古生代包覆颗粒与球粒中黏土矿物自生作用揭示微生物介导的有机矿化过程

本研究针对海洋环境中黏土矿物自生作用（"反向风化"）的微生物驱动机制这一关键科学问题，通过分析志留纪、泥盆纪和石炭纪的包覆颗粒（鲕粒、核形石、皮质粒）和球粒（微晶化颗粒），结合BSE成像、EDX元素分析和XRD技术，首次系统论证了黏土矿物自生与胞外聚合物（EPS）残留的空间-成分关联性，为理解微生物-矿物相互作用对元素封存的影响提供了新证据。

　　

在地球漫长的地质历史中，海洋环境中的黏土矿物自生作用（authigenesis）被称为"反向风化"（reverse weathering），这一过程深刻影响着全球海洋化学平衡。尽管传统观点认为黏土自生作用在沉积系统中占比微小，但越来越多的证据表明，微生物介导的矿化过程可能在全球元素循环中扮演着被严重低估的角色。然而，如何准确识别地质记录中的微生物-黏土矿物相互作用仍面临三大挑战：碎屑相与自生相的区分困难、成岩作用对原始矿物的改造、以及同时表征微生物残留与矿物特征的技术限制。

针对这些科学难题，捷克地质调查局的Stanislava Vodrá?ková团队联合德国埃尔朗根-纽伦堡大学等机构的研究人员，选取了志留纪（瑞典哥特兰岛）、中泥盆世（布拉格盆地）和晚泥盆世-早石炭世（摩拉维亚-西里西亚盆地）这三个具有不同成岩作用强度的典型剖面，对其中的非骨骼碳酸盐颗粒（鲕粒、核形石、皮质粒和球粒）展开多尺度分析。这项发表在《Sedimentary Geology》的研究首次系统揭示了古生代碳酸盐颗粒中黏土矿物自生作用与微生物胞外聚合物（EPS）残留的时空耦合关系，为理解微生物介导的有机矿化（organomineralization）过程提供了关键证据。

研究团队采用多学科交叉的技术路线：通过醋酸蚀刻薄片结合背散射电子成像（BSE）揭示微米级空间关系；利用能量色散X射线光谱（EDX）进行元素面分布分析；采用X射线衍射（XRD）鉴定黏土矿物多型结构；并对三个盆地24个抛光薄片进行系统的岩石学分析。

地质背景
样品来自经历不同成岩改造强度的三个经典剖面：瑞典哥特兰岛（志留纪）、捷克布拉格盆地（中泥盆世）和摩拉维亚-西里西亚盆地（晚泥盆世-早石炭世），构成完整的成岩作用梯度序列。

SEM和EDX分析
扫描电镜观察显示所有时代的颗粒均具有特征性微结构：由不规则半自形CaCO₃
晶体（2-6μm）构成的镶嵌结构。EDX分析揭示出亚微米级丝状和网状微结构富含C元素，与周围碳酸盐基质存在明显的Mg/(Al+Mg)和Si/(Si+Al)比值差异，这些成分-形态特征与现代微生物EPS高度吻合。

讨论
研究提出五项关键证据支持黏土矿物的自生成因：有机模板的空间关联性、跨时代样品成分一致性、与碎屑黏土的结构差异（如丝状纹理和扩散边界）、XRD鉴定的1Md多型结构I/S R3混层黏土，以及与现代微生物-黏土关联实验的一致性。特别值得注意的是，这些自生黏土普遍具有较高的Mg/(Al+Mg)（0.15-0.35）和Si/(Si+Al)（0.55-0.75）比值，明显区别于陆源碎屑黏土。

结论
该研究证实古生代碳酸盐颗粒中普遍存在微生物EPS介导的黏土矿物自生作用，这种有机矿化过程可能对沉积物-水界面的元素封存产生重要影响。当结合适当的沉积学背景分析时，自生黏土矿物可作为古微生物表面的有效识别标志。这一发现不仅拓展了对"反向风化"过程的理解，更为重建地球历史中微生物-矿物协同演化提供了新的研究范式。

这项工作的创新性在于首次将黏土自生作用与特定微生物微结构（EPS）在古生代沉积记录中建立直接关联，其方法论框架（多尺度表征技术组合）为未来研究类似地质现象提供了可复制的技术路线。从更广阔的视角看，这些发现暗示微生物介导的矿化过程对全球元素循环的贡献可能远超过往认知，这对理解地球碳循环长期演化具有深远意义。