李翔 王建功 伍坤宇
宇宙中除地球外是否还有其他星球存在生命呢？这是一个极具吸引力且令人无限遐想的科学问题。随着我国和其他国家外星探测计划的开展，地外生命探寻无疑是最让人期待的工作之一。美国国家航空航天局（NASA）新一代“毅力号”火星车的使命之一即是在登陆地杰泽罗陨石坑（Jezero crater）寻找生命活动迹象（Farley et al., 2020），而该地区被认为存在过一个湖泊，可能保存有生命活动记录。如何从经历极端气候环境条件改造的火星“湖泊遗迹”中找寻生命活动迹象呢？土耳其萨尔达湖（Lake Salda）被认为是地球上与杰泽罗陨石坑非常接近的一个参考环境，特别是湖水中发育的微生物岩可作为一个良好的对比物（图1；Bosak et al., 2021）。
图1 土耳其萨尔达湖-2020（左图），火星杰泽罗撞击坑-2017（右图）
图片引自NASA官网https://earthobservatory.nasa.gov/blogs/earthmatters/2021/02/17/what-a-lake-in-turkey-can-tell-us-about-mars/
微生物岩（Microbialites）是指由底栖微生物群落通过粘结、捕获松散沉积物，以及通过与其新陈代谢活动相关的有机矿化作用，在原地形成的沉积物经成岩作用后形成的一类岩石（Burne and Moore, 1987）。微生物岩作为地球上已知最古老生命活动的直接证据（约34亿年前；Allwood et al., 2006），主要分布于海洋和湖泊环境，并持续发育至今。也正因如此，微生物岩被广泛用于追踪海洋和湖泊环境的生命活动、水化学性质和水动力条件等，是一种研究地质历史时期生物与环境协同演化的良好载体。此外，微生物岩中发育多类型的原生及次生孔隙，是一种重要的储集岩类型。目前，国内外在海相环境下微生物岩的构成、特征和地质意义方面取得了一系列重要进展，但对于陆相，特别是湖泊环境微生物岩的认识还较为薄弱。不同于海洋环境相对稳定的发育条件，湖泊环境水化学性质、陆源输入、气候和营养水平等易改变，造成微生物岩形貌和内部结构出现明显变化。笔者及团队以青藏高原东北部柴达木盆地始新统为例，对湖相微生物岩的形貌、内部结构、矿物类型，以及可能的形成机制等方面进行了探索研究（Wang et al., 2020; Li et al.,2022）（图2）。
图2 柴达木盆地始新统微生物岩野外露头照片（西岔沟；图源：Li et al., 2022）
1 湖相微生物岩的分布和形貌特征
始新世晚期的柴达木湖泊中微生物岩以叠层石（内部具纹层状结构）和凝块石（内部具凝块结构）为代表，主要分布于滨、浅湖环境，以及湖盆中相对孤立的隆起带。滨湖环境下的凝块石建造个体相对较大（高度约50 cm），沿湖岸环境延伸数公里（图2）。这种凝块石表面以凹凸不平的脑纹状结构为主，内部为孔洞发育的粗粒凝块结构（图3A-B）。微观尺度下，这些凝块结构以迷宫状或大量粘结的球状粒为特征。叠层石发育规模非常小，厚度一般不超过10 cm，形态上往往早期以分散的指状、柱状为主，晚期以发育连续的纹层状结构为主（图3C-D）。同时具有纹层状和凝块状复合结构的微生物岩也较为常见。有意思的是，我们在叠层石和凝块石中均发现大量Chlorellopsis coloniata，这种推测可能为绿藻的真核生物广泛参与了微生物岩纹层结构的建造（图4A-E）。
图3 柴达木盆地始新统微生物岩光面特征及素描图
（A-B）凝块石；（C-D）叠层石（图源：Li et al., 2022）
图4 柴达木盆地始新统微生物岩薄片显微照片（图源：Li et al., 2022）
（A-D）叠层石微观结构特征。层状和凝块结构由隐晶-细晶白云石组成，其余组分主要为方解石；Chlorellopsis coloniata具椭圆形亮晶结构（绿色箭头所示）；（E-F）凝块石微观结构特征；（G-H）叠层石纹层偏光与荧光显微镜下特征；微生物纹层具棕黄色荧光显示
2 湖相微生物岩的矿物构成
微生物岩的矿物构成具有多样性，其内部纹层状和凝块状组构由隐晶质和细晶白云石构成（图5），既包括晶型良好的粒状结构（4~7 μm；图5C），也包括一些可能为有机矿化产物的球状、簇状结构（图5D-E）。微生物纹层内有机质含量高（图5G-H），原始结构保存较好，受成岩作用改造较弱，暗示白云石化发生时间较早。同时，这些有机矿化的纹层中保存有大量细小的天青石、重晶石和草莓状黄铁矿以及少量石膏（图5G-H）。而胶结物、亮色纹层，以及切穿纹层的细脉体等均由方解石构成。另外，微生物岩内部还保留有大量的铝硅质/镁硅质黏土矿物，成因暂不明确。微生物岩外部则由陆源粉砂和黏土质组分，或者亮晶方解石胶结物构成。本次研究利用LA-ToF-ICP-MS技术绘制了多个完整的小型微生物岩内部全元素（255个通道）二维空间图像（如图6），这项工作清晰地展示了微生物岩内部不同组构的元素构成以及自生矿物的分布规律。湖相微生物岩中拟晶（Mimetic）白云石化微生物组构，以及丰富的自生矿物（硫酸盐矿物、硫化物和部分黏土矿物）暗示着活跃的有机矿化和早期成岩过程，其成因和保存机制还有待进一步探索。
图5 柴达木盆地始新统微生物岩微观岩石学特征
（A）电子探针背散射图像；（B）电子探针主量元素面扫成像结果；（C-E）隐晶质白云石组分和直径47 μm的自形细晶白云石颗粒；（F）草莓状黄铁矿；（G-H）天青石—重晶石矿物 （图源：Li et al., 2022）
图6 小型复合凝块—纹层状微生物岩LA-ToF-ICP-MS元素成像
目标区域宽度5 000 μm、长度10 000 μm。A中三条红线分别代表不同组构；L1—陆源碎屑组分；L2—纹层状结构；L3：凝块结构；A中黄线指示微生物岩发育基底（图源：Li et al., 2022）
3 意义
综合来看，以始新统为代表的柴达木盆地湖相微生物岩在外部形貌、内部结构、矿物构成，以及形成环境等方面具有特殊性，可为深入了解湖泊水体化学条件和微生物矿化过程方面提供重要线索，亦可考虑作为火星等地外生命活动探索的一个参考样式。此外，新生代湖相微生物岩已成为柴达木盆地油气勘探的重要储集岩类型之一，有望成为解开湖相碳酸盐岩源储配置关系谜题的关键。
主要参考文献
[1] Farley, K.A., Williford, K.H., Stack, K.M. et al. (2020) Mars 2020 mission overview. Space Science Reviews 216, 142.
[2] Bosak, T., Moore, K.R., Gong, J. et al. (2021) Searching for biosignatures in sedimentary rocks from early Earth and Mars. Nature Reviews Earth & Environment 2, 490-506.
[3] Burne, R.V., and Moore, L.S. (1987) Microbialites: Organosedimentary deposits of benthic microbial communities. Palaios 2, 241-254.
[4] Allwood, A., Walter, M., Kamber, B. et al. (2006) Stromatolite reef from the Early Archaean era of Australia. Nature 441, 714-718.
[5] Li, X., Li, F., Wang, J.G. et al. (2022) Formation and preservation of Eocene lacustrine microbialites in the western Qaidam Basin (northeastern Qinghai-Tibetan Plateau, China): Petrological, mineralogical, and geochemical constraints. Sedimentary Geology 440, 106257.
[6] Wang, J., Zhang, D., Yang, S et al. (2020) Sedimentary characteristics and genesis of the salt lake with the upper member of the Lower Ganchaigou Formation from Yingxi sag, Qaidam basin. Marine and Petroleum Geology, 111, 135-155.
