湖相原生白云石的微生物成因机理探讨*

近年来,随着对微生物白云石模式研究的不断深入,为解释“白云石问题”提供了新思路。前人对微生物白云石成因研究侧重于微生物对未固结沉积物的改造,即有机准同生白云石化作用,这与实验室中以微生物为媒介形成的“有机原生白云石”在成因机理上存在差异。笔者将微生物白云石机理引入湖相原生白云石成因解释中,认为在湖水—沉积物交界处也会发生微生物成因的原生白云石沉淀,即有机原生白云石。湖水与沉积物交界处的微环境存在明显区别,总体可分为有氧和缺氧2种亚环境,不同亚环境中生活有不同的微生物群落。根据湖泊亚环境特性和微生物种类及其在白云石形成过程中所发挥的作用,可以区分出细菌有氧氧化模式、硫酸盐还原模式和产甲烷模式3种微生物白云石模式。不同模式对应于不同的湖泊环境: 细菌有氧氧化模式主要发生于有氧、高Mg/Ca值的咸水/盐湖环境;硫酸盐还原模式主要发生于缺氧、高Mg/Ca值的咸水/盐湖环境;产甲烷模式主要发生于缺氧、低Mg/Ca值的淡水/咸水湖环境。另外,还探讨了pH值变化、SO42-的存在和硫化物对镁水合物脱水的影响以及微生物白云石沉淀的环境因子。对微生物成因的原生白云石模式的深入认识,将为湖相白云石成因研究提供新的理论基础和研究思路。     

“白云石（岩）问题”与湖相白云岩研究

 近30年来,微生物白云石模式推动“白云石（岩）问题”前进了一大步,大量的实验和实例证明微生物（硫酸盐还原菌、产甲烷古菌、中度嗜盐有氧细菌等）的代谢活动对于促进白云石低温沉淀起了关键作用。微生物白云石特殊的微结构、微形貌和稳定同位素特征是其主要识别标志。然而,该模式在微生物成岩规模、诱导机制、是否存在纳米细菌化石以及现代微生物白云石成因模式能否用来解释古代白云石的成因等方面仍存在较大争议。我国古代湖相白云岩因其时空分布广、成因机制多样等特点可为“白云石问题”的研究提供良好的条件。     

白云岩有机成因模式:机制、进展与意义

白云岩是一种常见的碳酸盐岩,它广泛分布在古代碳酸盐岩台地中,却很少见于全新世沉积物中,这构成了一个未解之谜。近20多年的研究成果表明,早期成岩过程中微生物参与的硫酸盐还原反应、甲烷生成和厌氧氧化反应以及有氧呼吸作用能够促进白云石的沉淀:细菌细胞和胞外聚合物(EPS)带有负电荷,能够聚集溶液中Mg2+和Ca2+;同时上述氧化还原反应产生HCO3-,提高了孔隙水中反应物的浓度;这样在细菌细胞周围形成一个对白云石超饱和的微环境,有利于白云石的沉淀。这是一种新的白云石成因模式,微生物活动和有机质是影响白云石形成最重要的因素,特殊的球状形态和碳同位素特征是鉴别有机成因白云石的重要标志。白云岩有机成因模式为认识地质历史时期大套白云岩的成因、探索"白云岩之谜"提供了新的思路。     

柴达木盆地西部SG-1钻孔中白云石成因探讨

由于无机环境下不能沉淀白云石,该矿物的成因一直是学术争论的焦点。柴达木盆地西部钻孔SG-1（长938 m）中出现了大量白云石和铁白云石,白云石主要分布在钻孔下部500 m,而铁白云石主要分布在下部418 m。结合湖泊从淡水湖、咸水湖、盐湖至干盐湖的演化过程,文章分析了白云石和铁白云石的成因。白云石是盐类矿物的一种、且无机环境下不能沉淀,蒸发作用和微生物介导是白云石矿物形成的两个重要影响因素。蒸发作用为白云石的形成提供了足够浓度的Mg2+,微生物的介导作用帮助Mg2+克服动力学障碍进入碳酸钙晶格形成白云石。白云石是湖泊演化早期析出的一种碳酸盐类矿物,主要在咸水湖环境中沉淀,盐湖环境中主要沉淀硫酸盐类和氯化物矿物,在盐湖这种高盐度环境下能够生存的微生物非常少,白云石含量明显降低。铁白云石是白云石矿物的一种,是Fe2+替代白云石中的Mg2+形成的次生矿物。Fe2+有两种来源：粘土矿物转换过程中的释放和深部热液来源。Fe2+进入白云石的过程主要是在无机、高温环境下完成的,但不排除微生物的介导作用。     

渤海湾盆地歧口凹陷沙河街组一段下亚段湖相白云岩及其与海相白云岩的差异

渤海湾盆地歧口凹陷古近系沙河街组一段下亚段湖相白云岩主要为颗粒白云岩和泥晶白云岩两大类,常与泥质岩成薄互层或与其他碳酸盐岩互层产出。该湖相白云岩有序度较低,类似于海相准同生白云岩;Mg/Ca值偏离正常的化学计量值,具有富钙特征,说明其为快速交代的产物;碳氧同位素、Z值分析结果则反映了湖水的咸化程度较高。根据低海平面期蒸发浓缩盐水在湖底形成密度层并向灰质沉积层中回流渗透导致白云石化发生的机理,建立了歧口凹陷沙一下亚段湖相白云岩的成因模式。湖相白云岩的分布特征及其与海相白云岩的差异分析表明,湖相白云岩具有分布面积小、白云石化作用不彻底等特征,油气储集性能较为局限。     

海底冷泉环境中的白云石(岩)研究现状

白云岩成因问题一直是个未解之谜,近年提出的微生物成因模式受到了广泛关注。白云石在现代和古代冷泉环境中普遍发育,以白云石为主的冷泉白云岩主要呈烟囱状和管状产出,微观上可见菱形白云石,也有梭形和哑铃状的白云石。冷泉白云石碳同位素值变化较大,指示了可能主要来源于冷泉渗漏甲烷、海水溶解无机碳、有机质氧化和产甲烷残余的CO2等,而氧同位素值的变化可能与甲烷水合物的生成与分解、黏土矿物的脱水和沉积温度等有关。半封闭的冷泉渗漏环境中的微生物甲烷缺氧氧化和硫酸盐还原作用可能有利于白云石的沉淀。与微生物实验相结合的冷泉白云岩研究可能是"白云岩问题"取得突破的新方向。     

内蒙古吉布胡郎图诺尔盐湖厌氧菌对白云石形成的催化作用

白云石的成因机制是地球科学领域备受关注的研究热点之一.地质微生物学家提出的"微生物白云石模式"为解答原生白云石沉积问题提供了新思路.具备孕育原生白云石能力的潮坪和盐湖被认为是研究微生物活动与白云石成因关系的天然实验室.以内蒙古吉布胡郎图诺尔盐湖湖底白云石的发现为研究切入点,尝试评估厌氧微生物对白云石生成的贡献,并回答硫酸根对其催化效能的影响.室内模拟实验表明厌氧菌群及隶属于嗜碱菌属的菌株JN-1均具备催化白云石形成的能力.X-射线粉晶衍射(XRD)分析显示,微生物诱导的矿物产物为无序白云石.扫描电镜(SEM)结果揭示,微生物成因白云石的形貌随培养时间的延长从亚微米球状体转变为微米尺寸的椭球体和哑铃体.此外,模拟实验还证实硫酸根对微生物催化白云石的效能没有抑制作用.以上结果对我们正确认识硫酸根在白云石形成中的作用和促进白云石成因的深入研究具有重要理论意义.     

湖北江陵凹陷古新统沙市组四段硫酸盐硫同位素组成及其地质意义

江汉盆地江陵凹陷古新统沙市组四段硬石膏和钙芒硝中硫同位素组成为25.2‰~32.6‰,远远高于同时期海水硫同位素(20‰)。结合研究区古新统沙四段蒸发岩⁸⁷Sr/⁸⁶Sr研究,借助Mg、Ca、Sr、Ba等元素及其Mg/Ca、Sr/Ba,认为江陵凹陷沙四段时期湖盆为封闭的陆相盐湖。根据典型暖相盐类矿物(原生钙芒硝)的广泛发育和指示气候干旱程度的Fe₂O₃/FeO特征,可以推断研究区在沙市组四段沉积晚期的古气候属于暖旱型气候。在温暖干旱的气候环境下,硫酸盐沉积物供给率较低,因此当时的沉积环境对硫酸盐是封闭的。通过Fe、Mn、Al、 Mg、Ca、Ni、V 、Co、Cu等主微量元素以及Fe/Mn、(Fe+Al)/(Ca+Mg)、w(V+Ni+Mn)、V/(V + Ni)、Ni /Co、Cu/Zn的研究表明,研究区沙市组四段环境为湖盆浪基面之下的缺氧还原环境,为常年性较深水分层湖泊。上述缺氧沉积环境下存在大量的厌氧细菌,表生（≤50 ℃）条件下,厌氧细菌使硫酸盐SO^2-₄还原成H₂S,后者与金属离子结合形成硫化物或直接从体系中逸出,再加上当时的内陆环境对硫酸盐是相对封闭的,这种硫循环过程是造成研究区硬石膏和钙芒硝硫同位素值较高的原因,也是研究区最重要的硫同位素分馏过程。     

江汉盆地潜江凹陷上始新统含盐岩系准原生白云岩的沉积学特征与形成机理

江汉盆地是我国东部独具特色的古近纪盐湖盆地，其潜江凹陷上始新统含盐岩系中的泥晶白云岩由泥晶白云石组成。泥晶白云石在阴极发光下呈红色、橙红色，与其伴生的矿物除原生钙芒硝、石盐、陆源泥质外，方解石没有或极少； X衍射分析结果表明，泥晶白云石的CaCO3摩尔含量平均为57.30％，有序度平均为0.40，具高富钙、低有序的特征；与钙芒硝岩的紧密共生，说明泥晶白云岩沉积环境的水介质为高盐度的咸水或淡卤水；根据氧同位素数据计算的沉积环境的水体温度平均为30.5℃，与泥晶白云石伴生的原生钙芒硝晶体中的包裹体均一温度最低值为44℃，这2组温度数据基本接近，表明泥晶白云石沉淀时环境水体的温度大致在30.5～44℃之间。由此推断，潜江凹陷上始新统含盐岩系产出的泥晶白云岩是在具较高温度和盐度、高Mg/Ca比值、常年性分层古盐湖水体中，由化学沉淀作用直接形成的准原生白云岩。     

高温实验模拟Mg/Ca浓度对文石质生物碎屑白云石化过程的影响

高温(150℃以上)合成白云石实验被认为是了解自然条件下白云石成因的有效途径。选择自然条件下对白云石成因有重要影响的Mg/Ca值(摩尔浓度比)指标,分别采用鹿角珊瑚和大琵琶螺两种文石质生物碎屑为先驱反应物,在220℃高温环境下对不同Mg/Ca值(0.5、0.7、1.0、1.2、1.5)和不同反应时间(0.5、1.0、1.5、2、3、6、8、14 h)条件下文石质生物碎屑的白云石化过程开展研究。结果表明,在高温条件下白云石化过程可分为诱导阶段、快速反应阶段和平稳阶段,这一反应过程未明显受到先驱文石质反应物的影响,反映了流体Mg/Ca浓度对白云石化产物具有明显的控制作用。随着反应溶液Mg/Ca值的提高,白云石化的诱导期缩短、速率加快,产物白云石中CaCO₃的摩尔分数降低且有序度提高,表明高Mg²⁺浓度能够促进Mg²⁺快速交代文石中的Ca²⁺并完成白云石的有序化过程。研究结果为解释自然条件下Mg/Ca浓度对白云石化过程的影响提供了基础理论支撑。     

塔里木盆地和田1井中寒武统膏岩层段发现原生白云石

岩石学与地球化学研究表明,塔里木盆地和田1井中寒武统膏岩层中白云石为原生白云石。岩石学特征上,白云石晶体微小,属隐晶—微晶(5μm),呈他形—次圆形,并且不含灰质前驱物。白云石与自生石膏有密切联系,根据其与石膏的关系及岩石学特征,可以将其分为两类:A类原生白云石,包裹在石膏内,晶体较大,一般大于3μm;B类原生白云石,石膏分散在其中,具有极好的长柱状晶形,白云石晶体较小,一般小于3μm。地球化学特征上,两类白云石差别也较明显。A类白云石具有高的n(Mg)/n(Ca)比,平均为0.96,接近化学计量白云石。Na_2O,Sr O,Fe O,Mn O平均含量分别为160μg/g,270μg/g,2250μg/g,120μg/g。δ~(13)C(PDB)与δ~(18)O(SMOW)平均值分别为0.3‰,24.6‰;与A类原生白云石相比,B类原生白云石n(Mg)/n(Ca)比较低,平均值为0.90。具有较高的Na_2O,Fe O,Mn O含量与稍低的Sr O含量,平均值分别为290μg/g,2540μg/g,200μg/g,200μg/g。δ~(13)C(PDB)与δ~(18)O(SMOW)变化不大,δ~(13)C稍低,平均值为-0.3‰,δ~(18)O值较高,平均值为25.2‰。研究表明,文中白云石为原生沉淀,而非交代前驱物灰岩形成,Mg的来源为强烈蒸发形成的高盐度咸水。微生物可能参与了白云石沉淀过程。     

影响湖相沉积岩中有机碳分布的主要因素--以三水盆地为例

湖相沉积中的有机质含量随有机质堆积条件变化而发生波动。本以三水盆地下第三系布心组二段地层粉列，对其作高分辨率岩芯取样并结合地球化学方法，分析生物学因素对有机碳分布的影响。在较干燥的气候条件下，水生浮游生物是有机质的主要来源，由于此时湖泊与海洋沟通，出现半咸水环境，硫酸盐还原作用显，不利于有机质保存。所取岩芯段的中上部即是这种情况，以低TOC和高SRI值为特征。而当气候湿润时，植物繁荣，湖水淡化，陆源有机质丰富。缺氧条件下的有机质降解主要是效率极低的发酵作用。有利于有机质保存。这种情形出现于岩芯段的下部，以较高TOC和较低SRI值为特征。     

川东北地区三叠系飞仙关组白云化流体的Ca/Mg比定量估算

作为川东北地区三叠系飞仙关组天然气气藏最重要储集岩的粒屑白云岩和结晶白云岩的成因始终是沉积和石油地质学家高度关注的研究热点之一.在总结川东北地区三叠系飞仙关组不同类型白云岩形成温度的基础上,通过已有的白云化流体Ca/Mg值和温度之间关系式获得了川东北地区三叠系飞仙关组白云化流体的Ca/Mg值的主要分布范围.结果表明:不同类型白云岩对应的白云化流体具有不同的Ca/Mg值,同时证实了三叠纪海水或与之有关的海源流体、三叠纪海水与大气淡水混合流体的Ca/Mg值都符合在40～130℃区间、甚至更高温度下白云化(白云石沉淀)作用的要求,微晶白云岩和具原始结构的粒屑白云岩可能与地表—近地表的低温、小Ca/Mg值混合流体中相对快速的白云石沉淀作用有关,并形成了相对细的他形白云石;结晶白云岩(包括结构类似的过渡岩石类型、白云石胶结物)可能与埋藏的高温、大Ca/Mg值三叠纪海水或与之有关的海源流体中相对缓慢的白云石沉淀作用有关,并形成了相对粗的自形白云石.白云化流体的Ca/Mg值估算,可望为川东北地区三叠系飞仙关组优质储层白云岩的成因研究提供一些有价值的基础资料.     

江汉盐湖盆地盐间白云岩特征及成因分析

江汉盐湖盆地潜江凹陷古近系潜江组广泛沉积了一套盐间非砂岩,本文详细研究了该套盐间非砂岩中白云岩的分布、类型、矿物学特征及地球化学特征,探讨了盐间白云岩的成因。研究表明,该套白云岩主要为泥晶白云岩。发育程度与盐岩量成正比。盐间白云岩的矿物组分复杂,白云石有序度低,微量元素以富Fe、Na、高Fe/Mn比值为特征。盐间白云岩主要为盐湖湖盆沉积环境的产物,水体盐度高,总体为碱性环境,Mg/Ca比值低,主要为原生-准同生阶段沉积的产物。     

青藏高原湖泊水化学与盐度的相关性初步研究

本文综合分析了青藏高原地区400多个湖泊的水化学成分(Mg2+、Ca2+、Sr2+、Sr/Ca和Mg/Ca)与湖水盐度的相关关系,以及这种关系随着湖水变化(不同采样时间和采样点以及蒸发实验)而产生的变化规律。认为:在青藏高原湖泊中,Mg2+与盐度具有较为稳定的正相关关系,而Ca2+、Sr2+、Sr/Ca以及Mg/Ca与盐度的相关性较弱且不稳定。而在特定的水化学类型的湖泊中,碳酸盐型湖泊的Mg2+、Ca2+以及Mg/Ca与盐度均没有明显的相关性。硫酸盐型湖泊中Mg2+和盐度呈现较高的正相关关系,而Ca2+以及Mg/Ca与盐度的相关性仍很弱。而在氯化物型湖泊中,Mg2+与盐度呈更强的正相关关系,Ca2+与盐度也呈一定的正相关关系,而Mg/Ca与盐度的相关性依然很弱。在特定的单个湖泊中,Ca2+以及Mg/Ca与盐度的相关性仍然不稳定或很弱,而Mg2+与盐度仍然保持明显的正相关关系。在青藏高原利用湖相沉积恢复特定湖区古环境演化序列的时候,Mg2+浓度是湖水古盐度一个较好的转换指标,而在应用Mg/Ca这一指标时应谨慎。     

微生物白云石模式评述

Vasconcelos等在实验室模拟巴西Lagoa Vermelha潟湖条件,成功地沉淀出白云石,由此提出了微生物白云石模式。该模式在南澳大利亚、阿拉伯海湾、西印度外陆棚边缘以及意大利南部等地区得到了不同研究者的肯定,我国鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组五段白云岩也可以解释为微生物成因。此模式对白云石形成机理的研究具有突破性的意义。当硫酸盐还原细菌利用SO42-时,也吸收了Mg2+,因为Mg2+与SO42-形成了很强的离子对。微生物由于其新陈代谢作用利用SO42-而克服了动力障碍,同时从离子对中释放出Mg2+。在白云石形成的化学反应中,微生物因素把硫酸根离子从反应的抑制剂变成了催化剂。白云石一旦成核,就会在埋藏过程中长大。尽管不是所有的白云石都可以用微生物白云石模式来解释,但野外研究和模拟实验都证明这一模式是有说服力和生命力的。     

现代沉积物中硫、碳含量及其与沉积环境的关系

为了确定全硫,全碳有机碳与沉积环境的关系,分析了267个现代沉积物样品中的这些元素,这些样品取自不同的沉积环境中,即:日本群岛附近的九个湖泊和六个海域。在还原条件下淡水沉积物中的全硫平均含量低于半咸水和海水沉积物中的全硫量。然而,在氧化的海湾沉积物与给养丰富的淡水湖泊沉积物之间,全硫含量不存在明显的差异。有机碳的含量,在湖泊沉积物中比在海相沉积物中高;而碳酸盐碳,在海相沉积物中却比湖泊沉积物中更为丰富。至于硫的化学状态,除深海沉积物(没有测定硫化物硫)外,50％以上的全硫以硫化物状态存在。在多数情况下,在较强氧化条件下形成的沉积物中,全硫和有机碳含量之间表现为一种密切的正相关关系。在现代沉积物中全硫、有机碳和硫酸盐硫似乎比古老沉积岩中更丰富,虽然全硫含量对确定沉积岩的堆积环境是很有用的,但是非碳酸盐碳与全硫的浓度比值为区分海相成因沉积岩与非海相沉积物提供了更好的标志。     

微生物白云岩模式研究进展

白云石（岩）问题一直是沉积学领域长期关注的研究主题之一。近年来,在研究含有白云石的现代自然环境和促进原生白云石的沉淀实验中,都加入了微生物因素,并取得了令世人关注的效果,这无疑为白云石（岩）的成因研究提供了新思路与新途径。在前人研究基础上,总结现有的观察资料和实验结果,将微生物促进白云石沉淀的机理模式归纳为厌氧模式和需氧模式2种,并分别介绍这两种模式中硫酸盐还原细菌、产甲烷菌和嗜盐好氧细菌促进白云石沉淀的机理;与微生物相关的矿物形态学特征中,球形和哑铃形白云石及白云石最初的成核阶段所形成的纳米球粒状结构具有一定代表意义,尤其是纳米球粒状结构可以作为生物矿物学上微生物白云石的标志性结构。通过这些特殊的形态特征来寻找微生物作用的证据,或可为古代相似成因白云石（岩）的成因研究提供一种标志。     

渤海湾盆地黄河口凹陷沙河街组白云岩成因机理

为了研究渤海湾盆地黄河口凹陷沙河街组白云岩成因机理,通过岩心观察、薄片鉴定、阴极发光、X衍射、扫描电镜、背散射、碳氧同位素等方法,分析白云石岩石学、形貌学和同位素地球化学特征.结果表明,白云岩呈黄棕色,发育大量溶蚀孔和高岭石、燧石等矿物,δ13C值为-0.50‰~4.58‰,δ18O值为-14.58‰~-2.19‰,总体具有δ13C低正值,δ18O负值的特点.泥晶白云石,由微米级球状白云石和白云石化蓝细菌组成,亚微米级孔隙发育,见薄片状细菌丝和草莓状黄铁矿;纤维状白云石环边胶结物充填在溶蚀孔洞或围绕颗粒表面生长;菱形白云石,漂浮状分散在孔隙中.准同生期,硫酸盐还原菌的催化作用形成球形白云石;随后,受大气淡水淋滤,在湖底成岩环境微生物影响下形成纤维状白云石环边胶结物;浅埋藏期,由于埋藏白云岩化形成菱形白云石.这为古老湖相白云岩微生物成因提供具体实例,且对该地区勘探提供参考.      

银额盆地哈日凹陷下白垩统热水沉积岩特征及成因

银额盆地哈日凹陷下白垩统具有独特的沉积构造和矿物组成.通过开展岩石矿物和地球化学研究,论证其热水成因,探讨沉积环境和形成模式.研究区下白垩统发育方沸石、菱铁矿和白云石等矿物,富含Fe、Mn和Ba等元素,具有高∑REE、LREE富集和负Eu异常的稀土元素特征.结合Fe vs.Mn vs.（Cu+Co+Ni）×10和Ni vs.Co vs.Zn三角图解,证实下白垩统普遍含有热液成分.微量元素及碳氧同位素分析指示热水沉积岩形成于缺氧、封闭的咸水湖泊环境;氧同位素计算形成温度为43.94~86.08 ℃.研究表明,丰富的断裂系统为湖水下渗和热液喷流提供通道,湖水与热液的对流活动为湖盆持续输入热量和成矿离子.此类湖相热水沉积持续时间长、影响范围广,主要受物源供给和热液性质控制,代表一类特殊的沉积模式.