冀西南古元古界赵家庄组石英碎屑颗粒中首次发现微生物化石*

王青春 贺 萍 申方乐 惠 婧 杨克基 马宝军

（1.河北地质大学地球科学学院 石家庄 050031；2.山东科技大学，山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室山东青岛 266590；3.河北地质大学华信学院 石家庄 050031）

地球科学领域的微生物主要包括细菌（包括蓝细菌）、菌类、小型藻类和原生动物等微小级别的生物（Brock et al.，1994；梅冥相，2011）。地球上的生命演化历经了多次大规模生物灭绝事件，但微生物在地球生态系统中始终扮演着重要角色。微生物是一种重要的地质营力（李涛，2011；Lan et al.，2015），数量众多的微生物共同作用形成的较为宏观的证据，比如叠层石、微生物席、MISS（Microbially Induced Sedimentary Structures）等是比较常见的，但微小的微生物个体很难在地质记录中保存下来，所以更为直接的证据——微生物化石的发现难度较大。目前发现的地球早期的微生物实体化石比较有限，大多保存在碳酸盐岩或硅质岩中，其中澳大利亚古太古代发现的距今约3.48 Ga 的微生物化石和MISS 是目前已发现的地球最早的生命记录，保存在燧石等硅质岩中或碎屑岩岩层面上（Schopf，1993；Ueno et al.，2008；Noffke et al.，2013）；不过在碎屑岩中也有古老生命记录的发现，如南非太古代Moodies 群的页岩和粉砂岩中也发现了碳质有机壁球状微体化石（Javaux et al.，2010）。尽管部分学者对3.48 Ga 前的微生物化石依然存在质疑（Brasier et al.，2002），但这些碳酸盐岩、硅质岩及碎屑岩中微生物信息的报道，为笔者等在冀西南赵家庄组沉积岩中寻找微生物线索提供了新的思路。

赵家庄组是杜汝霖先生研究太行山中南段地层时建议命名的一个组级地层单位，地质年龄约2 000 Ma（杜汝霖，1984，1992），按最新国际年代地层表（2021）应划归古元古代中期。近期，有文章报道了蓟县地区古元古界大红峪组硅质碎屑颗粒内部的微体化石（Jing et al.，2022）。蓟县地区距离本文研究区不远，且大红峪组与赵家庄组地质时代也比较接近，这为寻找微生物化石开拓了思路。赵家庄组有关MISS 的发现（Lan et al.，2015）早已有之，但更加直接的生命证据——微生物化石未见公开。本文在碎屑岩薄片鉴定过程中有所发现，微生物化石被保存在石英碎屑颗粒及硅质岩岩屑颗粒中，这进一步拓宽了地质记录中尤其是前寒武纪地层中寻找微生物化石的渠道。

1 地质背景

研究区位于河北省石家庄市西南约50 km 的井陉县测鱼镇（图1a、图1b），古元古代中期主要属于陆表海局限海湾环境，处于燕辽裂陷槽西部的太行湾西缘，海水较浅（王青春等，2017；贺萍等，2020）。赵家庄组沉积时期，受构造活动、海平面升降、物源供给、气候变化等因素影响，呈现由陆向海转变的趋势（王青春等，2017；贺萍等，2020）。笔者等在赵家庄组中下部曾识别出叠层砂质MISS（贺萍等，2020）（图1c），此前其被误认为是生物遗迹化石（杜汝霖，1984，1992；邱振等，2007；王立峰，2010；王青春等，2017；贺萍等，2020）。叠层砂质MISS 是砂岩等碎屑岩中发育的一种微生物成因且具备“叠层”内部结构的沉积构造，即Stomatolithic Sandy MISS，可缩写为SSMISS（贺萍等，2020）。叠层砂质MISS 的确定为寻找微生物线索提供了理论支持。

图1 冀西南古元古界赵家庄组基本地质信息示意图Fig.1 Map showing the simplified basic geological information of Paleoproterozoic Zhaojiazhuang Formation in southwestern Hebei Province，China

地球早期微观尺度微生物线索的发现难度较大，主要原因在于其微小的个体、不易保存及漫长地质历史过程的破坏作用。岩矿薄片观察是最为经济的方式，但需要细心和些许运气。笔者等有幸在赵家庄组岩石薄片鉴定过程中发现了一些微生物线索。

2 微生物化石

通过近200 个普通岩石薄片的详细观察，仅仅在下面两个普通岩石薄片的单晶石英颗粒内发现了微生物化石和微生物碎片（图2，图3）。

图2 冀西南古元古界赵家庄组云质砂岩石英碎屑颗粒中的微生物化石Fig.2 Microbial fossils from quartz clastic grains in dolomitic sandstone of the Paleoproterozoic Zhaojiazhuang Formation in southwestern Hebei Province，China

图3 冀西南古元古界赵家庄组钙质砂岩石英碎屑颗粒中的微生物化石Fig.3 Microbial fossils from quartz clastic grains in calcareous sandstone of the Paleoproterozoic Zhaojiazhuang Formation in southwestern Hebei Province，China

第一个岩石薄片（图2）是云质石英砂岩，其中的单晶石英颗粒内可见数量较多且非常清晰的微生物化石（图2a～图2c）。图2c 是放大图像，可见大量微生物化石及碎片保存在该石英颗粒内部，可区分的个体数量约21 个，其中部分微生物化石保存完整，外形呈长管状或微弯曲管状，直径约13～38 μm，推测其完整个体（图2c 箭头所指）的长度可超过125 μm。详细观察发现，大多数微生物化石似乎具备明显的“分节”现象（图2c～图2d），这应该是埋藏成岩过程中微生物化石降解、收缩造成的“假象”；每节内部呈“片状”，与蓝细菌胶鞘化石的横纹结构有些相似，比如元古宙常见的Plicatidium（Pang et al.，2015）、Rugosoopsis（Vorob'eva et al.，2015；Li et al.，2019）。微生物化石整体或一部分呈不同程度的黑色或褐色，很可能是侵入的铁元素在后期不同成岩矿化阶段氧化程度不同导致的（图2d 箭头所指）。另有部分个体呈圆圈状、近圆状，推测是切片方向与微生物化石个体近垂直的结果。赵家庄组石英颗粒中的微生物化石的直径（宽度），比南非太古代的碳质有机壁球状微体化石（Javaux et al.，2010）小得多，与Rugosoopsis（Vorob'eva et al.，2015；Li et al.，2019）的最低值比较接近，与古-中元古代汝阳群的Plicatidium（Pang et al.，2015）的大小基本相当；长度和形态也与Plicatidium（Pang et al.，2015）更加一致，且地质时代接近。由此可见，本文在石英碎屑颗粒中发现的微生物化石，很可能与Plicatidium是同一种属。

另一个薄片是钙质砂岩，其中的石英颗粒边缘和内部均可见微生物线索（图3）。在石英颗粒边缘发现了非常微小的微生物碎片（图3a、图3b），硅质微粒与微生物碎片混杂在一起，逐渐向外部渐变。旁边的石英颗粒内部也发现了比较完整的弯曲状微生物化石和保存不太完整的微生物化石碎片，部分呈圆圈状（图3a、图3c、图3d），化石形态和内部结构特征与图2 基本一致。

3 讨 论

无论是单晶石英颗粒还是多晶石英颗粒，在其内部发现微生物化石的实例相对而言还是比较少见的（Jing et al.，2022），但在燧石等硅质岩中发现前寒武纪生命证据的报道却是被大家认可的（Schopf et al.，1993；Urrutia et al.，1994；Dove et al.，2003；Noffke et al.，2003，2006，2013；Schieber et al.，2007；Ueno et al.，2008）。由此可见，微生物化石的形成及保存与SiO2之间并不存在互不相容的矛盾，只是SiO2的最终保存状态不同而已。燧石等硅质岩中保存的微生物化石更便于解释其成因，而石英颗粒中的微生物化石则需要开拓新的思路。

作为地球上最古老的生物，微生物可参与或影响自然界中多种矿物的成核、结晶与生长过程，微生物学家称其为“微生物矿化”作用，氧化硅矿物也位列微生物的“食谱”之中。微生物矿化作用可表现为诱导矿化或控制矿化两种形式（Dove et al.，2003），也就是说微生物即可通过自生产生的生物物质促进矿化过程，也可以通过生命活动直接控制矿化过程，目前已经发现了很多具备“特殊”功能的微生物。

如前文所述，赵家庄组微生物化石的个体大小、内部结构和形态特征与中国东秦岭北部元古宇汝阳群地层中的Plicatidium（Pang et al.，2015）比较一致。另外，根据前寒武纪沉积物中统计的微生物平均直径和范围（Schopf et al.，1993），本文发现的微生物化石直径符合古元古代微生物的大小。由此可见，赵家庄组碎屑岩石英颗粒中发现的微生物化石，很有可能是伴随沉积作用一起保存下来的原生的微生物化石，地质时间与地层一致，也为2 000 Ma 左右（杜汝霖，1984，1992），其形成很可能与“钟情于”氧化硅矿物的微生物矿化作用有关。石英颗粒边缘发育的微生物化石碎片与石英微粒混杂，使石英颗粒外形呈现被“蚕食”状，说明该类微生物很可能具备将石英颗粒作为生存空间（钻孔）或食物（能量）来源的能力，因此其形成过程应该是微生物控制矿化作用为主。

另外一种情况也不能完全排除，那就是继承而来。也就是说石英颗粒内的微生物化石及碎片形成于更为古老的地质时代，其在赵家庄组被发现，是作为风化产物被硅质岩岩屑或石英矿物碎屑裹挟搬运而来的。通过碎屑岩中的锆石U-Pb 年龄分析（武汉上谱），测得的地质年龄约为2 530±10 Ma（图4）。可推测：如果文中发现的微生物化石是继承而来的，说明其生存时代可能比赵家庄组地层发育时代更加古老，甚至达到2 530±10 Ma，属于晚太古代末期。

图4 冀西南古元古界赵家庄组碎屑岩锆石U-Pb 年龄分析图Fig.4 Zircon U-Pb age analysis of clastic rocks from the Zhaojiazhuang Formation of Paleoproterozoic in southwestern Hebei Province，China

但是非常遗憾，鉴于样品数量非常有限，且笔者等对于微生物化石的认识较为肤浅，未能对其详细特征进行深入分析，也未能完全确定其种属，期待将来能有更多发现，以丰富赵家庄组微生物化石数量，为进一步深入开展工作奠定基础。

4 结论和展望

冀西南古元古界赵家庄组碎屑岩中识别出的叠层砂质MISS，是在该地区寻找前寒武纪微生物线索的一把钥匙。近200 个普通岩石薄片观察过程中，仅仅在其中两个薄片发现了微生物化石，说明赵家庄组地层的石英颗粒中微生物化石保存数量是非常有限的。赵家庄组石英颗粒中的微生物化石在个体大小、内部结构和外部形态上，与中国东秦岭北部元古宇汝阳群地层中的Plicatidium（Pang et al.，2015）比较一致。尽管文中未能对石英颗粒中的微生物化石的详细特征和种属进行深入剖析，但至少说明赵家庄组碎屑岩中保存了一定数量的微生物线索。此外，本文在石英颗粒内部发现了微生物化石，为微生物化石的寻找和研究指明了一个新的方向。冀西南地区是研究前寒武纪地质学的理想场所，更加深入的研究亟待开展。

致 谢本文撰写过程中，得到了长江大学何幼斌教授、肖传桃教授和匿名评委老师的指导，在此一并表示感谢！