DOI: 10.12017/dzkx.2023.040

生物岩石学的定义

吴亚生^1,2,3

（1. 中国科学地质与地球物理研究所，中国科学院新生代地质与环境重点实验室 北京　100029；2. 中国科学院地球科学研究院 北京　100029；3. 中国科学院大学 北京　100049）

摘　要　生物岩石学是研究生物岩（即生物成因的岩石）的特征、形成机制、形成环境及其与矿产资源的关系的一门新兴交叉学科，其研究内容至少包括生物矿化、现代生物礁、古代生物礁、现代微生物岩石和古代微生物岩石5个方面。生物矿化作用和现代生物岩的研究为古代生物岩的研究提供了认识基础。由于现代生物圈和环境不同于古代，现代生物矿化作用和生物岩的研究成果并不全部能直接应用于古代生物岩研究。古代生物岩和生物矿化作用的类型比现代丰富得多，不可能全部从现代生物岩和生物矿化作用中找到参照，但可以为现代生物矿化实验研究提供设计思路。生物岩石学的相关学科包括生物学、微生物学、古生物学、古微生物学、沉积学、沉积岩石学、矿物学、地球化学、地质微生物学等，因为生物岩石学研究需要应用这些学科的知识，并且生物岩石学研究也会反哺这些学科。

1　生物岩石学的定义和研究内容

生物岩石学（biopetrology）研究所有生物成因的岩石的特征、形成机制、资源和环境意义（Wu，2022），它至少涵盖5个方面的研究：生物矿化作用、现代生物礁、古代生物礁、现代微生物岩石和古代微生物岩石（图1）。因为“微生物岩”这一术语作为英文术语“microbialite”（Burne and Moore，1987）的中译已经得到广泛使用，特指由底栖微生物群落形成的岩石，不包括浮游微生物形成的岩石和被非生物作用改造的微生物成因岩石，因此有必要用“微生物岩石”一词指所有由微生物作用形成的岩石。因此，微生物岩石一词比微生物岩一词范围更广。所有生物成因的岩石，包括礁岩、非造礁生物形成的岩石和微生物岩石，都归入生物岩（biolith）这一名下。生物岩是19世纪上半叶德国文献中的一个地质学术语，指由生物遗骸或生物骨骼组成的岩石和由生物的作用形成的岩石（Ehrenberg，1853），这一术语在20世纪（Rivadeneyra et al.，1996）和21世纪很少使用。Wu（2022）提出用该术语来包括所有由生物遗骸、生物骨骼组成的岩石和生物作用形成的岩石。Biopetrology这个英文术语，本世纪有几位印度学者在几篇关于煤的论文中使用过，但从未在其它岩石类型的论文中使用过。Wu（2022）提出将“biopetrology”作为一个新学科的名称，该学科包括对所有生物岩的特征、形成机制、形成环境及其与矿产和资源的关系的研究，本文正式提出用生物岩石学作为与“biopetrology”对应的中文术语。

生物矿化作用研究包括对宏体藻类、植物和动物（如绿藻、红藻、珊瑚和双壳类）形成矿物、骨骼的作用、过程、机制、产物特征的研究，以及对微生物形成矿物、骨骼（有固定形状的泥晶结构）、岩石基本单元（矿物壳、泥晶微纹层或微凝块）、岩石的作用、机制、过程和产物特征的观察分析研究和实验研究。这个研究领域称为生物矿化学，英文名称“biomineralogy”。

生物礁指主要由原地生物骨骼构成的、具有地形隆起的岩石体。为方便起见，这里建议把生物礁研究作为生物岩石学的一个亚学科，称为生物礁学，英文叫reefology。其研究内容包括古今生物礁的特征、形成机制、与环境和矿产资源的关系等。

现代生物礁学研究的内容包括现代生物礁的生物群落、物理化学条件、结构和构造、矿物和化学成分。文献中的“建造”一词是英文术语“build-up”的中译，指由宏体生物或微生物的原位骨骼构成的、具有地形隆起的岩石体，或由宏体生物或微生物的作用，如宏体生物的障积作用、微生物的捕集沉积物作用形成的、具有地形隆起的岩石体。由宏体生物骨骼原地生长形成的碳酸盐岩结构体称为生物礁；由微生物成因的原生泥晶微纹层和/或微凝块构成的碳酸盐岩结构体称为微生物岩（Burne and Moore，1987）；由原地微生物骨骼组成的岩石在以往文献中被当做凝块石或枝状石（Yan et al.，2017）。然而，本文认为，微生物骨骼的形成不同于叠层石、层纹石中的泥晶微纹层和凝块石中的泥晶微凝块的形成：前者的形成作用是完全受生物的生理作用控制的，后者的形成是生物的生理活动引起微环境改变，导致微米或纳米级矿物在生物体外围结晶形成的，分别称为生物控制矿化作用（bio-controlled biomineralization）和生物诱导结晶作用（bio-induced precipitation）。因此，本文称由微生物原地生长的骨骼（即化石）组成的岩石建造为微生物礁。一个生物礁一定是海底的地形隆起。一个层状的岩石建造，即使它由原位的骨骼组成，不叫礁，而叫生物层（biostrome；Cumings and Shrock，1928）。

古代生物礁学研究古代生物礁的结构和构造、矿物和化学成分、形成机制和形成环境、化石的古生物学、古群落、成岩历史、与矿产资源的关系等。

为了方便起见，这里把微生物岩石的研究定义为生物岩石学的一个亚学科，叫微生物岩石学，英文名称为“microbiopetrology”。现代微生物岩石的研究内容包括其结构和构造、矿物和化学成分、微生物和微生物群落、形成机制、形成环境、与矿产资源的关系等。古代微生物岩石的研究内容包括其宏观、中观和微观结构和构造、矿物和化学成分、形成机制、古微生物和古群落、形成环境、与矿产资源的关系等。

在此前的文献中，现代、古代生物礁的研究通常被归入沉积学。然而，对生物矿化作用、现代和古代微生物岩石的研究还没有被归入任何现有的学科中。也许有些学者主张将它们归入沉积学，然而，最好将它们放在独立的学科中，因为它们的形成不是靠风、水流、冰川等的作用，而是靠微生物的作用。

虽然有些生物岩的形成经历了很短途的搬运和沉积过程，但大多数生物岩的形成与一般沉积过程无关，对它们的研究应基于不同的理论基础和采用不同的方法。

2　生物岩石学分支学科之间的关系

生物岩石学的5个研究领域之间存在很强的联系。现代生物礁主要由生物骨骼原地生长构成，这些骨骼主要由现生植物和动物的生物控制矿化作用形成。因此，研究现代生物的矿化作用可以为理解现代生物礁的形成机制提供基础。古代生物礁由原地古动植物骨骼构成。虽然大多数古植物和古动物已经灭绝，但它们中的一部分有现存的后代或亲属。对它们的后代或亲属的生物矿化作用的研究，有助于理解古代生物礁的形成机制。

研究现代微生物的矿化作用可以为认识和理解现代和古代微生物岩石提供基础。现代微生物岩石的研究可以为认识和理解古代微生物岩石提供认识基础。对古代微生物岩石的研究，可为现代微生物矿化实验提供改进设计的依据。

古代生物礁和微生物岩石遭受了不同程度的成岩作用改造，它们的原生结构、矿物和化学成分遭到了不同程度的改变。现代生物礁和微生物岩石遭受的成岩作用改造较少，是研究原生结构、成分、形成环境的较好材料。现代生物礁和微生物岩石的研究可以为认识和理解古代生物礁和微生物岩石提供很好的参考。

然而，与地球漫长的历史相比，现代是短暂的一刻。在漫长的地质历史中，环境在变化，生物圈在演变。因此，即使研究现代生物礁和微生物岩石的结果可以作为研究古代生物礁和微生物岩石的参考，它们的作用也是很有限的，因为有许多古代现象并没有当今的现象可作为参考。因此，研究古代生物礁和微生物岩石不仅需要借鉴对现代生物礁和微生物岩石的研究成果，还需要借助大量的模拟和实验，以及大量的推理和演绎。

 由于这5个领域之间有着天然的联系，它们不应该被孤立地考虑，而应该被整合到生物岩石学这个新学科中。

图1　生物岩石学的研究领域划分

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