西藏班戈错水菱镁矿藻类成矿实验及其成因分析

目前关于天然水菱镁矿的形成认识主要有蒸发沉积成因和生物成因两类。前人在室内成功制备出水菱镁矿矿物,证实了该矿物的无机成因理论,但是实验结晶条件明显高于西藏班戈错的寒冷气候条件和水化学条件,并且班戈错湖水通过自然蒸发结晶也难以形成水菱镁矿矿物,而这一认识与周边阶地上正在形成水菱镁矿的现象相矛盾。因此,自然蒸发沉积可能不是现阶段班戈错水菱镁矿的主要形成过程,而已有研究表明,藻类具备诱导形成碳酸盐矿物的能力,本文利用西藏班戈错Ⅲ湖湖水及其藻类开展室内模拟实验,并与无藻类的湖水自然结晶结果相对照,探讨藻类生命活动与班戈错水菱镁矿的成因联系。研究发现,藻类不仅能够适应高盐度盐水环境（矿化度117.3 g/L）,并且在其光合作用过程中还能显著提高周围水体pH值（最高可达10.564）,诱导并促进球碳镁石在藻类网状节点处结晶沉淀,该矿物进一步脱水即能够形成水菱镁矿矿物;而人为提高班戈错Ⅲ湖湖水Mg2+浓度也仅能结晶形成三水菱镁矿矿物,无球碳镁石或水菱镁矿结晶析出。因此,西藏班戈错水菱镁矿的形成过程与藻类生物成矿作用密切相关,但是有关球碳镁石向水菱镁矿转变的具体条件以及藻类成矿作用的具体分子机制仍不清楚,有待于进一步研究。     

西藏班戈错水菱镁矿藻类成矿实验及其成因分析

目前关于天然水菱镁矿的形成认识主要有蒸发沉积成因和生物成因两类。前人在室内成功制备出水菱镁矿矿物,证实了该矿物的无机成因理论,但是实验结晶条件明显高于西藏班戈错的寒冷气候条件和水化学条件,并且班戈错湖水通过自然蒸发结晶也难以形成水菱镁矿矿物,而这一认识与周边阶地上正在形成水菱镁矿的现象相矛盾。因此,自然蒸发沉积可能不是现阶段班戈错水菱镁矿的主要形成过程,而已有研究表明,藻类具备诱导形成碳酸盐矿物的能力,本文利用西藏班戈错Ⅲ湖湖水及其藻类开展室内模拟实验,并与无藻类的湖水自然结晶结果相对照,探讨藻类生命活动与班戈错水菱镁矿的成因联系。研究发现,藻类不仅能够适应高盐度盐水环境（矿化度117.3 g/L）,并且在其光合作用过程中还能显著提高周围水体pH值（最高可达10.564）,诱导并促进球碳镁石在藻类网状节点处结晶沉淀,该矿物进一步脱水即能够形成水菱镁矿矿物;而人为提高班戈错Ⅲ湖湖水Mg2+浓度也仅能结晶形成三水菱镁矿矿物,无球碳镁石或水菱镁矿结晶析出。因此,西藏班戈错水菱镁矿的形成过程与藻类生物成矿作用密切相关,但是有关球碳镁石向水菱镁矿转变的具体条件以及藻类成矿作用的具体分子机制仍不清楚,有待于进一步研究。     

生物膜作用下沉积物-水界面溶液中pH和磷含量变化

采集城市排污水渠中的沉积物样品和底栖生物样品,应用微电极原位pH测量技术测量沉积物-水界面溶液的pH值,电感耦合等离子体发射光谱法测定沉积物提取液中上覆水和空隙水中生物可利用磷的含量,研究了沉积物表面的生物膜对城市河流沉积物-水界面微环境中pH值和磷含量的影响。研究表明沉积物表面的生物膜由藻类(蓝藻门颤藻属Oscillatoria和硅藻门的菱形藻Nitzschia)和微生物组成,由于藻类的光合作用和微生物作用,沉积物空隙水中的溶解氧和CO2发生变化,因而改变了界面附近的pH值、氧化还原电位等物理化学条件,同时改变了界面附近溶液中磷的浓度和浓度梯度。在生物膜作用下,剖面中空隙水的pH和pH变化梯度、磷的浓度和浓度梯度高于非生物作用条件下。磷在生物藻垫的空隙水中高度富集。在生物膜存在情况下,在空隙水中形成了与非生物作用下相反的pH值和磷浓度的耦合关系。无生物作用的沉积物空隙水中pH越偏离中性,沉积物中磷的释放量增加,空隙水中磷含量增加;在生物膜作用下,pH由弱酸性向中性变化时,沉积物中磷的释放量增加,空隙水中磷含量增加。依据界面附近pH值和磷的变化规律,可以将沉积物-水界面附近的生物作用分为生物膜的固定作用区和攫取作用区。     

华北蓟县中元古界剖面中燧石条带的形成机制——硼硅同位素证据

天津蓟县中新元古界海相沉积碳酸盐岩建造中分布大量燧石条带,特别是雾迷山组燧石条带与白云岩互层密集产出,沉积韵律非常明显,记录了其形成时海洋的化学和生物等信息,但关于其成因和形成机制还存在不同的认识。我们对蓟县中元古界剖面中碳酸盐岩的硼同位素和燧石条带的硅氧同位素进行了系统研究。燧石条带的 δ 30 Si NBS 28 值为0. 6‰~3. 3‰,平均2. 2‰,较热水化学沉积硅质岩的 δ 30 Si NBS 28 值显著偏高,与浅海生物沉积硅质岩的硅同位素组成相近。燧石条带的 δ 18 O V SMOW 值为21. 7‰~27. 8‰,平均25. 5‰,较热液成因硅质岩的值明显偏高,而与常温海相硅质岩的 δ 18 O值相似。蓟县剖面白云岩和灰岩等碳酸盐岩的 δ 11 B SRM 951 值为0‰~11. 0‰之间,平均4. 8‰,较现代海相碳酸盐的值明显偏低。高于庄组至雾迷山组燧石条带白云岩的 δ 11 B值普遍高于白云岩和灰岩的值,在3. 3‰~12. 9‰之间,平均8. 4‰。在酸性条件下富集重硼同位素的B(OH) 3掺入碳酸盐的比例增加,可导致其 δ 11 B值升高。这表明燧石条带白云岩可能形成于局部酸性水环境。结合碳酸盐和SiO 2溶解/沉淀与pH之间相互关系,提出蓟县剖面中的燧石条带是一种具有时代特征的同沉积的生物化学沉积硅质岩。中元古代海水中SiO 2浓度高,基本呈饱和状态,Mg/Ca比值高,生物活动已成为影响海洋环境的重要因素。在生物活动繁盛期大量有机质沉积于海底,导致海水-沉积物界面附近pH值大幅下降(pH＜7. 8),白云石等碳酸盐溶解度升高,难以沉淀;与此相反,SiO 2溶解度降低,达到过饱和,大量沉淀形成燧石条带/透镜体。生物活动羸弱期,海底pH值升高恢复到正常水平,SiO 2溶解度升高,碳酸盐溶解度降低,形成白云岩等碳酸盐沉淀。生物活动的周期性变化,则形成白云岩与燧石互层的条带状韵律层。燧石条带白云岩的硼同位素组成反映的是局部流体的 δ 11 B和pH值,不适合用来反演海水的硼同位素组成。     

水体内藻类的生物地球化学

藻类对水体内生命元素的转化及其分布、迁移的影响．是目前水体内藻类生物地球化学研究的重点内容。藻通过光合作用和生物矿化，控制着C、N、Si、P、S、Ca等元素在水体内的循环；驱动着C和S在水体和大气之间的交换，进而影响大气中的C和S。藻生物积累及其对环境变化的及时反馈，使藻类成为地球化学环境变化的生物指示物。本文对水体内藻类的生物地球化学进行了综述。     

硫化物矿物溶解度与溶液pH值的关系

硫化物作为自然界常见的一大类矿物 ,由于溶解度很小 ,硫化物对水pH值的影响以及水对它的溶解度影响往往被人们所忽视。通过计算常见硫化物矿物的自由能ΔG0f、溶度积Ksp和溶解度S、绘制logS—pH曲线 ,得出硫化物矿物在不同 pH值条件下的溶解规律 ,水溶液的pH值受硫化物矿物的控制 ;反过来 ,水溶液的pH值也影响着矿物溶解度的大小。此外 ,对硫化物矿物饱和溶液的缓冲范围、缓冲容量和硫化物与溶液pH值相互作用的机理进行了探讨     

矿物-水反应的地球化学动力学研究进展

回顾了地球化学动力学这门新兴学科的产生与发展，评述了国内外矿物-水反应的地球化学动力学研究的新进展，介绍了矿物-水反应的溶解动力学及地球化学动力学模拟的新成果及应用领域。低温条件下硅酸盐和碳酸盐矿物与水的反应得到高度重视。硅酸盐矿物的溶解速率与溶液的pH值、离子强度、温度及有机酸的含量等密切相关。碳酸盐类矿物的溶解速率主要取决于温度、GO2分压、酸碱度及相关离子的活度等因素。氧化物、硫化物、及氟化物等的溶解沉淀的动力学研究开始得到关注。矿物-水反应的地球化学动力学模拟已成为一个很有前景的方向。     

间冰期向冰期过渡时,沉积作用的物理—化学模式

常常在前寒武纪冰碛盖层中见有白云岩及石灰岩,这与当代所见现象矛盾,为此提出从间冰期向冰期过渡时沉积的物理化学条件。需研究冰川成因问题,大气层中PCO_2的变化,海水中pH,Ca~(2+),Mg~(2+)的浓度变化,与海水平衡时在气候变化时,矿物组合的变化。从对地球外层和大气暖效益的平衡状态的观查模式,说明前寒武纪冰川作用的可     

全球早、中寒武世藻类生物地理分布初探

澄江生物群、凯里生物群、加拿大布尔吉斯生物群和西伯利亚藻群中均有丰富的藻类化石。根据前寒武纪宏观藻类的分布以及凯里生物群和布吉斯页岩生物群中藻类和后生动物的相似性，论述了前寒武纪至中寒武世期间生物地理分区的控制因素。对几个生物群中的藻类化石和后生动物化石的对比研究发现，在相近的纬度范围内，动植物化石组合特征非常相似；而纬度有明显差异时，藻类生物群及后生动物群也具有明显的差异。由于后生生物在前寒武纪至中寒武世期间具有低的演化程度和分划能力，因此生物地理分 布的 主要控制因素是古纬度。而Schopf(1976）的生物地理分区模式不适合这一时期的生物地理分区。结合前寒武纪至中寒武世后生生物化石的分布情况，建立了前寒武纪－中寒武世时期的生物地理分区模式。这个模式较好地解释了分布在北美大陆和华南大陆上的寒武纪生物群相似的原因。     

全球早、中寒武世藻类生物地理分区初探

澄江生物群、凯里生物群、加拿大布尔吉斯生物群和西伯利亚藻群中均有丰富的藻类化石。根据前寒武纪宏观藻类的分布以及凯里生物群和布尔吉斯页岩生物群中藻类和后生动物的相似性，讨论了前寒武纪至中寒武世期间生物地理分区的控制因素。对几个生物群中的藻类化石和后生动物化石的对比研究发现,在相近的纬度范围内, 动植物化石组合特征非常相似; 而纬度明显差异时, 藻类生物群及后生动物群也具有明显的差异。由于后生生物在前寒武纪至中寒武世期间具有低的演化程度和分异能力，因此生物地理分布的主要控制因素是古纬度。而Schopf (1976)的生物地理分区模式不适合这一时期的生物地理分区。结合前寒武纪至中寒武世后生生物化石的分布情况，建立了前寒武纪-中寒武世时期的生物地理分区模式。这个模式较好地解释了分布在北美大陆和华南大陆上的寒武纪生物群相似的原因。     

生物钙化作用的发生和早期发展:在细胞周围改变离子协合作用的结果

新的地球化学观点指出:前寒武纪海洋的化学组分以碳酸钠为主,此点与目前我们所接受的古海洋模式相反。在这一时期中,海水中的离子组分与以水中高pH值和Ca~(2+)含量低为特征的现代裂谷和火山碱湖相似。由于溶解碳酸盐的减少、酸性挥发物的增加以及通过光合作用生物群导致的HCO_3~(2-)的减少,这种高碱性海洋在近元古代末期演化为以NaCl组分为主,同时pH值下降,而钙的浓度显著增大。     

矿物溶解的表面化学动力学机理

本文应用表面化学理论分析了矿物在水溶液中的溶解反应动力学机理。表面化学的催化作用使矿物溶解反应的活化能显著降低。矿物溶解速率受表面吸附、表面交换反应和解吸反应等表面化学过程的控制并与溶液的pH值有关，正比于溶液αH＋值的nθ次幂。受表面吸附控制时，nθ＝1，溶解速率随pH增大而减小；受表面交换反应控制时，nθ＝0，溶解速率与pH无关；受解吸反应控制时，酸性条件下nθ为0～1内的正小数，碱性条件下nθ为-1～0之内的负小数。大多数矿物的溶解作用在酸性条件下受表面吸附和／或表面交换反应控制，在碱性条件下受解吸反应的控制。     

天然矿物光电效应:矿物非经典光合作用

地球上生物因受到太阳光辐射作用而进化出结构精致的光合作用系统。太阳光辐射对地球表面广泛分布的无机矿物的影响与响应机制长期未被重视与理解。我们新发现的地表“矿物膜”转化太阳能系统,具有潜在的产氧固碳作用,体现出自然界中固有的矿物光电效应与非经典光合作用。本文在总结自然界中矿物光电子能量特征,特别是地表“矿物膜”特征及其光电效应性能的基础上,重点探讨铁锰氧化物矿物表现出的光电效应、产氧固碳作用与地质记录。提出矿物享有光电效应特性,地表“矿物膜”富含水钠锰矿、针铁矿、赤铁矿等天然半导体矿物,在日光辐射下具有稳定而灵敏的光电转换性能,产生矿物光电子能量;提出矿物拥有非经典光合作用的性能,自然界无机矿物转化太阳能系统类似生物光合作用吸收转化太阳能的产氧固碳系统,地表“矿物膜”光催化裂解水产氧作用及其转化大气和海洋二氧化碳为碳酸盐矿物作用,孕育出“矿物光合作用”;提出矿物具有促进生物光合作用的功能,生物光合作用中心Mn₄CaO₅在裂解水产氧过程中产生成分和结构类似水钠锰矿的锰簇化合物结构体,初步认为水钠锰矿可能促使蓝细菌光合作用系统的起源,矿物影响与削弱水分子氢键以改变水的性质,可提高水的分解程度与光合作用效率,为进一步探索矿物促进生物光合作用机理提供科学技术突破的机遇。     

倪培教授团队参与发现元古代高氧气含量的直接记录:石盐流体包裹体测定

正以往对地球历史过程中氧气浓度的推测,都来自各种间接的地球化学数据。而形成在卤水表面的原生石盐流体包裹体,可以捕获古代的卤水和大气,且由于石盐是无机矿物,捕获的古代大气不会与之发生反应,从而记录了原始的古代海水/湖水的成分和古代大气的成分。之前认为前寒武纪的大气氧气浓度在新元古代到寒武纪早期(5.5亿年左右)开始     

不同水动力下陆相碳酸钙沉积的蓝藻钙化试验的初步研究

 地表钙华,是喀斯特地区普遍存在的一种沉积体,是陆相碳酸钙沉积的重要类型。长期以来陆相碳酸钙沉积的水动力成因观点为大多数人所熟悉(1)（2）,生物成因观点则研究较少,在实际中生物作用过程也是不可忽略的,特别是藻类的沉积作用。论文以几种典型的蓝藻为例,通过对自然界水动力条件的模拟,对蓝藻藻类进行了几种水动力条件下的碳酸钙生物沉积试验研究,对比研究了在不同水动力条件下,蓝藻钙化沉积过程。试验得出了钙藻生长与钙化沉积的最适宜水动力为0~60 rpm,在过强的水动力条件下,蓝藻的生长将受到抑制,从而降低蓝藻的钙化沉积速率。文章讨论了在瀑布条件下的陆相碳酸钙沉积是以水动力成因为主导,而在水动力条件较弱的河流中以生物成因为主导,从而提出了,陆相碳酸钙沉积的水动力-生物双成因观点。文章还探讨了在静止状态下,藻类沉积对碳酸钙沉积的贡献大小,叠层石所指示的安静的沉积环境。      

多孔纤维矿物在氨基酸水溶液中的溶解性及其生物持久性研究

在模拟人体温度３７℃条件下,进行多孔纤维矿物粉尘与氨基酸作用的实验研究。在７２ｈ内溶解过程中ｐＨ值和电导率的变化结果表明,多孔纤维矿物在氨基酸中发生的溶解作用与到的性质有关,酸性氨基酸对矿物的溶解能力最强,中性次之,碱性最弱。其溶解过程在前８ｈ以内较强,以后趋于平缓,纤维矿物在氨基酸中的溶解程度从小到大为：斜发沸石－坡缕石、海泡石－蛇纹石,说明斜发沸石有较强的耐蚀能力,其生物持久性较高,而蛇纹石石     

贵州汇善谷锶-偏硅酸复合型天然饮用矿泉水成因探讨

绥阳汇善谷温泉是贵州省内碳酸盐岩分布区十分少有的锶-偏硅酸复合型天然温矿泉水。通过对研究区水文地质条件、温矿泉水的水文地球化学及环境同位素特征分析,认为汇善谷复合型温矿泉水的形成受水-岩作用和构造作用控制。温矿泉水中δ~(87)Sr/~(86)Sr同位素值0.709 1～0.709 2,指示锶元素来源于碳酸盐岩-蒸发盐岩建造中的含锶矿物,未见幔源锶供给。δD-~(18)O、δ~(34)SO_4~(2-)同位素表明,该温泉矿泉水在区域内接受大气降水后沿构造面向地下深部渗透循环增温,形成较高温度的地热水,并在CO_2参与下与娄山关组天青石(SrSO_4)和蒸发岩(CaSO_4)及类质同象于石膏、文石、方解石等矿物发生水-岩作用形成富Sr-SO_4~(2-)·HCO_3~--Ca·Mg型水。H_2SiO_3形成在热储深度2 172.8～2 811.2m,热储温度68.9～85.4℃的地质条件下石英矿物的水解和地热水沿断裂对流循环过程中溶滤先期形成的硅化碳酸盐岩、石英脉矿物,使SiO_2不断迁移、富集并结合水体中H+形成H_2SiO_3型温矿泉水。     

菲律宾地热场中矿物和地球化学条件对砷迁移的制约

砷总是与硫化物共同形成于地热环境中。然而,在地表氧化条件下硫化物与雨水接触后易溶解。在地热环境中硫化物溶解后的二次沉淀物对砷的迁移有着重大的影响。溶解的砷酸盐易被铁的氢氧化物固定,且铁的氢氧化物在大多数的地表氧化条件下都可以稳定存在。地热流体中无定形SiO_2的迅速沉淀和高岭石化可以固定大量的砷。这些硅酸盐可以稳定的存在于较宽泛的pH和氧化还原条件下。菲律宾地热场中矿物和地球化学条件对砷迁移的制约@Chelo PASCUA$Graduate School of Natural Scienceand Technology,Kanazawa University,Ishikawa,Japan …     

浅析广西北海市偏酸性地下水的形成原因

广西北海市滨海平原松散沉积物中分布有潜水含水层和承压含水层,地下水的pH值普遍偏低,一般4.0～6.0者居多。第四系松散沉积物的矿物成分石英占50%～80%,含少量粘土矿物,化学成分中SiO2占绝大多数。以难溶成分为主的沉积物和长期的淋滤作用使地下水具有低矿化度。天然状态下偏酸性地下水的H 来源于碳酸的离解、粘土层中的H2O 以及雨水中的酸度。碳酸则是由CO2溶解于水而形成。其中CO2主要来源于生物成因。地下含水系统中缺少可以中和酸的碱性物质,有利于H 集聚,使地下水pH值偏低。     

水库水体二氧化碳分压研究进展

天然水体中存在同化二氧化碳(CO2)的光合作用,也存在释放CO2的微生物呼吸过程。地球表层水体与大气之间的CO2交换构成全球碳循环的一个重要环节。水-气之间CO2交换的方向和通量主要受大气圈和水体表层CO2分压(pCO2)的制约。水体pCO2值可以通过对近水面气体成分变化过程的现场仪器检测或者根据测定的水体化学参数运用经验公式计算求得。迄今对陆地水体,尤其河流筑坝形成的"蓄水河流"(下称水库)水体CO2动态研究中,由于水域及其近表层大气成分的时空多变,一般采用水化学参数计算方法求得水体的pCO2值。全球约70.97%的水库表层水体pCO2高于大气pCO2。全球尺度上水库表层水体pCO2自热带向寒温带逐渐递减;单个水库水体的pCO2一般呈现"出库>入库>库中"、pCO2随深度而增加的变化规律。水库表层水体pCO2的时间变化一般表现为"冬季>夏季、消融期>冰冻期、黑夜>白天"。水库水体的pCO2是其水化学平衡的结果,受水温、水体pH、水生生物活动以及外来水体的混合等多种因素影响,变化较为复杂。为精确量化水库水-气界面CO2交换通量,水文学、湖沼学、生态学和地球化学等领域的学者有必要合作,共同努力进行水库流域尺度的实地观测,完善水体溶解无机碳计算模型,深入探讨水库水体碳动力学机制,为全球碳循环研究和气候变化预测提供可靠的基础数据。