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。     

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。     

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...     

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。     

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。     

三株嗜盐古菌诱导形成白云石

白云石成因问题是地质学上长期悬而未决的难题之一.近年来,微生物诱导白云石沉淀逐渐成为白云石成因的重要理论之一,但其中微生物的作用机理远未探明.现生白云石主要分布于高盐环境,该环境中的优势菌群为嗜盐菌,包括嗜盐细菌和嗜盐古菌.因而此次选取三株嗜盐古菌Natrinema sp.J7-1、Natrinema sp.J7-3和Natrinema sp.LJ7,研究其诱导白云石沉淀的能力,并对比不同细胞浓度对白云石沉淀的影响,以期更深入地了解微生物在白云石形成中的作用.通过X射线衍射 (XRD) 检测沉淀物的物相,利用扫描电子显微镜 (SEM) 观察所得矿物形态,同时辅以能量色散谱分析 (EDS) 分析矿物的元素组成.实验结果表明三株嗜盐古菌皆可诱导球型、哑铃型、花椰菜型以及球形聚集体等白云石的形成,且在较高细胞浓度下诱导形成的矿物中白云石含量增多.分析表明细胞浓度的增加会导致细胞表面羧基含量的增加,从而为白云石的沉淀提供更多的成核位点,有利于Mg进入矿物晶格,从而诱导白云石沉淀,本结果进一步提高了对微生物白云石成因机理的认识.      

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.     

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。     

“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。     

“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。     

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。     

铁白云石矿物学特征及原生次生成因机制

长期以来,铁白云石的命名划分标准混乱,一直被当成高温及次生的产物.综述了国内外铁白云石的研究进展,详细探讨了铁白云石的矿物学特征,特别在其成因中加入了微生物因素,运用地质微生物学探讨原生铁白云石的成因机制.研究认为:（1）铁白云石命名划分依据应遵照国际矿物学会的原则,以铁是否替代白云石晶格中半数镁的位置为标准,分为白云石和铁白云石;（2）详述铁白云石矿物学及其晶体特征;（3）铁白云石成因分为原生沉淀及次生两种,微生物介导形成原生白云石的过程中,有助于铁进入到白云石晶格中,增加晶格中铁的含量.      

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。     

不同状态嗜盐古菌细胞及羧基微球诱导白云石沉淀

白云石是沉积岩中广泛存在的碳酸盐矿物,其成因机制一直备受关注.野外调研发现现生白云石多分布于高盐环境,模拟实验也表明嗜盐微生物能诱导形成白云石,但微生物诱导白云石沉淀的机理仍不明确.分别用嗜盐古菌Natrinema sp.J7-1对数后期的活细胞、失去代谢活性的J7-1完整细胞（经线粒体氧化磷酸化解偶联剂处理）、表面蛋白质变性的J7-1细胞（经多聚甲醛和戊二醛处理）和表面富含羧基的微球,在盐度为280‰的沉淀体系中诱导白云石沉淀.分别利用X射线衍射（XRD）分析矿物的物相,扫描电子显微镜（SEM）分析矿物、微生物以及羧基微球的形貌,傅立叶红外光谱（FT-IR）分析细胞变性前后表面的官能团.结果表明,失去代谢活性的J7-1细胞与正常的对数后期细胞均能够诱导原白云石形成;经过多聚甲醛/戊二醛固定后,细胞表面羧基含量降低,不能诱导白云石沉淀;羧基微球能够诱导形成原白云石.以上研究证实细胞表面的羧基可能是微生物促进白云石沉淀的一种关键因素,而细胞的生长代谢在本研究的条件下不是控制白云石沉淀的主要因素.      

类白云石矿物沉淀过程中的化学控制作用:硫酸盐之谜

白云石作为一个重要的造岩矿物,其成因至今仍未确定。主要的原因是由于白云石在低温条件下难以沉淀。然而,通过对溶液中诸如硫酸根离子和镁的浓度的变化在较易沉淀的类白云石矿物BaMg(CO_3)_2和PbMg(CO_3)_2沉淀过程中的影响进行研究,可使我们深入了解白云石自身沉淀的环境。在25—80℃的温度范围内,PbMg(CO_3)_2在含硫酸盐的溶液和不含硫酸盐的碱性溶液中沉淀的难易程度是相同的。类白云石矿物可在这些溶液中沉淀表明,白云石亦可在类似的溶液中沉淀而不必考虑溶解硫酸盐(SO_4~(2-))的浓度。在有BaCO_3子晶的含硫酸盐溶液中只沉淀重晶石而不沉淀钡白云石。其原因可能是由于重晶石的热力学溶解度相对较低,而不是存在溶解的硫酸盐抑制了钡白云石的沉淀。     

微生物白云岩形成机理、识别标志及存在的问题

关于白云岩成因,前人提出了多种机理,但许多机理并没有过硬的证据,难以令人信服.近些年的研究表明,白云石借助微生物的作用在常温下可以沉淀出来,形成微生物白云岩.模拟实验证明了这种机理的正确性.微生物白云岩的发现表明,自然界中可以存在原生白云岩,因此具有重要科学意义.实验表明,多种微生物可形成白云岩.文章主要描述了其中4类...     

川西南雷波小沟早寒武世磷矿床磷酸盐富集沉降机制探讨

为了解我国扬子地区早寒武世磷块岩矿床磷酸盐的富集沉降机制,本文以川西南雷波县小沟大型磷矿床为解剖对象,采用共焦激光拉曼和激光剥蚀等离子体质谱分析(LA-ICP-MS)技术,从岩相学和地球化学的角度对其进行了初步探讨。结果显示：小沟矿床磷块岩主要由胶磷矿、碳酸盐矿物、有机质、硅质及少量黄铁矿组成;矿石中微生物发育,鉴定其可能为Eoentophysalis和Obruchevella;胶磷矿LA-ICP-MS原位REE分析表明,所有点位均具明显的负Ce异常,指示沉积成矿过程中氧化—次氧化的底层水与孔隙水条件。综合上述研究认为,成矿与有机质沉降及胞外聚合物(EPS)关系密切：(1)氧化—次氧化底层水条件下,生物有机质沉降,并在埋藏过程中迅速分解导致孔隙水中溶解磷酸盐达到过饱和是磷富集沉淀的主因。(2)胞外聚合物(EPS)粘附细胞和有机碎屑,加速了生物有机质的聚集沉降,埋藏过程中,胞外聚合物为磷质聚集提供大量成核位点,促进了胶磷矿的快速析出与沉淀。     

渤海湾盆地东营凹陷沙河街组泥晶碳酸盐岩中的微生物沉积作用

东营凹陷古近系沙河街组发育纹层状泥晶碳酸盐,其产出与相邻泥、页岩中有机质含量之间存在较好相关性,但对其成因认识尚不明确。为了正确认识陆相湖泊环境中纹层状泥晶碳酸盐的成因机制,通过岩芯(619.65m)、薄片(NY1井9片,FY1井3片)观察、荧光显微镜(2片)、扫描电镜(10片)观察和地球化学分析对上述纹层状泥晶碳酸盐进行研究。观察发现纹层中存在纳米级球状和丝状碳酸盐矿物组构,与微生物活动导致其细胞外微环境物理化学条件改变而形成的胞外聚合物和丝状细菌十分相似。泥晶碳酸盐岩纹层有机-无机碳同位素对分析结果显示,无机碳同位素δ13 Ccarb值为2.1‰~4.8‰,有机碳同位素值为-27.9‰~-22.6‰,两者呈明显负相关。基于该结果提出单一碳库有机-无机碳同位素演化模式佐证泥晶碳酸盐的沉积作用与微生物活动之间存在直接联系。以上研究表明纹层状泥晶碳酸盐形成过程中受微生物活动的影响,为湖相环境中生物活动对碳酸盐矿物沉积作用的影响研究提供了重要的实例。     

中国南海西沙地区西科1井中新统白云岩中微生物特征及其对白云石化的启示

南海西科1井新生界碳酸盐岩层序中发育的白云岩主要分布于中新统。大厚度的白云岩层见于上中新统黄流组、中中新统梅山组二段和下中新统三亚组一段。中新统白云岩中常见各种类型的微生物,其对白云石化的作用值得关注。通过241件白云岩显微薄片观察、55件样品扫描电镜(SEM)及能谱测试,发现白云岩中微生物主要分为两类:一是白云化之前沉积的微生物,特定的微生物类型(如红藻石)趋向于在渗透回流白云化过程里率先被白云石交代;二是大规模白云化发生时存在的微生物,如铁细菌、丝缕状细胞膜或胞外聚合物等。在西科1井难以见到球状、哑铃状纳米级白云石,常见的微晶—细晶白云石通常自形晶、晶形较好,雾心亮边发育。从现有的证据看,西科1井部分白云石的形成可能和微生物有关,但中新世发生大规模微生物诱导成因白云岩的可能性较低,显微证据显示铁细菌的作用是在大规模白云化后期发生的,与中新世晚期—上新世早期长期的风化暴露使得铁质矿物局部富集有关。     

《沉积地球化学应用》讲座(四)第四讲 稳定同位素在白云岩研究中的应用

白云石这种特殊矿物不论其矿物性质还是经济价值早已引人瞩目。白云岩是重要的油气储集层以及许多Pb—Zn等金属的容矿岩石。然而关于白云石的成团,一直是地质学界长期争论的问题。由于人们在现代化沉积环境中未能发现大量白云石的沉积,在低温下亦未能合成白云石,所以不能将今论古地对自然界中大多数白云岩(高温条件下形成的白云岩除外)沉淀期间的物化条件进行解释,只是对特定白云岩成因提出了若干种推断,即模式,如蒸发