现代冷泉碳酸盐岩沉积

(一)形态、产状特征

现代冷泉碳酸盐岩的产状有丘、结核、硬底、烟囱、胶结物和小脉等，以丘最为常见。化学自养生物碳酸盐岩丘主要由化学自养生物碎屑和多期次的化学自生碳酸盐胶结物组成。这种冷泉碳酸盐岩丘物质主要来自海底冷泉流体系统，通过化学和生物化学沉积作用形成。在物质来源、形成环境、形成作用等方面与传统海水来源碳的碳酸盐岩建隆不同(图3－49)［2，14］。

图3-49 在布莱克海台ODPLeg164site996钻探中的冷泉碳酸盐岩建隆(Chemoherm)的剖面形态［12，14］

钻孔中冷泉碳酸盐岩沉积层最大可见厚度达20m，在横向上很快尖灭过渡为正常海相深水沉积，由生物碎屑和多期次自生碳酸盐的胶结物组成，形态与传统的生物丘相似，与天然气水合物伴生，在海底有化学自养生物群和正在活动的冷泉体系［104］〕。因此，在地层中根据碳酸盐岩建隆形态和生物化石组成特征很难作出成因识别。但根据化学自养生物碳酸盐岩建隆产于深水相地层中(如浊积岩地层)，呈大小不等镜体、不规则体的团块、结核、结壳等产出，常含有大量底栖生物化石，在沉积环境和相分析中出现纵向和横向上的不连续，甚至出现反常现象。在野外地质工作中可以根据这些地质特征，初步确定生物丘为大陆边缘斜坡冷泉碳酸盐岩沉积。要完全确定其成因，需进行地球化学研究，尤其是碳同位素的测定。因此，对于在以往被认为是正常浅水生物丘或礁等碳酸盐岩沉积中，识别出这种冷泉流体系统的化学自养生物碳酸盐岩建隆，在我国的区域地质调查、沉积相划分、沉积环境识别，尤其是石油和天然气地质研究中的意义非常重要，应引起广大地质工作者的重视［14］。

海底冷泉体系形成的沉积物以碳酸盐岩和天然气水合物为主，有少量的硫化物和硫酸盐等［14］(表3－4)。碳酸盐岩的物质来源主要是冷泉流体中碳氢化合物的细菌生物氧化作用形成的二氧化碳，天然气水合物则是直接由冷泉流体中的气体在海底和海底之下沉积物孔隙中结晶形成。

表3－4现代海底冷泉沉积的地质和生物特点

续表

(二)矿物成分及结构构造

冷泉碳酸盐岩的碳酸盐矿物主要为镁方解石、白云石和文石，与传统的碳酸盐岩基本相同，但常是以单一矿物为主(图3－50)。冷泉碳酸盐岩以微晶的碳酸盐矿物为主，最常见的有微晶方解石、微晶文石、微晶白云石、草莓状黄铁矿等［14］。

大多数冷泉碳酸盐岩是均质的，由微晶碳酸盐矿物组成，但也存在一些特殊的沉积组构［105～107］，如向上、下平底晶洞、凝块、叠层石、草莓状黄铁矿、黄铁矿环带结核、溶蚀面等。向下平底晶洞组构可能是在先前存在的碳酸盐岩结壳之下，碳酸盐矿物向下结晶成集合体，而向上平底晶洞组构则是碳酸盐岩矿物向上结晶集合形成。凝块构造由微晶碳酸盐岩矿物构成不规则的凝块，其间为结晶较好的方解石充填，可能与微生物新陈代谢沉淀碳酸盐岩过程中化学环境的小尺度变化有关。微晶白云岩通常具有不规则的空心核、呈球状体或哑铃状等，现在认为这些都与冷泉环境孔隙水的化学成分有关在正常海水中，白云岩不易沉淀，但当存在强烈的去除孔隙水中硫酸盐的微生物活动时，白云岩就可以发生沉淀。

图3-50 墨西哥湾北部冷泉碳酸盐沉积的矿物组成［14，105］

陈多福等(2002)在墨西哥湾的GC238块区海底天然气渗漏系统采集了冷泉碳酸盐岩样品，运用光学显微镜和电子扫描显微镜观察这些冷泉碳酸盐岩［9］。发现碳酸盐岩结壳上表面(见图3－44)显示～10μm的微孔隙被一定方向排列的自形方解石围绕，这些方解石晶体可能是从微孔隙中释放的CO2与海水中的Ca结合形成。碳酸盐岩结壳的透光显微图像显示结壳由微晶方解石、细菌一方解石、球状黄铁矿组成(图3－51)。碳酸盐岩结壳下表面扫描电子显微镜图像显示发育有厚约1μm的薄层，完全由无数的碳酸盐岩化的纳米细菌集合体组成，显示的形态特征、特别是分歧的蚯蚓状、突出的柱状、臂状和小球表明是石化的细菌(图3－52)，碳酸盐岩化的球状细菌在结壳下表面非常普遍。碳酸盐岩结壳的破裂断面显示碳酸盐岩结壳内部主要由自形方解石和少量碳酸盐岩化纳米细菌集合体、丝状体及胶结物组成(图3－53)。

图3-51 现代冷泉碳酸盐岩薄片的透光显微图像［9］由微晶方解石、细菌方解石(黑色箭头所示)和球状黄铁矿(黑色部分“py”标示)组成

图3-52 现代冷泉碳酸盐岩下表面SEM图像［9］

图3－53显示冷泉碳酸盐岩经5%HCl溶解残余物中的黄铁矿特征。黄铁矿呈草莓状和球状产出，直径约2～10μm。单个草莓状黄铁矿集合体由众多直径＜0.5μm的小球和针状黄铁矿组成，小球趋于形成立方体黄铁矿(图3－54a，b和e)。球状黄铁矿集合体由无晶形和针状黄铁矿组成(图3－53c和d)，有直径＜0.1}m的棒状黄铁矿发育于黄铁矿表面(图3－53d)，是黄铁矿化的纳米细菌。球状黄铁矿集合体内部发育有层状结构，中心由黄铁矿小球及方解石组成(图3－53f)。在碳酸盐岩结壳下表面的SEM图像中(图3－53f和53g)，发育具有层状结构的球状黄铁矿集合体(直径～1.5μm)。这种层状结构与文献描述的古细菌集合体被硫酸盐还原细菌集合体包裹的结构相似。

图3-53 现代冷泉碳酸盐岩中的黄铁矿形态及石化细菌特征［91］

中国科学院南海海洋研究所在2005年9月，在南海北部大陆坡海域采集到两个站点的冷泉碳酸盐结核进行粉晶衍射分析表明［109］:结核全岩的碳酸盐矿物为白云石、菱铁矿和少量文石、方解石，非碳酸盐矿物主要为针铁矿、石英和少量粘土矿物。白云石的d(104)值在 (n=15)之间，也即从化学计量白云石d(104) 变化到大于铁白云石的d(104)值 反映了Ca2+被Mg2+以及可能被Fe2+，Mn2+替代的量的变化。含铁白云石的d(113)与d(104)峰高比值是0.3，而铁白云石的比值为0.06［］测定的白云石d(113)/d(104)为0.26～0.43，属于含铁白云石，表明仅一部分Fe2+进入白云石的晶格中。

菱铁矿形成的有利条件是硫化物分解非常缓慢而铁和HC0－3含量高的缺氧环境，这种条件在甲烷生成域上部或气体水合物的赋存带中普遍存在。虽然在大陆边缘甲烷生成域上部自生菱铁矿的形成很普遍，但一般认为自生菱铁矿的形成与天然气水合物分解有关。

碳酸盐结核中的含铁白云石和菱铁矿为微晶结构(图3－54)，针铁矿呈离散状分布在含铁白云石和菱铁矿中，这种自形微晶结构表明含铁白云石和菱铁矿均为自生成因，并同时结晶形成，表现了冷泉碳酸盐矿物的典型结构。方解石和文石充填在结核的孔洞和开放通道中，是后期正常海水沉积的产物，其形成与冷泉无关。在薄片和扫描电镜下，没有发现白云石替代方解石，或菱铁矿替代方解石和白云石的现象，表明含铁白云石和菱铁矿是直接从冷泉流体中沉淀出来的，这与世界报道的与成因水合物相关的冷泉自生白云石和菱铁矿的特征和形成环境非常相似［105，107，108，110］。因此，微晶白云石和菱铁矿指示该海域可能存在以甲烷为主的天然气渗漏活动。这一认识对性质、特征和形成环境十分类似的菱锰矿成因的探讨很有帮助和启发。

图3-54 现代冷泉碳酸盐结核的微晶结构和矿物相［109］

1、放大率：

与普通光学显微镜不同，在SEM中，是通过控制扫描区域的大小来控制放大率的。如果需要更高的放大率，只需要扫描更小的一块面积就可以了。放大率由屏幕/照片面积除以扫描面积得到。

所以，SEM中，透镜与放大率无关。

2、场深：

在SEM中，位于焦平面上下的一小层区域内的样品点都可以得到良好的会焦而成象。这一小层的厚度称为场深，通常为几纳米厚，所以，SEM可以用于纳米级样品的三维成像。

3、作用体积：

电子束不仅仅与样品表层原子发生作用，它实际上与一定厚度范围内的样品原子发生作用，所以存在一个作用“体积”。

4、工作距离：

工作距离指从物镜到样品最高点的垂直距离。

如果增加工作距离，可以在其他条件不变的情况下获得更大的场深。如果减少工作距离，则可以在其他条件不变的情况下获得更高的分辨率。通常使用的工作距离在5毫米到10毫米之间。

5、成象：

次级电子和背散射电子可以用于成象，但后者不如前者，所以通常使用次级电子。

6、表面分析：

欧革电子、特征X射线、背散射电子的产生过程均与样品原子性质有关，所以可以用于成分分析。但由于电子束只能穿透样品表面很浅的一层（参见作用体积），所以只能用于表面分析。

表面分析以特征X射线分析最常用，所用到的探测器有两种：能谱分析仪与波谱分析仪。前者速度快但精度不高，后者非常精确，可以检测到“痕迹元素”的存在但耗时太长。

观察方法：

如果图像是规则的（具螺旋对称的活体高分子物质或结晶），则将电镜像放在光衍射计上可容易地观察图像的平行周期性。

尤其用光过滤法，即只留衍射像上有周期性的衍射斑，将其他部分遮蔽使重新衍射，则会得到背景干扰少的鲜明图像。

扩展资料：

SEM扫描电镜图的分析方法：

从干扰严重的电镜照片中找出真实图像的方法。在电镜照片中，有时因为背景干扰严重，只用肉眼观察不能判断出目的物的图像。

图像与其衍射像之间存在着数学的傅立叶变换关系，所以将电镜像用光度计扫描，使各点的浓淡数值化，将之进行傅立叶变换，便可求出衍射像〔衍射斑的强度（振幅的2乘）和其相位〕。

将其相位与从电子衍射或X射线衍射强度所得的振幅组合起来进行傅立叶变换，则会得到更鲜明的图像。此法对属于活体膜之一的紫膜等一些由二维结晶所成的材料特别适用。

扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得测试试样表面形貌的观察。

参考资料：百度百科-扫描电子显微镜

这只锯蝇（sawfly）在1600万到1100万年前生活在现在的澳大利亚东南部，它的头上还保存着花粉颗粒，这是古代雨林生活的一个缩影。

供图：Michael Frese

撰文：Michael Greshko

几年前的一天，在澳大利亚东南部古尔贡镇（Gulgong）外约25公里处，Nigel McGrath花了一天时间在自己的土地上艰苦耕作。这片土地上布满了沉重的、富含铁元素的岩石，对他的农具构成了威胁，因此McGrath不得不用手把松散的石块拖成堆。就在那时，他注意到了它们：保存完好的树叶化石，像石头书中的压印一样塞在岩石中。

现在，科学家们已经证实，这些散落在不到半个足球场面积上的铁石包含了迄今为止在古代雨林中发现的最惊人的生命记录之一。

在《科学进展》杂志上公布的这一地点——被称为麦格拉斯平原（McGraths Flat）——是世界上仅有的几个保留了可追溯到中新世时代的雨林生态系统的地点之一，中新世指从2303万年前到533万年前的这段时期。这段时间里，世界经历了巨大的生态变化，澳大利亚开始从以雨林（比如现在的亚马孙）为主过渡到我们今天所看到的灌木与干草丛生的干旱地区。

这些孤立的花朵化石被认为属于锦葵目 ，这是一个由7000多种活体植物组成的物种，包括木槿和可可。摄影：Michael Frese

澳大利亚还有其他以哺乳动物和爬行动物骨骼而闻名的中新世化石遗址，但这些遗址并不总是保存着构成生态系统基础的小而软的物质。但McGraths Flat却有大量的这种小化石，它们记录了1600万至1100万年前新南威尔士州生长的令人惊叹的多样化雨林。

在麦格拉斯平地，蜘蛛腿毛都成了化石，而化石鱼的肚子里还塞满了蠓虫。叶子被保存得如此完好，研究人员甚至可以看到它们曾经用来吸食二氧化碳的气孔。

新南威尔士大学古生物学家Suzanne Hand说：“这些新发现的材料，质量和数量都非常出色，从它们中提取和呈现的生物和生态信息也是如此。”

麦格拉斯平地的化石甚至包含了生命活动的定格瞬间。一只锯蝇的头部沾满了花粉，估计是刚刚享用了一朵花的花蜜。一条鱼的尾巴上载着一名“乘客”：无孔贻贝的寄生幼虫，当它搭“顺风车”逆流而上时，就靠这条鱼的黏液生存。

这项新研究的共同第一作者、悉尼澳大利亚博物馆研究所的古生物学家Matthew McCurry说：“这些化石的保存质量相当完好，我们可以精确又生动地看到这些生态系统，这是前所未有的。”

这个羽片（或者说是叶的一小部分）化石，很可能来自一种海金沙属的蕨类植物。甚至这种植物的10微米宽的孔隙都变成了化石，在电子显微镜下可见。

麦格拉思平地遗址还保存着许多种类的昆虫，包括可以自由游动的蜻蜓幼虫，被称稚虫，也就是图中这个化石。摄影：Michael Frese

保存极其完好的化石

2017年，McCurry 和他的同事第一次从McGrath 那里听说了这个地方。意识到这些化石的潜在意义之后，他们就开始连续3到4天访问这个遗址，研究这些燧石状的岩石，以瞥见古代雨林的景象。

科学家们对该遗址分析得越多，就越意识到这种化石保存方式是多么不寻常。这些化石都埋藏在一种叫做针铁矿（Goethite）的氧化铁矿物的极细层中。以前也在这类岩石中发现过化石，但麦格拉斯平原标本的质量尤为突出。

Frese补充说，这种不寻常的石化类型使得麦格拉思平原化石特别容易用扫描电子显微镜(SEM)分析，扫描电子显微镜是目前最强大的显微镜。通常情况下，样品放置在扫描电镜下必须被镀上一层薄薄的金或铂，也就限制了对这些样品的进一步研究。但麦格拉斯平板化石已经富含铁，而且导电，可以直接放置在电子显微镜下，不需要任何额外的准备。

Frese说：“化石放置在扫描电子显微镜下的时候和它拿出来的时候完全一样。”

最小的化石已经有了一些惊人的发现。在该遗址唯一已知的羽毛化石中，研究人员可以看到黑色囊状物，其形状表明羽毛可能是深色或彩虹色的。科学家们还能看到保存在鱼化石眼睛里的黑色素，他们甚至还发现了1100万年前蝴蝶或蛾子翅膀上脱落的一块鳞片。

在放大镜下，我们看到这只约2cm长的天牛身上有一位“乘客”：一只小线虫。

麦格拉思平原的化石包括一根鸟类的羽毛，非常完好，在电子显微镜的高倍镜下可以看到黑色素的囊状物。摄影：Michael Frese

被铁水淹没的湖泊

研究小组目前的想法是，麦格拉思平原曾经是一个河迹湖，当一条蜿蜒的河流的一部分被切断时就会形成。大多数时候，这个湖是相当安静的，氧气含量低，很少有捕食者。但是，从迄今为止从该地找到的十几块鱼化石来看，鱼和其他河流生物被周期性地冲入湖中，可能是附近的河流淹没了河岸。

McCurry和Frese怀疑，附近的玄武岩沉积物中的铁溶解在通过风化岩的水中。这些含铁的水随后到达地下水位，并最终从侧面渗入河迹湖。

每当新鲜的、高含氧量的水进入湖中——也许是通过暴雨或洪水——铁离子就不能再保持溶解，并迅速在湖床底层形成针铁矿。这些迅速沉淀的矿物质会将那些碰巧沉到湖底的树叶或尸体掩埋。随着时间的推移，针铁矿就取代了被掩埋的软组织，在我们今天看到的化石中记录了它们的形状。

该小组有理由认为，湖泊的针铁矿循环可能是由季节性季风造成的。到目前为止，在McGraths Flat发现的数百个花化石中，大多数在开花之前就已经死亡，这表明掩埋的过程发生在一年中的一个固定时间。该小组还发现了许多昆虫化石，在现代生态系统中，这些昆虫只在春季和夏季出现。

为了验证他们的想法，以及分析已经发现的化石宝藏，研究人员还有很多工作要做。McCurry和Frese正热火朝天地试图完善对化石地点年代的估计，这可能有助于研究人员更好地了解McGraths Flat是如何从热带雨林转变为干燥的灌木丛的——这是一条关于雨林可能如何应对当今气候变化的线索。

这张人工着色的扫描电子显微镜图像显示了四个肝吸虫的孢子（Cingulasporites ornatus）。这些孢子和其他孢子可以作为含化石岩石的年龄的参考，它们帮助研究人员确定了化石地点的年龄：在1100万到1600万年之间。图源：Michael Frese

通往过去和未来的窗口

在中新世早期和中期，大气中的二氧化碳水平大约为400至500ppm，与人类活动对未来的二氧化碳水平的估计大致相似。中新世还出现了持续的变暖期，例如1700万到1400万年前的中新世气候最佳时期，这可能与McGraths Flat记录的时间片断重叠。

中国科学院古生物学家王博说：“这些结果可能有助于更好地理解未来雨林生态系统面临的人为全球变暖的变化，”他没有参与这项新研究。“这篇论文显示，热带生物群在澳大利亚至少到达了南纬37度，但我们不知道它们是什么时候来的，什么时候离开的，以及驱动机制是什么。”

但即使在研究小组寻找更多的化石时，研究人员也会忙于处理他们已经发现的令人眼花缭乱的标本，McCurry 说。“我们实际上有十年的工作要做。”

（译者：张淏然）

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