生物搬运与沉积作用

生物作用（biological processes）是地表最活跃、最强大的一种营力。生物通过自身的生命活动，直接或间接地对化学元素、有机或无机的各种成矿物质进行分解与化合，以及迁移、分散与聚集等作用，并在各种适宜的盆地中形成岩石或者矿床（刘宝珺，1980）。无论是低等生物还是高等生物对沉积物（岩）和沉积矿产的形成都起到了重要作用。藻类和菌类等微生物在地质历史时期出现得最早，而且繁殖快、分布广、数量多、适应性强，石煤就是菌藻类等生物遗体在浅海环境下经腐泥化作用和煤化作用形成的。正是由于裸子植物和被子植物的繁盛才有了“工业的粮食”——煤炭，而正是由于有生物的存在才有了“工业的血液”——石油。生物不但积极地参与大部分原始物质的生成，在沉积物形成和改造阶段也极为重要，而且在沉积物形成之后，还以某种角色继续参与到成岩作用和成矿作用过程中。由于煤是生物作用最重要的产物之一，因此了解生物作用对于聚煤盆地研究具有举足轻重的作用。

生物沉积作用是指通过生物本身的生命活动形成有机化学沉积物的作用，其表现方式既可以是生物遗体的直接堆积作用，也可以是生物化学作用。不仅如此，生物作用还积极地参与到各种成岩和成矿作用之中。因此，本节将重点探讨生物的直接和间接沉积作用、生物成岩和成矿作用，以及沉积环境所赋予的古生物群落和生态组合等科学问题。

一、生物遗体的直接堆积作用

生物遗体可以直接堆积形成岩石或者矿床，这是最直接的、最简单的和最能被人们理解的一种生物搬运和沉积作用形式。生物在其生活过程中，要从周围介质中吸取一些元素和化合物作为自己的骨骼，而它们大多是由母岩提供的化学物质。生物死亡后，矿物质骨骼或外壳（无机硬体部分）富集堆积直接形成各种生物岩，如生物碎屑灰岩、硅藻土、放射虫岩、海绵岩等（图3-21），或者直接加入到其他沉积物中（图3-22）。同时，生物遗体的有机化合物部分（软体），经埋藏和生物化学演化后，可形成干酪根进而形成煤、石油、天然气和油页岩等。其中，煤主要是由植物的遗体经过沉积作用和煤化作用形成的，炭质泥岩和煤都是由不溶于水的干酪根组成的，油页岩由有机质和无机质组成。

图3-21 生物遗体的直接堆积作用

a.重庆开县红花长兴组由海百合茎构成的生物碎屑滩灰岩（据Wu等，2012）；b.现代海滩的生物介壳堆积（据Cornish，2002）

图3-22 准噶尔盆地南缘芦草沟组烃源岩中的生物碎屑沉积（据焦养泉等，2007）

a.动物潜穴中富集的有机质，单偏光；b、c、d.具有纹饰的生物碎屑，透射光；e、f.动物壳体，透射光

此外，生物的排泄物如粪便通过大量堆积，也可以形成沉积物（岩），如球粒灰岩。

二、生物化学作用

生物能产生大量的CO2、H2S、NH3、CH4以及H2等气体，能影响沉积介质的氧化还原条件，能进行有机质的合成与分解作用，从而极大地影响沉积物质的搬运与沉积。特别是生物的耗氧作用，或者生物遗体的堆积分解，可以生成大量的H2S、CH4等气体，使沉积介质的Eh值和p H值条件发生改变，从而促进一些有用金属元素的富集。

例如，由于生物活动而引起的CO2含量的变化可影响碳酸盐的沉淀或溶解搬运。高等植物分解的腐植酸和碳酸，可使一些难溶解的铝硅酸盐和硅酸盐分解，形成易溶的有机酸盐和碳酸盐。而且，腐植酸本身是一种护胶体，有助于不活泼元素的迁移。具有单细胞或多细胞的低等植物——藻类，通过钙化作用和粘结作用，有的形成了钙质硬壳，有的仅以有机质遗迹保存在岩石中。据观察，藻类的沉积作用主要有以下三种形式：

（1）改变沉积介质水化学条件，促使水体以化学或生物化学的方式形成一些氧化物和各种盐类沉淀，进而形成各种自生矿物并构成岩石。例如，在碳酸盐沉积的浅水环境中，大部分藻类（浮游、底栖）在生活过程中发生光合作用，它们在水中吸收CO2，使水体趋近碱性。特别是在水温较高的地带，CO2分压较低，藻类（特别是蓝绿藻）大量繁殖，使水更呈强碱性，这时有利于重碳酸盐向碳酸盐转化，形成碳酸盐沉积物。Peterson 和Von der Borch（1965）提供了一个澳大利亚湖泊中有SiO2沉淀的例子。在这些时令性湖泊中，湖水中的pH值有季节性地超过10，这是由于蓝藻光合作用的结果。当pH值较高时，碎屑石英、粘土矿物被溶蚀，使湖水氧化硅过饱和。湖盆在一年中有部分时间是干涸的，当p pH值因藻类不繁殖而降低以及湖水体积也减少时，SiO2就从湖水中沉淀了出来。

（2）藻类以碳酸盐质（特别是钙质）或其他矿物质遗迹直接堆积。有些较高级的底栖和浮游藻类，生长到一定程度后，通过分泌作用，即藻体在周围水体和食物中不断吸收Ca CO3，在外表分泌钙壳或骨骼形成遗体化石，死后堆积成藻灰岩，如红藻灰岩和绿藻灰岩。

（3）以粘结作用方式捕虏细粒化学物质，如碳酸盐和磷酸盐等，使这些物质大量沉积。这是蓝藻的主要沉积方式。蓝藻细胞外还有一层胶质（或胶质粘液层），常以此捕掳或粘结盐类质点。如果蓝藻受季节性影响而周期性繁殖，通过粘结作用可形成暗亮层交替。暗层为富藻层，有机质高，色暗；亮层为贫藻层，有机质极少，色浅。亮暗层构成层纹对，形成著名的藻礁岩石。一些滨岸带的藻类似乎参与到了海滩岩的胶结作用过程中，Moore（2001）通过岩石组构和扫描电镜的观察表明，藻丝体能够将颗粒包裹粘结在一起从而起到胶结作用，他认为这是藻类自身生命活动的结果（图3-23）。

由珊瑚、海绵或者瓶筐石为主构成的生物礁体，其本身就是一种生物化学作用的钙的聚集过程（图3-24），但是在其形成演化过程中，藻类的作用不容忽视，尤其是在生物礁体开始定殖的初期阶段。

三、生物的成岩与成矿作用

越来越多的研究发现，生物及其衍生物能直接参与到成岩作用和成矿作用过程中。特别是在一些金属矿床的形成过程中，人们都发现了有机质的存在和参与。一些大型层控金属矿床，如密西西比河谷型铅锌矿（MVT型矿床）、砂岩型和泥岩型铀矿的形成与盆地含烃流体关系密切（图2-12）。其中，有机质对金属元素的活化、迁移和富集可能产生了影响。因此，人们特别关注生物的成岩和成矿作用研究。

图3-23 美国Virgin岛St. Croix地区海滩岩藻类胶结物的扫描电镜照片（据Moore，2001）

AF.藻丝体；G.颗粒；b为a的放大，藻丝体AF清晰可见

图3-24 现代和古代造礁生物

a.海南三亚现代滨岸带出露的已经死亡的珊瑚礁（焦养泉摄，2006）；b.塔里木盆地西缘一间房露头区奥陶系一间房组造礁生物瓶筐石（据焦养泉等，2011）

生物的成岩作用主要体现在表生成岩作用阶段，如生物本身外壳和骨骼的生长过程以及死亡后的石化过程、生物有机质部分的埋藏和热转化过程、生物的分泌作用和粘结作用，还有生物的排泄物质成岩作用。

在气候条件制约下的生物发育状况也能影响生物的搬运和沉积作用，甚至是表生成岩作用。Fairbridge（1983）比较了生物发育和生物不发育两种情况下不同的生物沉积与表生成岩作用。在潮湿气候条件下，发育有浓密的树林和植被，如果具有较低缓的地形和较高的海平面，这时化学风化作用充分，可伴随有硅和钙的迁移，此区域则主要发生生物的平衡作用，生物化学沉积作用和碳酸盐同生成岩作用明显；但是在干旱气候条件下，植物稀少，如果具有较高的地形和较低的海平面，这时侵蚀作用强烈，机械风化作用占优势，可以供给大量碎屑物质，并被河流等搬运到盆地中沉积。在这种背景条件下，则主要发生生物的破坏搬运作用，局部地区具有Si O2、Fe2O3表生成岩作用发生（图3-25）。

图3-25 不同气候和生物条件下的生物化学沉积作用与表生成岩作用效应（据Fairbridge，1983）

a.生物平衡作用；b.生物破坏搬运作用

生物的成矿作用需要聚焦到准成岩作用阶段，将生物及其产生的有机质在矿产形成过程中的作用称为生物成矿作用。生物成矿作用主要有两种方式，分别是直接生物成矿和间接生物成矿，前者包括生物对成矿元素的富集和对元素价态的转化，后者包括生物对环境物理化学条件的改变（叶连俊等，1990）。

（1）直接生物成矿，由生物体直接堆积形成，主要包括嗜铁、嗜磷、嗜铜、嗜锰等细菌以及藻类和高等植物死后堆积所形成的矿床（刘魁梧，1990）。这类矿床一般经过成岩演变或热变质过程，去除了挥发分组分，留下有用元素堆积成矿。这类矿床中包括生物灰岩、硅藻土、藻磷块岩、鸟粪磷矿、藻锰矿、叠层石铜矿、鲕—肾状赤铁矿，煤、油页岩以及硫磺矿床等。

（2）间接生物成矿，由生物的活动和生物本身的吸附作用对一些元素的富集形成矿床。其中有生物通过光合作用和新陈代谢作用改变环境的p H、Eh条件或发生氧化还原反应所形成的矿床，也包括酶的催化作用、降解形成腐植酸的护胶作用等所形成的矿床。这类矿床有菱锰矿、菱铁矿、泥晶磷块岩、黄铁矿、赤铁矿以及由于有机质还原作用而形成的部分铀、汞、铜、镍、钼矿床等。另外，有机软泥通过吸附作用而形成的矿床，如劣煤中的锗、镓矿床，藻磷块岩中的碘、硼矿床，粘土岩中的钴矿床以及某些微量元素矿床等（刘魁梧，1990）。

四、生物扰动改造作用

生物扰动和改造作用是指生物由于其生存活动，搅乱、中断和破坏了原来沉积成因的物理成层构造或沉积组构的作用。如一些环节动物和海参等泥食动物在沉积物中吞食大量泥砂，以摄取有机物质，同时排出大量粪粒混入沉积物，破坏了原来的沉积物结构，进行了再沉积作用。由生物扰动所形成的构造称为生物扰动构造（bioturbation structure），如由动物活动产生的居住迹（Domichnia）、爬行迹（Repichnia）、停息迹（Cubichnia）、进食迹（Fodinichnia）、觅食迹（Pascichnia）、逃逸迹（Fugichnia）和耕作迹（Agrichnia）等（图3-26）。另外一类生物扰动构造是由植物的生长产生的，如在含煤岩系中，由植物根系对沉积物的改造而在煤层底板形成的根土岩也是一种生物扰动构造（图1-3b、c）。

图3-26 深海远洋海底软泥中的生物成因构造（据Ekdale等，1984）

a.碳酸盐软泥。从左到右，海底“羽状遗迹”，Taphrhelminthopsis，Glockeria，Spirodesmos；海底以下几毫米：Paleodictyon，Cosmorhaphe，Spirorhaphe；左壁：Teichichnus，Skolithos，Zoophycos，Chondrites；右壁：Zoophycos，Chondrites，Teichichnus，Planolites。b.富粘土软泥。从左到右：“羽状遗迹”， Teichichnus， Spirodesmos，Glockeria和一个具有污斑的Planolites

研究发现，生物遗迹的生态类型与水深关系密切，在半深海-深海环境中，除爬行迹外，主要以进食迹、觅食迹和耕作迹的遗迹组合为特征，尤其是耕作迹，不会产于浅海环境，它是深海环境中形成的特殊代表。通过生物扰动构造及其组构特征还可以进行深海沉积物的沉积速率推断。当沉积作用缓慢而持续进行时，造迹生物有充分的时间对沉积物进行扰动，从而形成完全的生物扰动构造。当沉积速率过快而抑制了生物活动时，沉积物中即缺少生物扰动构造。因此，生物扰动强度与沉积速率间具有成因联系。

在一些古代记录下来的河道砂体中，可能由于洪泛事件携带了丰富的动物残骸以滞留沉积物形式埋藏于河道底部，这为大量的食腐类的生物提供了良好的生活空间。食腐类生物的掘穴取食等生物过程就破坏了原始河道砂体的沉积结构，造成了严重的生物扰乱构造（图3-27）。

五、生态组合与沉积环境

从地球上出现生命的那一刻起，生物和环境就密不可分。何镜宇和余素玉（1983）曾指出，生物的生存必须从周围介质吸取一定的元素组成自己的骨骼，故生物的硬体成分和周围介质的成分是相适应的。而且介质富含某种生物需要的成分，也会促使某些生物的发育，反之，生物骨骼就会为别的物质所代替。如当有孔虫生活在石灰质沉积区的温暖水中时，则钙质壳发育；如碳酸钙缺乏，则有孔虫的钙质壳逐渐为砂质、几丁质壳代替。由Si O2组成骨骼的硅藻，发育在极地海水和河口附近，因为这里Si O2含量高。因此，岩石中的有机组分和无机组分时常是耦合的。

在环境的制约下，生物界出现了群落分化并逐渐形成了特色各异的生态组合，这种分化既可以体现在实体化石组合的区别上，也可以体现在上述所说的生物扰动构造或生物遗迹组合中。有什么样的生物，就会产生什么样的痕迹和沉积物。因此，通过对生物群落和生态组合的研究，既有助于古沉积环境的恢复，也有助于了解相应的沉积物和沉积现象的形成机理。

图3-27 内蒙古四子王旗古近系河流砂体中食腐动物的扰动与改造作用

a.食腐动物对大型槽状交错层理的觅食扰动和改造，脑木根（焦养泉摄，2009）；b.动物的停息迹，脑木根（焦养泉摄，2009）；c.水平的动物潜穴，江岸乌兰敖包（焦养泉摄，2012）

以重庆开县红花—满月长兴组的海绵生物礁为例，Wu等（2012）的研究发现其主要造礁生物（图3-28）、次要造礁生物（图3-29）和附礁生物（图3-30）构成了一个庞大的、完整的群落。垂向序列的研究显示，在礁体发育的定殖→拓殖→泛殖→死亡破坏的完整过程中，各种生物的出现具有明显的规律性，即在大群落中具有更低级别的生态组合。研究认为，生物生态组合的多样性首先受控于生物礁（丘）的产出水深环境，其次与沉积体系内部的成因相类型（相带）有关（表3-7）。

在古生物学界，将从同一地点同一岩层中采集的化石总和称为化石群，它可以是一个古群落或者是一个古群落的一部分，也可以是多个古群落的堆积体。从沉积学角度看，化石群是古生物随一定沉积事件或特定沉积环境的沉积产物。生态组合是指相同或者有生态联系的化石群组合（卢宗盛等，1992）。

从苏北现代潮坪生物分布图（图3-31）中可以看出，植物主要生长在潮上带，并且伴生有一些垂直动物潜穴。而潮间带则主要是动物潜穴，植物稀少，潜穴形式有垂直的也有水平的。也就是说，同一个生物群落生活在同一特定的环境中。生物组合也依赖于古环境，生物之间或者生物与无机环境之间是有规律地结合在一起的，而不是杂乱无章的，正是因为生物与环境的这种密切关系，古生物学家将地质学中“相”的概念应用于古生物中，即生物相。生物相是指反映生物生活环境的生态特征。如浮游相（笔石相，反映了深水滞流还原环境）、底栖相（壳相）等。所以，一定的化石群或者生态组合反应的是特定的沉积环境。

图3-28 重庆开县红花—满月剖面长兴组主要造礁生物（据Wu等，2012）

a.水螅（H）和串管海绵（S），红花剖面第3旋回中上部；b.水螅，柱状（纵剖面），红花剖面第2旋回顶部；c.纤维海绵，不规则椭圆状（横剖面），满月剖面第2旋回顶部；d.纤维海绵，满月剖面第2旋回上部；e.分枝状串管海绵，红花剖面第4旋回上部；f.串管海绵，红花剖面第4旋回上部；g.分枝状串管海绵，红花剖面第3旋回上部；h.串管海绵的横截面（CS）和纵截面（VS），红花剖面第1旋回上部

图3-29 重庆开县红花—满月剖面长兴组次要造礁生物（据Wu等，2012）

a.卫根珊瑚，满月剖面第1旋回中部；b.苔藓虫，红花剖面第3旋回中部（样品KHH-1-8），染色薄片，单偏光；c.海百合茎，较为完整，满月剖面第2旋回顶部；d.包覆生物碎屑的藻粘结岩，红花剖面第3旋回下部；e.蓝绿藻，红花剖面第3旋回下部（样品KHH-2-6），单偏光；f. Tabulozoa，红花剖面第4旋回中部（样品KHH-3-12），单偏光；g.藻，红花剖面第3旋回上部（样品Km-17），单偏光；h.裸松藻，红花剖面第3旋回中部（样品Km-9），单偏光

图3-30 重庆开县红花—满月剖面长兴组附礁生物（据Wu等，2012）

表3-7 重庆开县长兴组生物礁滩体系的成因相构成及其岩性和古生物生态组合特征 （据Wu等，2012）

图3-31 苏北潮坪生物分布图（据朱伟林和郑祥民，1996）