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、SO_4~(2-)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。     

贵州水银洞地热水水化学特征与成因

以贵州水银洞地区地热水为研究对象,作piper三线图、聚类谱系图、散点图等对该区地热水水化学特征进行分析,并利用氢氧同位素对热水补给来源、循环深度分析,结合PHREEQC进行水文地球化学模拟对热水成因进行研究.结果 表明,地热水属于低中矿化度的弱碱性水,阳离子以Ca2+、Na+为主,阴离子以SO42--、HCO3-为主,水化学类型以HCO3-·SO42-Ca2+为主,少量HCO3-·SO42-Na+型.氢氧同位素特征及Na-K-Mg三线图表明,热水主要来源于大气降水,水岩程度较低,补给高程1657～2232m,循环深度1295～1790m,热储温度56.82～74.16℃.用PHREEQC进行水文地球化学模拟得到4个模型,均显示地热水形成过程中消耗CO2、O2,黄铁矿被氧化,大量方解石、白云石溶解,并发生Na-Ca阳离子交换作用.大气降水于灰家堡背斜西侧40 km外出露的茅口组地层补给到含水层中,冷水穿过时氧化煤系地层及构造蚀变带中硫化物生成SO42-离子,并在运移过程中受到深大断裂输送的大地热流加热,热水储集在构造蚀变体中与围岩发生反应.硅酸盐矿物溶滤出Na+离子,方解石、白云石被溶解得Ca2+、Mg2+及HCO3-离子,同时在热水中发生Na-Ca阳离子交换作用.良好的储盖条件、发育的构造及热流使研究区形成以Ca2+、Na+、SO42-、HCO3-离子为主的地热水.     

离子类型对石油污染含水层中微生物去除苯的影响

近来利用微生物原位修复受石油污染的含水层已被广泛关注,然而地下水中含有许多离子成分,这些无机离子对微生物降解有机污染物的影响机制还不清楚。本文采用批量实验研究了淄博齐鲁石化污染地下水中常见的7种无机离子(NO3-、PO4 3-、SO4 2-、Cl-、Ca2+、Mg2+、Fe3+)对微生物生长及生物降解苯的影响规律,利用高通量测序技术进一步探究了苯降解菌的种群特征。结果表明：7种离子都存在一个最适宜微生物生长的离子浓度,低于或超过该浓度苯的去除率明显降低,其中NO3-、SO42-、Fe3+最适宜浓度为0. 4mmol/L,PO4 3-、Cl-、Ca2+、Mg2+最适宜浓度分别为0. 2mmol/L、0. 1mol/L、2. 5mmol/L、2mmol/L;从微生物含量及其变化幅度来看,地下水环境中的NO3-离子对微生物的生长及苯的去除影响最显著,其他离子的影响则较小,但微生物对Cl-的耐受浓度较高。高通量测序结果显示驯化出的苯降解菌主要属于脱硫弧菌属(Desulfovibrio sp)、脱硫芽胞弯曲菌属(Desulfosporosinus sp)、不动杆菌属(Acinetobacter sp)和假单胞菌属(Pseudomonas sp)中的菌株。研究结果可为石油污染地下水的原位生物修复提供一定的科学依据。     

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。     

广西平桂地区锡矿土壤离子电导率异常特征 和离子成分及找矿预测

为了解广西平桂地区锡矿土壤离子电导率异常特征,研究不同种类离子的含量变化关系对电导率的贡献大小,为解释锡矿土壤离子电导率异常的形成机制提供理论依据.对广西平桂地区锡矿的土壤离子电导率异常进行研究,结果表明:①在已知锡矿体上测出了清晰的土壤离子电导率异常,异常形态呈典型双峰形态“兔耳”状或“单峰”状,异常垂直指示锡矿体的赋存位置;②弄清了锡矿体组成土壤离子电导率异常的离子成分特征,其成分主要是SO42-、Ca2+、HCO3-、C1-、Fe3+、Mg2+、Na+、K+、Mn2+、F-等一套水可溶性离子,经过相关分析得出锡矿土壤离子电导率异常与各种水可溶性离子的相关系数SO42+＞Ca2+＞HCO3＞Cl＞Fe3+＞Mg2+＞Na+＞K+＞Mn2+F-;③在未知区的找矿预测中找到2个具有成矿远景的土壤离子电导率异常,经深部工程验证找到了隐伏锡矿体.     

微生物成因白云石研究进展

"白云岩问题"一直是沉积地质学研究的热点和难点之一,白云岩在我国和世界范围内都是重要的油气储层。因此,深入认识白云岩成因对于碳酸岩油气勘探具有重要参考意义。白云岩成因有多种解释模式,如萨布哈蒸发模式、渗透回流模式、埋藏调节模式、混合水模式、潮汐泵模式等。近几十年来,随着低温白云石研究的不断深入,微生物白云石模式作为一种新的成因模式被提出并不断被完善。本文回顾了微生物成因白云石的研究进展,总结了低温白云石形成的3个动力学障碍(镁离子的高水合能、硫酸根的存在、碳酸根离子的低浓度和低活度),简要介绍了微生物成因白云石模式的建立、微生物成因白云石的生长过程及发育特征,系统分析了微生物在白云石形成过程中的调节作用,指出微生物(如硫酸盐还原菌、古甲烷菌)的存在可以改变溶液中的离子平衡,进而有利地克服白云石形成过程中的动力学障碍,并列举了低温微生物成因白云石的氧同位素指标在古温度恢复和过去气候变化研究中的应用,最后对微生物成因白云石相关研究方向(如多学科交叉、新技术应用等)加以展望。对微生物成因白云石模式的深入认识,将为正确解释"白云岩问题"提供新的途径,也将为石油学家关心的白云岩储层问题提供新的理论基础和研究思路。     

赤水河上游流域水化学变化与离子成因分析

选取赤水河上游流域的河水为研究对象,研究分析了河水的水化学特性沿流域空间变化以及主要离子特别是SO42-的来源等内容.结果显示:赤水河水质属低矿化度硬水,HCO3-和Ca2+为河水中的主要阴阳离子,赤水河是典型的碳酸盐岩河流.以白沙河为界,上段河流水化学组成变化平稳,离子主要来源于天然环境的输入,白沙河下游河流各化学组分差异显著,分析是受一定人为因素的影响.SO42-为次要阴离子,占阴离子总量的30％,发现SO42-与Ca2+、HCO3-与Mg+相关性较好,HCO3-与Ca2+相关性差,推断SO42-来源于石膏的溶解.但石膏的溶解还不能完全解释SO42-的来源问题,经分析环境酸化也是一种影响河水中SO42-含量的重要方式.     

长江水系河水主要离子化学特征

2007年夏季采集了长江从上游沱沱河至入海口的干流原水样品36个,长江各主要支流水样品40个,分析了江水Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3-、SO42-、Cl-离子含量及溶解性SiO2等溶质成分。结果显示,长江流域水系离子化学组成主要受碳酸盐和蒸发岩风化控制,长江上游水离子化学呈现阳离子以K+和Na+为主,阴离子以Cl-和SO42-为主的蒸发岩类风化控制特征,但随着采样点位下移,离子含量逐渐呈现阳离子以Ca2+为主,阴离子以HCO3-为主的逐渐向碳酸盐风化过渡的特征;从时间变化上看,与20世纪50年代至1990年长江水离子化学数据相比,以Na+、K+、SO42-和Cl-为代表的所有阴阳离子均有明显增加;从通量上看,洞庭湖和鄱阳湖是长江离子两个最大的输入源,除洞庭湖和鄱阳湖外的其他长江各大支流中,岷江是长江Na+、K+、Ca2+、Mg2+、F-和HCO3-的最大输入源,嘉陵江是SO24-和溶解性SiO2的最大输入源;在几大世界河流中,长江是对海洋Mg2+、SO24-和Cl-的输入通量最大的河流,Ca2+和HCO3-通量仅次于亚马逊河。     

典型岩溶槽谷区地下水化学特征及地球化学敏感性分析

利用2012年4月—2013年3月的水化学数据研究了重庆老龙洞地下河流域地下水系统地球化学敏感性。结果表明,研究区表层岩溶泉和地下河水化学阳离子分别以Ca2+、Mg2+和Ca2+、Na+为主,阴离子以HCO3-、SO42-为主;表层岩溶泉雨季Mg2+/ Ca2+摩尔比和地下河雨季Na+/ Ca2+摩尔比旱季大于雨季,表层岩溶泉和地下河雨季 HCO3-/SO42- 摩尔比分别为3.428～6.524、3.122～5.966,旱季HCO3-/SO42-摩尔比分别为5.693～8.664、3.428～6.524,表现出低SO42-、高HCO3-的特征,主要受农业活动影响的表层岩溶泉主量元素地球化学敏感性依次为HCO3-> SO42->Ca2+> NO3-> Mg2+> Na+> K+>Cl-,而受农业活动、工业活动、城镇建设活动等多种因子共同影响下的地下河主量元素地球化学敏感性有所变化,依次为HCO3->Na+> Ca2+> K+> Cl-> Mg2+> NO3-> SO42-,随着人类影响的加剧,离子敏感指数将会有增加的趋势。      

基于因子分析的岩溶地下水水质影响因素研究 ——以毕节市大方县南部为例

为了解研究区岩溶地下水水质形成及离子质量浓度空间变异影响因素,以毕节市大方县南部为研究区,采用因子分析方法对56组水样进行分析,得到基于研究区岩溶地下水水质形成及其影响的4组因子(F1、F2、F3、F4):F1以TH、TDS、COD、Ca2+、SO42-、F-为主,代表了碳酸盐岩及膏盐矿物的充分溶解对水质的影响;F2以游离CO₂、Mg2+、HCO3-为主,反映了碳酸盐岩中白云石矿物的溶解对水质的影响;F3以Na+、K+、Cl-为主,代表了盐岩溶解、大气降水对水质的影响;F4以pH、NO3-为主,揭示了人类生活污水和农业灌溉污水对岩溶地下水水质的影响。以上4种因子可以解释研究区岩溶地下水水质影响因素的80%以上。     

Calcium and magnesium‐limited dolomite precipitation at Deep Springs Lake,California

Dolomite [Ca,Mg(CO₃)₂] precipitation from supersaturated ionic solutions at Earth surface temperatures is considered kinetically inhibited because of the difficulties experienced in experimentally reproducing such a process. Nevertheless, recent dolomite is observed to form in hypersaline and alkaline environments. Such recent dolomite precipitation is commonly attributed to microbial mediation because dolomite has been demonstrated to form in vitro in microbial cultures. The mechanism of microbially mediated dolomite precipitation is, however, poorly understood and it remains unclear what role microbial mediation plays in natural environments. In the study presented here, simple geochemical methods were used to assess the limitations and controls of dolomite formation in Deep Springs Lake, a highly alkaline playa lake in eastern California showing ongoing dolomite authigenesis. The sediments of Deep Springs Lake consist of unlithified, clay‐fraction dolomite ooze. Based on δ¹⁸O equilibria and textural observations, dolomite precipitates from oxygenated and agitated surface brine. The Na‐SO₄‐dominated brine contains up to 500 mm dissolved inorganic carbon whereas Mg²⁺ and Ca²⁺ concentrations are ca 1 and 0·3 mm , respectively. Precipitation in the subsurface probably is not significant because of the lack of Ca²⁺ (below 0·01 mm ). Under such highly alkaline conditions, the effect of microbial metabolism on supersaturation by pH and alkalinity increase is negligible. A putative microbial effect could, however, support dolomite nucleation or support crystal growth by overcoming a kinetic barrier. An essential limitation on crystal growth rates imposed by the low Ca²⁺ and Mg²⁺ concentrations could favour the thermodynamically more stable carbonate phase (which is dolomite) to precipitate. This mode of unlithified dolomite ooze formation showing δ¹³C values near to equilibrium with atmospheric CO₂ (ca 3‰) contrasts the formation of isotopically light (organically derived), hard‐lithified dolomite layers in the subsurface of some less alkaline environments. Inferred physicochemical controls on dolomite formation under highly alkaline conditions observed in Deep Springs Lake may shed light on conditions that favoured extensive dolomite formation in alkaline Precambrian oceans, as opposed to modern oceans where dolomites only form diagenetically in organic C‐rich sediments.     

“白云石问题”及其实验研究

“白云石问题”无疑是地质学上最有趣最长久的难题之一。作为一种常见的碳酸盐矿物,白云石在地质历史时期大量 发育,却在现代海洋沉积环境中鲜少沉积,并且在实验室模拟海水条件下也几乎无法低温合成。白云石[CaMg(CO3)2]不同于 Ca2+、Mg2+无序的高镁方解石,具有阳离子有序超结构,空间群为R-3,在地表条件下为热力学稳定相。尽管人们尝试模拟 自然界中白云石存在的物理化学条件,但却几乎没有从实验中成功合成有序白云石。在已有的实验室研究中,有序白云石 仅能通过高温水热实验形成。这说明白云石的形成极可能是一个动力学控制过程。而近些年被人们广泛接受的白云石微生 物成因模式认为微生物活动是低温白云石形成的关键,相关的微生物矿化实验也证实微生物的存在能够促进高镁方解石的 形成。对白云石问题的探讨不仅对理解白云岩成因具有重要意义,还能够促进矿物学理论研究发展。此次研究从高温合成 实验、低温合成实验、微生物协同沉淀实验等方面综述了有关白云石问题的实验室研究进展,阐明了目前对于白云石问题 认识的局限,有助于更好的理解“白云石问题”和其中所包含的矿物学和物理化学问题,乃至于帮助寻找到它的答案。     

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。     

黑龙江东宁金厂金矿土壤离子电导率异常特征、离子成份及找矿预测

为了解黑龙江东宁金厂金矿体土壤离子的电导率异常特征,查明金矿体中土壤离子电导率成分的离子组成以及不同种类离子的含量变化关系对电导率的贡献大小,初步探讨矿区土壤离子电导率异常的形成机理,本文对金厂金矿开展了土壤离子电导率测量,取得以下认识:(1)发现多个具有成矿远景的离子电导率异常区,经深部工程验证具有隐伏的金矿体;(2)组成土壤离子电导率异常的离子成分主要是HCO-3、SO2-4、Ca2+、Cl-、K+、Na+、F-、Mg2+、Mn2+等一套水可溶性离子,经过相关分析得出金矿电导率异常与各离子的相关系数为HCO-3>Ca2+>SO2-4>Cl->K+>Na+>F->Mg2+>Mn2+。     

微生物诱导白云石沉淀研究进展及面临的挑战

白云岩成因机理一直是地质学家们关注的焦点,微生物诱导沉淀白云石模式是对"白云岩问题"的重要补充.一方面,微生物作用能显著改善邻近水体化学条件,形成利于白云石沉淀的微环境;另一方面,微生物及代谢产物为白云石沉淀提供成核位点.两者共同克服低温白云石沉淀的动力学障碍.但对于古老地层而言,判识白云石是否为微生物成因具有难度,目...     

百泉泉域岩溶地下水水化学演化特征及成因

百泉泉域岩溶地下水是河北邢台市生产和生活的主要供水水源。近年来受到自然条件变化和人类活动的影响,泉域地下水流场明显改变,水化学场演变机制有待查明。本研究在水文地质调查和样品采集测试的基础上,采用统计学方法（描述性统计、Person相关系数）、饱和指数计算和水化学方法（Piper图、Stiff图、Gibbs图、离子比例系数）对泉域岩溶水化学特征展开了系统分析。结果表明:泉域岩溶水为弱碱性淡水,Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42- 是地下水中的主要离子,主要来源于方解石、白云石和石膏的风化溶解,Na+和Cl-主要来源于少量岩盐的溶解。沿着径流方向方解石相对于地下水由溶解状态转变为平衡状态,而白云石、石膏和岩盐一直处于溶解状态。补给区和北部径流区基本为HCO3-Ca·Mg型水,七里河、沙河附近和南部煤铁矿区岩溶水除HCO3-Ca·Mg型外,还多出现HCO3·SO4-Ca型、CO3·Cl-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Ca·Mg型水,煤铁矿区附近岩溶水中SO42- 的升高是受到了高SO42- 矿坑排水的混合影响。蒸发浓缩作用仅在水位埋深浅且地下水流动相对滞缓的排泄区较为明显,排泄点——百泉泉水为HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型。此外,人类工农业活动改变了地下水的径流条件和水质,使局部岩溶水中NO3-、Cl-、Fe、总硬度含量升高甚至超标。      

Precipitation of dolomite using sulphate-reducing bacteria from the Coorong Region, South Australia: significance and implications

Dolomite was successfully precipitated in culture experiments that simulated microbiogeochemical conditions prevailing during late stages of evaporation in ephemeral, hypersaline dolomitic lakes of the Coorong region, South Australia. Analyses of lake- and pore-water samples document rapid geochemical changes with time and depth in both dolomitic and non-dolomitic lakes. Extremely high sulphate and magnesium ion concentrations in lake waters decline rapidly with depth in pore waters throughout the sulphate-reduction zone, whereas carbonate concentrations in pore waters reach levels up to 100 times those of normal sea water. Ultimately, sulphate is totally consumed and no solid sulphate is recorded in the dolomitic lake sediments. ‘Most probable number’ calculations of lake sediment samples record the presence of large populations of sulphate-reducing bacteria, whereas sulphur-isotope analyses of lake-water samples indicate microbial fractionation in all the lakes studied. Viable populations of microbes from the lake sediments were cultured in anoxic conditions in the laboratory. Samples were then injected into vials containing sterilized clastic or carbonate grains, or glass beads, immersed in a solution that simulated the lake water. Falls in the levels of sulphate and rising pH in positive vials were interpreted as indicating active bacterial sulphate reduction accompanied by increased concentrations of carbonate. Within 2 months, sub-spherical, sub-micron-size crystals of dolomite identical to those of lake sediments were precipitated. It is concluded that bacterial sulphate reduction overcomes kinetic constraints on dolomite formation by removing sulphate and releasing magnesium and calcium ions from neutral ion pairs, and by generating elevated carbonate concentrations, in a hypersaline, strongly electrolytic solution. The results demonstrate that bacterial sulphate reduction controls dolomite precipitation in both the laboratory experiments and lake sediments. It is proposed that dolomite formation, through bacterial sulphate reduction, provides a process analogue applicable to thick platformal dolostones of the past, where benthic microbial communities were the sole or dominant colonizers of shallow marine environments.     

Dolomite Mountains and the origin of the dolomite rock of which they mainly consist: historical developments and new perspectives

Beginning in the late 18th Century, the Dolomite Mountains in Northern Italy have been the location for major sedimentological developments, from the discovery of the mineral dolomite to the formulation of the coral-reef hypothesis to explain the origin of the massive dolomite structures that define the splendid scenery of the region. Further, the Dolomite Mountains have inspired voluminous research into the origin of dolomite, questioning whether dolomite is a primary precipitate or a secondary replacement product. Recently, with the recognition that microbes can mediate dolomite precipitation, a new geomicrobiological approach, combining the study of modern natural environments with bacterial culture experiments, is now being used to calibrate or interpret microbial evidence derived from the dolomite rock record. This three-pronged methodology applied to the study of dolomite formation holds great promise for future research into the 'Dolomite Problem' and provides a new impetus to revisit the Dolomite Mountains in the 21st Century.