Микробиальные карбонатные породы — состав, структуры, текстуры, механизмы и обстановки образования. Процессы и обстановки образования микробиолитов. Статья 2

1. Механизмы образования карбонатных микробиолитов

На этапе становления науки об осадочных породах — сначала петрографии осадочных пород, а затем и литологии, все карбонатные породы подразделены на две группы органогенные и хемогенные. С первыми все было относительно ясно — это породы, состоящие не менее чем наполовину из скелетных остатков организмов. Само образование скелетов — внутренних или внешних (раковины) — это проблема биологическая и геологами воспринималась как данность. К хемогенным вначале относились все карбонатные породы кристаллической структуры. Позднее «хемогенность» образования была оставлена только за пелитоморфными и микрозернистыми разностями, а яснокристаллические структуры были признаны результатом вторичной перекристаллизации. Интересно отметить, что еще в 1911 году В. Ильин разделил подмосковные известняки каменноугольного возраста на органогенные и кристаллические — зернистые, не давая последним генетического значения [15].

Представления о кристаллических, а позднее о пелитоморфных известняках, а тем более, доломитах как хемогенных, прочно укоренилось и вошло в учебники, по крайней мере, вплоть до изданий второй половины девяностых годов прошлого столетия.

Вместе с тем их «хемогенность» в общепринятом «классическом» понимании вызывала все больше и больше вопросов. Дело в том, что хемогенная садка вещества происходит, когда его концентрация в растворе превышает предел растворимости. Для карбонатной системы ситуация неизмеримо более сложная. Так, в тропических зонах современных океанов содержание карбонатов в 7—8 раз превышает произведение растворимости [1][2], то есть данная схема здесь не «работает» и механизм осаждения карбонатного материала иной: формой нахождения в растворе морской воды ионов кальция является бикарбонат — Са(НСО₃)₂, который находится в динамическом равновесии с растворенным в воде СО₂, поэтому для осаждения карбоната — уже твердого кальцита необходимо удаление СО₂. Эту функцию — утилизацию СО₂ — реализуют автотрофные организмы, которые усваивают его для генерации органической субстанции. Такое усвоение и снижение содержания СО₂ ведет к разрушению бикарбонатов и, соответственно, осаждению уже карбонатов. Современным примером подобных процессов является образование вайтингов — белесой мути, состоящей из микроскопических частиц карбоната кальция, которые возникают при цветении водорослей, усваивающих СО_2, что ведет к деструкции бикарбонатов и появлению уже твердых карбонатов. Процессы эти в настоящее время подробно изучены, в частности, микробиальный механизм образования вайтингов описан в ряде работ [19][21]. При активной утилизации углекислоты щелочность среды существенно повышается и осаждаются не только кальциевые, но и магниевые карбонаты, то есть происходит формирование доломитов [3][9–12][22]. Важно отметить, что подобные процессы реализуются как за счет фотосинтезирующих, так и за счет хемосинтезирующих организмов — они могут происходить при отсутствии солнечного света, то есть уже в осадке.

Поскольку суммарная производительность бактериальной биоты неизмеримо выше таковой у растений, их значение в карбонатонакоплении существенно, а скорее, весьма существенно больше, чем значение водорослей. Таким образом, в процессе жизнедеятельности бактерии создают соответствующие кислотно-щелочные обстановки, которые способствуют химическому, точнее биохимическому, осаждению карбонатов, переводя их из бикарбонатной растворимой формы в карбонатную нерастворимую. При этом по мере повышения щелочности может осаждаться и осаждается примерно следующий ряд минералов — сидерит и его разновидности, в частности, сидероплезит, — кальцит — высокомагнезиальный кальцит — доломит — магнезит. Во-вторых, бактерии генерируют и выделяют внеклеточное полимерное вещество — гликокаликс (или международное название — exstracellular polymeric substance — EPS), на котором сорбируются находящиеся в воде ионы, образующие затем соответствующие минералы, а также крайне дисперсные глинистые частицы.

Таким образом, процесс образования осадочного материала и его осаждение оказываются несколько различными. Само образование твердой фазы определяется результатами биохимической деятельности микробиальной биоты и, прежде всего, созданием геохимических условий, способствующих появлению твердого карбонатного материала. Фиксация же его в осадке реализуется либо в виде «скелетных» форм — шарообразных (кокколиты), трубчатых, в том числе в виде тубифитов, либо осаждением в результате сорбции на гликокаликсе, либо образованием различных, как изолированных, обособленных форм — микросгустков (тромболитов), оолитов, онколитов, так и слоистых (стороматолиты). Добавим, что бактериальная природа подобных микросгустков установлена достаточно давно [17][18].

2. Обстановки формирования микробиолитов

Переходя к вопросу об обстановках образования микробиолитов, надо сразу же отметить, что обстановки эти достаточно разнообразны, что можно показать на примере формирования их отдельных видов. Так, оолиты формируются, как правило, в подвижной среде, где во взвеси находится какая-то «затравка» — обломок, раковина, пузырек воздуха и т. д., и на этом фрагменте осаждается карбонат кальция в виде обволакивающих пленок. Достигнув определенного размера, новообразованный оолит осаждается на дно, происходит перекристаллизация кальцита с образованием радиально-лучистой структуры с сохранением, однако, реликтов первично концентрического строения.

Образование оолитов долгое время считалось чисто хемогенным равномерным обрастанием зародыша кальцитом (арагонитом) во время нахождения его во взвешенном состоянии. Однако исследование современных оолитов, в частности Карибского бассейна, показало, что между концентрическими микрослойками карбоната существуют оболочки органического материала — реликты бактериальных пленок и живые бактерии. Именно они создают ту локальную геохимическую обстановку, и прежде всего, по значению рН, которая обусловливает выделение карбоната в виде обволакивающих пленок. В ископаемых оолитах эти бывшие микробиальные пленки представлены уже только органическим веществом — липидными компонентами [20].

Как отмечалось выше, в зависимости от величины щелочности создаваемой среды осаждаются либо карбонаты кальция, либо магнезиальные карбонаты в виде доломита и магнезита. При этом абсолютные величины солености значения не имеют. Современные оолиты формируются в пределах значительно опресненных вод (мелководье Северного Каспия), в обстановке среднеокеанической солености, а также в резко осолоненных озерах.

Аналогичен оолитам механизм образования онколитов, однако, в отличие от первых, они формируются не во взвеси, а непосредственно на дне, причем тоже в условиях достаточно подвижной среды.

Поскольку в этом случае карбонатный материал не подтягивается со всех сторон, как в случае оолитов, что обеспечивает им в целом правильную округлую форму, а поступает, если можно так сказать, однонаправленно, наслоение микрослойков не очень правильное. Более того, периодическое перевертывание создающихся фрагментов приводит к не столь правильной сферичности — она имеет более сложную конфигурацию. Не исключено, что, в отличие от оолитов, при образовании онколитов плотность поселения микробиальных сообществ более высока, что определяет появление более высоких значений рН, обусловливающих, в свою очередь, осаждение уже магнезиальных карбонатов.

В охарактеризованных ранее отложениях, вмещающих онколиты Северного Кавказа, присутствует разнообразная, в том числе стеногалинная фауна, что свидетельствует о среднеокеанической солености и «нормальном» гидрохимическом составе вод бассейна. Таким образом, доломитизация обусловлена именно активной микробиальной деятельностью, которая сугубо локально определила высокую щелочность среды и осаждение в связи с этим магнезиальных карбонатов. Последние, скорее всего, в диагенезе кристаллизовались в виде доломита в ядрах онколитов, по концентрам, в цементе, иногда с разрушением некоторых форм, что наглядно видно на рисунке 3 первой статьи.

Весьма широк диапазон обстановок формирования микробиальных сгустков. Они образуются, например, в небольших пространствах между веточками кораллов или мшанок, в щелевидных пустотах между наслоениями в травертинах, то есть, по сути дела, в субаэральных условиях, а также непосредственно как фрагменты осадков обширных открытых морских водоемов, как, например, в фамене востока Русской платформы, где сферово-сгустковые известняки распространены от Печорской синеклизы на севере до Прикаспийской на юге.

Аналогичная ситуация и с химизмом, точнее соленостью, вод. В коралловых постройках это средняя океаническая соленость; в миоценовых рифах сарматского яруса Керченского полуострова, где подобные образования достаточно многочисленны, сгустки формировались в «неполносоленом» водоеме с концентрацией солей ниже среднеокеанической. Фаменский бассейн востока Русской платформы, по мнению А.И. Антошкиной, Е.С. Пономаренко и Н.А. Каневой, также периодически несколько распреснялся [4].

Однако во всех случаях их формирование происходило в свободном пространстве, они практически нигде не соприкасались ни друг с другом, ни с другими твердыми компонентами. Об этом свидетельствует тот факт, что во всех изученных объектах микробиальные сгустки обрамляются крустификационными корочками кристалликов кальцита. Образование последних может происходить тольков том случае, если сгусток со всех сторон омывался водами (рис. 1).

Наличие сгустков микритового материала в пустотах между веточками кораллов и мшанок позволяет думать, что здесь при отсутствии солнечного света реализовывались процессы хемосинтеза, а нефотосинтеза.

Весьма широко распространенные и достаточно подробно изученные строматолиты формируются в фотической зоне на дне водоемов в обстановках разной солености; основным условием, как и везде, является щелочность, которая определяет минеральный состав строматолитов. Общее глобальное изменение этого показателя — рН среды — в истории Земли обусловило в целом смену доломитового, аместами и магнезитового состава протерозойских и раннекембрийских строматолитов на преобладающе кальцитовый в более поздние геологические эпохи.

В природе нередко сочетание различных микробиальных образований, которые дают возможность восстанавливать детали обстановок седиментации и их изменений во времени. В этом отношении интересные детали обстановок устанавливаются в силурийских отложениях на острове Сааремаа, Эстония (рис. 2).

В условиях мелководного бассейна с достаточно активной, однако, гидродинамикой формировались онколиты (стрелка а) до 2 и более см в поперечнике. При общем обмелении наряду с илистым по размеру и консистенции осадком образовались и карбонатные обломки — возможно, продукты перемыва, и, наконец, наступало полное осушение, деструкция уже сформированных ранее онколитов (стрелка b). Экспонированная поверхность была неровной, с амплитудой «высот» в несколько мм, реже — см (стрелка c). После кратковременного перерыва и перекрытия поверхности водой относительно приподнятые участки дна в условиях крайнего мелководья колонизировались теми же цианобактериальными сообществами, которые создали небольшие строматолитовые постройки — столбики высотой до 2—2,5 см (стрелка d). После некоторого повышения уровня воды и возобновившейся в связи с этим гидродинамической активности вновь начали формироваться онколиты (стрелка e).

На ряде приведенных выше примеров видно, что микробиальные процессы генерируют карбонатный материал и образуют те или иные формы его нахождения не только непосредственно на стадии седиментации, но и в диагенезе. Таковы, например, различные конкреционные образования, а также разнообразные крустификационные каемки, обрастания в водонасыщенных пустотах, линзовидных и щелевидных пространствах между микробиальными пленками в строматолитах и микробиальных матах.

Более того, в ряде случаев затруднительно строго отделить процессы седиментации от процессов диагенеза, то есть обозначить границу между ними. Так, если линзовидные пустоты между бактериальными наслоениями в строматолитах изолированы от вод бассейна, то это процессы диагенетические. Если же они не изолированы, свободно связаны с водоемом, то это еще стадия седиментогенеза, который, как это было отмечено ранее, является в процессах карбонатонакопления не одноактным, а растянутым во времени [8]. В полной мере сказанное относится и к описанному выше образованию микросгустков в пространствах между веточками кораллов и мшанок.

Примером «многоактного» формирования микробиолитов и созданных в результате микробиальной деятельности геологических форм являются особые образования, созданные в результате жизнедеятельности в микробиальных пленках — бактериальных матах. Специфическая геохимическая зональность вертикального разреза подобных слойков описана Г.А. Заварзиным [7], Л.М. Герасименко и Г.Т. Ушатинской [5], а в ископаемом состоянии изучена, например, в отложениях овинпармского горизонта нижнего девона Печорской синеклизы [6][14].

Подобные противоречия оказываются мнимыми и объясняются трофической структурой бактериального мата, которая характеризуется определенной вертикальной зональностью, причем мощности отдельных зон составляют миллиметры и доли миллиметров [5]. В верхнем слое бактериального мата обитают фототрофы, которые утилизируют углекислый газ и освобождают кислород. Ниже, уже в условиях аноксии, за счет углерода образуется метан, который удаляется из осадка. Важно при этом, что углекислый газ полностью утилизируется, что создает щелочные условия, определяющие осаждение именно карбонатов, в том числе магнезиальных. Нижележащий слой населен пурпурными серобактериями, деятельность которых генерирует сульфат-ион и, соответственно, способствует образованию гипса (ангидрита). В самом основании биомата обитают уже сульфатредуцирующие бактерии, создающие сероводородную среду, а наличие именно фрамбоидальных форм пирита подтверждает бактериальную природу образования последнего.

Как отмечено выше, микробиальная деятельность продолжается в диагенезе и ниже самых приповерхностных участков, где формируются конкреции — по-видимому, образования диагенетические. Они образуются за счет перераспределения и стягивания в определенных точках растворенного и рассеянного в осадке вещества с образованием здесь уже твердых минеральных форм. Роль бактерий в этом процессе была давно отмечена Н.М. Страховым: «Причина перераспределения новообразованных минералов кроется в большой пестроте физико-химических условий, Eh, pH, концентраций отдельных компонентов, возникающих в осадке вследствие жизнедеятельности микроорганизмов в первые моменты диагенеза» [16].

Поскольку основной причиной изменения геохимических обстановок и, в данном случае, щелочности являются микроорганизмы, новообразованные конкреции полностью подпадают под определение микробиолитов и дополняют список подобных объектов.

При этом формируются не только карбонатные по составу конкреции. Растворенные карбонаты цементируют и другие компоненты осадка. Так образуются, например, стяжения песчаного материала, сцементированные кальцитом, нередко очень своеобразных форм (рис. 4). При этом гранулометрический спектр обломочного материала в конкрециях и вмещающих отложениях совершенно идентичен.

Заключение

Бактериальные формы жизни появились на ранних этапах развития Земли, и их массовое развитие во многом определило геохимическую обстановку и, соответственно, вещественный состав образующихся под их воздействием осадков и специфических осадочных тел.

Микробиолиты, непосредственно сложенные минерализованными бактериальными остатками различной морфологии, относительно редки. Большинство видов микробиолитов генерируется, главным образом, за счет создания микробиотой соответствующих условий и сорбцией частиц осадка внеклеточным органическим веществом — гликокаликсом.

Морфологические типы микробиолитов весьма разнообразны: имеются обособленные образования — пелитоморфные сгустки, оолиты, онколиты, ооиды, конкреции, а также слоистые, бугристые и столбчатые формы — строматолиты, минерализованные бактериальные маты и т. д.

Образование микробиолитов происходит на стадиях седиментогенеза, а частично — в диагенезе. При этом соленость водоемов принципиального значения не имеет, поскольку микробиолиты формируются как в опресненных, так и в аномально соленых бассейнах. Но во всех случаях осаждение материала было обусловлено либо непосредственно бактериями, либо, в более общем и частом случае, влияние было косвенным, через создание определенной геохимической среды и генерацию особой субстанции — гликокаликса, на которой материал осаждался.

Несмотря на «простоту» цианобактерий как организмов, которые либо не эволюционировали в течение длительной геологической истории, либо эволюционировали относительно незначительно, эволюция созданных ими карбонатных микробиолитов все же отмечается [13]. Так, доломитовые по составу микробиолиты, со временем сменялись известковыми, устанавливается абсолютное и относительное сокращение строматолитов и, напротив, возрастание доли изолированных, обособленных форм — онколитов, оолитов и т. д.