海洋天然气水合物勘查和识别新技术:地质微生物技术

当前国内外海洋天然气水合物勘查和评价发展趋势要求有更多具有精细探测和评价功能的技术,这给地质微生物水合物探测技术的研发和应用提出了需求和挑战。简要介绍了当前水合物成藏或沉积环境研究中所涉及的主要微生物类别及其主要关系,它们绝大多数是适应海底深部低温高压环境的厌氧极端生物。其中重要类群是为天然气提供气源的产甲烷古生菌、参与甲烷厌氧氧化过程的甲烷氧化古生菌和硫酸盐还原细菌。介绍了国内外几个地质微生物探测技术的实例,包括历史悠久的"微生物油气勘探"技术、近十年来发展起来的微生物计数法、群落结构和标志类别法;另外,对新露头角的微生物生物标志物法等其他方法也给予简要介绍。     

南海东沙深海冷泉区973-5重力柱沉积物古菌多样性

中国南海东沙一带冷泉发育,但目前国内外对深海冷泉区微生物研究甚少,特别是缺乏利用高通量测序的记录。对东沙深海冷泉区973-5站位(该站位水深约3 000 m)长约935 cm的重力岩心进行了高通量分析。结果显示:该站位微生物细胞丰度为5.3×10⁸~34.0×10⁸个/g,随深度变深而增加,其变化趋势与甲烷含量变化可对比,与粒度、有机碳的变化也具有相关性。测序结果显示,岩心中主要古菌类群是MBGB(39.9%)、C3(15.8%)以及ANME-1(12.0%),随着深度的变化群落组成有所改变。硫酸盐-甲烷界面(SMI,760 cm)上下出现了大量的MBGB和ANME-1类群,pH也不断增加,暗示了这一区域存在不断增强的甲烷厌氧氧化作用。岩心底部出现了一定量的ANME-1和ANME-2类群,暗示除了在SMI附近甲烷氧化和硫酸盐还原反应强烈,其下部可能还有水合物的分解与甲烷的上涌,为ANME类群生存提供了营养物质。与东沙海区其他站位相比,973-5站位的甲烷通量较高,但没有发现产甲烷菌,推测该区沉积物中高浓度的甲烷来源为周边浅部或深部断裂系统运移供给。     

海洋天然气水合物系统硫同位素研究进展

在海洋天然气水合物的地质系统中,甲烷的渗漏作用形成了独特的地球化学微环境。渗漏的甲烷在硫酸根-甲烷氧化还原界面与硫酸根之间发生厌氧氧化反应,同时硫酸盐发生还原反应,形成具有特殊同位素组成的自生碳酸盐、硫化物（AVS、黄铁矿等）和硫酸盐（重晶石、石膏）等。反应过程中硫酸盐还原菌的作用使得产物中硫的同位素发生了强烈分馏,具体表现为低δ34S值的硫化物矿物和高δ³⁴S值的硫酸盐矿物的形成。沉积物中这种独特的硫同位素特征与海洋天然气水合物系统中独特地球化学微环境有关,是硫酸盐还原反应过程中细菌控制的硫酸盐分馏和厌氧细菌对硫的歧化反应（disproportionation）的共同作用结果。     

深海洋底热泉生态系和冷泉生物研究综述

现代海洋学、微生物学和生物学的研究表明，在深海火山活动和板块消减带所形成的地质背景下分别可能有海底热泉和冷泉的存在。在这种海底热泉和冷泉区的特殊环境中能够能海底热泉生态系的冷泉生物。它们能够依靠体内共生化学厌氧合成细菌产生营养，因而可能存在于完全缺氧的还原环境。海底热泉和冷泉生物学研究是对传统的生物学和地质学的挑战，人们还可能通过古代海底热泉和冷泉生态系的识别和分析，对涉及生命发生、生物演化、生物     

海洋沉积物中现存微生物化学标志物完整极性膜脂研究进展

完整极性膜脂作为活的微生物细胞的化学标志物,能够反映海洋沉积物中现存微生物群落结构和生物量等信息.与生物学方法相比,完整极性膜脂分析技术具有无需培养、快速和普适性等特点.综述了海洋沉积物中细菌和古菌的细胞膜完整极性膜脂的组成特点及其在生物地球化学和微生物生态学等研究中的应用,重点评述了在生物地球化学循环中有特殊作用的微生物,如厌氧氨氧化细菌、甲烷氧化古菌、氨氧化古菌、具有四醚膜脂结构的海洋泉古菌等,或者是一些特殊生态系统,如冷泉、海底深部生物圈等研究中完整极性膜脂应用的进展.还简要介绍了完整极性膜脂的分析方法,并对其应用前景进行了展望.     

南海神狐海域富Fe碳酸盐岩烟囱矿物学和地球化学的研究

<正>冷泉碳酸盐岩广泛分布在世界各地的主动或被动大陆边缘,它是冷泉区渗漏的甲烷与海水中硫酸根离子发生甲烷厌氧氧化和硫酸盐细菌还原作用的产物,详细记录海底流体的渗漏情况。因此,利用冷泉碳酸盐岩中的矿物组成、元素含量以及C、O、Fe同位素特征示踪碳酸盐的沉淀氧化还原环境、海底流体来源及其流体活动、探讨天然气水合物存在的可能性具有非常重要的作用。南海北部陆坡是天然气水合物发育的理想场所,已发现水合物发育的地质、地球化学和生物证据。2007年,广州海洋地质调查局在神狐海域     

新疆十红滩铀矿床中微生物类群特征及其成矿作用探讨

在国内首次利用生物学方法对新疆十红滩铀矿床中的微生物进行了分离和鉴定。结果表明,十红滩铀矿不同氧化程度岩石中主要微生物的分布特征不同,氧化-还原过渡带微生物的活动很活跃,存在大量的好氧和厌氧细菌,矿石带细菌种类较单一,以厌氧的硫酸盐还原菌为主。同时结合主要微生物类群对其参与铀的成矿和改变成矿环境等方面的作用进行了探讨。     

南海北部冷泉碳酸盐岩中系列藿烷酸的检出及意义

对南海东沙海域九龙甲烷礁冷泉碳酸盐岩的藿烷酸系列化合物进行了研究, 结果显示冷泉碳酸盐岩中含有17β(H), 21β(H)-30-藿烷酸至17β(H), 21β(H)-33-藿烷酸系列化合物. 其中site1样品TVG3-C2(ANME-2古菌种群为主)中的17β(H), 21β(H)-32-藿烷酸化合物亏损13C(-69.8‰), 且其同位素值较接近iso-/aiso-C_15:0脂肪酸(-75.2‰~-90.0‰), 说明其母质摄入了甲烷来源的碳.尽管site2(TVG13-C3和TVG14-C2)和site3(TVG8-C5)自生碳酸盐岩中藿烷酸化合物都表现出了非渗漏特征(-30.7‰~-40.3‰, ANME-1古菌种群为主), 但这些样品中藿烷酸的δ13C值同样较接近硫酸盐还原菌来源的iso-/anteiso-C_15:0的δ13C值(-32.5‰~-49.8‰).由此说明大多数存在于以ANME-1种群为主的渗漏环境中的硫酸盐还原菌并没有参与到甲烷厌氧氧化作用中, 而导致藿烷酸化合物和硫酸盐还原菌来源的生物标志物并不明显亏损13C, 并且δ13C值相近.      

南海北部冷泉碳酸盐岩矿物微形貌及其意义探讨

主要通过南海北部冷泉碳酸盐岩的扫描电子显微镜观察,发现该区结核状碳酸盐岩具有微孔结构,这些微孔可能是甲烷渗漏的通道,并且结核状碳酸盐岩矿物堆积较为紧密;碳酸盐矿物的微形态呈近菱形、菱形、球状、丝状、短柱状、卵状等形态或集合体,其中球状碳酸盐具有微生物结构,由蠕虫状或丝状矿物组成,其他几种微形貌的碳酸盐矿物由纳米级的微晶颗粒组成.碳酸盐集合体微形貌和微晶颗粒在形态和大小上与甲烷氧化古细菌和硫酸盐还原菌差别较大,由此推测在其沉淀过程中这两种细菌可能只是提供了物质基础,而其沉淀作用则与纳米细菌密切相关.在南海北部冷泉碳酸盐岩中还发现了结晶程度不同的碳酸盐矿物连续生长的现象,以及一些未知的蘑菇状和管状矿物.     

冷泉自生碳酸盐岩的沉积结构对冷泉活动示踪的初步研究

<正>冷泉是一种富烃类(主要为甲烷)的低温流体,至今仍活跃在世界范围内大陆边缘陆架区和陆坡区的海底[1]。冷泉持续地将沉积物深部的甲烷带至浅部,在合适的低温高压条件下,甲烷与周边的水一同形成天然气水合物[2]。一方面,天然气水合物具有相当可观的能源前景[3],由此冷泉也受到越来越多的关注;另一方面,到达沉积物浅部的甲烷也会在产甲烷菌和硫酸盐还原菌的共同作用下,与下渗海水带来的硫酸盐进行甲烷厌氧氧化反应(AOM),将甲烷和硫酸盐转化为重碳酸根和硫化氢[4]。大量释放的重碳酸根为     

Potential contributions of extremophiles to hydrocarbon resources in marine extreme environments:A review

To understand the potential mechanism of marine extremophiles participating in the formation and the evolution of hydrocarbon resources in marine extreme environments, some typical kinds of extremophiles and their distributions in marine hydrothermal and cold vents are discussed and evaluated respectively. The potential relationship between extremophile activities and hydrocarbon resources in marine extreme environments are then discussed in details. It could be now preliminary concluded that archaea and bacteria are the two main kinds of extremophiles in marine extreme environments. The dominating microbe communities in hydrothermal vents are heterotrophic zymogens, sulfate reducers and methanogens, while the ANME-2 group (Methanosarcinales) surrounded by sulfate-reducing bacteria and ANME-1 group dominate in cold vents. Marine extremophiles would be able to use CH₄ and H₂S to synthesize energy for metabolism and to support food chains for other unique macrobiota nearby, which together present a high abundance but a low diversity with distinct characteristics of horizontal and vertical distributions. Marine extremophiles might play an important role either directly or indirectly in the processes of hydrocarbon formation and subsequent alteration, and could indicate the evolution of hydrocarbon resources in marine extreme environments. Our research thus has a great significance both in theoretical approach of potential hydrocarbon resources formed by marine extremophile activities and in practical exploration of the potential hydrocarbonsource sedimentary layers formed in the Earth history or the potential strata in southern China. __________ Translated from Earth Science—Journal of China University of Geosciences, 2007, 32(6): 781–788 [译自: 地球科学—中国地质大学学报]     

The Characteristic of Deep Sea Hydrothermal Ecosystem and Their Impact on the Extreme Microorganism

Deep-sea is one of the most important extreme environments on the earth. Numerous and diverse extremophiles thrive in this extreme environment, presenting distinctive physiological structure, metabolic mechanism and symbiosis relations, which provide new methods to study the origin of life and extraterrestrial life. Despite extensive studies on deep-sea extremophiles from the point of view of biology, the impacts of deep-sea hydrothermal activity on the evolution of extremophiles remain largely unknown. On the basis of summarizing features of the deep-sea ziphysicochemical and geological environment, the distribution and formation mechanism of submarine hydrothermal vents were analyzed, respectively. Hydrothermal vents have great effect on the distribution and succession of communities. Our discussion focused on the extreme life forms of microorganisms surviving in the hydrothermal ecosystem and their important significance for the nutrient cycling and ecosystem evolution. However, the research of life processes in extreme environments is still in the primary stage and more work is needed on the in-situ detection technique, molecular biology and interdisciplinary research.     

深海微生物多样性形成机制浅析

随着全球人口、资源与环境问题的加剧,人类把目光投向海洋。深海包含在极酸、极碱、极热、极冷、高盐、高压等极端环境下能够生存繁衍的微生物。与陆地微生物比较,它们可能具备某些不同的代谢途径和遗传背景。对极端环境微生物生存与适应机制的研究将加深我们对深海微生物乃至深海生物圈对全球气候影响的理解,也将促进我们对深海微生物资源和深海矿产资源的开发。在综合以往对各种极端环境下微生物研究的基础上对深海微生物的生存及适应机制进行了分析与阐释,为深海微生物的研究提供参考。     

海相页岩二次生烃潜力热模拟实验研究

利用热压模拟实验的方法,选取自然演化不同起始成熟度的海相页岩,系统研究了海相页岩二次生烃规律。研究表明,海相页岩二次生烃过程不是一次生烃的直接延续,生烃特征与一次连续生烃也有差异。随着二次生烃起始成熟度的增加,二次生油产率存在比一次连续生烃滞后的生油高峰,并且随起始成熟度增加位置更加向后推移,已经处于高演化阶段的海相页岩不再有二次生油高峰。起始成熟度控制二次生烃潜力,起始成熟度处于生油窗之前的海相页岩具有较高的二次生油和生气潜力,起始成熟度处于生油窗的海相页岩具有较高的二次生气潜力和一定的二次生油潜力;起始成熟度高于传统生油窗的海相页岩,二次生油能力已经很低,但是演化到一定程度还具有相当的生气潜力;已经达到过成熟的海相页岩基本上不具备二次生烃潜力。此研究完善了二次生烃的理论研究,对中国叠合盆地海相烃源岩的评价有很好的指导作用。     

深海底热液活动研究热点

深海底热液活动是现代海洋地质科学研究的前沿热点, 我国这方面的研究工作刚刚开展, 亟需对现有研究成果进行总结。本文对海底热液活动的调查研究过程和现状进行了回顾, 重点分析了热液喷溢动力过程的理论研究成果, 从实测事件数据的研究成果中找出了影响热液柱的形态和分布的各种因素, 并对热液烟囱和极端温度微生物等海洋学研究热点进行了分析, 为深海热液活动调查和理论研究提供基础。      

冷泉流体沉积碳酸盐岩的地质地球化学特征

冷泉流体是指来自海底沉积界面之下的低温流体以喷涌和渗漏方式注入盆地, 并产生系列的物理和化学及生物作用, 这种作用及产物称为冷泉?它是继洋中脊以盆下源中高温流体的热泉被发现和研究之后的又一个新的盆地流体沉积领域?日前研究较多的是以水? 碳氢化合物 (天然气和石油) ? 硫化氢? 细粒沉积物为主要成分, 温度与海水相近的流体, 广泛发育于活动和被动大陆边缘斜坡海底?冷泉流体沉积体系发育高密度的化学自养生物群, 以碳酸盐岩和天然气水合物为主, 有少量的硫化物和硫酸盐等?冷泉碳酸盐岩的产状有丘? 结核? 硬底? 烟囱? 胶结物和小脉等, 以化学自养生物碎屑和多期次的自生碳酸盐胶结物组成的生物丘最为常见, 它在物质来源? 形成环境? 形成作用等方面与传统来源于海水碳的碳酸盐岩建隆不同, 用术语 C h e r m o h e r m 表示, 以区别于传统海水碳酸盐岩建隆术语b i o h e r m s ? l i t h o h e r m s ? p s e u d o b i o h e r m s 和 b i o s t r o m e s ?地层中石化的化学自养生物丘常是含有大量底栖生物化石的碳酸盐岩建隆产于深水相沉积地层中, 在沉积环境和相分析上出现纵向和横向的不连续, 甚至出现反常现象?矿物以镁方解石? 白云石和文石为主, 与传统的碳酸盐岩相似, 在地球化学组成上最大的区别是冷泉流体沉积碳酸盐岩的碳来源于冷泉体系中的细菌生物成因碳, 具有特别负的碳同位素值?冷泉在海底主要沿构造带和高渗透地层呈线性群, 或围绕泥火山或盐底劈顶部呈圆形或不规则状冷泉群分布,或以海底地形低凹处和峡谷转向处呈孤立冷泉形式产出?冷泉流体以沉积建造流体为主?上覆快速堆积? 成岩压实和胶结作用? 构造挤压和变形作用? 深部的后生作用和成岩作用? 海底沉积物中的天然气水合物分解作用是建造流体向上运移进入海底成为冷泉的驱动力?冷泉碳酸盐岩的沉积作用主要有胶结作用? 充填作用和生物化学沉积作用?冷泉流体中的碳主要是以甲烷为主的碳氢化合物形式存在, 经微生物作用转变为 C O₂ ,最终形成冷泉碳酸盐岩?     

Factors controlling the distribution of anaerobic methanotrophic communities in marine environments: Evidence from intact polar membrane lipids

Three distinct types of microbial consortia appear to mediate the anaerobic oxidation of methane with sulfate as electron acceptor in marine sediments and are distributed ubiquitously. These consortia consist of ANerobic MEthanotrophic (ANME) archaea of the ANME-1, ANME-2 and ANME-3 clades and their sulfate-reducing bacterial partners either of the Desulfosarcina-Desulfococcus (ANME-1/DSS and ANME-2/DSS) or Desulfobulbus spp. (ANME-3/DBB) branches. Frequently one consortium type dominates the community, but the selective factors are not well constrained. Here we analyzed patterns in the composition of intact polar lipids extracted from bacterial and archaeal communities of different marine seep environments. Further, we investigated if different environmental and geographical factors were responsible for the observed patterns, and hence could be important in the selection of seep communities. Intact polar lipids (IPLs) provide a more robust distinction of the composition of extant communities than their less polar derivatives. In ANME-1/DSS-dominated communities, glycosidic- and phospho-glyceroldialkylglyceroltetraethers were abundant, while ANME-2/DSS and ANME-3/DBB-dominated communities showed abundant archaeol-based IPLs, either with glycosidic and phospho-headgroups or only phospho-headgroups, respectively. The relative proportion of bacterial IPLs varied widely from 0% to 93% and was generally lower in samples of the ANME-1 type, suggesting lower bacterial biomasses in the respective communities. In addition to these lipid signatures, distinctive features were related to the habitat characteristics of these communities: lower amounts of phosphate-based IPLs were generally observed in communities from calcified microbial mats compared to sediments, which may reflect phosphate limitation. Based on statistical analyses of IPLs and environmental data this study constrained for the first time the occurrence of three environmental factors controlling the distribution of different ANME-associated communities in a wide range of hydrocarbon seep systems. Habitats dominated by ANME-1/DSS communities were characterized by high temperature and low oxygen content in bottom waters (or even anoxia), while ANME-2/DSS and ANME-3/DBB-dominated sediments were located in settings with lower temperatures and higher oxygen content in bottom waters. Furthermore, ANME-2/DSS communities were particularly prominent in environments in which a relatively high supply of sulfate was sustained.     

中国海相盆地油气资源动态评价与有利勘探方向

中国海相盆地是油气大突破的重要领域。立足中国含油气盆地分析,通过全球超大陆旋回,认为元古代以来3个克拉通海相盆地总体经历了4个地史阶段,明确了海相层系原型盆地演化序列与并列迭加特点,总结梳理了3类原型4种控源模式,表明原型盆地决定了烃源岩发育的环境及分布模式,编制了三大盆地主要层系分类型烃源岩分布图,并明确了烃源岩特征;基于海相烃源岩生烃-排烃-滞留油气动态演化模式,建立了海相层系烃源岩有效性动态评价和“常规-非常规”一体化资源评价等方法技术体系。基于新方法计算了海相层系生排烃量和资源量,明晰了重点盆地油气资源潜力分布。提出了大于10亿t资源量区带15个、5~10亿t级区带13个,指出了下步海相层系勘探的重点领域和方向。     

极端环境下的微生物及其生物地球化学作用

极端微生物是地球生物圈的重要组成部分。极端微生物的地球化学定位在微生物学与地球化学以及一些相关学科的交叉点上,最近10年已经发展成为地质生物学研究的热门领域。对极端微生物的研究不仅有助于回答生命起源、生命极限、生命本质甚至其他生命形式等生命科学问题,而且其生物地球化学作用在地球系统科学研究中具有重大科学研究价值,对揭示生物圈与地圈协同演化的奥秘、认识生命与环境相互作用规律及地球的化学演化提供重要证据。总结了嗜热菌、嗜冷菌、嗜酸菌、嗜碱菌、嗜压菌、嗜盐菌以及抗辐射菌的主要类群,论述了极端微生物适应环境的机制,探讨了极端微生物的生物地球化学意义。作者预测未来将会在生物标志化合物研究、同位素地球化学分析和分子生物学综合研究的基础上协同推进极端微生物地球化学学科的发展。     

贵州镇宁乐纪泥盆系重晶石矿热水沉积特征

贵州镇宁乐纪泥盆系重晶石矿床地质储量3 302万t,属大型矿床类型。通过对矿床沉积结构、构造特征研究发现,矿床（体）中分布:纹层状构造、条带状构造、角砾状构造、碎屑状构造、块状构造等,它们与天柱-大河边重晶石矿、广西古潭热水沉积重晶石岩及北秦岭二郎坪群热水沉积重晶石岩类似,海底热水喷流形成的热水喷流通道相、单一热水沉积岩相及热水混合同生沉积相在镇宁重晶石矿层中广泛分布,共同构成了热水浊流沉积相,这与秦岭泥盆系热水沉积岩（矿）类似,矿层沉积结构、构造及岩相特征很好的记录了海底热水喷流、演化的信息,沉积韵律特征说明了热水喷流由弱-强-弱的变化过程。海底热水喷流沉积形成的镇宁重晶石矿中热水沉积结构、构造及热水沉积岩相发育,是研究古热水喷流沉积成岩、成矿、划分热水沉积岩相的理想场所。