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...     

塔里木盆地下古生界白云岩类型及成因*

塔里木盆地下古生界白云岩勘探潜力巨大。在下古生界构造演化、沉积背景分析的基础上, 结合前人的白云岩分类方案, 首先根据形成时期将塔里木盆地下古生界白云岩分为准同生白云岩和准同生后白云岩两大类。在此基础上, 综合运用岩心、薄片、阴极发光、扫描电镜、碳氧稳定同位素资料, 对上述两类白云岩进一步细分。其中准同生白云岩, 可进一步分为云坪型准同生白云岩、潟湖型准同生白云岩与微生物白云岩, 云坪型、潟湖型准同生白云岩是在准同生阶段由蒸发泵白云化形成的;本次研究首次在膏模孔内发现完整哑铃状白云石, 拓宽了微生物白云岩的存在范围。准同生后白云岩包括浅埋藏白云岩、中—深埋藏白云岩和热液白云岩3类, 浅埋藏白云岩由调整白云化及渗透回流白云化形成;中—深埋藏白云岩主要为埋藏白云化的产物;热液白云岩由沿断裂或裂缝的热液白云化所形成。     

塔里木盆地西北缘震旦系奇格布拉克组微生物白云岩发育特征及储集意义

塔里木盆地震旦系奇格布拉克组发育一套厚层微生物白云岩,对其微生物岩类型、分布规律和储层成因等方面的认识仍不清楚。基于野外剖面实测及薄片观察,对该套白云岩的发育特征及油气储集意义进行了研究。奇格布拉克组发育规模不等的多种类型微生物白云岩,包括叠层石白云岩、凝块石白云岩、泡沫绵层石白云岩及与微生物相关颗粒白云岩,以微生物丘和微生物白云岩坪建造的形式产出。奇格布拉克组由SQ_1和SQ_22个三级层序构成,不同沉积建造发育于层序格架内的特定阶段:微生物丘主要发育于三级层序的TST和HST早期,微生物白云岩坪则主要发育于三级层序的HST中晚期;叠层石白云岩集中发育于SQ_1,环境条件的改变导致SQ_2以发育泡沫绵层石白云岩为主。奇格布拉克组微生物白云岩储层具有相控性,位于向上变浅旋回顶部的丘坪和微生物白云岩坪是储层发育的有利相带。泡沫绵层石白云岩发育多种类型孔隙,纵向上频繁叠置、累计厚度大,横向上分布稳定,是奇格布拉克组储集性能最好的储集岩,具备成为规模优质储层的潜力。     

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.      

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。     

四川汉源-峨边地区上震旦统灯影组藻白云岩特征及成因研究

"藻白云岩"术语的提出已有五十年历史,震旦系藻白云岩以其巨大的厚度,精美的原生结构、构造,以及丰富的微生物化石和矿产资源而闻名,但至今其成因仍存在争议。以四川汉源-峨边地区上震旦统灯影组藻白云岩为研究对象,对其宏观的剖面、岩石学、原生构造特征,微观的白云石和微生物化石形态、原生结构特征,以及相应的地球化学特征进行了详细研究。结果表明:研究区灯影组藻白云岩为一套在潮坪和潟湖环境下形成的微生物（碳酸盐）岩的岩石类型组合,以藻黏结型的叠层状、纹层状、葡萄状和均一状（藻）白云岩为主要的次级类型;藻白云岩中主要发育原生的隐晶状微生物白云石和次生的纤维状拟晶白云石,其形成与蓝细菌、硫酸盐还原细菌、中度嗜盐好氧细菌和红藻等微生物的矿化作用密切相关:沉积-同生阶段,主要由微生物诱导矿化作用形成大量纳米似立方体粒状和（亚）微米级片状微生物白云石,同时共（伴）生纤维状文石和高镁方解石;同生-准同生阶段,主要由微生物影响矿化作用形成纳米球粒状和微米级不规则状、球状和卵状微生物白云石,同时纤维状文石和高镁方解石因微生物催化矿化作用和拟晶白云石化作用形成纤维状拟晶白云石;随后微生物白云石与拟晶白云石一起组成具纹层状、叠层状、均一状等构造的藻白云岩。对藻白云岩特征及成因的研究有助于理解微生物-矿物交互作用和过程的复杂性、多样性,也为前寒武纪微生物矿化作用、微生物白云石和拟晶白云石研究提供了新的实例。     

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。     

四川盆地震旦系灯影组白云岩成因

基于岩芯观察、薄片鉴定、地球化学分析,结合区域地质背景,系统研究了四川盆地震旦系灯影组白云岩成因。岩石学特征分析发现,灯影组白云岩可分为泥粉晶云岩、粒屑云岩、微生物云岩、岩溶角砾云岩4类,其结构类型一般为泥晶—粉晶,说明白云岩化时间较早,为准同生期。地球化学分析表明,灯影组白云岩δ^13C平均值与震旦纪原始海水较为接近,δ^18O值呈现中—高负偏的特征,有序度和Fe、Mn含量相对偏低,Na含量相对较高,稀土元素配分模式则与海水配分曲线类似,表明白云岩化主要受到海源流体的影响。盆地周缘的古陆和水下隆起使盆内海水极易封隔浓缩,盆内发育的富Ca^2+菌藻类可间接提高海水的Mg^2+/Ca^2+比值,加之灯影期干旱炎热的古气候让盆内蒸发作用强烈,可伴生石膏等蒸发性矿物,促进白云石化。综合上述特征,四川盆地灯影组白云岩成因为微生物参与的蒸发海水回流渗透白云石化。     

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。     

冀中坳陷任丘潜山雾迷山组微生物白云岩储层特征及演化

综合利用野外露头、钻井岩心、岩石薄片、测录井及分析化验等资料,对冀中坳陷任丘潜山雾迷山组微生物白云岩储层特征及类型开展研究,总结分析优质储层形成控制因素及演化规律。结果表明：雾迷山组主要发育微生物白云岩和与微生物相关的颗粒白云岩,其中微生物白云岩包括叠层石、凝块石、层纹石和核形石白云岩,与微生物相关的颗粒白云岩主要为砂砾屑白云岩;储集空间分为孔隙、裂缝、溶洞3大类,储层整体物性较差,整体上属于孔洞缝复合型低孔低渗储层,可进一步划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类储层。沉积环境是储层形成与演化的基础,溶蚀作用是形成多类型储集空间的关键,构造破裂作用是形成有效储集空间的重要补充。雾迷山组微生物白云岩储层演化经历沉积-同生成孔、Ⅰ期表生增孔、浅埋藏减孔、褶皱断裂改造-Ⅱ期表生增孔、深埋藏减孔等5个阶段,多因素共同作用最终形成现今2%～5%的孔隙度。     

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。     

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。     

Dolomite formation within microbial mats in the coastal sabkha of Abu Dhabi (United Arab Emirates)

Microbial mediation is the only demonstrated mechanism to precipitate dolomite under Earth surface conditions. A link between microbial activity and dolomite formation in the sabkha of Abu Dhabi has, until now, not been evaluated, even though this environment is cited frequently as the type analogue for many ancient evaporitic sequences. Such an evaluation is the purpose of this study, which is based on a geochemical and petrographic investigation of three sites located on the coastal sabkha of Abu Dhabi, along a transect from the intertidal to the supratidal zone. This investigation revealed a close association between microbial mats and dolomite, suggesting that microbes are involved in the mineralization process. Observations using scanning electron microscopy equipped with a cryotransfer system indicate that authigenic dolomite precipitates within the exopolymeric substances constituting the microbial mats. In current models, microbial dolomite precipitation is linked to an active microbial activity that sustains high pH and alkalinity and decreased sulphate concentrations in pore waters. Such models can be applied to the sabkha environment to explain dolomite formation within microbial mats present at the surface of the intertidal zone. By contrast, these models cannot be applied to the supratidal zone, where abundant dolomite is present within buried mats that no longer show signs of intensive microbial activity. As no abiotic mechanism is known to form dolomite at Earth surface conditions, two different hypotheses can reconcile this result. In a first scenario, all of the dolomite present in the supratidal zone formed in the past, when the mats were active at the surface. In a second scenario, dolomite formation continues within the buried and inactive mats. In order to explain dolomite formation in the absence of active microbial metabolisms, a revised microbial model is proposed in which the mineral‐template properties of exopolymeric substances play a crucial role.     

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.      

“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。     

Dolomite–silica stromatolites in Miocene lacustrine deposits from the Duero Basin, Spain: the role of organotemplates in the precipitation of dolomite

This research provides an ancient analogue for biologically mediated dolomite precipitation in microbial mats and biofilms, and describes the involvement of highly structured extracellular polymeric secretion (EPS) templates in dolomite nucleation. The structure of EPS is shown to match the hexagonal–trigonal lattice geometry of dolomite, which favoured the epitaxial crystallization of dolomite on the organic substrate. This structure of EPS also matches the arrangement of silica nanospheres in opal, which further accounts for the organically‐templated formation of opal enabling the non‐replacive co‐existence of dolomite and silica. The study is focused on a 50 m thick dolomite succession that is exposed in central areas of the Tertiary Duero Basin and was deposited in a mudflat‐saline lake sedimentary complex during the Middle to Late Miocene (9 to 15 Ma). In the intermediate intervals of the succession, poorly indurated dolomite beds pass gradually into silica beds. On the basis of sedimentological, compositional, geochemical and petrographic data, silica and dolomite beds have been interpreted as mineralized microbial mats. The silica beds formed in marginal areas of the lake in response to intense evaporative concentrations; this resulted in the rapid and early precipitation of opal. Silicification accounted for the exceptional preservation of the microbial mat structure, including biofilms, filamentous and coccoid microbes, and EPS. Extracellular polymeric secretions have a layered structure, each layer being composed of fibres which are arranged in accordance with a reticular pattern, with frequent intersection angles at 120° and 60°. Therefore, the structure of EPS matches the lattice geometry of dolomite and the arrangement of silica nanospheres in opal. Additionally, EPS binds different elements, with preference to Si and Mg. The concurrence of suitable composition and surface lattice morphologies in the EPS favoured the crystallization of dolomite on the substrate. In some cases, dolomite nucleation took place epicellularly on coccoid micro‐organisms, which gave way to spheroid crystals. Organic surfaces enable the inorganic mineral precipitation by lowering the free energy barrier to nucleation. Most of the microbial mats probably developed on the lake floor, under sub‐aqueous conditions, where the decomposition of organic matter took place. The subsequent formation of openly packed dolomite crystals, with inter‐related Si‐enriched fibrils throughout, is evidence for the pre‐existence of fibrillar structures in the mats. Miocene dolomite crystals are poorly ordered and non‐stoichiometric, with a slight Ca‐excess (up to 5%), which is indicative of the low diagenetic potential the microbial dolomite has towards a more ordered and stoichiometric structure; this confirms that microbial imprints can be preserved in the geological record, and validates their use as biosignatures.     

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674987112000035

The well SK-I in the Songliao Basin is the first scientific borehole targeting the continental Cretaceous strata in China.Oval concretions,thin laminae and beds of dolostone are found intercalated within mudstone and organic-rich black shale in the Nenjiang Formation of Campanian age.Low ordered ferruginous dolomite is composed of euhedral-subhedral rhombs with cloudy nucleus and light rims formed during the diagenesis.which are typical features of replacement.The heavy carbon isotopes (δ¹³C_PDB-1.16-16.0) are results of both the fermentation of organic matter by microbes and degassing of carbon dioxide during the period of diagenesis,and the presence of light oxygen isotopes(δ¹⁸O_Pdb- 18.53～-5.1) is a characteristic feature of fresh water influence which means the carbonate may have been altered by ground water or rainwater in the late diagenesis.Marine water incursions into the normally lacustrine basin have been proved by both the salinity of Z value and the occurrence of foraminifera in the same strata where dolomite occurs.Pyrite framboids observed by SEM are usually enclosed in the dolomite crystals or in the mudstones,supporting the sulfate reducing bacteria（SRB）.The formation of both dolomite and pyrite are associated with marine water incursions,which not only supply magnesium ion for dolomite,but also result in limited carbonate precipitation in the basin.The presence of pyrite tramboids indicates the development of an anoxic environment associated with salinity stratification in the lake.The dolomite in the Nenjiang Formation is the results of marine water incursions,diagenetic replacement of calcareous carbonate and sulfate reducing bacteria（SRB）.     

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.