Struktury mikroorganiczne w siarce rodzimej zapadliska przedkarpackiego

Struktury mikroorganiczne w siarce rodzimej zapadliska przedkarpackiego

Andrzej G¹siewicz*

utwo-rach mioceñskich zapadliska przedkar-packiego wypowiadano ró¿ne pogl¹dy (zob. przegl¹d w G¹siewicz, 2000) i nie-rzadko przeciwstawne, zw³aszcza pod koniec XIX i na pocz¹tku XX w., kiedy wiedza na temat budowy tych z³ó¿ by³a nieporównanie ubo¿sza ni¿ dzisiaj. Trzeba podkreœliæ, ¿e w owym czasie wiêkszoœæ hipotez wypowiadanych na temat powstania z³ó¿ siarki by³a czysto spekulatywna, nie potwierdzona konkretnymi obser-wacjami.

W tocz¹cych siê dyskusjach w II po³owie XIX w. za prowadz¹ce do mineralizacji siark¹ rodzim¹ przyjmowano czêsto ró¿ne, abiotyczne reakcje chemiczne, wynikaj¹ce z ...oddzia³ywania materii organicznej na gips, rozumiane jako reakcje ciek³ych bituminów z gipsem (np. Suszycki, 1876; Kondaki, 1883) b¹dŸ powoduj¹ce wietrzenie gipsu (Michalski, 1884) lub wp³yw rozk³adu samych szcz¹tków roœlinnych i zwierzêcych na gips (Nawratil, 1877). W takim rozumieniu siarka rodzima jawi³a siê jako produkt nieorga-niczny i pogl¹d ten zdobywa³ stopniowo, zw³aszcza na prze³omie wieków XIX i XX oraz w I po³. XX w. coraz wiêksze uznanie (np. Teisseyre, 1921; Bolewski, 1935; Sokolov, 1965; Aleksenko, 1967). Warto podkreœliæ, ¿e jednoczeœnie nie przedstawiono ¿adnych dowodów struk-turalnych na poparcie zak³adanej redukcji roztworów siar-czanowych pod wp³ywem bituminów.

Innym mechanizmem, proponowanym w celu wyjaœ-nienia nagromadzeñ siarki rodzimej w utworach miocenu zapadliska przedkarpackiego (wywodz¹cym siê z odmien-nego modelu genetyczodmien-nego z³ó¿ siarki), by³a migracja siar-kowodoru do strefy przypowierzchniowej i utlenianie go (pod wp³ywem tlenu atmosferycznego) do siarki (Zejszner, 1850). Mechanizm ten by³ nastêpnie czêsto przytaczany (ju¿ w kontekœcie epigenetycznym) jako czynnik sprawczy krystalizacji siarki rodzimej, niezale¿nie od przyjmowanych i ró¿ni¹cych siê, niekiedy skrajnie, modeli genetycznych (por. np. NiedŸwiedzki, 1883; Teisseyre, 1921; Krajewski, 1935; Bolewski, 1935; Paw³owski, 1968; Osmólski, 1973; Nieæ, 1982; Paw³owski i in., 1985; Kubica, 1992) i, co istotne, kontekst geologiczny tego mechanizmu nigdy nie doczeka³ siê zadowalaj¹cego wyjaœnienia przez zwolenni-ków hipotezy epigenezy tych z³ó¿.

Widoczne z czasem niedostateczne udokumentowanie epigenetycznego pochodzenia siarki rodzimej zaczêto t³umaczyæ udzia³em mikroorganizmów jako czynnika uzu-pe³niaj¹cego ca³y (wtórny) proces siarkotwórczy. Wyni-ka³o to jednak przede wszystkim z postêpuj¹cego wzrostu i ugruntowywania siê wiedzy o procesach mikrobiologicz-nych, a w szczególnoœci rozpoznania z³o¿onych efektów dzia³alnoœci bakterii siarkowych. W efekcie tego i równo-leg³ych obserwacji petrologicznych serii siarkonoœnej zaczê³o umacniaæ siê przekonanie o udziale bakterii w

pro-cesie powstawania wapieni siarkonoœnych (np. Bolewski, 1935; Krajewski, 1935).

Teza ta by³a w du¿ym stopniu intuicyjna i wynika³a g³ównie z przes³anek ogólnych, które póŸniej zosta³y wspar-te, m.in. przez rozwijaj¹ce siê intensywnie w po³owie ubieg³ego wieku badania izotopowe siarki i wapieni siarko-noœnych za granic¹, a nastêpnie i w kraju. Wyniki badañ laboratoryjnych wykaza³y, ¿e wzbogacenie w l¿ejszy izo-top siarki (32S) nale¿y wi¹zaæ z bakteryjn¹ redukcj¹ roz-puszczonego siarczanu. Prowadzone w latach 1950. badania stosunków izotopowych w siarce rodzimej basenu luizjañ-skiego dostarczy³y porównañ jasno wskazuj¹cych na udzia³ bakterii w procesie osiarkowania. Zró¿nicowanie sk³adu izotopowego mioceñskiej siarki rodzimej zapadliska przedkarpackiego równie¿ zinterpretowano jako skutek dzia³alnoœci bakterii siarkowych (¯uk i in., 1973).

Mimo sugestii p³yn¹cych z badañ izotopowych brako-wa³o konkretnych dowodów, tj. niew¹tpliwych œladów bakterii siarkowych w stanie kopalnym. Równolegle roz-wijaj¹ce siê badania petrograficzne wapieni siarkonoœnych stanowi³y dobr¹ okazjê do sprawdzenia tej tezy. Wyniki pierwszego prowadzonego pod tym k¹tem studium mikro-skopowego skupieñ siarki rodzimej w mioceñskich utwo-rach zapadliska przedkarpackiego wskaza³y na obecnoœæ licznych struktur zinterpretowanych jako sfosylizowane szcz¹tki bakterii siarkowych (Czermiñski, 1960). I chocia¿ nie wszystkie zilustrowane przez J. Czermiñskiego przy-k³ady sfosylizowanych mikroorganizmów (struktur mikro-organogenicznych) odpowiadaj¹ kryteriom skamienia³oœci, a zatem nie mog¹ byæ uznane za struktury pochodzenia bio-logicznego, to pierwotn¹ obecnoœæ bakterii w siarce rodzi-mej nale¿y uznaæ za dowiedzion¹.

Eksperymenty mikrobiologiczne na pobranych prób-kach wody i rudy serii siarkonoœnej z odkrywkowej kopal-ni siarki w Piaseczkopal-nie przeprowadzi³a W. Kurtz (1964). Jej badania potwierdzi³y wspó³czesn¹ obecnoœæ bakterii w wodzie siarkowodorowej i w rudzie siarki. Podobne rezul-taty badañ mikrobiologicznych wód z tej kopalni uzyskali E. Fischer i A. Dowgia³³o (1965). Zasadnicz¹ w¹tpliwoœæ wzbudza jednak autochtonicznoœæ stwierdzonego zespo³u bakteryjnego. Do ods³oniêtego wówczas, a p³ytko wystê-puj¹cego i niedaleko wychodni utworów mioceñskich z³o¿a siarki ³atwo bowiem mog³y byæ doprowadzone wspó³czesne formy bakterii.

Szersze badania petrograficzne wapieni siarkonoœnych przeprowadzi³ równie¿ W. Ryka (1986). Obserwacje te ujawni³y wiele dotychczas nieznanych cech petrograficz-nych i geochemiczpetrograficz-nych g³ówpetrograficz-nych minera³ów serii siarko-noœnej (kalcytu, siarki i gipsu), na podstawie których podjêto próbê opisu i identyfikacji materia³u organicznego. Ta ostatnia kwestia, zw³aszcza w aspekcie genetycznym, by³a przedmiotem moich dyskusji z prof. W. Ryk¹ i sk³oni³a mnie do zebrania i krótkiego opisania odpowiedniego materia³u paleontologicznego.

Trzeba podkreœliæ, ¿e wymienione powy¿ej prace, odnoœ-nie do specyficznego materia³u organicznego, zawartego w wapieniach siarkonoœnych, odegra³y istotn¹ rolê w tworze-niu modelu genezy z³ó¿ siarki. Bez wzglêdu na swoj¹ war-toœæ merytoryczn¹ skierowa³y one najpierw uwagê, a na-1057 Przegl¹d Geologiczny, vol. 54, nr 12, 2006

*Pañstwowy Instytut Geologiczny, Rakowiecka 4, 00-975 Warszawa, andrzej.gasiewicz@pgi.gov.pl

stêpnie ugruntowa³y ostatecznie tezê o udziale bakterii siar-kowych w procesie utworzenia siarki rodzimej w zapad-lisku przedkarpackim (np. Paw³owska, 1962; Krajewski, 1962; Paw³owski, 1968; Osmólski, 1973; Nieæ, 1982, 1992; Pawlikowski, 1982; Paw³owski i in., 1985).

Prowadzone przeze mnie d³ugoletnie badania wapieni siarkonoœnych pozwoli³y na zgromadzenie bogatego mate-ria³u paleontologicznego, zachowanego tak¿e w skupie-niach siarki rodzimej. Siarka krystaliczna, co zrozumia³e, jest ca³kowicie pozbawiona zachowanych szcz¹tków mikro-organizmów. Struktury te spotyka siê najczêœciej w skupie-niach siarki tzw. pylastej lub zbitej.

Zarówno obserwacje w mikroskopie optycznym, a przede wszystkim w elektronowym, pozwoli³y na zidentyfikowa-nie ró¿nych grup morfologicznych skamienia³ych szcz¹tków bakterii siarkowych. Wszystkie struktury po mikroorganiz-mach s¹ jednorodne mineralnie i z³o¿one wy³¹cznie z

siar-ki rodzimej. Struktury te s¹ widoczne zarówno w p³ytkach cienkich (ryc. 1–3), jak i pod mikroskopem elektronowym (ryc. 4–6). Obserwacje skaningowe przeprowadzono w Sekcji Mikroskopii Elektronowej PIG w Warszawie. Wykaza³y one, ¿e struktury po szcz¹tkach bakteryjnych s¹ czêsto zatarte na skutek rekrystalizacji siarki rodzimej i, jak mo¿na przypuszczaæ, wiêkszoœæ struktur organicznych zosta³a bezpowrotnie zmieniona, przez co jest obecnie ca³-kowicie niewidoczna. Na skutek tych zmian czêœæ struktur widocznych w p³ytkach cienkich jest najprawdopodobniej powiêkszona przez wzrastaj¹ce kryszta³y siarki. Podobnie, ornamentacja niektórych sfosylizowanych struktur mo¿e byæ spowodowana zmianami diagenetycznymi kryszta³ów samej siarki rodzimej.

Sfosylizowane szcz¹tki bakteryjne s¹ wyraŸnie zró¿ni-cowane morfologicznie,maj¹ one ró¿ne kszta³ty i wielkoœæ. Struktury te zmieniaj¹ siê od form nitkowatych o zmiennej

d³ugoœci i gruboœci, poprzez krótkie formy pa³eczkowate proste lub wygiête, a¿ do bardzo drobnych rozproszonych lub ³¹cz¹cych siê struktur wyd³u¿onych i kulistych. Zacho-wane struktury s¹ g³adkie (przewa¿nie) lub ornamentoZacho-wane. Zebrany materia³ dokumentacyjny pozwala wyró¿niæ kilka grup morfologicznych skamienia³ych szcz¹tków organicznych:

1) Najczêœciej wystêpuj¹cymi strukturami s¹ krótkie (o d³ugoœci od ok. 25 ìm do ok. 200–300 ìm) i ró¿nej gru-boœci (od ok. 5–10 ìm, ale czêsto wzglêdnie grube do ok. 30–80 ìm) formy pa³eczkowate (ryc. 2–3). Zwykle s¹ one w ró¿nym stopniu zgiête lub ³ukowate, nierzadko (pod mikro-skopem elektronowym) obserwowana jest ornamentacja równoleg³a do wyd³u¿onej osi, przewa¿nie zaœ s¹ g³adkie, zw³aszcza formy drobniejsze (ryc. 4). Grubsze struktury mog¹ byæ powiêkszone przez diagenetyczny wzrost krysz-ta³ów siarki.

1058

Przegl¹d Geologiczny, vol. 54, nr 12, 2006

Ryc. 3. Gruba forma pa³eczkowata lekko wygiêta (dolna czêœæ fot.). W tle liczne, bez³adnie rozproszone bloki krystaliczne siarki rodzimej (obszary ciemne) w kalcy-cie (obszary jasne). P³ytka kalcy-cienka Ryc. 1. Wzglêdnie liczne, zmiennej

d³u-goœci, na ogó³ krótkie i proste, nitkowate, a miejscami laseczkowate struktury po mikroorganizmach. Czêœæ struktur jest zatarta na skutek rekrystalizacji siarki rodzimej. Ciemne obszary — siarka rodzi-ma, jasne — kalcyt. P³ytka cienka

Ryc. 2. Rozproszone wystêpowanie siarki rodzimej (kolor ciemny) w kalcycie (kolor jasny). Wœród kryszta³ów siarki mocno ³ukowato wygiêta skamienia³oœæ po mikro-organizmie (œrodkowa czêœæ fot., obok bezkszta³tnego skupienia krystalicznej siarki). P³ytka cienka

2µm _{pr. S-5a} Signal A = SE1

Mag = 2.87 KX EHT = 15.00 kVWD = 21 mm Date: 5 Sep 2002Leszek Giro

Ryc. 4. Krótka i g³adka, lekko zgiêta forma pa³eczkowata zatopio-na w bloku krystalicznym siarki. Obraz SEM

2) Rzadziej zaœ widoczne s¹ (lepiej w p³ytkach cienkich) formy proste i laseczkowate o doœæ zmiennej d³ugoœci do ok. 300 ìm i doœæ sta³ej gruboœci ok. 20–25 ìm (ryc. 1), niekie-dy ³¹cz¹ce siê ³añcuszkowato po 2–3 obiekty.

3) Obok tych struktur rzadko spotyka siê silnie wyd³u-¿one struktury nitkowate o g³adkiej powierzchni i falistym przebiegu i czasem o czêœciowo zachowanej strukturze wewnêtrznej (ryc. 5). Maj¹ one doœæ sta³¹ gruboœæ (do ok. 1–5 ìm) i zmienn¹ d³ugoœæ — do kilkudziesiêciu mikro-metrów (zwykle do ok. 50–80 ìm).

4) W niektórych skupieniach siarki pylastej miejscami doœæ czêsto zauwa¿alne s¹ drobne formy pa³eczkowate. S¹ one cienkie (do 0,5 ìm) i d³ugoœci do ok. 5–6 ìm. Te pa³ecz-ki siarpa³ecz-ki wystêpuj¹ pojedynczo lub nierzadko ³¹cz¹ siê ze sob¹ w ³añcuszek z³o¿ony z kilku form (ryc. 5, 6).

5) Ponadto miejscami widoczne s¹ liczniejsze drobne formy kuliste, o œrednicy ok. 0,5–1 ìm. Struktury te mog¹ wystêpowaæ (przewa¿nie) pojedynczo, mog¹ byæ bez³adnie rozproszone lub nieregularnie zgrupowane albo te¿ tworz¹ formy z³o¿one, paciorkowate (ryc. 6).

Jak wspomniano, obfity materia³ dokumentacyjny sfo-sylizowanych struktur po mikroorganizmach wystêpuj¹cych

w wapieniach siarkonoœnych i siarce rodzimej zawiera w sobie wiele istotnych implikacji genetycznych odnoœnie do genezy mioceñskich z³ó¿ siarki zapadliska przedkarpackie-go. Obecnoœæ sfosylizowanych szcz¹tków bakterii siarko-wych dowodzi bezsprzecznie udzia³u mikroorganizmów w powstawaniu z³ó¿ siarki, a tym samym biotycznego pocho-dzenia czêœci mineralizacji siark¹ rodzim¹ formacji siarko-noœnej zapadliska. Z pozoru te¿ mo¿e siê wydawaæ, ¿e nie rozstrzyga o czasie powstania tych z³ó¿. Jednak fakt ten, zanalizowany w ca³ym kontekœcie geologicznym, wnosi du¿o implikacji do sposobu utworzenia z³ó¿ siarki, a to sugeruje konkretny etap czasowy. Warto bowiem zwróciæ uwagê, ¿e rozmaite spostrze¿enia — dotycz¹ce np. wystê-powania, zachowania i przekszta³cenia morfologicznego tych struktur (np. na skutek zmian diagenetycznych zwi¹zanych z rekrystalizacj¹ siarki), ich cech geochemicz-nych, a zw³aszcza z³o¿onych relacji z otaczaj¹cym i zró¿ni-cowanym t³em mineralnym, oraz ich cech strukturalnych — odnosz¹ siê do sposobu, czasu i miejsca powstania tych z³ó¿. Wymaga to jednak systematycznego i obszerniejszego opra-cowania zebranego materia³u dokumentacyjnego, co nast¹pi w póŸniejszym czasie.

Literatura

ALEKSENKO I.I. 1967 — Sera Predkarpatija. Niedra. Moskwa. BOLEWSKI A. 1935 — O z³o¿u siarki w Pos¹dzy. Spraw. Pañstw. Inst. Geol., 8: 205–305.

CZERMIÑSKI J. 1960 — Struktury mikroorganogeniczne siarki rodzi-mej w tortonie. Kwart. Geol., 4: 531–537.

FISCHER E. & DOWGIA££O A. 1965 — Uwagi o bakteriach siarko-wych wód odkrywkowej kopalni siarki w Piasecznie na tle cech œrodo-wiska. Przew. XXXVIII Zjazdu Pol. Tow. Geol., 153–160.

G¥SIEWICZ A. 2000 — Sedymentologia i diageneza wapieni posele-nitowych a model genetyczny polskich z³ó¿ siarki rodzimej. Pr. Pañstw. Inst. Geol., 172: 1–143.

KONDAKI W. 1883 — O przemyœle siarkowym w Królestwie Pol-skim. Prz. Techn., 17: 102–105.

KRAJEWSKI R., 1935 — Z³o¿e siarki w Czarkowach. Spraw. Pañstw. Inst. Geol., 8: 1–40.

KRAJEWSKI R. 1962 — O budowie i powstaniu z³o¿a siarki w Pia-secznie. Wszechœwiat, 4: 85–91.

KUBICA B. 1992 — Rozwój litofacjalny osadów chemicznych Badenu w pó³nocnej czêœci zapadliska przedkarpackiego. Pr. Pañstw. Inst. Geol., 133: 1–64.

KURTZ W. 1965 — Bakterie siarkowe w rudzie siarkowej z Piaseczna. Kwart. Geol., 9: 216–231.

MICHALSKI A. 1884 — Zarys geologiczny strony po³udniowo-za-chodniej guberni kieleckiej. Pamiêtnik Fizjograficzny, 4: 1–24. NAWRATIL A. 1877 — O siarce i dwusiarczku wêgla w Swoszowi-cach. Prz. Techn., 6: 1–10.

NIED
WIEDZKI J. 1883 — Stosunki geologiczne formacji solonoœnej Wieliczki i Bochni. Kosmos, 8: 244–252.

NIEÆ M. 1982 — Problemy genezy biochemogenicznych z³ó¿ siarki na przyk³adzie z³o¿a Miszrak w Iraku. Zesz. Nauk. AGH, 28: 1–163. NIEÆ M. 1992 — Native sulfur deposits In Poland. [In:] Wessel G.R. & Wimberly B.H. (Eds), Native sulfur developments in geology and exploration, Littleton. Colorado, 23–50.

OSMÓLSKI T. 1973 — Problemy genezy i wieku koncentracji siarki. Kwart. Geol., 17: 301–325.

PAW£OWSKA K. 1962 — O gipsach, siarce rodzimej i pogipsowych ska³ach œwiêtokrzyskiego miocenu. Ks. Pam. ku czci Prof. J. Samsono-wicza. Wyd. Geol., PAN Kom. Geol., 69–82.

PAW£OWSKI S. 1968 — Geology of sulphur deposits in Poland. 23rd

Intern. Geol. Congress, Academia Prague. Czechoslovakia, 249–265. RYKA W. — Problem powstania tarnobrzeskiego z³o¿a siarki rodzimej w œwietle badañ petrograficznych. Kwart. Geol. 30: 473–498. SOKOLOV A.S. 1965 — O genezie mestorozhdenii samorodnoj sery. Litologia i Poleznyje Iskopayemye, 2: 51–59.

SUSZYCKI ¯. 1876 — Pok³ady siarki, oleju i wosku ziemnego w DŸwiniaczu, tudzie¿: Ogólny pogl¹d na pochodzenie oleju ziemnego. Spraw. Kom. Fizjogr. Akad. Umiej., 10: 171–179.

TEISSEYRE W. 1921 — Zarys tektoniki porównawczej Podkarpacia. Kosmos, 46: 242–271.

¯UK W., HA£AS S., LIS J. & SZARAN J. 1973 — Sk³ad izotopowy siarki rodzimej ze z³ó¿ tarnobrzeskich. Prz. Geol., 21: 274–276.

1059 Przegl¹d Geologiczny, vol. 54, nr 12, 2006

1µm _{pr. S-5a} Signal A = SE1

Mag = 8.40 KX EHT = 15.00 kVWD = 9 mm Date: 5 Sep 2002Leszek Giro

Ryc. 5. Fragment d³ugiej mikroskamienia³oœci nitkowatej z czêœ-ciowo zachowan¹ struktur¹ wewnêtrzn¹ oraz widoczne w jej oto-czeniu bardzo cienkie i drobne, pojedyncze lub ³¹cz¹ce siê, proste i lekko zgiête formy pa³eczkowate oraz pojedyncze bardzo drobne formy kuliste. Obraz SEM

1µm _S-5b Signal A = SE1

Mag = 7.30 KX EHT = 15.00 kVWD = 8 mm Date: 6 Sep 2002Leszek Giro

Ryc. 6. Doœæ liczne i czêœciowo zatarte, bardzo cienkie i drobne, proste i lekko zgiête formy pa³eczkowate, pojedyncze lub ³¹cz¹ce siê, oraz pojedyncze i zgrupowane, bardzo drobne formy kuliste. Obraz SEM