叠层石与澳大利亚世外桃园鲨鱼湾,四方谈微信公众号文章

【矿业澳洲点评】自从 Kalkowsky 在 1908 年构筑了叠层石的术语之后，叠层石一直是地质学家采用不同方法研究和思考的主题，而且一直被当作证明地球早期生命历史的代表物而得到深入调查。叠层石确实为地球早期生命历史提供了间接而且复杂的证据，所以，现代叠层石确实代表着明显的生物信号而成为研究的焦点。最为引人注目的是，现代叠层石的多样化构成，确实表明了蓝细菌生物席建造了叠层石，而且进一步表明了微生物席转化成叠层石不是一个直接的作用过程。

那些反映现代叠层石多样化构成的典型实例包括:

(1) 南极 Untersee 地区的湖泊相锥状泥质叠层石;

(2)新西兰North群岛被称为煎锅湖的热水湖泊中以及美国黄石国家公园热泉中的硅质叠层石;

(3)巴哈马台地、澳大利亚鲨鱼湾以及巴西东南部海湾碳酸盐沉积物构成的叠层石。

由于蓝细菌微生物席是否代表了古代叠层石的形态学前体总是存在争议，而且在生命的图像中叠层石一直是一个迷惑的关键片段，因此，现代叠层石的多样化构成，将成为认识古代叠层石形成的关键和窗口。立足于前人的研究成果，追踪和总结现代叠层石的多样化构成，以及它们所代表的沉积作用和微生物新陈代谢活动丰富而复杂的信息，将不但丰富微生物沉积学的研究内容，还将拓宽沉积相分析的基本内容，对深入了解叠层石复杂的沉积学特征和生物学属性具有重要的科学意义。

当然，我们在学习叠层石的过程中更能享受大自然的美学意义。

《叠层石与澳大利亚世外桃园鲨鱼湾》

【发现叠层石】中科院南京地质古生物研究所、国际志留委员会副主席、中科院院士，博士生导师戎嘉余等专家一行9人，在黔北地区桐梓县进行地质工作考察时，在该县代家沟和茅石乡两地发现了4亿多年前由菌藻类形成的水平状叠层石。

据称，该“叠层石”系华南地区首次被发现，这也是世界上第五次被发现，在地质史上极具重大意义。

叠层石”它的主要价值在于：用它来划分、对比某一地区的地层、地理、生物，环境的演变及灭绝规律。它曾被海内外地质学家推崇为世界同一地质时期的“标准层型剖面”、世界罕见的“地质瑰宝”、“大地的史书”。

用它雕刻出来的作品具有很高的艺术价值，党和国家领导人曾以叠层石作为馈赠国际友人的高级礼品。

据介绍，专家组在对桐梓县红花园“全球型浅海相地质剖面”的辅助点——代家沟进行为期一周的野外标本采集后，竟在该县石牛栏组发现了在4亿多年前由菌藻类形成的水平状叠层石。同时，专家组在该县茅石乡也发现了一处。

据戎嘉余专家介绍，这是秦岭以南、淮河以西地质的华南地区首次被发现，也是世界上第五处被发现，在地质史上有极其重大的意义。

【叠层石的形成】叠层石是藻类繁衍生息形成的生物遗迹岩石。元古代叠层石生长于潮上带、潮间带和潮下带的滨海地区。元古代藻类——丝体藻主要生活在平坦的沉积碳酸盐岩表面之上10mm的范围内。从元古代的含藻类的燧石切片看，丝体藻像水蛇或章鱼一样完全自由、舒展地漂浮在海水溶液中，而不是生活在洞穴中。假如当时叠层石所生活的海洋中有海浪或海流的话，藻类又没有什么可抓扶的地方，必然会被海水冲走。

然而叠层石是藻类世世代代在一个固定地方生息形成的，藻类没有被海水冲走，说明藻类生存在静水环境之中。因此说叠层石所生活的海水和海岸是没有海浪和海流的，即使有也非常微弱，且海浪高度应该不超过10cm。海浪微弱说明当地的风力也很微弱，不超过1级。

如果海流存在的话，海流会使海水里钙镁离子的浓度达到均一，饱和程度和沉积厚度一致，而元古代地层里碳酸盐岩的厚薄相差极大，因此说海流不存在。

从世界各地叠层石统计资料来看，叠层石只生成于较纯净的碳酸盐岩中或燧石中，而不会生成于黏土岩或碎屑岩中，甚至含泥较多的碳酸盐岩中也没有叠层石。也就是说，叠层石只生存于清洁的海水中，因为有黏土沉积的话，藻类群就会被掩埋掉，这说明黏土没进入海洋中。

而黏土没有进入海洋中，需要具备两个条件：一、不能有河流入海（有河流的话，黏土会被带入海洋）；二、不能有稍大的风。

因此说叠层石存在的地方，必然具备下述4种地理环境特征：1、无风（微风）；2、没有海浪或者是微浪；3、没有海流；4、没有河流。也说是说，叠层石能指示上述4种地理环境特征。

【叠层石的意义】1.“成铁”：叠层石，即蓝藻固形物，是靠光合作用自养的。由于光合作用，这种一度统治了地球的生物产生了大量的氧气。而当时地球的海洋里有大量的铁元素。铁被氧化后便从水中分离出来，沉积在海底，经过数百万年形成了如今的各大铁矿。

2.产生氧气：21%的氧叠层石最大的功劳却不是“成铁”，而是产生了地球大气中约21%的氧气。在这些晦暗的石头上，充满了生命，每平方米的岩石上生活着36亿个微生物，它们在释放氧气。

花了20亿年的时间，大约40%的地球历史，大气中的氧含量才接近20%。海洋中所含的铁并不能阻止氧气浮出海面。在这些铁元素被氧化殆尽后，几乎覆盖了所有海洋浅滩的叠层石一如既往的产生着大量的氧气。

当这些氧气破水而出时，地球不再是一颗被火山气体覆盖的星球，而是一支焕然一新的宜居的生命的摇篮。可以说是叠层石产生的氧使地球适宜孕育更多的高等生命，它为此后的生物进化扫清了大气无氧的障碍，为生命史的下一章也是更复杂的一章铺平了道路。

可以说，叠层石默默工作20亿年，是地球能够进化出复杂生命的关键。

【澳大利亚鲨鱼湾Shark Bay的现代碳酸盐叠层石】今天，形成在超盐度海水环境中的叠层石的最好实例是澳大利亚西部的鲨鱼湾中的Hamelin Pool，这些叠层石最早为Logan在1954年首先进行系统研究(Logan，1961);根据表面形态特征，曾经将形成叠层石的微生物席大致划分为9种不同的形态，即胶粒状、凝胶状、光滑形态、针垫状、毛簇状、脓疱状、薄膜状、网状和小气泡状微生物席(Playford，1990)。

不同形态学特征的微生物席，为不同的微生物群落所形成;但是，鲨鱼湾Hamelin Pool的叠层石，主要是微生物对沉积物的捕获与粘结过程的结果(Reidetal．，2003):(1)微晶碳酸盐(泥晶)的微生物沉淀作用，就像在这些叠层石中的骨架和胶结物一样，是叠层石形成作用的一个基本过程;(2)微生物捕获与粘结过程，是潮间带叠层石增生作用的主要机制，形成细粒颗粒状的和砂屑的结构;(3)微生物沉淀作用则是潮下带的主要机制，形成了细粒的泥晶叠层石;(4)在鲨鱼湾叠层石中，微生物沉淀的碳酸盐泥晶较细，就像很多古代的泥晶质叠层石那样。

因此，在一个共同环境中，丰富的叠层石和微生物席的排列和发育，为研究不同类型的微生物席构成对叠层石成型和石化作用的生物与物理参数，提供了一个独特的机会。

就像早期的研究所表明的那样，从光滑的微生物席到脓疱状的微生物席，可能发生在柱状叠层石的生长过程期间(Allenetal．，2009)，而且这2种类型的微生物席主导着Hamelin Pool潮间带的叠层石(图7－A)，有时候发现它们还覆盖在潮间叠层石的表面(图7－B)。

鲨鱼湾Hamelin Pool碳酸盐叠层石A—生长在地表的脓疱状叠层石(白色箭头所指)和光滑叠层石(黑色箭头所指)

鲨鱼湾Hamelin Pool碳酸盐叠层石B—脓疱状叠层石(白色箭头所指)和光滑叠层石(黑色箭头所指)形成的穹窿状叠层石体

脓疱状微生物席(图7－C)具有一个暗色色素的表面层，在表面层之下没有见到清楚的纹层，虽然可以见到绿色的(蓝细菌的)、粉色和黑色的(细菌的)着色斑状物，从而表明微生物的空间分布确实发生在这种生物席的中极不规则的窗格组构内。相反，光滑的微生物席，表面颜色较浅，具有较低的地势起伏(图7－D)。

C代表脓疱状微生物席形成的叠层石

D代表光滑微生物席形成的叠层石，照片中的带箭头的字母的含义为:G代表主要为蓝细菌微生物群落构成的绿色层，P代表紫色硫细菌所构成的粉色层，B代表硫酸盐还原细菌所构成的黑色纹层

E—色球菌(Chroococcus);F—微鞘菌(Microcoleus)

G—鞘丝菌(Lyngbya);H—拟色球菌(Chroococcidiopsis)

鲨鱼湾Hamelin Pool碳酸盐叠层石I—螺旋菌(Spirulina)

研究发现，色球菌(Chroococcus;图7－E)是脓疱状微生物席中独特的蓝细菌，而微鞘菌(Microcoleus;图7－F)和鞘丝菌(Lyngbya;图7－G)则是光滑微生物席中独特的蓝细菌;2种微生物席共同具有的蓝细菌大致为16种，如拟色球菌(Chroococcidiopsis;图7－H)和螺旋菌(Spirulina;图7－I)等等(Allen et al．，2009)。

更为重要的是，一个多样化的新陈代谢活动可能出现在脓疱状和光滑的微生物席之中，较为普遍的新陈代谢活动被认为出现在Hamelin Pool的微生物席之中:(1)蓝细菌的生氧光合作用(图7－C和7－D中的绿色层所代表);(2)不生氧光合作用(绿屈挠菌(Chloroflexi)、一些蓝细菌、阿尔发原细菌(Alphaproteobacteria)和其他微生物所造成;(3)硫化物氧化作用(伽马原细菌Thialkalivibrio和其他生物所造成，图7－C和7－D中的粉色层所代表);(4)硫酸盐还原反应(图7－C和7－D中的黑色层所代表);(5)氮素代谢活动(一些肌动蛋白细菌如Frankia sp.，蓝细菌如微鞘菌和其他生物所造成)。

——梅冥相，孟庆芬

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