喀斯特洞穴叠层石及其沉积模式

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1、喀斯特洞穴叠层石及其沉积模式戎昆方李景阳安裕国何复胜（贵州工业大学资源工程系，贵阳：550003）（贵州科学院，贵阳：550001）（贵州师范大学，贵阳：550001）摘要 在研究喀斯特洞穴有光及黑暗环境中的洞穴叠层石及其沉积作用的基础 上，总结出喀斯特洞穴叠层石的沉积模式，进一步确立了喀斯特洞穴石灰华沉积 物的生物成因观点。关键词 喀斯特洞穴叠层石；生物成因；黑暗环境；沉积模式中国图书资料分类号 P642.251；P588.2481 洞穴石灰华沉积物生物成因的宏观研究1.1 问题的提出一两百年来，几乎所有的喀斯特洞穴研究者，都将洞穴沉积物中的碳酸盐沉积物， 统称为石灰华沉积，并将其成因完全归

2、结为无机化学沉积12，似乎已成定论。 但是，无机化学沉积作用的滴水说、溅水说、气旋说、雾珠说、冷凝说等等 难以解释许多洞穴沉积物形态上的不协调性，例如：“反重力”沉积现象等等。 依据对洞穴石灰华沉积物详细观察研究，除了考虑其“无机化学成因”外，我们 还着重进行了“生物成因”的探索和研究。1.2 洞穴石灰华沉积物生物成因研究经过全面系统的研究，宏观上得出了以下重要的研究成果，慎重地首次提出了喀 斯特洞穴石灰华沉积物的生物成因观点。1.2.1 洞穴石灰华沉积物具有的自组织现象喀斯特洞穴石灰华沉积物往往具有生物参与和形成时的高度有序的自组织现象， 表现出生物活动所具有的特征。如为占领和扩大分布区，以

3、便摄取更多营养物质 所显示的“趋光性”；沉积物形体结构、构造上表现出来的“有序性”和“生长 性”；生物对小生境选择所表现出来的“聚生性”；以及生物有机物的“色着性” 3。最近我们曾括取洞口见光地带及“塔松”页片等有色附着物进行分析鉴定， 三件样品有机物含量介于2.04%8.54%之间，并用液相色谱初步鉴定存在仲胺 类有机物基团，且洞口现生藻类沉积物与无光地带“塔松”沉积物表面样品红外 光谱图谱线相似，证明二者成因相似，均有藻类参与形成。这些特征是“无机化 学沉积”难以解释的，从而可与无机化学沉积物相区别。1.2.2 洞穴现生蓝藻群集及其沉积物的研究 在洞穴见光（包括弱光）地带及导游灯光照射地带

4、，发现了184 种洞穴蓝藻，分属 2 目、 7 科、 37 属。在见光地带发现厚达数十厘米的藻类疏松碳酸钙沉积物，研 究了藻类的群集及其小区分布，划分出阳光下平坦型；阳光下瘤型；灯光 （导游灯光）下平坦型等三类蓝藻藻席结构。同时还研究了藻丝体的降解及早期沉 积作用何复胜等贵州织金洞蓝藻及其早期沉积作用的初步研究第十一届国际 洞穴学大会论文集（英文版）1993，北京。直接用实物证据论证了洞穴石灰华沉积 物与现生蓝藻在生物沉积作用中的特殊关系（图版， 1）。1.2.3 洞穴叠层石的观察在洞穴石灰华沉积物的手标本中，观察到许多与叠层石相似的明暗相间的亮带和 暗带（图版， 2），进一步研究发现其间具有

5、蓝藻藻丝体有序排列的“叠层构造”。 在低倍扫描电镜下，观察到沉积物中存在的蓝藻藻丝体（图版 3， ）。首次确认了 洞穴叠层石的存在，证实了蓝藻在洞穴石灰华沉积物形成过程中起着重要的成岩 建造作用4。1.3 关于蓝藻的生存条件一般认为，藻类生物需要依赖叶绿素的活动进行光合作用。一些严肃的洞穴科学 工作者，提出了蓝藻生物能否在完全黑暗环境中生存的敏感问题。毕竟大量形成 在洞穴深处完全黑暗环境中的洞穴石灰华沉积物，才是天然洞穴最广泛最典型的 真正代表。对于这一问题，我们已从蓝藻细胞结构、生物化学作用等方面，结合 国内外近年来的研究，论证阐述了蓝藻生存的三种环境条件安裕国、戎昆方、李 景阳、何复胜等贵

6、州织金洞洞穴堆积物生物建造研究贵州省科学基金研究报 告1995（鉴定通过）。即在有光的条件下，可以直接依赖于叶绿素的活动，进 行光合作用；在黑暗至光线微弱的条件下，可以由于蓝藻染色质适应的变化， 激发红色素（藻红素） 的增加，红色素吸收剩余的蓝色辐射线，并把能量传递给叶 绿素，进行间接的光合作用；在完全黑暗的条件下，化学无机营养的（铁、锰、 硫）或化学有机营养的新陈代谢，也能保证生命物质合成的需要。也就是说，光 合作用并不是蓝藻生存的唯一条件，它完全可以在多种不同条件的环境中生存 （包括完全黑暗的洞穴环境）。2 洞穴叠层石的沉积作用研究在沉积学和沉积岩石学领域内、对蓝藻生命活动参与形成的海相（

7、咸水）叠层石的 研究已在生物，形态、沉积、成岩等诸方面，进行了大量而系统的工作，取得了 公认的成果。然而对陆相淡水（包括河流、湖泊、洞穴等）叠层石的研究，则罕见 报导。以下着重阐述在喀斯特洞穴完全黑暗环境中形成的洞穴叠层石的沉积作 用。2.1 洞穴叠层石与海相（咸水）叠层石的比较洞穴叠层石作为一种特殊的陆相洞穴沉积物，在沉积环境，沉积条件、石化作用、 成岩作用及成岩后生变化等诸方面与海相（咸水）叠层石有着很大的差别。2.1.1 沉积环境的比较 洞穴叠层石的沉积环境，其周围的介质是大气，而海相（咸水）叠层石的沉积环境 是被水体所包围。它们所能提供沉积物质的丰富程度显然不同，水体环境中所能 提供的

8、沉积物质要丰富得多、而且水体环境中沉积物质的提供方式是连续的，而 在洞穴的大气环境中，周围介质提供沉积物质的方式是断续的，因而洞穴叠层石 沉积作用的断续性和阶段性就显得特别强烈。然而，作为同样是由蓝藻生命活动参与形成的碳酸钙沉积物，其沉积作用方式又 与海相（咸水）叠层石的沉积作用方式基本相似。2.1.2 石化及成岩环境的比较海相（咸水）叠层石，大都是经过了漫长的地质时期，经历了埋藏地质作用，由于 高温高压和时间的积累，其石化作用，成岩作用，成岩后生变化等，相对地要显 现得强烈得多。能够被保留下来并可供研究的残余生物结构、构造就很稀少。而 洞穴叠层石，无论在时间、温度或压力等方面，都要短得多、弱

9、得多。这样就能 保留下许多清晰的残余结构、构造，为研究工作提供许多可贵的原始资料。2.2 洞穴叠层石的沉积特征偏光显微镜下观察，洞穴叠层石的沉积方式与海相（咸水）叠层石的沉积方式基本 相似，大体上有如下四种：洞穴蓝藻的“钻孔”作用；它对于原有基底的 岩石来说是一种分解和破坏作用；而对于洞穴叠层石来说则是生物沉积作用的初 始。无此则蓝藻无以立足，无以生存，洞穴叠层石就不可能形成；洞穴蓝藻的 结壳作用：这是一种藻丝体沿藻壁的泥晶方解石化的沉积作用。它是由于蓝藻丝 体分泌的酸性物质，对原有碳酸钙基底或已被藻丝捕获，粘结在藻丝体壁上的方 解石微晶颗粒进行溶蚀再沉积的作用。首先它发生在蓝藻溶蚀岩石的基部

10、，逐渐 向藻丝的其他部份发展，最终可以形成为整个藻鞘的泥晶套（图版，4）；洞穴 蓝藻的捕获、粘结作用：蓝藻在其生命活动过程中分泌的粘性物质，可以粘结或 捕获其周围介质中的微粒颗粒物质（包括其他非碳酸钙的颗粒）。当这些被捕获或 被粘结的微粒方解石颗粒被溶蚀后，又可再发生泥晶方解石化的结壳作用（图版， 5）；洞穴蓝藻的胶结作用：这是一种由蓝藻快速发育生长、形成成片的“藻丛” 后而引发的蓝藻的生理作用。它可以促使其“藻丛”附近的沉积微环境改变为碱 性，促使重碳酸钙溶液成“片”的沉积，结晶出较大的方解石晶体。胶结沉积作 用的发生，需要有一种相对成片的浸润潮湿环境，在重碳酸钙溶液浸漫着的相对 成“片”的

11、“藻丛”中进行（图版6）。由于洞穴叠层石所处的沉积环境及其周围介质的特殊性，以上各种沉积作用经常 是断续地、不均衡地反复地进行着。当沉积条件适合某种沉积作用时，该种沉积 作用就占据主导地位，当条件不适合时沉积作用可暂时中断，当条件重新适合时 沉积作用又可重新恢复。3 洞穴叠层石的沉积模式 根据洞穴叠层石的沉积作用方式及其沉积作用发生的一般顺序，归纳出如下沉积 模式：（图 1）图1I. 生物“钻孔”萌生阶段：这一阶段以蓝藻在原基底上的“钻孔”或由原基底 中已存在的蓝藻“萌芽生长”为主要特征。由外部新迁入的蓝藻对基底进行“钻 孔”，原已存在的蓝藻则发生萌生。这一阶段在“钻孔”蓝藻与原基底的接触部

12、份，就可以发生泥晶化的结壳作用。II 生物生长阶段：在I阶段的基础上，蓝藻逐渐生长，以蓝藻的快速生长为主 要特征。研究结果表明：当以具垂直生长或斜交生长习性为主体的蓝藻快速生长 时，该沉积层发育为洞穴叠层石的亮带。当以具“平卧”生长习性为主体的蓝藻 快速生长时，该沉积层发育为洞穴叠层石的暗带。也就是说叠层石的亮带和暗带 是因不同种属的蓝藻沉积而成，而不是因含藻丝体的多少和含方解石的颗粒的多 少而形成。这一观察结果与原有相关的认识不一样。这一阶段除蓝藻丝体的“根” 部及其他局部地方发生泥晶化的结壳作用外，还可发生少量的捕获、粘结作用。III.结壳作用阶段：本阶段是以藻丝体沿藻壁进行大量的方解石泥

13、晶化为特征， 致使藻丝体沿藻壁形成泥晶藻鞘。这一阶段在适当的条件下，可以发生少量的微 晶颗粒的捕获、粘结作用。W.捕获、粘结作用阶段：本阶段是以藻丝体在尚未进行结壳作用的时候（或部 份），对介质中微晶方解石颗粒（包括其他碎屑颗粒）进行捕获或粘结。有时当被 粘结的方解石微晶颗粒被溶蚀后，反过来又可进行泥晶化的结壳作用。这一阶段的进行，与介质中微晶颗粒的供应速度有关。当供应速度适当时捕获、 粘结作用进行得最为强烈。当供应速度减少或停止时，这一作用也随之减弱或消 失。当供应速度过快，超过了藻丝体的粘结能力时，这一作用也将会终止。V.胶结作用阶段：这一阶段以在“藻丛”中沉淀出成片的较大颗粒的方解石晶

14、粒为主要特征，它不是单个的藻丝体的行为，而是藻类生物的“群体”行为。所 以它们发生的范围较其他作用要广一些。在洞穴叠层石沉积模式的五个阶段中，第1、11个阶段是基础，没有它们后三个 阶段则不可能进行III、W、V三个阶段的先后顺序，是一个大体的序列。由于 洞穴叠层石特殊的沉积环境，在不同的沉积条件下，可以出现不同的沉积阶段。 甚至在已固结成岩的洞穴叠层石的孔隙中或个体上，只要条件适合，还可以进行 又一次沉积。许多“复合式装饰型”洞穴叠层石就是这样形成的。4 结语喀斯特洞穴石灰华沉积物，无论是在有光照（包括导游灯光）还是完全黑暗环境中 沉积的都不完全是无机化学成因的。特别是装饰型的形态独特的沉积

15、物，有相当 部份是藻类生物参与形成的洞穴叠层石，具有明显的叠层构造。由于喀斯特洞穴环境的独特性，在洞穴叠层石中保留了很多较完好的残余结构、 构造，为研究叠层石的沉积、成岩及成岩后生变化提供了许多宝贵的原始资料。黑暗环境中洞穴叠层石的发现和研究，更进一步确立和完善了洞穴石灰华沉积物 的生物成因观点，突破了单一的无机化学沉积理论。作者首次提出藻类生物与洞 穴石灰华沉积物之间的成因关系安裕国、戎昆方、李景阳等浅谈藻类生物与织 金洞洞穴堆积物的关系第三届全国洞穴学大会交流，云南泸西 1989，它的确 立将会给生物学、沉积岩石学、生物岩溶、喀斯特洞穴等诸多研究领域提供新的 思路，拓展新的空间。l 图版说

16、明1. 导游灯光下平坦型现生蓝藻生物显微镜X202. 全黑暗环境中“石花”的叠层构造光片X 2标本号：89-53. 全黑暗环境钙华板中之蓝藻扫描电镜X2000标本号：92-48-14. 全黑暗环境中具有垂直生长习性的蓝藻体壁的泥晶化藻鞘，模式之II阶段薄片 （）X 20 标本号：92465. 全黑暗环境中具垂直生长习性的蓝藻丝体的结壳作用，模式之III阶段（中央部 份）及捕获、粘结作用，模式之W阶段（偏右下部份）薄片（一）X40标本号： 92-12-（1）6全黑暗环境中具垂直生长习性的蓝藻“藻丛”的胶结作用，模式之V阶段薄片 ()X10 标本号：92-推-12-(1)* 贵州省科学基金资助项目1998-05-25 收稿。参考文献1任美锷、刘振中主编岩溶学概论北京：商务印书