于4 μm。

2.3 自生泥晶的超微結構和外貌形態(tài)

自生泥晶在掃描電鏡（SEM）或冷凍掃描電鏡（CryoSEM）下的外貌形態(tài)主要呈現(xiàn)出均一的微米或納米級別的光滑菱面體狀、啞鈴狀、棒狀、針狀、晶球狀、卵圓狀或者納米球狀特征[2,29,31,41,55,104-105]。實驗研究表明自生泥晶的形狀可能帶有聚合物的特點。盡管它們形成一定形狀的粒狀沉積物，但它也可以以球粒狀（peloidal）、凝塊狀（clotted）或者紋層狀包覆（laminated coating）骨骼或貼在生物礁丘中的孔隙或洞壁上的形式出現(xiàn)，呈現(xiàn)出抗重力作用的特征。大多數(shù)自生泥晶以不同結構類型的多泥晶（polymud fabric[4]）組構出現(xiàn)，可以形成生物層狀結構、凝塊球粒微結構或極細的隱晶質結構[72]。

3 自生泥晶的熒光和陰極發(fā)光顯微特征

自生泥晶具有特殊的熒光和陰極發(fā)光顯微特征，是其區(qū)別于他生泥晶的一個良好標志，將它們的這兩個特征歸納如下。

3.1 熒光顯微特征

碳酸鹽巖中的熒光性大多可能是由其中所含的有機質殘留導致的[67,106-108]，有些礦物種類的熒光性可能是由稀土元素激化引起的[106]。碳酸鹽礦物中的熒光特性通?？梢杂脕碜R別隱藏的顯微結構[107]，研究紋層狀灰?guī)r（比如說藍細菌、藻類、花粉和孢子等）的有機質組成，以及理解生物礦化作用過程。Neuweileret al.[30]將顯微熒光技術用于區(qū)分自生泥晶和他生泥晶，并取得了較好的效果，指出自生泥晶的熒光顯微特征要比他生泥晶的強烈和明亮。隨后的研究也證實了其觀點，認為由于自生泥晶中大量有機質的賦存，導致其熒光顯微特征有別于他生泥晶、骨骼組分和膠結物等[4,38-41,46,109-121]（圖1a，b）。

圖1 自生泥晶的普通偏光、熒光和陰極發(fā)光顯微特征（a，c）普通偏光顯微照片，單偏光；（b）熒光顯微照片；（d）陰極發(fā)光顯微照片。Si=硅質交代；Cc=方解石膠結物；AM1=帶有海綿骨針的球粒自生泥晶；AM4=隱晶質自生泥晶；薄片來自于塔里木盆地巴楚地區(qū)勒牙伊里塔格露頭奧陶系一間房組瓶筐石—海綿礁丘Fig.1 Microphotographs of automicrites in thin sections from Ordovician calathid￣sponge carbonate mounds in the Leyayilitag outcrop, Yijianfang Formation, Bachu, Tarim Basin, Xinjiang(a,c)under normal light;(b)fluorescent light;(d)cathodoluminescent light.Si=replacive silica;Cc=calcite cement;AM1=automicrite fabric with sponge spicules;AM4=aphanitic automicrite

3.2 陰極發(fā)光顯微特征

陰極發(fā)光顯微鏡被廣泛運用于碳酸鹽巖研究中[122-124]，尤其是在分析和解釋碳酸鹽巖成巖作用階段[125-126]，恢復和識別碳酸鹽巖原始顆粒、結構和構造[127-129]，利用碳酸鹽巖膠結物環(huán)帶研究解釋碳酸鹽沉積物的埋藏史、成巖孔隙水特征[129-137]，以及白云石化作用[138-140]等方面具有非常顯著的意義。碳酸鹽礦物的陰極發(fā)光性質主要受控于錳、某些稀土元素以及鐵的相對豐度。Mn2+和三價稀土離子是產(chǎn)生陰極發(fā)光最重要的激發(fā)劑，而Fe2+則是最主要的淬滅劑[123,129,135]。

雖然前人對自生泥晶的熒光顯微特征研究較多，但對它們的陰極發(fā)光顯微特征研究較少。大部分的研究主要集中于恢復和識別含有自生泥晶的碳酸鹽巖非骨骼顆粒（即鮞粒，球粒等[123,128,141-145]）。Immenhauseret al.[146]提到基質泥晶并不發(fā)光，而重結晶的泥晶會有暗紅色發(fā)光。Coimbraet al.[147-148]進一步提到了基質泥晶（他生泥晶）呈現(xiàn)出暗色的陰極發(fā)光特征，但并沒有提及自生泥晶的陰極發(fā)光特征，也沒有對自生泥晶和他生泥晶進行很好的區(qū)別。Floquetet al.[47]首先展示了自生泥晶陰極發(fā)光的顯微照片，其中M1 呈現(xiàn)出亮紅—橙色的陰極發(fā)光特征，但對自生泥晶的陰極發(fā)光性沒有進行詳細的描述和解釋。Braithwaite[149]討論了碳酸鈣熒光和陰極發(fā)光顯微特征之間可能存在的聯(lián)系是通過以有機質為媒介將稀土元素攝取到晶格當中。Shenet al.[4]發(fā)現(xiàn)自生泥晶的熒光和陰極發(fā)光顯微特征具有很好的對應性，進一步指出自生泥晶是通過有機礦化作用形成的（圖1c，d）。而且，自生泥晶中的錳含量也相對較高，因此認為相對較高的錳和鈰以及其他稀土元素含量可能是自生泥晶產(chǎn)生陰極發(fā)光的主要原因[40,45,122,145,150]。自生泥晶的陰極發(fā)光性狀和其中包含的主微量—稀土元素之間的關系還有待于更進一步的研究。

4 自生泥晶的形成過程和來源

根據(jù)自生泥晶的形成方式和過程，可以把自生泥晶的來源分為三類：無機成因，生物控制和誘導礦化作用，以及生物影響礦化作用，也就是物理化學無機沉淀作用、生物礦化作用和有機礦化作用[2,27-28]。

4.1 無機成因

無機成因（非生物）自生泥晶指的是由于鹽度和水體溫度變化導致的，通過物理化學作用在原地沉淀的微晶碳酸鈣膠結物，這一過程沒有生物或者有機質的參與。無機成因自生泥晶主要可能包括與甲烷（滲漏）相關的（冷泉）自生碳酸鹽（巖）（methanerelated authigenic carbonates[58-59,151-152]）以及陸相碳酸鹽（巖）（如鈣質土壤，泉華，鈣華，洞穴沉積物，湖相碳酸鹽巖等[2,60,64,86,118,153-156]）。但是這些自生泥晶的無機成因較不確定，可能與微生物控制或誘導作用有關[64,118,156]，相關基礎研究有待于進一步開展。

4.2 生物礦化作用

生物礦化作用[157]形成的自生泥晶是指由生物體通過生物大分子的調控生成自生泥晶的過程，分為兩種形式，生物控制的礦化過程而形成的自生泥晶和生物誘導的礦化過程而形成的自生泥晶[2,27-28]。

生物控制礦化作用形成的自生泥晶是指生物（光養(yǎng)藍細菌和藻類）在不受外界環(huán)境影響的條件下，通過生命活動和新陳代謝過程，將二氧化碳還原為有機碳化合物，從而將溶解度平衡向碳酸鹽沉淀轉移，促使自生泥晶的沉淀[2,27-28]。藍細菌產(chǎn)生的自生泥晶在現(xiàn)代潮間帶和高鹽度湖相環(huán)境中被觀察到[158-162]。藍細菌泥晶通常發(fā)育為微球粒晶體大小<2μm。絲狀藍細菌在泥晶形成中的重要性通過底棲藍細菌的鈣化作用和保存作用潛力得到了總結[163]。在絲狀藍細菌死亡和有機質降解之后，在底棲絲狀藍細菌的胞外聚合物（EPS）有機層中的鈣離子被釋放出來，可能是導致碳酸鹽灰泥形成的原因。Ka?mierczaket al.[164-165]和Kempeet al.[166]認為許多侏羅紀泥晶和球?；?guī)r都是底棲球狀藍細菌席不同程度的密集鈣化的產(chǎn)物，并且從古代生物礁中描述的許多微晶膠結物可能是體內鈣化藍細菌的產(chǎn)物。底棲球狀藍細菌席的原地鈣化作用，比如在土耳其的高堿性蘇打湖Van Lake，可能代表了藍細菌控制泥晶或球粒泥晶形成的一種模式[165￣166]。球狀藍細菌席通過體內以及在圍繞著細胞的黏液層上或黏液層內的泥晶文石的沉淀而進行礦化作用。受碳酸鈣飽和度控制球狀藍細菌席鈣化強度的變化產(chǎn)生了均勻的泥晶和似球粒體，產(chǎn)生了球粒泥晶結構。在高鹽海相環(huán)境中形成的藍細菌席中，常出現(xiàn)類似于高鹽湖Van Lake 的泥晶球粒顆粒結構（Baffin Bay，Texas[158]；Laguna Mormona，California[159]；Shark Bay，Australia[160]；Gulf of Aqaba[160-161]）。

生物誘導礦化作用形成的自生泥晶是指生物（異養(yǎng)和化養(yǎng)細菌及其他微生物）的生命活動和新陳代謝過程引起細菌周圍微環(huán)境的變化，并誘導微晶碳酸鈣沉淀[2,27-28]。有機質的細菌降解可能是沉積物早期成巖作用的主要能量來源。眾多研究者已經(jīng)證明并提出，細菌的生命過程和細菌對有機物的分解作用會導致其周圍微環(huán)境的物理化學變化，從而促使微晶碳酸鈣的沉淀，這些現(xiàn)象不僅得到了實驗室的證實，在現(xiàn)代的各種碳酸鹽巖環(huán)境中也能夠被觀察到，包括土壤、淡水和海洋環(huán)境，尤其是潟湖環(huán)境中[167]。

4.3 有機礦化作用

有機礦化作用[168]形成的自生泥晶是指以活體生物產(chǎn)生的有機質（Organic matter,OM；螯合鈣離子的有機大分子）為載體，而又獨立于活體生物生命活動和新陳代謝作用形成的自生泥晶（圖2），也叫有機泥晶[29,31]。這些有機化合物可能是活體生物的排泄產(chǎn)物或者是它們的分離部分，又或者是死亡的生物殘留物或者副產(chǎn)品，被釋放到水體或者被納入到土壤，沉積物或巖石中[31,120]。

圖2 生物礦化作用和有機礦化作用形成自生泥晶的模式（修改自Dupraz et al.[2]）注意：本文有機礦化作用的定義沿用Trichet et al.[168]的狹義有機礦化作用定義Fig.2 Models of biomineralization and organomineralization in automicrite production (modified from Dupraz et al.[2]）Note:The term‘organomineralization’in this study follows the definition by Trichet et al.[168]

基于與酸性有機大分子（AOM）的相互作用的碳酸鹽礦化作用概念最初用于解釋生物的骨架結構[157,169-171]，并在自生泥晶形成的背景下進一步發(fā)展。Reitner[29]在大堡礁蜥蜴島附近礁洞里結殼微生物巖中研究了與周圍海水同位素平衡條件下沉淀并受特定有機物質組成控制的現(xiàn)代鎂方解石自生泥晶的形成。這些微生物巖是在黑暗環(huán)境中形成的，光養(yǎng)生物是不存在的。控制有機泥晶形成的最重要因素是存在大量具有固定和結合二價陽離子（主要是Ca2+和Mg2+）能力的特定有機大分子。形成鈣晶體所需堿度的增加是由氨化作用（生物比如海綿的微生物腐爛降解）、硫酸鹽還原作用（在分層水體的厭氧層中）或通過碳酸鹽和硅酸鹽風化作用[31]。Neuweileret al.[39]討論了溶解的腐殖質對原地微晶碳酸鈣沉淀的控制作用。

有機泥晶的形成受有機大分子的控制。有機物的特點是有大量的特定化合物，這些化合物來自微生物、游離有機物和腐爛的生物體。利用色譜和熒光顯微鏡在現(xiàn)代和古代的自生泥晶中發(fā)現(xiàn)了酸性有機大分子（AOM）螯合鈣離子的證據(jù)[31,67]。熒光顯微鏡在測定殘留有機物中具有特別的作用[107-108]。酸性有機大分子有兩種來源：1）真核生物（海綿，珊瑚，苔蘚蟲，有孔蟲，藻類等[39]）和原核生物（細菌[2]）通過代謝酶和腐爛過程產(chǎn)生AOM；2）外部來源的AOM，作為開放水體中溶解有機物的一部分。這些大分子在未成熟的微生物巖中或在水/成熟沉積物間隙中富集。它們由生物體（如生物膜）產(chǎn)生和/或固定，或被圈閉在微洞穴和囊袋中。這些化合物組成的差異可能導致形成不同的碳酸鹽巖組構：酸性氨基酸（Asp+Glu）的富集可能與疊層石和凝塊巖組構的形成有關；有限空間（如微洞穴）內的蛋白質物質可能與球粒囊袋，球粒包殼和球粒疊層石的形成相關；以及富含細菌的軟海綿組織的降解，導致微球粒結構的形成，恰好反映了之前海綿體的某些部分。許多微生物巖（疊層石、凝塊石、樹枝石等）、非骨骼顆粒（球粒、鮞粒、核形石及包殼顆粒等）和碳酸鹽巖礁丘的形成都與有機礦化作用形成的自生泥晶有關。

綜上，自生泥晶的形成方式多種多樣，導致自生泥晶也有不同的來源。在碳酸鹽巖微相分析中，區(qū)分不同類型的自生泥晶，對探討自生泥晶的特征及其來源，恢復碳酸鹽巖沉積古環(huán)境具有重要的指示意義[172]。因此，不能簡單將自生泥晶歸類為微生物成因的，需要綜合自生泥晶不同的特點來分析其成因及形成方式。

5 自生泥晶的地球化學指示

泥晶（灰?guī)r）以組分較為單一、低孔低滲透性為特征，故而許多學者認為泥晶（灰?guī)r）受到的成巖作用影響較弱，可能較好地反映古海水地球化學組成，因而能夠較好地評估古環(huán)境條件[173-175]。然而，近期研究表明，不同成因、不同環(huán)境的泥晶所反映的古海水地球化學特征具有較大的不同[55,146,176-178]。多數(shù)學者認為自生泥晶相對于他生泥晶，其地球化學特征能夠較好地反映古海水地球化學組成[23,55,146,179-180]。但是，也有學者認為不同成因，不同環(huán)境中的自生泥晶，其地球化學特特亦有所不同[45,146]。下文對自生泥晶的地球化學指示意義進行了歸納和總結。

5.1 元素地球化學

自生泥晶在元素地球化學方面的應用主要包括兩個方面：一方面，大多數(shù)自生泥晶包含了其形成時期沉淀流體的元素地球化學特征（主、微量元素，稀土元素等），因而元素地球化學分析可以用于識別自生泥晶形成的（微）環(huán)境信息（沉淀水體）；另一方面，自生泥晶的形成過程使多種金屬元素富集，這個富集的過程可能是選擇性的也可能是非選擇性的，而這些元素的富集保存可能會提供不同的生物（有機）標志，進而有助于確定和區(qū)別自生泥晶的形成過程和來源[3]。近年來，對自生泥晶元素地球化學的研究主要集中在識別現(xiàn)代和地質歷史時期微生物巖、鈣質微生物巖、鮞粒和海綿礁丘等含自生泥晶組構的（微）環(huán)境信息方面[3,23,40,44-45,55,110,119,156,181-206]。

首先，自生泥晶可能有利于識別同時期海水元素地球化學特征，因而能夠反映古海水的氧化還原條件及其演化。自Webb et al.[23]測定大堡礁Heron Reef淺水礁格架洞穴中全新世微生物巖稀土和釔元素（REE+Y），發(fā)現(xiàn)微生物巖的REE+Y 地球化學特征與周圍充分氧化的淺海海水地球化學特征相一致以來，尤其是伴隨新的原位微區(qū)元素分析技術的發(fā)展（激光剝蝕—電感耦合等離子體質譜法，LA-ICP-MS）微生物來源的自生泥晶（即微生物巖，主要是疊層石、凝塊石、微生物席、生物膜或鈣質微生物）被認為是反映同時期海水稀土元素地球化學組成（REE+Y）的最佳指示劑（見Webb et al.[3]總結）。隨后，許多作者對不同地質歷史時期微生物巖的稀土元素進行了測量和分析，例如：Nothdurft et al.[182]測定了澳大利亞西部坎寧盆地Lennard Shelf 地區(qū)晚泥盆世鈣質微生物巖中的鈣質微生物Renalcis 樣品；Olivier et al.[184]測定了晚侏羅世珊瑚—海綿—微生物礁中的微生物巖樣品；Allwood et al.[188]測定了來自澳大利亞西部Pilbara Craton 的具有34.5 億年歷史的太古宙Strelley Pool Formation 中疊層石樣品；Matyszkiewicz et al.[192]測定了波蘭南部Kraków￣Cz?stochowa Upland 南部晚侏羅世Oxfordian 碳酸鹽巖建造中微生物巖樣品；Kamber et al.[194]分析、整理和總結了幾個不同構造區(qū)和不同地質年齡的太古宙疊層石樣品；Della Porta et al.[197]測定了摩洛哥High Atlas 早侏羅世Sinemurian 硅質海綿微生物丘中的微生物巖；van Smeerdijk Hood et al.[198]測定了澳大利亞南部新元古代晚成冰期碳酸鹽巖礁中的微生物巖；Tang et al.[199]測定了華北中元古代微生物巖；Kalvoda et al.[205]測定了捷克晚泥盆世Hangenberg時期的薄層紋層狀微生物巖；Hüeter et al.[55]測定了克羅地亞特提斯中部白堊紀Aptian 時期大洋缺氧事件OAE1a 的淺水碳酸鹽自生泥晶。此外，針對二疊三疊邊界的微生物巖，Loope et al.[193]，Collin et al.[196]，Eltom et al.[201]也進行了相關的稀土元素分析。以上所有研究基本上認為微生物巖能夠很好地反映同時期海水稀土元素地球化學特征。此外，Li et al.[202-203]利用原位LA-ICP-MS 對現(xiàn)代和下三疊統(tǒng)鮞粒中的自生泥晶組構進行了稀土元素地球化學分析，進一步證實了鮞粒中的自生泥晶組構能夠很好指示特定時期海水稀土元素組成。

然而，對于動物來源（海綿的有機礦化作用而形成）的自生泥晶，它們蘊含的稀土元素地球化學特征可能完全保留、或部分保留、或不保留同時期海水稀土元素地球化學特征。Neuweiler et al.[40]分析了下白堊統(tǒng)深水碳酸鹽巖丘中的自生泥晶的稀土元素，發(fā)現(xiàn)自生泥晶具有明顯的Ce 正異常特征，而海水膠結物是明顯的Ce 負異常。Desrochers et al.[45]分析了加拿大Anticosti Island 下志留統(tǒng)苔蘚蟲—海綿碳酸鹽巖建造中的自生泥晶，也發(fā)現(xiàn)了同樣的問題。而Neuweiler et al.[44]對瑞士南部下侏羅統(tǒng)Sinemurian 晚期的平底晶洞灰?guī)r中的自生泥晶的稀土元素進行了測定，發(fā)現(xiàn)自生泥晶與海水膠結物同時表現(xiàn)出Ce 負異常，但他們對出現(xiàn)的Ce負異常做出了一定的解釋。Larmagnat et al.[50]測定了加拿大魁北克地區(qū)Trenton Group 的奧陶紀海綿碳酸鹽巖丘中的自生泥晶的稀土元素，也發(fā)現(xiàn)自生泥晶的稀土元素特征與海水膠結物的稀土元素特征是一致的。

在痕量或微量過渡金屬元素或生命元素方面，Kamber et al.[185]發(fā)現(xiàn)了鈣質微生物Renalcis 中V，Sn，Cu和Zn等生命元素的大量富集。Collin et al.[196]分析了二疊紀末期生物大滅絕事件后微生物巖的U，V和Mo 元素，發(fā)現(xiàn)微生物巖中并未富集指示還原條件的U 和Mo 元素。Tang et al.[199]分析了中元古代微生物巖中的U，V和Mo元素，發(fā)現(xiàn)這些元素在微生物巖中較為富集，說明中元古代海水一直處于缺氧環(huán)境。Kalvoda et al.[205]分析了晚泥盆世紋層巖中的Al，Zr，Ti，Th，U 和Mo 等元素，發(fā)現(xiàn)了紋層巖在沉積過程中從海底氧化條件到弱氧化條件間歇性變化特征。Hüeter et al.[55]分析了OAE1a 時期特提斯海中部氧化還原敏感的微量元素As，V，Mo 和U，發(fā)現(xiàn)氧化還原敏感指標的變化與自生泥晶殼的擴展相吻合。

其次，自生泥晶元素地球化學特征有助于確定和區(qū)別自生泥晶的形成過程和來源。Sanchez-Beristain et al.[189]通過對意大利北部白云巖地區(qū)St Cassian組微生物巖的REE+Y 和主微量元素分析，來區(qū)分微生物巖和他生泥晶。Guido et al.[110]通過對Messinian Calcare di Base（CDB）的微生物巖REE+Y 的分析，認為CDB微生物巖是生物誘導的碳酸鹽沉淀，而并非是蒸發(fā)環(huán)境下的非生物沉淀。Corkeron et al.[191]利用LAICP-MS 測量了澳洲中部新元古代Bitter Springs 組生物層中的疊層石和疊層石間隙的痕量元素特征，發(fā)現(xiàn)痕量元素（REE+Y，Th）地球化學可以區(qū)分這些疊層石中的細粒碳酸鹽與同期非疊層石碳酸鹽沉積物，并證明采樣的疊層石主要是由原位沉淀形成的，大概是在微生物席/生物膜中形成的，而不是通過捕獲和綁結周圍的沉積物。Tanget al.[119]利用元素地球化學分析，證明了中國北方中元古代霧迷山組巨鮞的有機礦化成因。Liet al.[202]利用原位LA-ICP-MS結合巖石學和同位素地球化學技術，在華南下三疊統(tǒng)的海洋鮞粒中鑒定出指示古海水稀土元素（REE）組成和微生物活動的信號。Neuweileret al.[40]結合熒光能譜和稀土元素地球化學分析，發(fā)現(xiàn)海相方解石自生泥晶是以海水中的腐殖酸類似的有機聚合物為媒介或催化劑的，在次氧化條件下經(jīng)過腐殖化作用即有機礦化作用在早期成巖階段形成的。Desrocherset al.[45]利用沉積巖中REE+Y的分布模式特征（坡度，形狀等）討論有機聚合體的再礦化、腐殖化合物的螯合作用以及早成巖作用中鐵循環(huán)的影響等，以區(qū)分自生泥晶的不同來源和沉積成巖環(huán)境。Larmagnatet al.[50]也通過稀土元素的分配模式和剖面形狀來區(qū)分自生泥晶和他生泥晶。

綜上所述，自生泥晶到底能不能反映同時期海水的元素地球化學特征有待于進一步的研究和驗證，而自生泥晶所賦含的元素地球化學特征能否反映自生泥晶的形成過程和來源，尤其是動物來源和微生物來源的自生泥晶的區(qū)分還有待進一步研究。其實解決這些問題的關鍵，一方面我們需要認清自生泥晶沉淀流體的來源問題，另一方面就是自生泥晶元素地球化學賦存的微環(huán)境效應。Webbet al.[3]全面總結了微生物巖中保留的微量元素可能的四個來源，也可以作為自生泥晶中微量元素的來源：1）與生物體相關的有機富集（即生物礦化作用或有機礦化作用過程中元素的富集）；2）周圍水體；3）捕獲和束縛的環(huán)境沉積物，包括羥基氧化物；4）后期的成巖流體。事實上，自生泥晶的形成在不同程度上反映的是微環(huán)境的效應，該種微環(huán)境可能反映也可能不反映與其形成的周圍水體相同的地球化學性質。自生泥晶代表了廣泛的微環(huán)境中的礦物沉淀，包括：在開闊的底棲環(huán)境中被EPS 鞘絲或ECM 包裹，分層的微生物席或生物膜，半封閉洞穴體系內的密閉環(huán)境，以及高度密閉的巖石內部環(huán)境等。所以，自生泥晶的地球化學特征所反映的環(huán)境水化學的程度也可能相應地變化（見Webbet al.[3]的總結）。當然，伴隨著激光剝蝕—電感耦合等離子體質譜技術的興起，原位微區(qū)地球化學分析成為可能，高分辨率地球化學分析更有助于區(qū)分自生泥晶的來源以及示蹤周圍水體地球化學的特征。

5.2 同位素地球化學

5.2.1 非金屬穩(wěn)定同位素

碳酸鹽巖無機碳、氧同位素組成對古氣候和古環(huán)境以及成巖作用過程具有較好的表征作用。碳同位素組成的變化可以通過追溯地質歷史時期全球碳循環(huán)，較好地反映溫室效應與冰室效應的變化，也可以充分反映有機碳產(chǎn)率和埋藏率的變化。而氧同位素是一種天然的同位素溫度計，更容易受氣候或成巖作用過程中埋藏溫度的控制。此外，利用Keithet al.[206]提出的經(jīng)驗公式可以用來區(qū)分海相和淡水相的碳酸鹽巖。前人對自生泥晶碳、氧同位素的研究較為廣泛，主要是為了示蹤自生泥晶的來源及其對古氣候古環(huán)境的指示。無論是現(xiàn)代還是古代的海相微生物巖自生泥晶，它們的無機碳同位素值一般與同時期同環(huán)境的海水的無機碳同位素值是較為一致的[29-31,146,207-211]。然而，對于某些鈣質微生物巖中的部分組成，可能由于在其形成自生泥晶的過程中存在異養(yǎng)細菌活動，可能會出現(xiàn)比其他微生物巖低的碳同位素值[212]?，F(xiàn)代湖相微生物巖自生泥晶的無機碳同位素值可能受到陸源物質以及地下水等的影響，與所在水體的無機碳同位素值有些差異[21,118]。海相碳酸鹽巖生物礁或灰泥丘中非微生物來源的自生泥晶（鈣化動物軟組織等）顯示出了與同時期海水較為一致的無機碳同位素值[38,40,42,44-45,47,50,213-214]。海相鮞粒自生泥晶的無機碳同位素值也可能與同時期海水無機碳同位素值有較好的對應關系[119,179,203]，而與甲烷滲漏或冷泉相關的自生泥晶的無機碳同位素值普遍偏負[58-59,113-114,142,151-152,215-216]，這是與甲烷滲漏和化學自養(yǎng)生物的活動有關[217]。細菌硫酸鹽還原反應產(chǎn)生的碳酸鹽巖無機碳同位素值要比自生泥晶的稍微低一些，但不是很大[218]。由于受后期成巖作用改造的影響，自生泥晶的氧同位素值通常變化幅度較大，不能很好地示蹤當時水體或者氣候地變化。

生物活動以一種特殊的方式分離氮同位素（δ15N），使其成為可靠的生物標志和準確的古環(huán)境指標。氮所記錄到的大量同位素變化與特定的新陳代謝變化有關，這些變化是對主要環(huán)境壓力的直接反應，如大氣中氧氣的上升和海洋中硝化細菌和反硝化細菌的進化。這些同位素變化不是唯一的，而是與碳和鐵的同位素變化密切相關，這表明氮可以成功地用于模擬地球歷史上微生物代謝變化的相互作用，并將其與精確的環(huán)境變化聯(lián)系起來[219]。自生泥晶氮同位素研究相對較少。Diazet al.[220]測試了巴哈馬灘鮞粒灰?guī)r全巖、晶間、晶內有機質的氮同位素，發(fā)現(xiàn)這些有幾組分的氮同位素組成顯示出與顯示出與固氮一致的窄范圍，說明微生物優(yōu)先使用NO3作為電子受體。這些有機組分的氮同位素分析反應了鮞粒中微生物活動的地球化學特征。這些發(fā)現(xiàn)表明，氧化還原依賴的微生物群可能以鮞粒增生、膠結和泥晶化的形式影響著碳酸鈣沉淀。此外，還推斷出鮞粒沉積物不是反映古氣候的合適指標，因為鮞粒在其一生中都受到一系列復雜的非生物和生物過程的影響，可能會導致較大的地球化學偏移。硫同位素常被用作示蹤地質尺度內海洋環(huán)境中硫的生物地球化學循環(huán)過程、反演古海水的氧化還原條件變化和海洋循環(huán)模式[221-233]。碳酸鹽伴生硫酸鹽（CAS）的硫同位素組成通常作為古海水硫酸鹽組成的指標進行測量，并為地球表面的氧化還原平衡提供信息[229,234]。絕大部分作者用他生泥晶或者泥晶基質來測試硫同位素[235-236]，這是因為淺水碳酸鹽巖中常見的他生泥晶中黃鐵礦的比例要比自生泥晶高[236]。這種增加可能是由于化石分解過程中有機質的涌入，通過增加不穩(wěn)定有機碳的可用性來促進微生物硫酸鹽還原作用（MSR）237-238]。Diazet al.[220]測試了巴哈馬灘鮞?；?guī)r中鮞粒不同部位（外層氧化區(qū)vs.微鉆孔/斑區(qū)、EPS基質內部和內核層缺氧/微需氧區(qū)）的碳酸鹽伴生硫酸鹽（CAS）的硫同位素組成，推斷出鮞粒沉積物不是反映古氣候的合適指標，因為鮞粒在其一生中都受到一系列復雜的非生物和生物過程的影響，可能會導致較大的地球化學偏移。

5.2.2 金屬同位素

對自生泥晶金屬同位素特征開展的研究到目前為止還較少，涉及的金屬穩(wěn)定同位素主要包括鍶、鉻和鈾同位素等。放射性同位素主要是包括鉛—鉛和鈾鉛的定年。碳酸鹽巖（包括自生泥晶在內的）鍶同位素（87Sr/86Sr）應用的相關研究較多，也比較成熟，應用方面主要包括海相地層的定年[239-240]，示蹤物源[241-243]和反映原始的海相沉積環(huán)境[187-188,191,244-245]。鉻是一種重要的氧化還原敏感元素，鉻同位素作為反映古環(huán)境氧化還原狀態(tài)的指標，對它的研究雖然不多，但已經(jīng)取得了一些重要的成果[246-248]。碳酸鹽巖鉻同位素（δ53Cr）組成能否反映同時期海水氧化還原狀態(tài)還在研究中，存在的爭議也比較多[249-256]。自生泥晶鉻同位素研究開展的相對較少，僅有Bonnandet al.[249]對巴哈馬和尤卡坦淺灘的鮞?；?guī)r的鉻同位素有一些研究，Bonnandet al.[249]認為它們的鉻同位素值與阿根廷盆地海水的鉻同位素值一致。事實上，用碳酸鹽巖鉻同位素來指示海洋氧化還原狀態(tài)還有諸多問題亟待解決。鈾同位素體系不但廣泛應用于地質年代學研究，在反演古海洋沉積環(huán)境方面的研究也得到了較大的發(fā)展[257]。根據(jù)鈾的氧化還原敏感性特征，沉積物中記錄的鈾豐度和其同位素組成（238U/235U）可作為重建海水氧化還原模式的指標[258-261]。古碳酸鹽巖中的鈾同位素變化可能受海水pH、pCO2、Ca2+或Mg2+濃 度 的 變 化 控 制[262]。van Smeerdijk Hoodet al.[178]研究表明，不同的碳酸鹽組構顯示出238U值的高可變性，即使在同一個樣本中也是如此。Hüeteret al.[55]測試了白堊紀大洋缺氧時間OAE1a時期中特特斯域Adriatic微板塊碳酸鹽巖臺地不同組構（包括自生泥晶）的鈾同位素值，認為微結殼相碳酸鹽能夠較好反映海水鈾同位素值，并且海水鈾（VI）的238U 值隨著底層水缺氧空間范圍的增大而減小。在放射性金屬同位素方面，Kamberet al.[244]測定了津巴布韋晚太古宇Mushandike 疊層石的Pb-Pb 年齡，發(fā)現(xiàn)測出的年齡與鋯石年齡不符。沈安江等[263]利用激光鈾鉛同位素定年技術測定了塔里木盆地肖爾布拉克組不同碳酸鹽組構（包括藻紋層或藻疊層白云巖）的年齡，但測得的年齡與地層實際年齡有一定偏差，可能反映了成巖作用產(chǎn)物的年齡。此外，自生泥晶中可能賦存的其他非傳統(tǒng)金屬穩(wěn)定同位素比如鐵、鉬、釹、釤、鋰、鎂、鈣等在反映古環(huán)境方面的研究工作還沒有得到很好的開展和應用，在可能賦存的放射性金屬同位素定年等研究也亟需進一步的深入。

5.3 有機地球化學

自生泥晶中賦存有大量有機質，因而導致了其熒光顯微特性。前人對自生泥晶的有機地球化學研究主要涉及自生泥晶的有機碳含量和生物標志化合物等。

自生泥晶中賦存有大量有機質，其總體有機質含量不是很高，但比其他碳酸鹽巖的有機質含量要高。Neuweileret al.[38]測定了西班牙北部早白堊世（阿爾布期）碳酸鹽巖灰泥丘的有機質含量，大約在0.22%~0.72%之間。Guidoet al.[109-110]測定了意大利卡拉布里亞北部晚中新世墨西拿期微生物巖的有機質含量，大約為0.06%~0.19%。

生物標志化合物的研究主要是為了示蹤自生泥晶的來源及其形成過程。Keuppet al.[207]分析了德國南部晚侏羅世早啟莫里期的海綿石灰?guī)r中的生物標志化合物，分別測得了代表不同生物有機殘留的標志化合物，然而不同碳酸鹽巖組構（海綿殘體，凝塊巖結殼和碎屑沉積物）的生物標志物趨向協(xié)同，因而不能通過生物標志化合物來區(qū)別不同碳酸鹽巖相。他們指出，雖然不能區(qū)別厭氧和好氧細菌以及藍細菌在自生泥晶形成過程中的不同作用，但是從生物標志化合物中測得不同的五環(huán)烴（藿烷類）是源自細菌庚烷醇經(jīng)成巖作用而形成的，意味著在有機質沉積中或沉積后真細菌活動的影響。而正構烷烴C17和C18則是代表了典型的藍細菌來源。可以推斷姥鮫烷和植烷來自葉綠素（植醇），而姥鮫烷在有氧條件下和植烷在缺氧條件下衍生。另一方面，不同的植烷/姥鮫烷關系證明海綿殘體形成的缺氧條件，而凝塊巖和碎屑沉積物形成條件的含氧量更高。同樣，烴類角鯊烷和番茄紅素似乎證明了結殼和沉積物中的厭氧古細菌活性。Reitneret al.[264]分析了美國猶他州大鹽湖鮞粒和微生物巖的生物標志化合物，發(fā)現(xiàn)微生物巖以鏈長最高達21個碳原子的短鏈正構烷烴為主，在正庚烷顯示最高峰值。隨著鏈長的增加，正構烷烴濃度迅速降低，但在nC29周圍區(qū)域的奇數(shù)同系物處表現(xiàn)出次峰。烴餾分的其他重要成分是短鏈單甲基烷烴和各種正庚烷異構體。通常在接收到大量來自光養(yǎng)微生物的有機物的沉積物中觀察到正庚烷（nC17）和/或正庚烷類的優(yōu)勢。這就說明了微生物巖的藍細菌的來源。而共同存在低分子量的中鏈支鏈單甲基烷烴是藍細菌起源的有力支持，它們被認為是這些生物的特征性生物標記。與微生物巖相反，鮞粒砂和純鮞粒的烴類特征主要由高分子量化合物組成。主要成分是長鏈正構烷烴，顯示出奇數(shù)碳編號同系物的明顯優(yōu)勢。尤其是具有27、29和31個碳原子的化合物是維管植物表皮蠟的主要成分。因此，它們在沉積物中的存在被認為是陸地衍生有機物質貢獻的指示。鮞粒砂和純鮞粒的另一個顯著方面是存在高相對數(shù)量的碳鏈范圍從C26至C35的長鏈單甲基烷烴。Neuweileret al.[38]分析了早白堊世（阿爾布期）碳酸鹽巖灰泥丘丘核中自生泥晶的生物標志化合物，發(fā)現(xiàn)化合物的分布以短鏈正構烷烴的狹窄范圍為主導，正構烷烴在nC18（正十八烷）達到最大值。這些化合物伴隨有C19和C20類異戊二烯姥鮫烷和植烷。此外，在C18~C20范圍內觀察到大量的甲基支鏈烷烴和烷基環(huán)己烷。缺乏典型陸源生物標記，表明所觀察到的有機物是海洋生物的來源。未分解復雜混合物（UCM）的明顯峰形表明有機物異養(yǎng)分解（生物降解）的強烈烙印。Delecatet al.[42]分析了德國中部晚侏羅世早啟莫里期牡蠣點礁中生物標志化合物，觀察到的模態(tài)正構烷烴模式具有有限的生物標志物意義，因為它可能是由于有機物的熱成熟而不是特定的生物來源輸入產(chǎn)生的，但在C21至C25范圍內明顯出現(xiàn)了一組不尋常的支鏈烷烴。因此認為這些化合物具有微生物來源。藿烷類是沉積有機物的常見成分，是由細菌生物合成的。碳原子數(shù)超過30的烷類烴被認為是細菌細胞膜的組成成分C35細菌類六醇或C35復合生物類化合物的成巖產(chǎn)物。因此，沉積物或沉積巖中藿烷烴化合物的發(fā)生與細菌生物量的輸入有關。從前人的研究可知，生物標志化合物分析可知自生泥晶的形成與微生物活動相關，但是對于自生泥晶的來源和形成過程的指示作用還需進一步深入研究。

6 自生泥晶在地質歷史時期的分布

自生泥晶在許多古代礁建造當中廣泛存在而在現(xiàn)在的生物礁中相對稀少。由自生泥晶和同沉積膠結物組成的疊層石曾是前寒武時期唯一的造礁生物，但在新元古代時期為凝塊石和鈣質微生物所補充。侏羅紀以來海水地球化學組成（鈣飽和度，鈣鎂比）的巨大變化可能在很大程度上解釋了鈣化微生物、自生泥晶和平底晶洞在同一時期的急劇減少或消失的原因[265]（圖3）。

圖3 自生泥晶在不同地質歷史時期發(fā)育情況與碳酸鹽巖建造組成、全球海平面變化、方解石海文石海的交替、氣候變化以及生物大滅絕事件之間的關系（修改自James et al.[265]；注意：*說明時間尺度發(fā)生了變化）Fig.3 Development of automicrites and their relationship to components of carbonate buildups, global sea?level changes, shift of calcite sea and aragonite sea, climate change and mass extinctions in Earth’s history (modified from James et al.[265]; Note: * indi￣cates change of scale)

7 展望與結論

7.1 展望

正確認識自生泥晶的性質，形成過程、來源及地質歷史時期的演化和分布對碳酸鹽巖的結構成因分類，碳酸鹽巖建造的成因分類、生物群落組成和演化，古氣候和古環(huán)境的地球化學示蹤，現(xiàn)代工程建造和環(huán)境修復，探尋地外生命和油氣勘探等方面都將產(chǎn)生深遠的影響。

（1）傳統(tǒng)碳酸鹽巖分類方法，不論是Folk[24,266]，還是Dunham[100]，及他們的延伸分類方法[25,267-278]，都不曾將自生泥晶與他生泥晶區(qū)分開，因此很難區(qū)分真正的泥晶基質和微生物巖或其他碳酸鹽巖建造中的原位泥晶。近期，Lokieret al.[172]提出了新的碳酸鹽巖相分類模式，將自生泥晶和他生泥晶區(qū)分開，形成了他生（異地）碳酸鹽巖（即無證據(jù)顯示原始組分在沉積時是通過有機黏結作用形成的）和自生（原位）碳酸鹽巖（即原始組分在沉積時是由有機黏結作用形成的）兩種類型。其中，自生（原位）碳酸鹽巖又根據(jù)支撐結構類型，分為黏結灰?guī)r（生物黏結原先存在的基底）、格架灰?guī)r（生物建造堅硬的格架）和綁結灰?guī)r（不可識別黏結模式）三類。因此，在今后碳酸鹽巖分類中需要注意區(qū)分自生泥晶和他生泥晶。

（2）自生泥晶在碳酸鹽巖建造中廣泛存在，在古代和現(xiàn)代碳酸鹽巖建造中其局部貢獻率可高達80%[279]，但是它們卻又極容易被忽視，它們的成因和來源對碳酸鹽巖建造的分類，生物群落組成和演化具有重要意義[4]。前人對碳酸鹽巖建造的分類和命名進行了多種嘗試，大致可分為兩種分類方法，一種是按照組成碳酸鹽巖建造的端元組分進行的結構分類[43]，另一種是按照形成碳酸鹽巖建造的動力學機制進行的成因分類[28,71,265]。兩種分類方法之間的最大區(qū)別就是對碳酸鹽巖建造中的基質，也就是對自生泥晶和他生泥晶的有無進行區(qū)分。Bosenceet al.[280]將碳酸鹽巖建造分為三種類型：格架礁、微生物灰泥丘和生物碎屑灰泥丘。Riding[43]基于碳酸鹽巖建造的三個基本組構：基質（M）、（原地）骨架（S）和孔隙/膠結物（C）作為分類單元，將碳酸鹽巖建造劃分為基質支撐、骨架支撐和膠結物支撐三種結構。利用這個MSC 三端元組分，他又將生物礁和碳酸鹽巖灰泥丘細分為：聚合微生物礁、簇狀礁、節(jié)狀礁、格架礁、膠結礁和灰泥丘。Jameset al.[281]以是否具抗波浪性為標準，將碳酸鹽巖建造劃分為礁（具抗波浪性）和丘（不具抗波浪性）。Bourqueet al.[71]強調了自生泥晶在碳酸鹽巖建造中的重要性，并以碳酸鹽巖建造的成因和動力學機制，即底棲碳酸鹽生產(chǎn)的三種基本模式生物礦化作用、有機礦化作用和膠結作用為標準，將碳酸鹽巖建造分為礁和生物丘體系、灰泥丘體系和膠結碳酸鹽巖建造體系。Jameset al.[265]進一步強調了自生泥晶、鈣質微生物、同沉積膠結物在碳酸鹽巖建造中的重要性，將碳酸鹽巖礁分為骨骼礁、骨骼—微生物礁、微生物礁和灰泥丘。Jameset al.[28]在碳酸鹽巖礁的分類中強調了古代生物礁和現(xiàn)代生物礁的主要區(qū)別：1）進化生物學—現(xiàn)代造礁生物與化石造礁者無關，古代無脊椎動物是混合營養(yǎng)生物還是異養(yǎng)生物尚不清楚；2）鈣質微生物在現(xiàn)代生物礁中并不重要，但在許多化石生物礁中卻十分豐富；3）同沉積膠結物在巖石記錄中比現(xiàn)在豐富得多；4）自生泥晶在許多古老的生物礁結構中普遍存在，但在今天相對罕見。因此，他們根據(jù)大于1 cm 的生物骨骼的富集程度，將碳酸鹽巖礁劃分為礁和礁丘兩大類。其中礁包括骨骼礁、骨骼—（鈣質）微生物礁和微生物礁；而礁丘則包括骨骼—鈣質微生物礁丘、鈣藻礁丘和灰泥丘等。在此基礎上，Ridinget al.[282]根據(jù)原位碳酸鹽巖的形成機理，即非生物、生物誘導和生物控制三種類型，也就是在非生物（A），微生物（M）和骨骼（S）三個端元組分的基礎上，建立了碳酸鹽巖建造的混合碳酸鹽巖劃分類型，其中單端元碳酸鹽巖建造包括非生物巖、微生物巖和骨架巖，二端元碳酸鹽巖建造包括非生物—微生物巖、微生物—骨骼巖和非生物—骨骼巖，部分三端元碳酸鹽巖建造包括非生物—微生物和少量骨骼巖、微生物—骨骼和少量非生物巖、非生物—骨骼和少量微生物巖，完全三端元碳酸鹽巖建造就是非生物—微生物—骨骼巖。但這一分類同樣忽視了自生泥晶的成因和來源，并且混淆了生物控制和生物誘導碳酸鹽的產(chǎn)物。此外，Shenet al.[4]認為識別自生泥晶的多種結構類型并正確區(qū)分不同結構類型自生泥晶的成因和來源（尤其是微生物和動物來源的自生泥晶），對研究地質歷史時期碳酸鹽巖建造的生物群落組成和演化，尤其是珊瑚、層孔蟲海綿等群集性造礁生物出現(xiàn)前的前寒武—早古生代時期生命輻射和演化具有重要意義。

（3）自生泥晶，尤其是微生物巖自生泥晶，其蘊含的地球化學特征通常能夠較好地反映其發(fā)育水體的地球化學組成，從而是古環(huán)境或者古氣候示蹤的標志[3]。然而，追尋自生泥晶在形成過程中元素富集效應和同位素分餾效應，以及自生泥晶的生物標志化合物特征，對我們厘清自生泥晶的形成機制和來源，示蹤古環(huán)境和古氣候具有指導作用[55]。也就是說，一方面需要認清自生泥晶沉淀流體的來源問題，另一方面就是自生泥晶地球化學賦存的微環(huán)境效應。此外，自生泥晶其他地球化學方面的應用，包括自生泥晶的原位微區(qū)元素地球化學特征，原位微區(qū)放射性同位素定年技術，非常規(guī)金屬穩(wěn)定同位素，高分辨率顯微微區(qū)非金屬穩(wěn)定同位素，以及自生泥晶的生物標志化合物和脂類物質組成等方面都需要進一步加強研究和實踐。

（4）自生泥晶在現(xiàn)代建筑、工程和生態(tài)環(huán)境修復方面也扮演著重要角色，主要是通過微生物誘導碳酸 鈣 沉 淀[283]（microbial induced calcium carbonate precipitation，MICP）這一形式實現(xiàn)的。事實上，MICP（微生物誘導碳酸鹽沉淀）技術是現(xiàn)今生物礦化領域的研究熱點之一，其主要機理是在環(huán)境中有Ca2+等金屬離子以及其他底物存在時，微生物通過自身代謝或產(chǎn)生的EPS 降解產(chǎn)物來調節(jié)體系環(huán)境，形成以方解石為主的碳酸鹽晶體的過程，這一過程實質上是自生泥晶形成過程的一種形式[284]。MICP 技術一方面用于建筑和工程研究領域，包括制作生物水泥、加固地基、固化土壤、防風固沙、修復裂縫、混凝土自修復和石質文物修復等[285-289]，另一方面則用于環(huán)境修復包括固定土壤和水體中的重金屬[290-293]（Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As 等）。因此，認識自生泥晶（尤其是受微生物控制或誘導的碳酸鹽沉淀）的形成機理和機制，對于自生泥晶的沉淀在工程和環(huán)境領域中的應用將會起到進一步促進作用，這還需要大量實驗研究和證明。

（5）通過生物衍生有機質的介導形成的有機礦物（自生泥晶）可以作為生命標志，在地質巖石記錄中以及在沒有化石或生物建造的外星體上尋找生命的證據(jù)。Westallet al.[294]強調礦化的EPS 可作為地球或地外物質中細菌存在的標志。Reitner[295]實驗表明，從Murchinson CM2 隕石中提取的有機質（很可能是非生物的）能夠沉淀出與陸地微生物沉積物中已知的有機礦物相似的碳酸鈣有機礦物。更普遍地說，有機分子被證明能夠在無菌條件下沉淀類似生物誘導礦物的碳酸鈣或磷酸鹽礦物產(chǎn)品，尤其是那些被解釋為化石的“納米細菌”[295-296]。尋找生命起源的天體生物學研究應該在自然界中探索潛在的前生物、非生物或生物衍生有機礦物。

（6）富含自生泥晶的碳酸鹽巖建造，具有一定的油氣潛力[13-14]。一方面自生泥晶本身富含較多的有機質，尤其是相對深水環(huán)境的灰泥丘（例如沃爾索灰泥丘，Waulsortian mud mounds[297]）以及與海底熱液、油氣和甲烷滲漏或冷泉相關（例如摩洛哥與熱液相關的Kess-Kess 灰泥丘[298-299]；墨西哥灣與冷泉石油滲漏相關的灰泥丘[300]；以及其他地質歷史時期的同類型灰泥丘[301]）的自生泥晶，其有機質含量更高，可能為碳酸鹽巖油氣圈閉的形成提供良好的烴源巖[302]。另一方面，自生泥晶作為一種同沉積期成巖作用的產(chǎn)物，一般會降低碳酸鹽巖建造的孔隙度[302]。然而，由于自生泥晶的早期固結作用會在碳酸鹽巖建造中形成孔隙或格架，而且在活性生物膜的下方，細菌降解導致pH 值變化，從而導致二氧化硅和碳酸鹽溶解，這樣就導致了原生孔隙的擴大以及次生溶孔的發(fā)育和原生基質的局部塌陷。這一過程主要的成巖作用是海相膠結物的沉淀，而溶蝕作為生物降解的副產(chǎn)品，可能是為碳酸鹽巖建造形成次生孔隙的一個重要過程[303]。微生物巖也能形成良好的油氣儲層，比如及美國阿拉巴馬州阿普爾頓Little Cedar Creek 油田[304]等，但是它們原生孔隙不甚發(fā)育，孔隙度也不高，主要為由于成巖作用改造而形成的組構選擇性孔隙和裂縫[305]。

7.2 結論

自生泥晶指的是原地形成的泥晶碳酸鈣，它是碳酸鹽巖中一個重要的不具成因指示的結構組分，微生物巖和有機泥晶都屬于自生泥晶的范疇，下面總結了幾個關于自生泥晶的粗略結論。

（1）現(xiàn)代自生泥晶以及球粒和微晶碳酸鹽膠結物由高鎂方解石和文石組成。自生泥晶一般是隱晶質或微晶質的。自生泥晶超微結構外貌形態(tài)主要呈現(xiàn)出均一的微米或納米級別的光滑菱面體狀、啞鈴狀、棒狀、針狀、晶球狀、卵圓狀或者納米球狀特征，它們也可以以球粒狀、凝塊狀或者紋層狀出現(xiàn)，形成生物層狀結構、凝塊球粒微結構或極細的隱晶質結構。大多數(shù)自生泥晶可以顯示出不同結構類型的多泥晶組構。

（2）自生泥晶具有特殊的熒光和陰極發(fā)光顯微特征，是其區(qū)別于他生泥晶的一個良好標志，但自生泥晶的這些發(fā)光特性是由什么機理決定的還有待于進一步詳細研究。

（3）根據(jù)自生泥晶的形成方式和過程，可以把自生泥晶的形成機制分為無機物理化學沉淀作用、生物礦化作用和有機礦化作用三類。這些機制的作用過程以及對環(huán)境變化的響應需要在實驗室和地質樣品中進一步開展分析和實踐。

（4）自生泥晶的地球化學特征一方面能夠指示其形成機制和來源，一方面又保留了古海水地球化學組成，因而能夠示蹤古環(huán)境古氣候變化。但是，對于自生泥晶所蘊含的元素地球化學特征、同位素分餾機理、微環(huán)境效應以及生物標志化合物的識別等需要進行更為深入的研究。

（5）自生泥晶在許多古代礁建造當中廣泛存在而在現(xiàn)在的生物礁中相對稀少，可能與地質歷史時期海水地球化學組成（鈣飽和度，鈣鎂比）變化有關。

（6）自生泥晶在微生物巖和碳酸鹽巖礁丘尤其是灰泥丘中廣泛分布，也存在于與海底熱液以及甲烷滲漏有關的冷泉碳酸鹽巖和包括湖相沉積，泉水沉積，泉華，鈣華，石灰華，鈣質結殼、等陸相碳酸鹽巖沉積當中。

致謝 論文在撰寫過程中得到了加拿大拉瓦爾大學Fritz Neuweiler 教授和中國地質大學（北京）于炳松教授的指導。謹以此文紀念加拿大拉瓦爾大學地質與地質工程系教授Pierre-André Bourque 逝世15周年！