旷红伟 柳永清 彭楠
什么是臼齿构造和臼齿碳酸盐岩？
臼齿构造（Molar tooth structure, MTS）系指仅发育于前寒武纪（2600-635 Ma）、呈肠状褶皱等复杂形态，由微亮晶方解石组成的碳酸盐岩脉，因其形似“臼齿”而得名（图1）。臼齿碳酸盐岩（Molar tooth carbonate, MTC）即发育有臼齿构造的碳酸盐岩。1859—1861年，加拿大地质学家鲍尔曼在位于美国-加拿大边境的冰川国家公园考察中元古界贝尔特超群（Belt Supergroup）时，在Wallace 组灰岩中首次发现并命名了这种特殊的碳酸盐岩（沉积构造）（Bauerman，1885)。MTS在元古宙地层中广泛发育，其成因机制和地质意义一直是众多地质学家关注的焦点。
图1 臼齿构造（MTS）和臼齿碳酸盐岩（MTC）
a-辽东大连金石滩兴民村组；b-江苏徐州赵圩组；c-安徽林壁张渠组；d-吉林白山万隆组 。
臼齿碳酸盐岩时空分布
最古老的MTS实例位于南非Griqualand盆地西部 Transvaal超群Campbellrand亚群Monteville组（2600Ma）泥质灰岩中（Bishop et al., 2006），最年轻的MTS则发现于纳米比亚成冰纪马林诺冰碛岩上覆盖帽碳酸盐岩中（<635 Ma）（Hodgskiss et al.，2018）。因此，时间上，MTS仅发育于新太古代末至埃迪卡拉纪初期（成冰纪无MTS）（~2600-635Ma），至今显生宙还未见无争议的典型MTS报道。空间上，遍布现今全球24个国家或地区的50多个地层（图1），如：格陵兰、挪威、芬兰、加拿大、美国、俄罗斯、印度、澳大利亚、西非、南非和中国扬子、华北与塔里木等地。特别是我国胶辽吉徐淮等地区的中-新元古代及云南、豫西和塔里木等新元古代碳酸盐岩中都发育极其丰富的MTS（Kuang, 2014），因此，我国以MTS发育层位多、数量大、分布范围广且形态复杂多样，成为研究MTS成因和演化的理想地区（图2）。
臼齿碳酸盐岩事件作为前寒武纪古海洋中发生的全球性沉积地球化学事件，参与了近一半的地球演化历史。研究者们通过地质学、岩石学、地球化学、同位素地球化学、宏观和显微观察等多种方法对臼齿碳酸盐岩进行了深入研究，以探索其形成机制、古环境和古气候演变等方面的信息。MTC的出现丰富了碳酸盐岩成因类型与结构构造以及人们对碳酸盐岩的认识（Kah and Bartley, 2021），由于它可以反映元古代海洋、大气和生物等的演化历史，以及与之相关的全球变化事件，对前寒武纪，特别是古海洋研究具有重要意义（Kuang et al.，2014；旷红伟等，2023）。
图2 MTC发育的地理位置与分布时代（Kuang, 2014；旷红伟等, 2019，2023）
a-全球范围内已报道的MTC记录； b-国内MTC记录分布区域；c-已报道的MTC发育时代和地区。图1a和图1b圆圈中的数字为MTC产出地，与图1c中的编号为一一对应关系，除56号点为山东烟台栖霞新元古代蓬莱群香夼组，57号为西非纳米比亚Maieberg组外，所有剖面点对应Kuang（2014）一文中的表1 。
MTS形态特征
MTS最有辨识度的就是被称为谜一样高度复杂的宏观形态（图3），概括起来主要有两大类：一种是按形态和成因分为原地和异地，原地产出的可进一步划分为条带状、丝状、杆状、蠕虫状、球状（瘤状）、气泡状（图3c）等。而条带状MTS按其弯曲程度和破碎程度又划分为平直条带、弯曲条带以及破碎条带（图3e）。异地MTS表现为碎屑状，是指原地臼齿构造遭受后期的改造破碎后以内碎屑状态再沉积形成的MTS。按与岩层面接触关系，条带状MTS可以分为垂直的（图3a，e）、水平的（图3a，c）和斜交的(图1c)（Kuang，2014）。按其长轴与岩层面接触关系，还可进一步分为垂直层面、斜交层面、平行层面和杂乱无序的，两两组合形成多种子类型，且呈网状交织状态(Kuang, 2014) 。近年来不断有新的MTS类型被发现，如安徽宿州新元古代张渠组粗大圆环状MTS（图3b），蓟县高于庄组粗大的虾状MTS（图3d）以及球状MTS等。
图3 不同形态的MTS
a和b-安徽灵璧新元古界张渠组垂直弯曲条带状MTS和环状MTS；c-北美中元古界Belt超群泡状（斑点状）和水平条带状MTS；d-天津蓟县中元古界高于庄组垂直弯曲条带MTS；e-辽宁大连新元古界南关岭组垂直破碎条带状MTS。
MTC成分和结构
研究发现，全球范围内的MTS均由5-15 μm均匀、等粒或呈不规则多边形微亮晶方解石颗粒组成。MTC由MTS和围岩（或基质）两部分组成（图4a, b）。围岩主要由泥晶灰岩、白云岩或泥灰岩等细粒碳酸盐岩组成，主要矿物为方解石或白云石，含有少量陆源碎屑物质（图4c）。同围岩相比，臼齿微亮晶则干净明亮，无杂质，99%以上成份为微亮晶方解石，粒径小于基质颗粒，与基质呈突变或溶蚀边接触（图4d）。在阴极发光显微镜下，单一的臼齿微亮晶方解石晶体内部呈现出均匀的3-5 μm不发光-暗光的核，核与核之间由亮晶方解石胶结物将其联结到一起（图4e）。MTS宏观和微观形态特征表现出早成岩特征(图4f)。
图4 MTS与MTC成分与微观组构
a-吉林万隆组肠状褶皱MTS内部组构；b-澳大利亚苦泉组MTS被茜素红染成了红色，但其基质为白云岩，未染上色；c-围岩方解石在扫描电镜下呈片状，能谱分析点和围岩组分比较杂乱；d-MTS内部及能谱分析打点处，MTS方解石晶核被方解石胶结物环绕，打点处 MTS能谱成分，由纯净的方解石组成； e-大连地区新元古代南关岭组MTS方解石微亮晶的CL图像：单体方解石为等轴多边形，颜色深（核心部分），晶核间亮晶方解石胶结物在CL下发橙黄色光；f-微亮晶方解石晶体放大：晶体大小在10 μm以下，镶嵌接触，晶体间少量缝隙，还可观察到相互挤压留下的凹坑，晶体表面有一些溶蚀小孔，总体原生性保持较好。
MTC发育环境
大多数学者认为臼齿构造形成于浅水潮下-潮间带环境（James et al.，1998），特别是中-深缓坡上部向上变浅旋回的底部。MTS形成环境上界为潮间带（极少到达潮上带），下界为风暴浪基面附近（Kuang，2014）。原地MTS通常出现在细粒潮坪相碳酸盐相中，其沉积序列主要为泥晶灰岩与含泥灰岩、砂屑灰岩与泥晶灰岩、纹层状泥晶灰岩的韵律层，或与叠层石相间出现，偶尔出现在叠层石柱体间。中-新元古代碳酸盐岩缓坡台地CaCO3过饱和、盐度微高和较高温、少有陆源物质干扰的环境是MTS发育有利地区（图5）。
图5 MTS发育环境
MTC的形成机制
微亮晶方解石如何形成沉淀、裂隙产生机制以及时代限制，是MTS成因研究必须回答的问题（Hodgskiss et al.，2018）。MTS具有全球分布、时代限定、形态多样、由微米级微亮晶方解石组成及早期成岩等基本特征已成为共识（Smith，1968；James et al.，1998；Furniss et al.，1998；Meng and Ge, 2002；Kuang，2014；Shen et al.，2016；Smith et al.，2016；Hodgskiss et al.，2018；Kriscautzky et al., 2022），但时至今日，MTS兴衰机制仍为前寒武纪未解之谜。而成因机制产生争议的根本原因，在于以下问题难以解决：
1）为什么所有MTS均由微米级的方解石晶体组成？
现今发现的MTS微亮晶均是由5-15 μm大小的方解石晶体组成的。是什么原因使得方解石快速结晶，形成如此细小的晶体?有人认为pCO2突发下降导致海洋中碳酸钙饱和度异常高，从而使碳酸钙早期快速固结成岩形成MTS（孟祥化等，2006）。虽然有人认为在较冷较深海水中（Marshall and Anglin，2004）有利于MTS微亮晶的形成；更多的研究认为MTS形成于低纬度热带气候（古水温50 ℃左右）浅潮下环境（旷红伟等，2011a）； Goodman（2007）通过模拟美国Belt超群Hellena组MTS的形成认为MTS形成于高镁环境；Shen et al.（2016）提出在元古宙大陆架区域广泛硫化、低镁水体环境中，甲硫醇存在会导致硫酸盐还原作用及产甲烷作用在沉积物中共存，从而使CH4在沉积物中得以积累诱发MTS形成；Hodgskiss et al.（2018）则认为异化铁还原作用才是促使MTS形成的根本原因。Zhou（2018）认为MTS成因与有机质聚集有关。汤冬杰等（Tang et al.，2022)新近提出，MTS产出层位显著的I/(Ca+Mg)正异常以及稀土Ce负异常指示MTS产出于相对氧化的海水条件。虽然以上研究者观点并不相同，但都认为MTS形成与古海洋化学性质有关。
特别是Furniss et al.（1998）通过实验得出的气泡膨胀及扩散理论最受推崇。Bishop et al.（2006）和Pollock et al.（2006）继续发展了该假说，认为MTS是在微生物席或胞外聚合物（Extracellular polymeric substance，EPS）影响下，被密封的碳酸盐岩软泥中，微生物作用产生的气体在高孔隙压力下产生气泡，进一步裂解形成裂缝。碳酸根离子来源被解释为元古宙大气中较高的CO2分压(pCO2)使海洋中具有高的溶解无机碳；而Ca2+来源则被解释为风暴浪的作用使密封条件被解体，而使外部海水中的钙进入到孔隙或空隙与裂缝中。虽然被认为是微生物活动改变了沉积环境的地化性质，以及EPS（胞外聚合物）或微生物提供矿物成核基础是矿物沉淀的关键因素（Kriscautzky et al.，2022），Smith（2016）认为MTS微亮晶晶核的形态与最原始的微生物球体相似，Kuang(2014)则认为MTS的成核过程及微米级细小方解石的形成受到微生物作用的催化（加速），但MTS微亮晶的成核过程是否是微生物作用的直接结果，还需进一步证明。
2）为什么MTS形态如此复杂？
复杂多样的形态源于裂隙成因的复杂性。通过机械压实作用、地震等产生裂隙或液化等作用（乔秀夫等，1994；Pratt，1998）和风暴等外力作用（Bishop et al.，2006）可以形成不同形态的裂隙；处于封闭状态下的碳酸盐软泥内产生的气泡扩大或破裂所致（Furniss et al.，1998；Bishop et al.，2006；Pollock et al.，2006）。Kuang（2014）认为以上任何作用都可以形成裂隙，但最重要的是微亮晶方解石的来源、饱和度及加速结晶的催化剂来源。
3）为什么MTS仅出现在前寒武纪？
100多年来的探索，形成了物理作用假说，以乔秀夫和Pratt教授的地震成因论为代表（乔秀夫等，1994；Fairchild et al.，1997）；生物作用假说，以孟祥化教授为代表（Meng and Ge，2002）；生物-化学共同作用假说（Kuang, 2014；Shen et al., 2016；Petrov，2016；Hodgskiss et al., 2018；Kriscautzky et al., 2022；Tang et al., 2022；旷红伟等，2023）。为什么MTS仅出现在前寒武纪，而显生宙未发现有MTS，这正是地震成因假说的困难所在，因为地震是一直存在的，并非前寒武纪所独有，可MTS却仅在前寒武纪有发现。或许显生宙生物扰动破坏软沉积物中产生的空隙以及微生物席减少了对海底的覆盖是显生宙未见MTS的原因（James et al.，1998），但生物作用如何形成MTS尚未观察到直接证据。随着对MTS微观组构研究的深入和碳酸盐岩地球化学的发展，近年来的研究一致通过古海洋地球化学及微生物作用来解释MTS仅在前寒武纪形成的原因（如前所述）和MTS在显生宙消失的原因，如CaCO3饱和度降低而抑制碳酸钙沉淀和碳酸盐岩饱和度临界水平（阈值）的调整等（Fairchild et al., 1997；Pollock et al., 2006），冰川作用（Shields et al., 2012）、洋底氧化作用（Shen et al.，2016）、海洋环境中碳酸盐溶解度急剧降低（Kuang，2014）等。尽管不同研究者的认识还存在差异甚至相互矛盾之处，但MTS形成或消失受海洋地球化学性质及生物作用共同控制已成为当今主流观点。
MTS形成或消失均不是孤立过程，它一方面受控于古海洋物理化学性质，同时与当时的大气环境（pCO2）、古纬度（对海水温度的控制）以及生物作用密切相关，其形态和微观组构可能正是其沉积成岩过程的响应。对MTS形成过程的追索和解剖，也就是对前寒武纪古海洋地球化学信号的解读。从这种意义上也可以说，元古宙臼齿碳酸盐岩是解密前寒武纪古海洋性质的钥匙。
图6 MTC发育与古海洋性质的关系
MTC未来研究方向
作为一种具有全球性变化特征的特殊碳酸盐岩类型，MTS恰恰出现于太古宙仅有微生物的海洋世界与显生宙带壳生物骨骼碳酸盐沉积作用的生物大爆发前之间的过渡时期（James et al., 1998）。MTS形成与消亡均受控于古海洋化学性质变化，并与当时的大气、气候、环境以及微生物参与有关（James et al., 1998）。对MTS的研究，可为前寒武纪沉积古地理、地层对比、全球变化等许多重要问题的研究和解决开辟一条新的途径，具有重要的理论意义和应用价值。
今后继续采用综合性的地质学、岩石学和地球化学方法，并结合现代实验和模拟，宏观上进行全球对比，微观上在纳米尺度上分析晶体构形及其控制因素，最终揭示MTS盛衰机制及古海洋性质。具体可概括为以下几方面：
（1）加强对臼齿碳酸盐岩的全球性分布和对比研究，探讨其与全球变化事件的时空关系和影响因素；
（2）深入开展对臼齿碳酸盐岩的微观结构和成分的研究，揭示其形成过程和机制的细节和规律；
（3）利用多种同位素和元素示踪手段，重建臼齿碳酸盐岩形成时的海洋、大气和生物环境，反演元古宙地球系统的演化历史；
（4）结合数值模拟和实验模拟，验证和优化臼齿碳酸盐岩的成因模式和解释假设，提高其科学性和可信度；
（5）探索臼齿碳酸盐岩在油气勘探、地球生命起源、地球系统科学等领域的应用价值和意义，为人类社会的发展和进步提供科学依据和技术支持。
本文作者中国地质科学院地质研究所能源资源中心教授。本文属作者认识，相关问题交流可通过邮箱kuanghw@126.com与本人联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。
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