Question

生物沉积作用和生物沉积物

Answer 1

由生命活动直接或间接造成的物质迁移和聚集作用称生物沉积作用。从现在掌握的资料看，至少从太古宙中晚期开始生物就已遍布在了世界各地的海水中，可能不晚于泥盆纪生物已蔓延到了陆地。现在在地下1000m以下的深度也仍然有生命存在。生物的广泛时空分布意味着它必定既是狭义、也是广义沉积作用中的能动因素。地球上的任何生物，包括人类在内，都是生物沉积作用的主体，而在地质历史中具有重要造岩意义的生物还是植物、水生无脊椎动物和细菌。无论在分布时空还是在个体数量上其他生物都不能与它们相比。

（一）生物沉积作用方式或途径

生命的实质就是生物能动地利用外部物质和能量在分子到整个个体的多个层次上进行自我复制。生命活动绵延不绝，生命现象千奇百怪，但从沉积学角度看，它主要通过三种方式或途径来实现物质的迁移和聚集。

1.生物化学

从本质上讲，生物个体内由生命活动制造任何有机质或矿物质的方式都是生物化学方式。例如植物通过光合作用将CO₂和H₂O合成为碳水化合物，动物通过消化食物、吸取水分、利用离解离子合成自己的软体、骨骼、外壳等。生物死亡后，其遗体就成了生物性沉积。陆生和部分水生植物的堆积可转化成泥炭或煤，许多动物的骨骼或外壳可形成生物礁或贝壳滩等。生物化学涉及到复杂的物质相态和能量的转化，往往不符合一般无机化学的作用规律。例如在同一环境中，不同生物制造的钙镁碳酸盐骨骼或外壳可以是文石质，也可以是低镁方解石或高镁方解石质（但无白云石质）；硅质生物可以在离子浓度很低的水体中有效吸取硅制造硅质骨骼、磷质生物可吸取钙和磷制造磷酸钙质骨骼，许多藻菌类体内的微量元素浓度可以是它周围海水中浓度的几百到几十万倍；当生物吸取相同元素（如O、C等）时，还会对其中的重同位素，如¹⁸O或轻同位素如¹²C吸取得更多一些从而造成生物体与环境之间的同位素分馏；某些生物（主要是微生物）可以吸取放射性元素铀，半导体元素锗、硒，贵重金属金、银等。尽管这个过程的许多细节还不清楚，但在地表物质的重组中，生物化学无疑起到了固定或富集某些成分的特殊作用，其沉积学意义是十分巨大的。

2.改变环境的物化条件

在生物从环境中吸取或向环境中排放某些成分的同时它也在改变环境条件，结果可能会加速某些化学反应的进程或控制某些反应的进行方向，在等低蓝绿藻和细菌等微生物的生命活动中这一点显得尤为突出。例如低等蓝绿藻行光合作用消耗CO₂可使环境水体pH值上升；细菌分解有机质排放NH₃可提高pH值，排放CO₂、H₂S、H₂可降低pH值；在封闭环境中细菌对氧的消耗可降低Eh值等。可以认为，在所有依赖一定pH值或E_h值的天然化学反应中，微生物都可以成为活的催化剂。这种受生物影响或控制的无机化学过程被看成是间接的生物化学作用。许多化学沉积物，如海湖环境中从水中析出的许多泥级CaCO₃质点、沼泽环境中的黄铁矿、围绕生物软体形成的硅质结核等都与这种作用有着千丝万缕的联系。

3.机械捕集或粘结

这是低等藻类（如蓝绿藻）和某些细菌（可合称为藻菌类）独有的作用方式。这类生物都是原核或真核的单细胞球状体或简单多细胞丝状体或棒状体，体表带有一层粘性很强的透明有机质衣鞘，可以捕集或粘结水介质中的细小质点。当粘结物多到一定程度，妨碍了它们的正常生活时，它们就分裂出新的个体而将老的衣鞘遗弃。实际上，上述低等藻类通过间接生物化学作用促使环境水体析出的泥级CaCO₃质点有些就被粘结到自己的衣鞘上。无数个藻体附着在地表（近岸地面或水下）生长繁殖可形成大面积的藻席（algal mat），附着在其他颗粒上可形成藻包壳（algal coating），自由藻体相互粘结则可形成游移状藻团（algallump），相应的也就富集了这些泥级CaCO₃质点。有些厌氧铁细菌依靠氧化Fe^2＋所释放的能量生活，有些具硅质骨骼的藻类（如金藻）营光合作用释放O₂使Fe^2＋转变成Fe^3＋，它们都可粘结沉淀出来的高铁氧化物形成铁质或铁与硅质的共同沉积。类似作用对其他难溶矿物的化学沉积可能也有重要意义。这种兼有间接生物化学和粘结的沉积作用具有非常久远的地质历史，很可能在生命诞生的同时或初期就已开始了，地球上已知最古老的生命遗迹就是通过这种方式被保存在38亿年前的铁质岩中，而且相同的作用一直到今天仍在继续。

除了上述三种方式以外，生物还可通过对先成沉积物的钻孔、扰动，对骨骼、泥砂性食物咀嚼、消化时的机械研磨，对流水、波浪等的阻挡等方式实现或影响沉积作用进行。

在三大类沉积作用中，生物沉积作用无疑是一种较为特殊的沉积作用。

（二）生物沉积物

生物的广泛时空分布和多种沉积作用方式使得许多沉积物或多或少、或直接或间接与生命活动有关，但并不是所有这些沉积物都可称为生物沉积物。按照现在比较流行的观点，这里只将主要由原地生物遗体、遗迹及其相关产物构成的沉积物才视为生物沉积物，而将主要由游移的生物硬体、粪粒、藻团等构成的沉积物看成是复合沉积作用的结果。那些由间接生物化学方式形成的沉积物则仍属化学沉积物的范畴。

在普通沉积岩石学中，典型的生物沉积物主要指生物礁和藻叠层。

1.生物礁（organic reef）

通常所说的生物礁是指以原地生长繁殖的造礁生物为格架，另有喜礁生物或其他相关沉积物共同参与形成的具有抗浪作用的水下隆起（厚度大于它的同期沉积）。成因相同，但缺少抗浪作用的低矮舒缓的水下隆起称生物丘（bioherm）。若隆起也不明显，只呈大致扁平的透镜状或宽板状的生物沉积则称生物层（biostrome）。然而，隆起高低很难有客观的划分标准（有人曾根据统计提出以高/宽＞1/30作为生物礁的标准），所以从沉积学角度出发，许多人将生物丘就看成是生物礁的同义语，甚至将生物层也看成是一种生物礁，称为层礁（stratigraphic reef）。不管隆起高低或术语使用上有何差异，它们在生物原地生长繁殖这一点 上则是共同的。

生物礁有许多类型，如按主要造礁生物就有珊瑚礁、海绵礁、苔藓虫礁等。在沉积学中，更多地还是按礁的外部形态和发育的环境位置来划分，较为常见的有点礁、塔礁、环礁、岸礁和堡礁等。点礁（patchreef）也翻译为斑礁或补丁礁，是一种小型、孤立的礁体，直径多不超过1km，常发育在浅海或深湖中，也可能只是某个大型礁体（如环礁）的一个构成部分。塔礁（pinnacle reef）也是孤立的，高可超过100m，顶部平坦，面积可在2km²以上，出现在深水环境，是伴随海底不断沉降形成的。环礁（atoll）大体呈圆台状，礁体沿台顶周边发育而将台顶围成一个潟湖，台顶直径可从1km到超过130km，发育在大洋或陆架上的开放海域中。岸礁（shore reef）又称裙礁（apron reef），是一种与海岸相连，又与海岸隔有浅的水道或潟湖的小型礁体，礁顶宽度可超过1km，涨潮时没入水下，退潮后又可露出水面，它的向海边缘常是一个陡的斜坡。堡礁（barrier reef）实际是一个大致平行海岸的狭长礁带，与岸之间隔有一个相当深度和宽度的潟湖。澳大利亚东北部昆斯兰海岸附近有现今最大的堡礁，长达1200km。我国南海水域分布有许多珊瑚礁，其中主要是点礁和环礁，但研究程度还不高。

在纵剖面中可以看出一个典型生物礁大体可分成三个部分：基底、礁核和礁翼（图15－21）。

◎ 基底（base）：是构筑礁体的底座，通常是海底某个比较稳固的突起部位，如各种机械性堆积的滩、丘、坝等，有时是海底火山锥。基底的形成大多与造礁生物无关。

◎ 礁核（reef core）：是在基底上构筑起来的礁体的核心部分。垂向上，礁核可显示一定的分带（或分层）现象，反映了生物礁的成长过程。下部常常是障积生物层。所谓障积生物是指那些有柄的或呈枝状形态的生物，如海百合、枝状珊瑚、各种骨骼钙藻等，当它们像小树林一样在基底上成片生长时，从中流过的海水就会受到阻挡而减速，水中携带的泥晶等细碎屑物质就会沉积下来。这种由障积生物和被障积的泥晶等细屑物质构成的沉积层就称障积生物层，它所具有的结构就称障积结构（baffle texture）。就体积而言，障积生物层或障积结构中的障积生物并不多，常以泥晶等细碎屑物质为主。紧接障积生物层之上的是粘结生物层。粘结生物又称结壳生物，特指那些粘附在其他物体或生物表面的呈纹层状、皮壳状或薄板状生长的生物群，如低等蓝绿藻、某些骨骼蓝藻、结壳有孔虫、厚蛤类等。某些床板珊瑚、层孔虫等在发育初期也是结壳状的。在障积生物层沉积的晚期，结壳生物就已开始出现，以后才逐渐繁盛起来。在结壳间隙常有很多由生物钻孔、啃食或排泄形成的砂泥级大小的结壳生物碎屑或粪粒，但在它们上面又会形成新的生物结壳，如此反复就形成了结壳生物层，该层具有的结构就称粘结结构（binding texture）。客观上，结壳生物层对稳固各种细碎质点及其下面的障积性泥晶起着重要作用。最上面的是骨架生物层。该层最重要的特征是含有原地增殖的生物骨架。这类生物称为骨架生物，如块状层孔虫、各种丛生的群体珊瑚、海绵、水螅、苔藓虫、古杯、钙藻等。骨架生物世世代代的原地繁衍和复杂随机的生长习性常常会造成大量间隙或孔洞，里面可沉积泥晶或生物碎片，也可栖息喜礁生物，如底栖有孔虫、腕足、海百合、海胆、软体动物等。在孔洞内壁，孔洞充填物和骨架生物遗体表面也可继续发育生物结壳，而生物的钻孔和啃食作用也到处盛行。这种由原地生物骨架和相关作用产物共同构成的沉积称骨架生物层，它所具有的结构就称生物骨架结构（skeletal texture）。值得注意的是，在古代生物礁中，骨架生物层中的生物骨架常常只有10％左右，最多也不过50％，有些还只是一些骨架的痕迹，这可能与当时骨架生物的生长密度以及被其他生物的破坏程度和沉积后被改造的程度有关。骨架生物层是生物礁鼎盛发育时的产物，它在很大程度上可决定整个生物礁的成长规模。礁核中的所有障积生物、粘结生物和骨架生物都可称为造礁生物。

在礁体顶部，在骨架生物层之上连续沉积的非礁沉积层称礁盖（reef cap），它不是礁体的构成部分，但对礁体终止发育的原因却有重要的指示性意义。

图15－21 生物礁理想剖面示意图

◎礁翼（reef flank）：随着骨架生物层的成长，生物礁的抗浪作用也逐渐增强，由此就产生了生物礁的礁翼。所谓礁翼是指与礁核呈指状穿插并部分覆盖在礁核之上的礁的裙边部分。礁翼的形成和构成物质与礁体的发育环境位置有关。像广海中的塔礁或大型潟湖中的点礁，四周水深、风浪等条件基本一致，礁翼就具有空间上的对称性，主要由礁核骨架生物层被风浪击打破碎形成的礁屑（reef debris）就地堆积而成。礁屑一般大小混杂，最粗可达巨砾级，但自上而下有变小的趋势。礁屑常被看成是礁体抗浪作用的证据。在相对浅水的上部礁翼中可能没有或很少有泥晶，礁屑可呈颗粒支撑，向下泥晶增多可变为基质支撑。整个礁翼厚度向外变薄，逐渐过渡为外围沉积（图15 －21）。另外一些礁体，如岸礁、堡礁等，其向海一侧坡度较陡，水体较深又迎风，波浪作用较强，向陆一侧坡度较缓，水体较浅又背风，波浪作用较弱，两侧礁翼有很大差别。迎风侧的礁翼称礁前（fore reef），背风侧的礁翼称礁后（back reef）。礁前与上述对称礁翼相似，也由礁屑和泥晶构成。礁后常由较细小的礁屑、生物碎屑、内碎屑、鲕粒、藻粘结颗粒或纯的泥晶构成。礁后沉积物与生物礁之间没有专属性，在其他非礁环境中也可形成，只是在这里处在了礁体背风侧而已。在体积上，礁翼常可占到整个礁体的70％～90％，礁核只占10％～30％。

作为一种生物沉积，生物礁的发育要受背景条件的严格控制。适宜礁体发育的环境条件是，水体温暖、清澈、循环良好、水深适宜，如现代珊瑚礁就主要分布在热带、亚热带、水温常年保持在18～30℃、盐度正常的水域。在水温较低、较高或常常混有较多陆源碎屑的浑浊水体或停滞水体中，造礁生物就难以繁殖或存活。水深条件主要靠礁体所在部位的基底沉降速度与生物礁的增长速度（或生物繁殖速度）保持大体平衡来保证。在任何情况下，海湖水面都是礁体向上生长的极限，只有基底不断沉降，礁体才会不断向上生长，但沉降速度也不能长时间超过礁体生长速度，否则水深将不断加大，礁体发育也会受到抑制或完全终止。实际上，由于水温和食物丰度等方面的原因，礁体顶部的水深最大只有几十米，许多只有几米或更浅。在地质历史中，常常可以见到一些生物礁、生物丘或生物层只由障积生物层和粘结生物层或仅由障积生物层构成，其中的重要原因就是背景条件不宜。

2.藻叠层（stromatolite）

由低等蓝绿藻（或许还有低等的红藻、绿藻或异养细菌）在某个固定基底上周期性繁殖而堆叠的纹层状沉积物称为藻叠层，外观上就象铺成的垫子而被称作藻席，固结以后就称为叠层石，它具有的构造就是叠层构造。前面已经介绍过，叠层构造中的藻纹层按有机质的多少可分为富藻层和贫藻层，实际上，这些有机质常常是以藻迹形式出现的。所谓藻迹就是被遗弃的、粘结有大量泥晶的藻衣鞘或死亡的藻体。在显微镜下，藻迹常呈几乎不透明的细小斑点或细丝、细棒，边缘透明度稍高，大小在几微米到几十微米左右。由它们聚集成的富藻层实际并无截然的上下边界，横向上的显微厚度也起伏不定，甚至局部可有断开或上下富藻层的相互接触。相邻的上下富藻层之间没有藻迹或只有很少藻迹的层即为贫藻层，主要由矿物晶体构成。但是，并不是所有藻迹都能完好保存下来，其中一部分可能会成片腐烂消失，这将在富藻层中造成一些形状不规则的空洞（称藻腐孔），继而再被成岩矿物充填形成显微鸟眼构造。当埋藏温度升高时，藻迹中的有机质将逐渐降解而相互融合，富藻层将由一些细小的有机质斑块或条带构成，其中的藻迹基本上不复存在。降解严重时，残余有机质还会以沥青形式进入到周围的晶间接触界面或裂隙中，富藻层的层状形态也将逐渐消失而代之以残余有机质的网脉状分布（图15－22）。

图15－22 常见藻叠层的显微特征（湖北宜昌，寒武系叠层石灰岩，单偏光，d＝2mm）

在功能上，蓝绿藻也是一种典型的结壳生物，在生物礁的发育中对泥晶的沉淀、富集和固定可起重要作用。如同在生物礁中一样，藻叠层或叠层石的结构也称粘结结构。在潮下浅水区，当密集的柱状、枝状藻叠层随基层沉降而不断向上生长时也可以形成一种特殊的生物礁，称藻叠层礁或简称藻礁（algal reef）。相应地，呈丘状或层状产出的藻叠层也可看成是一种生物丘（藻丘）或生物层（隐藻生物层）。

在地质历史中，被藻菌类粘结的矿物成分是随时代而变的，因而所形成的藻叠层或叠层石的矿物成分就有很大差别。大致在中元古代以前形成的叠层石主要是铁质的（最常见赤铁矿质），部分是硅质的，以后主要被白云石质取代，而自寒武纪开始到现在则主要是钙质的了（寒武纪早期有少量磷酸盐质）。虽然有些硅质、白云质或磷质藻叠层有可能是交代钙质叠层石形成的，但当缺少任何交代证据、藻菌类的细胞构造保存完好时，它们的原生沉积成因就很难被否定，尤其是形成于地球早期的铁质、硅质叠层石现在已经成了窥探当时生物、海洋和大气的一个重要窗口。