王青春 賀 萍 申方樂 惠 婧 楊克基 馬寶軍

（1.河北地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 石家莊 050031；2.山東科技大學(xué)，山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室山東青島 266590；3.河北地質(zhì)大學(xué)華信學(xué)院 石家莊 050031）

地球科學(xué)領(lǐng)域的微生物主要包括細(xì)菌（包括藍(lán)細(xì)菌）、菌類、小型藻類和原生動物等微小級別的生物（Brock et al.，1994；梅冥相，2011）。地球上的生命演化歷經(jīng)了多次大規(guī)模生物滅絕事件，但微生物在地球生態(tài)系統(tǒng)中始終扮演著重要角色。微生物是一種重要的地質(zhì)營力（李濤，2011；Lan et al.，2015），數(shù)量眾多的微生物共同作用形成的較為宏觀的證據(jù)，比如疊層石、微生物席、MISS（Microbially Induced Sedimentary Structures）等是比較常見的，但微小的微生物個體很難在地質(zhì)記錄中保存下來，所以更為直接的證據(jù)——微生物化石的發(fā)現(xiàn)難度較大。目前發(fā)現(xiàn)的地球早期的微生物實體化石比較有限，大多保存在碳酸鹽巖或硅質(zhì)巖中，其中澳大利亞古太古代發(fā)現(xiàn)的距今約3.48 Ga 的微生物化石和MISS 是目前已發(fā)現(xiàn)的地球最早的生命記錄，保存在燧石等硅質(zhì)巖中或碎屑巖巖層面上（Schopf，1993；Ueno et al.，2008；Noffke et al.，2013）；不過在碎屑巖中也有古老生命記錄的發(fā)現(xiàn)，如南非太古代Moodies 群的頁巖和粉砂巖中也發(fā)現(xiàn)了碳質(zhì)有機壁球狀微體化石（Javaux et al.，2010）。盡管部分學(xué)者對3.48 Ga 前的微生物化石依然存在質(zhì)疑（Brasier et al.，2002），但這些碳酸鹽巖、硅質(zhì)巖及碎屑巖中微生物信息的報道，為筆者等在冀西南趙家莊組沉積巖中尋找微生物線索提供了新的思路。

趙家莊組是杜汝霖先生研究太行山中南段地層時建議命名的一個組級地層單位，地質(zhì)年齡約2 000 Ma（杜汝霖，1984，1992），按最新國際年代地層表（2021）應(yīng)劃歸古元古代中期。近期，有文章報道了薊縣地區(qū)古元古界大紅峪組硅質(zhì)碎屑顆粒內(nèi)部的微體化石（Jing et al.，2022）。薊縣地區(qū)距離本文研究區(qū)不遠(yuǎn)，且大紅峪組與趙家莊組地質(zhì)時代也比較接近，這為尋找微生物化石開拓了思路。趙家莊組有關(guān)MISS 的發(fā)現(xiàn)（Lan et al.，2015）早已有之，但更加直接的生命證據(jù)——微生物化石未見公開。本文在碎屑巖薄片鑒定過程中有所發(fā)現(xiàn)，微生物化石被保存在石英碎屑顆粒及硅質(zhì)巖巖屑顆粒中，這進(jìn)一步拓寬了地質(zhì)記錄中尤其是前寒武紀(jì)地層中尋找微生物化石的渠道。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于河北省石家莊市西南約50 km 的井陘縣測魚鎮(zhèn)（圖1a、圖1b），古元古代中期主要屬于陸表海局限海灣環(huán)境，處于燕遼裂陷槽西部的太行灣西緣，海水較淺（王青春等，2017；賀萍等，2020）。趙家莊組沉積時期，受構(gòu)造活動、海平面升降、物源供給、氣候變化等因素影響，呈現(xiàn)由陸向海轉(zhuǎn)變的趨勢（王青春等，2017；賀萍等，2020）。筆者等在趙家莊組中下部曾識別出疊層砂質(zhì)MISS（賀萍等，2020）（圖1c），此前其被誤認(rèn)為是生物遺跡化石（杜汝霖，1984，1992；邱振等，2007；王立峰，2010；王青春等，2017；賀萍等，2020）。疊層砂質(zhì)MISS 是砂巖等碎屑巖中發(fā)育的一種微生物成因且具備“疊層”內(nèi)部結(jié)構(gòu)的沉積構(gòu)造，即Stomatolithic Sandy MISS，可縮寫為SSMISS（賀萍等，2020）。疊層砂質(zhì)MISS 的確定為尋找微生物線索提供了理論支持。

圖1 冀西南古元古界趙家莊組基本地質(zhì)信息示意圖Fig.1 Map showing the simplified basic geological information of Paleoproterozoic Zhaojiazhuang Formation in southwestern Hebei Province，China

地球早期微觀尺度微生物線索的發(fā)現(xiàn)難度較大，主要原因在于其微小的個體、不易保存及漫長地質(zhì)歷史過程的破壞作用。巖礦薄片觀察是最為經(jīng)濟的方式，但需要細(xì)心和些許運氣。筆者等有幸在趙家莊組巖石薄片鑒定過程中發(fā)現(xiàn)了一些微生物線索。

2 微生物化石

通過近200 個普通巖石薄片的詳細(xì)觀察，僅僅在下面兩個普通巖石薄片的單晶石英顆粒內(nèi)發(fā)現(xiàn)了微生物化石和微生物碎片（圖2，圖3）。

圖2 冀西南古元古界趙家莊組云質(zhì)砂巖石英碎屑顆粒中的微生物化石Fig.2 Microbial fossils from quartz clastic grains in dolomitic sandstone of the Paleoproterozoic Zhaojiazhuang Formation in southwestern Hebei Province，China

圖3 冀西南古元古界趙家莊組鈣質(zhì)砂巖石英碎屑顆粒中的微生物化石Fig.3 Microbial fossils from quartz clastic grains in calcareous sandstone of the Paleoproterozoic Zhaojiazhuang Formation in southwestern Hebei Province，China

第一個巖石薄片（圖2）是云質(zhì)石英砂巖，其中的單晶石英顆粒內(nèi)可見數(shù)量較多且非常清晰的微生物化石（圖2a～圖2c）。圖2c 是放大圖像，可見大量微生物化石及碎片保存在該石英顆粒內(nèi)部，可區(qū)分的個體數(shù)量約21 個，其中部分微生物化石保存完整，外形呈長管狀或微彎曲管狀，直徑約13～38 μm，推測其完整個體（圖2c 箭頭所指）的長度可超過125 μm。詳細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)微生物化石似乎具備明顯的“分節(jié)”現(xiàn)象（圖2c～圖2d），這應(yīng)該是埋藏成巖過程中微生物化石降解、收縮造成的“假象”；每節(jié)內(nèi)部呈“片狀”，與藍(lán)細(xì)菌膠鞘化石的橫紋結(jié)構(gòu)有些相似，比如元古宙常見的Plicatidium（Pang et al.，2015）、Rugosoopsis（Vorob'eva et al.，2015；Li et al.，2019）。微生物化石整體或一部分呈不同程度的黑色或褐色，很可能是侵入的鐵元素在后期不同成巖礦化階段氧化程度不同導(dǎo)致的（圖2d 箭頭所指）。另有部分個體呈圓圈狀、近圓狀，推測是切片方向與微生物化石個體近垂直的結(jié)果。趙家莊組石英顆粒中的微生物化石的直徑（寬度），比南非太古代的碳質(zhì)有機壁球狀微體化石（Javaux et al.，2010）小得多，與Rugosoopsis（Vorob'eva et al.，2015；Li et al.，2019）的最低值比較接近，與古-中元古代汝陽群的Plicatidium（Pang et al.，2015）的大小基本相當(dāng)；長度和形態(tài)也與Plicatidium（Pang et al.，2015）更加一致，且地質(zhì)時代接近。由此可見，本文在石英碎屑顆粒中發(fā)現(xiàn)的微生物化石，很可能與Plicatidium是同一種屬。

另一個薄片是鈣質(zhì)砂巖，其中的石英顆粒邊緣和內(nèi)部均可見微生物線索（圖3）。在石英顆粒邊緣發(fā)現(xiàn)了非常微小的微生物碎片（圖3a、圖3b），硅質(zhì)微粒與微生物碎片混雜在一起，逐漸向外部漸變。旁邊的石英顆粒內(nèi)部也發(fā)現(xiàn)了比較完整的彎曲狀微生物化石和保存不太完整的微生物化石碎片，部分呈圓圈狀（圖3a、圖3c、圖3d），化石形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征與圖2 基本一致。

3 討 論

無論是單晶石英顆粒還是多晶石英顆粒，在其內(nèi)部發(fā)現(xiàn)微生物化石的實例相對而言還是比較少見的（Jing et al.，2022），但在燧石等硅質(zhì)巖中發(fā)現(xiàn)前寒武紀(jì)生命證據(jù)的報道卻是被大家認(rèn)可的（Schopf et al.，1993；Urrutia et al.，1994；Dove et al.，2003；Noffke et al.，2003，2006，2013；Schieber et al.，2007；Ueno et al.，2008）。由此可見，微生物化石的形成及保存與SiO2之間并不存在互不相容的矛盾，只是SiO2的最終保存狀態(tài)不同而已。燧石等硅質(zhì)巖中保存的微生物化石更便于解釋其成因，而石英顆粒中的微生物化石則需要開拓新的思路。

作為地球上最古老的生物，微生物可參與或影響自然界中多種礦物的成核、結(jié)晶與生長過程，微生物學(xué)家稱其為“微生物礦化”作用，氧化硅礦物也位列微生物的“食譜”之中。微生物礦化作用可表現(xiàn)為誘導(dǎo)礦化或控制礦化兩種形式（Dove et al.，2003），也就是說微生物即可通過自生產(chǎn)生的生物物質(zhì)促進(jìn)礦化過程，也可以通過生命活動直接控制礦化過程，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多具備“特殊”功能的微生物。

如前文所述，趙家莊組微生物化石的個體大小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征與中國東秦嶺北部元古宇汝陽群地層中的Plicatidium（Pang et al.，2015）比較一致。另外，根據(jù)前寒武紀(jì)沉積物中統(tǒng)計的微生物平均直徑和范圍（Schopf et al.，1993），本文發(fā)現(xiàn)的微生物化石直徑符合古元古代微生物的大小。由此可見，趙家莊組碎屑巖石英顆粒中發(fā)現(xiàn)的微生物化石，很有可能是伴隨沉積作用一起保存下來的原生的微生物化石，地質(zhì)時間與地層一致，也為2 000 Ma 左右（杜汝霖，1984，1992），其形成很可能與“鐘情于”氧化硅礦物的微生物礦化作用有關(guān)。石英顆粒邊緣發(fā)育的微生物化石碎片與石英微?；祀s，使石英顆粒外形呈現(xiàn)被“蠶食”狀，說明該類微生物很可能具備將石英顆粒作為生存空間（鉆孔）或食物（能量）來源的能力，因此其形成過程應(yīng)該是微生物控制礦化作用為主。

另外一種情況也不能完全排除，那就是繼承而來。也就是說石英顆粒內(nèi)的微生物化石及碎片形成于更為古老的地質(zhì)時代，其在趙家莊組被發(fā)現(xiàn)，是作為風(fēng)化產(chǎn)物被硅質(zhì)巖巖屑或石英礦物碎屑裹挾搬運而來的。通過碎屑巖中的鋯石U-Pb 年齡分析（武漢上譜），測得的地質(zhì)年齡約為2 530±10 Ma（圖4）?？赏茰y：如果文中發(fā)現(xiàn)的微生物化石是繼承而來的，說明其生存時代可能比趙家莊組地層發(fā)育時代更加古老，甚至達(dá)到2 530±10 Ma，屬于晚太古代末期。

圖4 冀西南古元古界趙家莊組碎屑巖鋯石U-Pb 年齡分析圖Fig.4 Zircon U-Pb age analysis of clastic rocks from the Zhaojiazhuang Formation of Paleoproterozoic in southwestern Hebei Province，China

但是非常遺憾，鑒于樣品數(shù)量非常有限，且筆者等對于微生物化石的認(rèn)識較為膚淺，未能對其詳細(xì)特征進(jìn)行深入分析，也未能完全確定其種屬，期待將來能有更多發(fā)現(xiàn)，以豐富趙家莊組微生物化石數(shù)量，為進(jìn)一步深入開展工作奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論和展望

冀西南古元古界趙家莊組碎屑巖中識別出的疊層砂質(zhì)MISS，是在該地區(qū)尋找前寒武紀(jì)微生物線索的一把鑰匙。近200 個普通巖石薄片觀察過程中，僅僅在其中兩個薄片發(fā)現(xiàn)了微生物化石，說明趙家莊組地層的石英顆粒中微生物化石保存數(shù)量是非常有限的。趙家莊組石英顆粒中的微生物化石在個體大小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形態(tài)上，與中國東秦嶺北部元古宇汝陽群地層中的Plicatidium（Pang et al.，2015）比較一致。盡管文中未能對石英顆粒中的微生物化石的詳細(xì)特征和種屬進(jìn)行深入剖析，但至少說明趙家莊組碎屑巖中保存了一定數(shù)量的微生物線索。此外，本文在石英顆粒內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了微生物化石，為微生物化石的尋找和研究指明了一個新的方向。冀西南地區(qū)是研究前寒武紀(jì)地質(zhì)學(xué)的理想場所，更加深入的研究亟待開展。

致 謝本文撰寫過程中，得到了長江大學(xué)何幼斌教授、肖傳桃教授和匿名評委老師的指導(dǎo)，在此一并表示感謝！