沈越峰
1. 自生泥晶的前世今生
泥晶（microcrystalline calcite，缩写为micrite）这一术语在碳酸盐岩学习和研究中已经得到了广泛的应用，指的是隐晶至微晶级别（粒度通常小于4 μm）的碳酸盐颗粒，进一步可分为自生泥晶和他生泥晶。自生泥晶（autochthonous micrite，简称automicrite）, 又称原地微晶碳酸钙（in-situ microcrystalline Ca-carbonate）或原地灰泥（in place lime mud），指的是原地形成的碳酸钙泥晶基质（matrices formed in situ/in place；Wolf, 1965）。他生泥晶或异地泥晶（allochrhonous micrite，简称allomicrite）是非原地形成的泥晶，来源于其他各种碳酸盐颗粒的破碎作用和原始细粒碳酸盐物质的沉积作用而形成的微泥晶基质，其可能包括不同的矿物和化学组成。Flügel (2010)指出，自生泥晶是指在海底或沉积物中由于物理化学、微生物、光合作用和/或生物化学过程而在原地形成的细粒（隐晶—微晶质）自生碳酸钙矿物（方解石和/或文石）。James and Jones (2015)对自生泥晶的概念进行了进一步的提炼，指出自生泥晶是指通过无机和/或有机媒介过程作用而在海底或者沉积物中形成的文石或方解石胶结物。强调这一微晶碳酸盐明显不是沉积物，而是同沉积胶结物。
自生泥晶这一概念提出以来，国内外众多学者对不同碳酸盐岩环境中自生泥晶的来源、显微结构、地球化学特征和形成过程等问题进行了深入的研究和探讨。伴随着微生物岩、碳酸盐灰泥丘和生物矿化作用及其衍生的有机矿化作用等研究的深化，碳酸盐自生泥晶的研究也取得了重要进展。一些学者将自生泥晶等同于微生物岩（microbialite）或有机泥晶（organomicrite）。根据形成模式和形成位置的不同，Reitner(1993)又将有机泥晶分成两类，包括堆积有机泥晶和袋状有机泥晶。堆积有机泥晶指的是呈现出凝块石状、叠层石状或呈块状硬底类型的垂直生长构造。袋状有机泥晶是由半封闭微孔洞中的后生动物（大部分是海绵）封闭的降解或腐烂组织中，或者是由钻孔动物钻孔形成的孔洞中发育充填构造而形成的。此外，Lees and Miller(1995)在灰泥丘的研究中提出了多泥晶结构（polymud fabric），Keim and Schlager(1999)在研究意大利三叠纪的白云岩陡斜坡沉积中提出了自生泥晶相（automicrite facies，指具有大量自生泥晶的野外地层）和自生泥晶工厂（automicrite factory）的概念。Pomar and Hallock (2008)重新定义了Schlager (2003)的底栖“灰泥丘工厂（mud mound factory）”，重命名为“底栖自生泥晶工厂（benthic automicrite factory）”。此外，一些学者又将微生物工厂（microbial factory）等同于底栖自生泥晶工厂。
国内对于自生泥晶的研究相对较少，《沉积地球化学应用》讲座编写组(1988)首次提到了自生泥晶一词，并简单介绍了不同来源泥晶的地球化学组成特征。朱士兴(1996)总结了第30届国际地质大会题为“钙藻、叠层石和灰泥丘的演化和环境意义”的2-6学科讨论会材料，在国内首次介绍了automicrite的成因、分类、形成环境等领域的国际研究现状和发展趋势。朱士兴(1996)将自生泥晶当作一种岩石类型，翻译成“原地微晶灰岩”。进入21世纪，随着国内对碳酸盐岩研究的进一步深入，自生泥晶的概念已被广泛地应用到了碳酸盐岩研究当中。马永生(2006)和马永生等(2016)在《碳酸盐岩微相：分析、解释及应用》中也将自生泥晶翻译成了“自生泥晶灰岩”。贾志鑫(2009)通过对湖北宜昌九龙湾剖面震旦陡山沱组盖帽碳酸盐岩微相研究，推测本层盖帽碳酸盐岩原本是颗粒和基质均以泥晶形式沉淀的自生泥晶灰岩。梅冥相(2007, 2011)和梅冥相等(2011, 2015)在研究叠层石生物丘（层）和微生物诱导（有机矿化作用）的沉积构造时，说明了这些沉积构造都是底栖自生泥晶工厂(Pomar, 2003)的产物，并且强调了自生（原地）泥晶成因的不确定性。杨勇强(2015)提到了湖相自生泥晶的碳氧同位素特征。杜翔(2016)和杨巍(2016)在四川盆地东部晚二叠世海洋底栖生物礁系统研究中，识别出三种台地边缘礁微相类型，强调了自生泥晶在微生物丘格架形成中的重要性。闫振和刘建波(2016)在介绍灰泥丘时，提到了原地成因的灰泥及其形成方式，并指出灰泥丘的形成机制、时空演化、控制因素及古地理古环境指示意义是将来灰泥丘研究的主要方向。沈越峰等(2017)探讨了塔里木盆地奥陶系瓶筐石—寻常海绵碳酸盐岩丘自生泥晶的来源。陈百兵(2018)在豫西宜阳地区寒武系馒头组鲕粒灰岩特征及演化的研究中指出了微生物自生泥晶化对鲕粒中泥晶形成的作用。王龙(2019)研究了太行山中南部及其邻区寒武系微生物碳酸盐岩主导的生物丘，为以原地自生泥晶构成为主的生物丘提供了较好实例和岩石记录。
然而，在自生泥晶的研究过程中，也存在着部分争议。首先，“微生物岩”（Burne and Moore, 1987）这一术语已被广泛用于标记各种微晶礁（丘）岩，包括大多数自生泥晶结构。而且，一部分作者将微生物岩等同于自生泥晶（Dupraz et al., 2009）。然而，Bourque (2004)认为如果没有令人信服的证据证明是主要由底栖微生物群落构建的岩相，微生物岩这个术语就变得无意义。再者，很多生物纹层结构或凝块结构并不是微生物岩所特有的，海绵、藻类和其他后生动物也可以形成类似的结构。因此将微生物岩简单地等同于自生泥晶是有争议的。事实上，自生泥晶是碳酸盐岩中一个重要的不具成因指示的结构组分，微生物岩和有机泥晶都应归入自生泥晶的范畴。其次，微生物岩（主要是自生泥晶）被广泛用来追踪其成因和来源并指示同时期沉积水体的地球化学特征 (Webb and Kamber，2000)，但微生物岩保留地球化学组成的机制和原理尚未清晰，有待于进一步的总结和实践。最后，区别自生泥晶和他生泥晶以及自生泥晶的不同来源对碳酸盐岩分类，特别是对碳酸盐岩建造的分类具有显著意义，并且能够更合理地解释地质历史时期碳酸盐岩建造的生物群落组成及其演化 (Shen and Neuweiler，2018)。
2. 自生泥晶的特征
（1）矿物组成和粒度：自生泥晶一般为隐晶或微晶，粒度一般小于4μm。现代海洋环境中的自生泥晶一般以文石为主，地质历史时期海洋中的自生泥晶的组成可能是文石，也可能是方解石（低镁方解石和/或高镁方解石），主要与同时期海水地球化学组成（钙离子饱和度，镁钙比等）有关。
（2）超微结构和外貌形态：自生泥晶在扫描电镜（SEM）或冷冻扫描电镜（CryoSEM）下主要呈均一的微米或纳米级，具光滑菱面体状、哑铃状、棒状、针状、晶球状、卵圆状或者纳米球状等特征。实验观察表明自生泥晶可能带有聚合物的特点，可以形成具一定形状的粒状沉积物，也可以以球粒状（peloidal）、凝块状（clotted）、纹层状包覆（laminated coating）骨骼或贴在生物礁丘中的孔隙或洞壁上出现，呈现出抗重力作用的特征。大多数自生泥晶以不同结构类型的多泥晶组构（polymud-fabric texture）出现，形成生物层状结构、凝块球粒微结构或极细的隐晶质结构（图1）。
图1 塔里木盆地巴楚地区勒牙伊里塔格露头奥陶系一间房组瓶筐石—海绵礁丘中的多泥晶组构。
AM1=带有海绵骨针的原位球粒自生泥晶；AM2=原位球粒自生泥晶；AM3=含微管原位隐晶粒状自生泥晶；AM4=原位微球粒自生泥晶；AM5=原位纹层状-脑状自生泥晶：IS-1=他生泥晶碎屑颗粒；Cs=瓶筐石海绵；Cr=棘皮类碎片；Bry=苔藓虫。
（3）荧光和阴极发光显微特征：自生泥晶具有特殊的荧光和阴极发光显微特征，是其区别于他生泥晶的一个良好标志。自生泥晶组构的荧光和阴极发光显微特征一般来说对应较好，具有比较强烈和明亮的发光特性（图2）。它们的荧光性大多可能是由其中所含的有机质残留导致的，也可能是由稀土元素激化引起的。自生泥晶中相对较高的锰和铈以及其他稀土元素含量可能是其产生强烈和明亮阴极发光的主要原因，但是发光特性有待于进一步研究。
图2 自生泥晶的普通偏光、荧光和阴极发光显微特征
（Si=硅质交代；Cc=方解石胶结物；AM1=带有海绵骨针的球粒自生泥晶；AM4=隐晶质自生泥晶；薄片来自于塔里木盆地巴楚地区勒牙伊里塔格露头奥陶系一间房组瓶筐石—海绵礁丘）。（a，c）普通偏光显微照片，单偏光；（b）荧光显微照片；（d）阴极发光显微照片
（4）地史分布：自生泥晶在古代礁建造中广泛存在，而在现在的生物礁中相对稀少（图3）。由自生泥晶和同沉积胶结物组成的叠层石曾是前寒武时期唯一的生物礁类型，但在新元古代时期被凝块石和钙质微生物所取代。侏罗纪以来海水地球化学组成（钙饱和度，钙镁比）的巨大变化可能在很大程度上解释了钙化微生物、自生泥晶和平底晶洞在同一时期的急剧减少或消失的原因（James and Wood，2010）。
图3 自生泥晶在不同地质历史时期发育情况与碳酸盐岩建造组成、全球海平面变化、方解石海文石海的交替、气候变化以及生物大灭绝事件之间的关系（修改自James and Wood (2010)；注意：*说明时间尺度发生了变化）
3. 自生泥晶的形成过程和来源
根据自生泥晶的形成方式和过程，可以把自生泥晶的来源分为三类：无机成因、生物控制和诱导矿化作用以及生物影响矿化作用，即物理化学无机沉淀作用、生物矿化作用和有机矿化作用。
（1）无机成因
无机成因（非生物）自生泥晶指的是由于盐度和水体温度变化导致的，通过物理化学作用在原地沉淀的微晶碳酸钙胶结物，这一过程没有生物或者有机质的参与。
（2）生物矿化作用
生物矿化作用形成的自生泥晶是指由生物体通过生物大分子的调控生成自生泥晶的过程（图4），分为两种形式，生物控制的矿化过程而形成的自生泥晶和生物诱导的矿化过程而形成的自生泥晶。生物控制矿化作用形成的自生泥晶是指生物（光养蓝细菌和藻类）在不受外界环境影响的条件下，通过生命活动和新陈代谢过程，将二氧化碳还原为有机碳化合物，从而将溶解度平衡向碳酸盐沉淀转移，促使自生泥晶的沉淀。生物诱导矿化作用形成的自生泥晶是指生物（异养和化养细菌及其他微生物）的生命活动和新陈代谢过程引起细菌周围微环境的变化，并诱导微晶碳酸钙沉淀。
图4 生物矿化作用和有机矿化作用形成自生泥晶的模式（修改自Dupraz et al., 2009）。注意：本文有机矿化作用的定义沿用Trichet and Défarge (1995)的狭义有机矿化作用定义）
（3）有机矿化作用
有机矿化作用形成的自生泥晶是指以活体生物产生的有机质（Organic matter, OM；螯合钙离子的有机大分子）为载体，而又独立于活体生物生命活动和新陈代谢作用形成的自生泥晶，也叫有机泥晶（图4, 5）。这些有机化合物可能是活体生物的排泄产物或者是它们的分离部分，又或者是死亡的生物残留物或者副产品，被释放到水体或者进入到土壤，沉积物或岩石中。
图5 基于腐殖质的海水自生碳酸钙沉淀以及随后矿物生长停止的模型（修改自Neuweiler et al., 2000）。DOM = 溶解有机质
4. 自生泥晶的元素地球化学指示
自生泥晶在元素地球化学方面的应用主要包括两个方面：一方面，大多数自生泥晶包含了其形成时期沉淀流体的元素地球化学特征（主、微量元素，稀土元素等），因而元素地球化学分析可以用于识别自生泥晶形成的（微）环境信息（沉淀水体）；另一方面，自生泥晶的形成过程使多种金属元素富集，这个富集的过程可能是选择性的也可能是非选择性的，而这些元素的富集保存可能会提供不同的生物（有机）标志，进而有助于确定和区别自生泥晶的形成过程和来源。近年来，对自生泥晶元素地球化学的研究主要集中在识别现代和地质历史时期微生物岩、钙质微生物岩、鲕粒和海绵礁丘等含自生泥晶组构的（微）环境信息方面。自生泥晶到底能不能反映同时期海水的元素地球化学特征有待于进一步的研究和验证，而自生泥晶所赋含的元素地球化学特征能否反映自生泥晶的形成过程和来源，尤其是动物来源和微生物来源的自生泥晶的区分还有待进一步研究。其实解决这些问题的关键，一方面我们需要解决自生泥晶沉淀流体的来源问题，另一方面就是进一步探索自生泥晶元素地球化学赋存的微环境效应。
5. 自生泥晶研究的展望
正确认识自生泥晶的性质、形成过程、来源及地质历史时期的演化和分布对碳酸盐岩的结构成因分类(Lokier & Junaibi, 2016)，碳酸盐岩建造的成因分类、生物群落组成和演化(Riding & Virgone, 2020)、古气候和古环境的地球化学示踪、现代工程建造和环境修复、探寻远古和地外生命(Turner, 2021)和油气勘探等方面都将产生深远的影响。
本文作者系合肥工业大学资源与环境工程学院老师。本文属作者认识，（详见：沈越峰等．2021. 自生泥晶：过去，现在和未来．沉积学报. https://doi.org/10.14027/j.issn.1000-0550.2021.003.）。相关问题交流可通过邮箱yuefengshen@hfut.edu.cn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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