鮞粒成因研究進展

郭芪恒　金振奎　史書婷　劉元博　王金藝

關鍵詞 鮞粒；圈層結構；形成過程；鮞粒粒徑

第一作者簡介 郭芪恒，男，1994年出生，博士研究生，沉積學、層序地層學及儲層地質學，E-mail： 1974735970@qq.com

通信作者 金振奎，男，教授，沉積學及儲層地質學，E-mail： jinzhenkui@188.com

中圖分類號 P512.2 文獻標志碼 A

0 引言

鮞粒是碳酸鹽巖中重要的顆粒類型，形態通常為直徑小于2 mm的、有核心的、被均勻圈層結構包裹的球型或橢球形，可以用來指示古環境條件（水深、鹽度、溫度和水體能量）[1?6]，由鮞粒構成的鮞粒石灰巖也是碳酸鹽巖中優勢的儲集層[7?9]。鮞粒在形態上與核形石相似，但核形石生物成因被普遍接受[10?11]，而自Sorby[12]提出鮞粒以“滾雪球”的方式生長以來，關于鮞粒的物理化學成因還是生物成因就一直存在爭論。爭論主要集中在：1）微生物是否在鮞粒圈層形成中起到積極作用；2）光合微生物和硫酸鹽還原細菌微生物群落在鮞粒形成中是否發揮作用；3）鮞粒的放射狀結構是次生的還是原生；4）鮞粒是否是海平面變化的可靠指標；5）直徑大于2 mm甚至達到厘米級的巨鮞在深時地層中也有發育，這種鮞粒與傳統粒徑較小的鮞粒在成因上有沒有差異?，F今正在沉積的海相鮞粒普遍發育在高鹽度、高堿度、碳酸鈣過飽和的淺水環境中[13]，而日內瓦淡水湖泊鮞粒的發現似乎表明高碳酸鹽飽和度的水體不再是鮞粒形成的必要條件，相反微生物作用發揮了更重要的作用[14?15]。

本文系統歸納總結了鮞粒成因的主要觀點及鮞粒圈層結構類型，在綜合各種觀點的基礎上，提出了一種可能的鮞粒形成模式，并探討了鮞粒在沉積環境判別方面的指示意義。

1 鮞粒的物理化學成因進展

典型鮞粒的物理化學成因假說認為鮞粒形成需要三個條件：1）碳酸鹽過飽和的海水；2）作為核心的顆粒來源；3）動蕩的水體。Davies et al.[16]通過實驗模擬在安靜的水體中合成了徑向生長的放射鮞，在動蕩的水體中合成了切線生長的同心鮞，進而認為鮞粒是無機沉淀形成的；認為活躍階段鮞粒表面Mg2+的聚集“毒化”了鮞粒，使鮞粒停止生長，而靜止階段通過去除Mg2+使鮞粒表面重新活化，從而周期性產生圍繞核心的疊片狀同心層。鮞粒形成所需要的物理化學地質條件在現代熱帶碳酸鹽淺灘是比較普遍的，但不是所有的淺灘都有鮞粒的發育。最近的全球碳酸鈣地球化學研究表明海洋中存在一定的pH值和堿度的變化[17]。Rankey et al.[13]通過對太平洋庫克群島現代鮞粒研究發現其主要形成于群島附近pH值和堿度最高的地區，其他地區鮞?；静话l育，并且現代發生鮞粒沉積的海域具有相同的特征——高pH 值和高堿度，在適當的水動力環境下，有利于提高碳酸鈣過飽和狀態，促進鮞粒的形成，認為碳酸鈣過飽和狀態是限制鮞粒全球分布的重要因素。Duguid et al.[18]研究認為微生物在鮞粒的形成中沒有起到建設性作用，相反，由于微生物的存在造成鉆孔及與其相關膠結物的形成，改變了原始鮞粒圈層的結構和化學組成，并將鮞粒形成劃分為兩個階段（圖1）：1）活躍階段，鮞粒表面形成具有相對較高的Mg/Ca比的非晶質鈣碳酸鹽ACC（Amorphous Calcium Carbonate）；2）穩定階段，ACC重結晶形成針狀文石，組成鮞粒新圈層（圖1）。鮞粒外層Mg2+濃度的升高與ACC 的形成密切相關，是新的鮞粒圈層的形成而不是抑制鮞粒生長[18]，據此可以推斷Davies et al.[16]認為的Mg2+“毒化”鮞粒的過程其實是形成ACC的過程。鮞粒圈層中有大量的微生物遺跡，這些微生物及鉆孔普遍是鮞粒在穩定階段被光合作用微生物棲息的結果[18]，Trower et al.[19]的研究也表明鮞粒的生長主要受碳酸鹽飽和度和運移模式的影響，微生物在鮞粒表面通過微孔化破壞了鮞粒原始結構。

鮞粒的物理化學成因表明鮞粒極有可能是以圍繞核心周期性的ACC膜為模板鈣化形成鮞粒圈層，高pH值、高堿度和核心的來源是海相鮞粒形成必不可少的條件。雖然現代和古代鮞粒中均存在大量的微生物痕跡，但都是微生物定殖在鮞粒外表的結果。雖然有學者在實驗室合成鮞粒并認為現在巴哈馬鮞粒形成是無機過程[16]，但實驗卻不是在完全沒有有機物質的參與下進行的，并且鮞粒為了進一步生長，需要有機膜提供基質。Duguid et al.[18]雖然提出了以ACC 為模板的鮞粒形成模式，但卻沒有解釋清楚ACC是如何形成的。

2 鮞粒的微生物成因進展

無論是深時地層中的鮞粒，還是現在正在沉積的水體中的鮞粒，都發現了微生物痕跡，因此產生了微生物介導碳酸鈣沉淀的鮞粒微生物成因觀點。

2.1 微生物參與海相鮞粒的形成

Folk et al.[20]研究認為大量鮞粒的沉淀與納米細菌有關，并且鮞粒中文石大致切向的取向是由于黏液的“定向模板”造成的，而不是隨機的。黏液填充的層與文石層周期性排列構成了鮞粒的圈層結構，而這些富有機質的黏液層在后期腐爛形成了文石層之間的間隙。Summons et al.[21]研究認為特定的微生物群落定殖在鮞粒圈層表面，并可能促進鮞粒皮層的生長，強調了硫酸鹽還原細菌對鮞粒形成的重要性，海洋底棲微生物群落中硫酸鹽還原菌的存在和代謝活性增加了局部的堿度，促進了碳酸鹽的沉淀，這些特定的微生物在鮞粒形成中活躍，控制了鮞粒的鈣化。Tang et al.[22]通過對華北霧迷山組的研究認為，鮞粒中大量殘余的有機質證明微生物在鮞粒的形成中起到了至關重要的作用，細菌絲通過原位礦化形成鮞粒，細菌絲束在鮞粒生長方向上的保存需要在碳酸鈣過飽和環境中快速礦化。Tan et al.[23]在早寒武世鮞粒中發現了大量生物遺跡，從而說明微生物在鮞粒形成中發揮了重要的作用，并且放射鮞形成是微生物和高飽和度碳酸鈣共同作用，與Tanget al.[22]研究結論相似。Diaz et al.[24-26]研究表明微生物群落可以誘導鮞粒圈層的形成，由細菌活動誘導的堿度和過飽和條件的局部增加可導致ACC發展和隨后的文石晶體形成，強調了ACC形成的生物過程；鮞粒是由微生物介導的有機礦化作用形成的，ACC在鮞粒中的文石晶體發展中起到作用，與經典的成核理論相反，通過ACC的預核化發生鮞粒礦化，其中ACC與EPS和微生物之間的密切關聯表明ACC沉淀物是生物介導的；將鮞粒的形成總結為以下四個階段（圖2）：1）鮞粒外部圈層EPS形成導致碳酸鈣的沉淀形成ACC；2）ACC的累積形成薄層；3）ACC轉化為文石晶體，形成圍繞核心的新的文石層；4）動蕩的水體磨損不均勻的文石層，形成較為光滑的球形，構成了鮞粒的圈層（圖2）。除此之外，也有眾多學者支持鮞粒的微生物假說[27?28]。

2.2 淡水鮞粒的微生物成因

瑞士的日內瓦湖淡水中發現了大量以石英碎屑和碳酸鹽生物介殼為核心的同心鮞。原地實驗表明光合微生物群落在鮞粒圈層的形成中起到了至關重要的作用，如絲狀和球狀的藍藻，在相同的物理化學條件下，生物膜的缺乏抑制了方解石的沉淀[15]。淡水湖中光合微生物不僅促進了鮞粒核心周圍早期碳酸鹽巖的沉淀，而且控制了鮞粒整個圈層的形成，硫酸鹽還原細菌對鮞粒的形成基本不起作用，鮞粒圈層在鈣化之前首先由光合微生物細胞外聚合物質（EPS）礦化為無定型硅酸鎂（amMg-Si），為鮞粒碳酸鈣沉淀提供模板，然后轉變為低鎂方解石[14]。Brehm etal.[29?30]通過球形微生物群落在實驗室合成了類似于鮞粒的同心結構，絲狀藍細菌的球形排列產生空心球，碳酸鹽晶體沿著藍細菌沉淀，認為這是一種鮞粒的前體，是由微生物群落主導形成的。

鮞粒中殘余大量的有機質，鮞粒成因微生物假說表明微生物作用促進了碳酸鹽沉淀，物理化學假說表明微生物的活動破壞了鮞粒圈層結構，這很可能與微生物的類型有關。以鉆孔為主的微生物對鮞粒起到破壞作用，能增加局部碳酸鈣飽和度從而促進碳酸鈣沉淀的微生物等對鮞粒形成起到建設性作用。湖相淡水鮞粒支持了光合微生物（如藍藻）對鮞粒圈層的建設性作用，Summons et al.[21]通過測定鮞粒內的生物標志表明光合作用微生物、異養微生物特別是硫酸鹽還原細菌均有助于鮞粒的形成，Tang etal.[22]推測活躍的硫酸鹽還原細菌是華北地區霧迷山組巨鮞形成的主要原因之一，Diaz et al.[24?26]與Tan etal.[23]也支持光合作用微生物及硫酸鹽還原細菌等均可以改變局部碳酸鈣飽和度和堿度，從而促進鮞粒圈層形成。因此，可以將對鮞粒有影響的微生物分為兩類：一類是以光合作用微生物及硫酸鹽還原細菌為主的促進鮞粒新圈層形成的建設性微生物群落；一類是以強烈的微鉆孔為主的破壞鮞粒原始結構的破壞性微生物群落。

3 鮞粒圈層結構

根據鮞粒圈層結構類型將鮞粒分為同心鮞、放射鮞、同心放射鮞、晶體鮞及泥晶鮞等。晶體鮞是受成巖作用改造重結晶形成的，泥晶鮞是在沉積時期或沉積后受生物活動的影響原始圈層結構遭到破壞形成的。雖然宋文天等[31]將鮞粒圈層類型分為兩大類七小類，但與碳酸鹽礦物相關的鮞粒圈層主要分為三類（圖3）：1）圍繞核心徑向展布的放射狀結構；2）圍繞核心切線狀分布的同心狀結構；3）圍繞核心隨機分布的雜亂結構（圖3）。這三種結構既可以同時出現在一個鮞粒中，也可以單獨存在一個鮞粒中。

現在的巴哈馬鮞粒均為切線狀同心鮞，因此同心鮞普遍被認為是原生的，而在放射鮞是原生和次生問題上存在爭議。Rao et al.[32]通過對印度西北部的鮞粒研究認為徑向取向的結構是次生的，形成于早成巖階段安靜的水體，與皮質中微生物薄層的礦化作用密切相關。Sandberg[33]通過對大鹽湖鮞粒研究認為放射狀徑向取向的鮞粒結構是原生的，不是成巖作用形成的，其保留與有機物質密切相關。Siahi et al.[27]通過對南非Mesoarchaean Chobeni 組鮞粒的研究認為放射鮞來源于低能帶有微生物參與的高鎂方解石，同心鮞是文石在動蕩高能的環境中形成的，同心—放射鮞是由雙礦物構成的，代表了海洋水體成分的變化。Davies et al.[16]通過實驗模擬在有機質參與的低能環境中合成了放射狀生長的鮞粒。

現今眾多的證據支撐了鮞粒放射狀結構是原生的，而無論是鮞粒的物理化學成因假說還是微生物成因假說，均支持放射狀徑向生長的鮞粒結構需要低能安靜的水體環境，切線狀同心結構是低能環境中形成的放射結構在高能環境中磨平改造的結果，因此鮞粒類型是判斷水動力變化的可靠指標。

雖然鮞粒內部結構的差異性可以是不同類型礦物構成的，例如放射鮞普遍起源于高鎂方解石，文石也可以形成放射結構，同心鮞普遍由文石構成[27，34]，但是作者認為水動力條件是鮞粒不同結構形成的主要原因，嚴格意義上的切線狀圈層是不存在的，鮞粒圈層由徑向—隨機—切線結構演化，代表了沉積水體能量的增加。周瑤琪等[35]通過實驗模擬也表明擾動較小的安靜水體有利于晶體垂直鮞粒表面縱向生長，水動力的存在對縱向生長的晶體產生了定向改造，使晶體沿切向排列，進一步說明了水動力改造是不同鮞粒圈層結構形成的主要原因。

4 鮞粒大小控制因素

鮞粒粒徑通常小于2 mm，但不可忽視在地質歷史時期還存在大于2 mm 甚至達到厘米級別的巨鮞。Sumner et al.[36]研究表明鮞粒大小是反映沉積環境物理化學特征的重要標志，低核心供給速率、高碳酸鈣飽和度的水體、高鮞粒圈層生長率和高平均水流速度及水流梯度有利于巨鮞的形成；Tang etal.[22]通過對華北霧迷山組鮞粒研究表明巨鮞主要發育在淺灘開闊水域較深水且攪動較弱的低氧至缺氧環境中，硫酸鹽還原細菌的活躍導致碳酸鈣濃度增加促進了巨鮞的形成；段雄等[37]研究表明頻繁的強風暴背景和藍細菌等微生物的積極參與是重慶石柱地區早寒武世巨鮞形成的必備條件；Trower etal.[38]研究表明鮞粒的粒徑大小是一個圈層生長和磨損的動態平衡過程，而磨損率并不是隨著動蕩程度單調增加，反而強動蕩的水體造成大部分鮞粒懸浮，延長了鮞粒的生長周期，導致更大鮞粒的形成。Li et al.[39]研究認為高溫和干旱氣候導致的高碳酸鈣飽和度是華南早三疊世鮞粒大面積分布的主要原因，因而碳酸鈣飽和度也是該時期大于2 mm鮞粒普遍發育的主要原因。

更高碳酸鈣飽和度的水體及低的核心供給速率有利于更大粒徑鮞粒的形成已經成為共識。雖然Tang et al.[22]認為巨鮞形成于較深水的安靜環境，但相對動蕩的環境有利于更大的鮞粒懸浮生長。相對更加動蕩的水體有利于鮞粒周期性懸浮生長，從而形成更大粒徑的鮞粒，這也是同一沉積環境中靜水放射鮞粒徑普遍小于動蕩同心鮞的主要原因，而且動蕩的水體降低了鮞粒在間歇期沉積的概率，提高了鮞粒的生長周期，有利于更大粒徑鮞粒的形成。鮞粒新圈層的形成需要建設性微生物群落介導EPS和后續ACC的形成，活躍的建設性生物群落作用提高了鮞粒圈層的