碳酸盐岩结核在地质记录中普遍存在,但由于缺少现代类似物,对其成因机制的认识长期存在分歧。本研究以华北中元古代高于庄组三段碳酸盐岩结核为研究对象,通过对其围岩铁组分、特殊矿物组构的研究来确定其形成的环境背景;通过结核内的组构特征、有机碳同位素分布、主微量元素变化揭示导致结核形成的主导微生物化学过程和形成机制。高三段碳酸盐岩结核产出于黑色薄层泥质白云岩夹黑色页岩岩性段内,缺乏水体扰动标志,指示了正常浪基面之下的深潮下带沉积环境。结核多呈椭球状(直径5cm-40cm不等),以泥质微晶白云岩为主,内部纹层平直,边缘带因压实而环绕结核,表明结核具有早期成岩成因。结核内主微量元素、无机和有机碳同位素等地球化学组成均具有较好的对称性,可能反映了结核不同的生长阶段。由于结核具有早期成岩成因,因此底层海水化学条件对其成岩过程具有重要影响。本研究通过结核围岩的铁组分和有机碳同位素分析古海洋环境。结果表明黑色页岩铁组分具有高Fe _HR/Fe _T比值(0.43-0.84)和低Fe_P/Fe_HR比值(0.00-0.02)特征,指示缺氧铁化的底层海水特征;碳酸盐岩具有较亏损的有机碳同位素组成(δ¹³C_org<-32‰),指示化能自养和/或厌氧光合自养微生物对有机碳的组成有重要贡献,从而也间接指示底层海水缺氧。因此高三段结核早期成岩发生在缺氧铁化的水体下。在早期成岩阶段多种微生物化学过程均可导致碳酸盐岩沉淀,诱发结核形成,如硝酸盐还原、铁还原(DIR)、细菌硫酸盐还原(BSR)、甲烷厌氧氧化(AOM)、产甲烷作用等。但由于元古宙中期海洋氧化程度极低,海水中NO₃^-浓度有限,硝酸原还原反应不太可能成为导致高三段碳酸盐结核的主要微生物化学过程。由于结核形成于铁化底层水体背景下,因此尽管在结核边缘发育有黄铁矿带,表明在结核形成晚期有BSR参与,但也不应是结核形成的主导微生物化学过程。结核中大量发育的鱼骨状方解石、铁白云石、针铁矿等含铁矿物可能指示了DIR过程为高三段结核形成的主导微生物化学过程。DIR过程的铁可能源自氧化还原界面之上形成的Fe(OH)₃沉淀以及陆源碎屑携带的Fe(OH)₃等。DIR反应发生在沉积物水界面及之下,该过程一方面为碳酸盐岩沉淀提供大量HCO₃^-,另一方面为鱼骨状方解石提供沉淀抑制剂Fe²⁺,并导致含铁矿物沉淀(如铁白云石、针铁矿形成(后期氧化)等)。值得指出的是,结核的δ¹³C_carb值并未显著亏损(-1.83‰--0.53‰),表明微生物化学过程仅对结核内碳酸盐的沉淀起到诱发作用,大部分的HCO₃^-仍源自海水。