Начало научного исследования влияния микробиальной деятельности на осадочный процесс и, в частности, на карбонатонакопление относится к рубежу XIX и XX веков, причем работы, интересные геологам, проводились в основном мик­робиологами. Так, В.И. Вернадский неоднократно указывал, что знаменитый русский микробиолог С.Н. Виноградский в ряде работ последней четверти XIX века показал роль бактерий в образовании и преобразовании ряда осадочных минералов и пород [4, стр. 232 и др.].

В значительной степени пионерские работы в области геологической роли бактерий были проведены в нашей стране. Так, в глубоководных областях Черного моря Н.И. Андрусов обнаружил светлые комочки, сложенные карбонатом кальция, которые образуют прослойки того же цвета среди зеленоватых глинистых осадков. При микроскопическом изучении высушенные светлые осадки «…состоят из удлиненных зерен (наподобие пшеничных), поляризующих свет и иногда представляющих Х-образные двойники» [1, стр. 392]. Образование карбонатов он связывал с жизнедеятельностью бактерий.

Позднее вводную лекцию к курсу «Геология» он посвятил взаимоотношениям геологии и бактериологии, поставив задачу показать «…геологическое значение бактерий и ту роль, которая выпадает на их долю в изменениях земной коры» [2, стр. 1].

В этой лекции Н.А. Андрусов указал, что «…механическая деятельность, по-видимому, чужда бактериям. Зато химическая деятельность необыкновенно обширна» [там же, стр. 1]. При этом он наметил ряд направлений влияния бактерий на геологические процессы, в частности на образование осадочных пород и осадочный процесс в целом. Это влияние проявляется уже на первых стадиях осадкообразования, которые сейчас определяются как стадия образования осадочного материала, его переноса и далее — диагенеза: «…благодаря продуктам деятельности почвенных микробов происходит растворение составных частей почвы и подпочвы, разрыхление поверхностных частей земной коры, но вместе с тем перенесение и отложение вновь образовавшихся соединений на других местах земной поверхности или в море» [там же, стр. 17]; одновременно он подчеркивает, что «…именно в почвенном слое в атмосферную воду поступает главное количество растворителей, так как почвенные слои являются ареной необыкновенной деятельности разнообразнейших микробов, содержащихся в почве в огромных количествах индивидуумов» [там же, стр. 16].

Геологическая деятельность бактерий продолжается и позднее, в диагенезе: «…благодаря бактериям здесь (в морских осадках. — В.К., Л.Ж.) должны совершаться различные преобразования, в особенности же, вероятно, тот ряд изменений в осадках, которые Гюмбель и И. Вальтер называли диагенезом» [там же, стр. 18].

По Н.И. Андрусову, большую роль играли бактерии при образовании ряда серных месторождений и железных руд.

Обращаясь к описанным ранее карбонатным сгусткам глубоководных илов Черного моря, он добавляет и расширяет список морфологии этих образований: «…шарики, участки или тоненькие слойки порошкообразной углекислой извести» [там же, стр. 11] и приводит пример подобного ила в одном из шотландских заливов «…пропитанного клочковатым осадком CaСО3» [там же, стр. 13], еще раз подчеркивает, что «…продуктом жизнедеятельности бактерий… является образование карбонатов» [там же, стр. 11], и, что симптоматично, вводит понятие «бактериогенных осадков СаСО3» [там же, стр. 14].

Не так важно, что не все предложенные им конкретные механизмы бактериального карбонатонакопления получили подтверждение и развитие, важно, что Н.И. Андрусов если не первым, то, по крайней мере, одним из первых показал роль и значение бактериальной деятельности в осадочном процессе начиная от момента образования осадочного материала, включая его перенос и формирование тех или иных осадков, их преобразование в диагенезе, и, в частности, сформулировал понятие «бактериогенных» образований, в том числе карбонатных.

В начале XX века отечественный микробиолог Г.А. Надсон в осадках соляного озера — «лечебной грязи» обнаружил комочки известняка (точнее, карбоната кальция) или, скорее, доломита, так как они«не растворялись в уксусной кислоте, очень медленно растворялись в разведенной соляной кислоте… и быстро — в горячей» [13, стр. 85]. Позднее он поставил опыт с культурой бактерий Proteus vulgaris, и через 1,5 года в осадке появились шарики диаметром 1,5—2 мм, состоящие из карбонатов кальция и магния с преобладанием первого.

По ряду причин исследование бактериальной деятельности в геологических процессах в нашей стране было ограниченным, но уже в последней четверти двадцатого столетия работы этого плана получили достаточно широкое распространение, причем, как и ранее, в значительной степени вначале в среде микробиологов. Обстоятельное описание подобных форм, правда, среди других структурных элементов карбонатных пород, приведено в капитальной сводке сотрудников ВНИГНИ [3]. Следует, однако, подчеркнуть, что геологическое осмысление материала, как и ранее, проводилось микробиологами.

Возможно, одной из первых обобщающих работ, посвященных непосредственно геологической деятельности микробов, была книга С.И. Кузнецова, М.В. Иванова и Н.Н. Ляликовой, опубликованная в1962 году [11]. Позднее в нашей стране работы в этом направлении вели академик Г.А. Заварзин и сотрудники его лаборатории в Институте мик­робиологии РАН — Л.М. Герасименко, В.К. Орлеанский и др., к которым присоединились сотрудники Института палеонтологии — А.Ю. Розанов, Г.Т. Ушатинская, Е.А. Жегалло, Л.В. Зайцева и др. [5—9][15, 20].

Естественно, что если микробиологи больше внимания обращали на механизмы, способы воздействия микробиальной деятельности на осадочный процесс, то геологи и, в более узком значении, литологи концентрировались на обстановках, где эти процессы реализовывались, и на итоговые, чисто вещественные и морфологические формы новообразований.

Применительно к осадочным образованиям подобного рода был введен термин «биоседиментарные структуры», или «микробиалиты», получивший широкое распространение. Авторы термина Роберт Бурне и Линда Мур определили его как «органоосадочные (органоседиментационные) образования, возникшие как результат деятельности донных микробиальных сообществ, улавливающих и связывающих частицы вещества и/или образующиеся в результате осаждения хемогенного материала» [18, стр. 241—242]. Следует обратить внимание на специфическое написание «биалиты», хотя корень этого термина «биос» — жизнь. Авторы настоящей статьи предпочитают использовать оригинальное написание от латинского bios — микробиолиты.

Так или иначе, проблема микробиолитов в полной мере вошла в сферу интересов и работ геологов. В значительной мере этому способствовало появление и достаточно широкое использование сканирующего электронного микроскопа, микрозондового анализа и другой прецизионной техники, которая позволила реально «увидеть» подобные объекты, изучить их состав, строение и взаимоотношения между собой. Другими словами, на микро- и ультрамикроуровне ныне возможно изучать три составные части, которые и определяют само существование осадочной горной породы: ее состав, структуру и текстуру. В целом два последних понятия нередко объединяются общим термином «строение породы», аналогом чему являются соответствующие иностранные термины fabric в английском языке и das Gefüge в немецком.

Использование упомянутой техники при изучении микробиальных образований обусловило становление некоей отдельной отрасли литологии, которую по аналогии с микробиальной палеонтологией [15] можно назвать микробиальной литологией.

Не ставя целью систематически классифицировать и описать все микробиальные структуры и разрешить терминологические разногласия, в первой статье кратко характеризуются основные, самые распространенные морфологические типы микробиальных образований карбонатного состава, то есть те, которые состоят из кальцита, доломита, в существенно меньшей степени из сидерита и магнезита, а во второй статье обсуждаются механизмы (процессы) и обстановки их образования.

В первом, самом общем подходе все карбонатные микробиолиты можно объединить в две морфологические группы — во-первых, одиночные изолированные, пространственно обособленные формы и, во-вторых, слоистые образования.

В свою очередь, среди первых выделяются несколько видов — непосредственно минерализованные остатки собственно бактерий, а также оолиты, онколиты, микросгустки пелитоморфного карбоната.

По-видимому, наиболее распространенными среди первых являются остатки некоторых форм — округлые образования либо в виде единичных обособленных шариков диаметром 1—3 микрона, либо сообщество подобных форм. Кроме того, встречаются трубочки, нитчатые фоссилии различной морфологии: прямолинейные, изгибающиеся, ветвящиеся и т. д. (рис. 1). Важное обстоятельство — карбонаты, содержащие подобные собственно литифицированные остатки бактериальных форм, представлены не обычными для карбонатных пород кристаллическими формами, а имеют листоватую, в лучшем случае пластинчатую морфологию. По-видимому, это продукты литификации пленок, выделяемых бактериями внеклеточной слизи — гликокаликса, о чем см. ниже (статья 2). Следует отметить, что подобные образования имеют не только карбонатный состав — описаны фосфатные, кремнистые и другие минеральные виды.

Среди следующих структурных форм широко развиты образования, названия которых из-за своей округлой формы в научной литологической литературе восходят к греческому названию öon — яйцо, onkos — нарост и т. д.

Вообще округлые карбонатные образования разного типа достаточно разнообразны, обзор подобного рода зерен приведен, например, в специальном сборнике [19].

Одной из самых распространенных и известных форм этой группы являются оолиты — округлые, нередко практически сферические, иногда овальные образования размером обычно менее 2 мм, имеющие своеобразное внутреннее строение. Как правило, это сочетание концентрических более светлых и более темных слойков пелитоморфного и микрозернистого карбоната и одновременно радиально ориентированных тончайших, по сути дела, волосяных кристалликов кальцита. Нередко в центре оолита имеются зерна кварца или другого минерала, обломок раковинки, кристаллики кальцита ит. д. (рис. 2).

Еще одной формой изолированных и в целом округлых, овальных форм являются онколиты. По сравнению с оолитами их форма менее правильная, чаще и более отчетливо проявляется неправильное концентрическое внутреннее строение.

В качестве примера на рисунке 3 показаны онколитовые известняки берриаса — валанжина района Кисловодска на Северном Кавказе.

В некоторых случаях внутри онколитов встречаются остатки раковин, вокруг которых образуются темные пленки пелитоморфного кальцита. Среди скелетных остатков раковины гастропод, пелеципод, членики криноидей (рис. 3 A—F).

В других случаях каких-либо включений, вокруг которых формировались онколиты, не установлено, однако концентрически слоистое строение наглядно проявляется практически всегда, отмечены «срастания» двух онколитов в один за счет обволакивания их едиными микробиальными каемками (рис. 3 G—I). Спецификой данных конкретных отложений является высокая степень их доломитизации.

Своеобразным, но достаточно широко распространенным видом изолированных микробиальных образований являются сгустки пелитоморфного карбоната, обычно кальцитового по составу. В отечественной литературе давно известны известняки микросгустковые, где отдельные, обычно округлые или овальные, стяжения цементируются яснокристаллическим кальцитом (рис. 4). Размеры сгустков обычно составляют доли миллиметра. Строго говоря, не все сгустки микрозернистого и пелитоморфного карбоната являются микробиолитами. Аналогичные, близкие по форме фрагменты образуются при грануляции раковинок фораминифер, могут представлять фекалии других организмов, причем в большинстве случаев последние отличаются морфологией и внутренним строением самих сгустков. В зарубежной литературе сгустки пелитоморфного материала позже названы тромболитами (τρομβοζ — сгусток, λίθος — камень) [17].

Микросгустки отечественных геологов, видимо, не являются полным аналогом тромболитов западных седиментологов. Первые, как только что отмечено, имеют обычно размеры менее 1 мм, в то время как тромболиты имеют поперечник до сантиметра и более, последние у нас описываются как комки и в целом комковато-сгустковые структуры карбонатной породы.

В группе округлых изолированных микробиальных образований следует указать онкоиды, хотя надо отметить, что характеристика этих форм и само выделение их как отдельных образований далеко неоднозначно. Это тоже в целом округлые, овальные, но, как правило, значительно более крупные, чем оолиты и онколиты, формы размером до 10—15 мм и более, с отчетливо концентрическим строением, сотносительно правильными границами. Внутреннее строение онкоидов представляет собой серию довольно правильных концентрических микрослойков пелитоморфного карбоната. Один из видов подобных образований под названием Stromaria был описан И. Вальтером [21] в цехштейновых рифах Германии, а позднее подобные формы обнаружены в одновозрастных рифах Литвы.

Особой формой микробиолитов являются обра­зования, описанные сначала как шамовеллы [14], а затем как тубифиты [12] — термин, получивший уже практически международное признание. Это тоненькие трубочки длиной до 4—5,5 мм и диаметром в десятые доли, но не более 1 мм (рис. 5А). Поперечные сечения тубифитов в шлифах — это округлые или овальные тельца с внутренним осевым каналом, сложенные крайне микрозернистым кальцитом, что делает толстые (относительно диаметра осевого канала) стенки непрозрачными, почти черными (рис. 5B, C). Первоначально тубифиты были установлены в нижнепермских отложениях Приуралья, но теперь диапазон их развития охватывает верхний карбон, пермь и мезозой, включая нижний мел [подробнее см. 10].

Тубифиты — это эпифитные бактериальные сообщества, обволакивающие какие-то трубчатые организмы, причем морфология последних в значительной степени предопределяет морфологию самих тубифитов, что послужило основой их во многом формальной, условной классификации как биологических объектов. Нередко вокруг этих трубочек, сложенных пелитоморфным кальцитом, нормально к их поверхности нарастают удлиненные игольчатые кристаллы кальцита, образуя своеобразные крустификационные каемки (см. рис. 5 B, C).

Своеобразными и достаточно широко распространенными геологическими образованиями, формирование которых обусловлено жизнедеятельностью бактерий, являются конкреции, однако идентификация последних как микробиолитов стала появляться сравнительно недавно (см., например, [16]).

Конкреции — округлые, иногда линзовидные стяжения неправильной формы иного, чем вмещающие породы, состава. Существуют конкреции чисто карбонатные — сидеритовые, кальцитовые, доломитовые, и не только карбонатные, что, равно как и механизм формирования конкреций и роли бактерий в этом процессе, будет обсуждаться во второй статье.

Переходя к слоистым микробиолитам, необходимо прежде всего остановиться на строматолитах.

Микросгустковые и микрослоистые структурные элементы нередко особым образом соединяются, создавая своеобразные текстуры — особые геологические тела — строматолиты. Это пластовые, холмовидные или даже столбчатые образования, имеющие общее неправильно-слоистое строение. Строматолиты подробно изучены и описаны, библиография по ним весьма многочисленна, поэтому ограничимся краткой характеристикой их микростроения.

При микроскопическом изучении шлифов нередко можно видеть, что микробиолиты состоят из микробиальных сгустков, которые соединяются между собой в изгибающиеся слойки, имеющие поэтому неплоскопараллельные ограничения, а неправильную волнообразную форму. При этом поскольку новообразованные слойки в большинстве случаев не строго прямолинейны и изгибаются, то в отдельных участках они соприкасаются, в других они отделены друг от друга удлиненными линзовидными пустотами. Подобные внутренние пространства редко остаются полыми, частично или даже целиком они заполняются иным, чаще всего карбонатным же, но в особых условиях и сульфатным материалом. При этом заполнение пустот может быть полным или неполным, одно- или чаще многостадийным. На первой стадии, в осадке, как правило, еще при небольшой мощности покрывающего осадка из иловой воды по внутренним стенкам этих полостей нарастают треугольные и остроугольные кристаллики, которые обрамляют верхнюю и нижнюю (а иногда и только верхнюю) поверхность этих стенок, образуя крустификационные каемки. Позднее оставшееся пространство может заполняться блоковым кальцитом — сплошными гипидиоморфными более или менее изометричными кристаллами (sparcalcite), либо, как это бывает в обстановках аридных литоралей, — себкхи — сульфатами кальция.

Описанные кристаллические образования формируются на диа- и катагенетической стадиях. Дело в том, что удлиненные линзовидные пустоты между твердыми слойками не полностью изолируются отвод самого бассейна, однако в них создается своеобразная геохимическая среда, а именно, такие значения рН, которые способствуют химическому осаждению карбоната. Возможно, что сюда еще проникает свет, и за счет фотосинтеза и утилизации СО2 щелочность повышается, что обусловливает образование волосяных, игольчатых субпараллельно ориентированных кристаллов.

Значительно реже наблюдается, видимо, заполнение пустот практически на стадии седиментации.

Специфическими микробиальными образованиями являются минерализованные бактериальные маты.

Петрографический состав подобных минерализованных карбонатных биопленок характеризуется в той или иной степени повышенной глинистостью, часто повышенной магнезиальностью карбонатногоматериала, его пелитоморфной и микрозернистой структурой, тонкослоистой текстурой и, главное, необычным, казалось бы, взаимоисключающим друг друга набором сопутствующих минералов, таких, например, как ангидрит и пирит.