有機(jī)白云巖成因機(jī)制研究進(jìn)展

馬永坤，楊 猛，胡宜奎 （油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室 （成都理工大學(xué)）成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059）

白云巖在前寒武的沉積巖中廣泛分布，而在地質(zhì)年代較晚的地層中則十分少見。眾多學(xué)者對(duì)地層中的白云巖成因都有深入的討論和相應(yīng)的研究實(shí)例，但在實(shí)驗(yàn)室常溫下直接合成白云石卻沒有報(bào)道。Land［1］曾試圖在25℃條件下沉淀出白云石但未能成功。Vasconcelos［2］首次明確提出微生物白云巖以來，很多學(xué)者在細(xì)菌參與的常溫條件下合成了白云石，其研究重點(diǎn)主要集中在硫酸鹽還原菌和產(chǎn)甲烷菌的代謝對(duì)白云石形成的影響，包括微生物代謝過程中對(duì)溶液地球化學(xué)的影響、對(duì)細(xì)菌分泌物的影響以及細(xì)菌細(xì)胞本身對(duì)白云石沉淀所發(fā)揮的作用等。Krause等［3］調(diào)查硫酸鹽還原菌在全球各大洋中分布，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代海相沉積物中的白云石晶體都沉淀在硫酸鹽還原菌分泌形成的生物膜中。此外，在材料化學(xué)中，對(duì)于微生物誘導(dǎo)的碳酸鹽晶體形態(tài)也進(jìn)行了相關(guān)研究［4］，即以多糖作為礦物的成核模板，討論了化學(xué)基團(tuán)對(duì)碳酸鹽礦物的類型和晶體形態(tài)的控制作用。下面，筆者對(duì)沉積白云巖研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 微生物作用

早在1928年蘇聯(lián)生物學(xué)家Nadson就提出地質(zhì)和微生物的相互作用與碳酸鹽巖的形成有關(guān)，認(rèn)為硫酸鹽還原菌 （SRB）的代謝活動(dòng)有利于碳酸鹽礦物的沉淀［5］。近些年來，巴西Lagoa Vermelha地區(qū)超鹽度潟湖的地質(zhì)生物學(xué)研究也印證了微生物白云巖模式［6］。Bontognali［7］在阿布扎比薩布哈中的微生物席中分離出一種細(xì)菌，該細(xì)菌在低溫條件下可以促進(jìn)高鎂方解石和富鈣的白云石沉淀，經(jīng)rRNA測(cè)序發(fā)現(xiàn)該種細(xì)菌與在巴西Lagoa Vermelha地區(qū)的SRB是同種菌，由于兩者在地理位置上相距很遠(yuǎn)，因而推測(cè)微生物沉淀白云石的現(xiàn)象可能和特定菌種具有聯(lián)系。Burns［8］發(fā)現(xiàn)地球上廣泛白云化時(shí)期與低含氧時(shí)期相對(duì)應(yīng)，當(dāng)時(shí)廣泛分布的硫酸鹽細(xì)菌能夠在缺氧或無(wú)氧條件下繁盛，推測(cè)其在該時(shí)期促進(jìn)白云石沉淀，從而形成了大量的白云巖。這些報(bào)道都說明白云巖的形成與微生物作用具有密切的聯(lián)系，正是這一生物地球化學(xué)過程促進(jìn)了白云石的形成。

1.1 微生物作用促進(jìn)白云石沉淀

在較高的硫酸根濃度和較低的溫度、白云石飽和指數(shù)、鹽度、pH、Mg／Ca條件下不利于白云石沉淀，而微生物的參與可以形成有利于白云石沉淀微環(huán)境，如硫酸鹽還原菌的代謝活動(dòng)降低了硫酸根濃度，提高了溶液pH值和局部環(huán)境中的Mg／Ca以及白云石飽和指數(shù)，并以帶負(fù)電荷的細(xì)胞壁作為成核點(diǎn)沉淀白云石。此外，產(chǎn)甲烷菌促進(jìn)白云石形成的機(jī)理和硫酸鹽還原菌類似，同樣被認(rèn)為是形成了一個(gè)有利于白云石沉淀的地球化學(xué)微環(huán)境。細(xì)菌細(xì)胞分泌的聚合物 （EPS）一直以來都被認(rèn)為是影響白云石沉淀的一個(gè)關(guān)鍵因素。Bontognali等［9］使用共聚焦激光掃描顯微鏡觀察微生物白云石試驗(yàn)中白云石的成核和生長(zhǎng)過程，發(fā)現(xiàn)白云石成核和生長(zhǎng)主要是發(fā)生在EPS中，而細(xì)菌自身并沒有被包裹到形成的白云石球狀結(jié)構(gòu)中。

1.2 微生物白云石的形態(tài)特征

微生物的參與能使白云石產(chǎn)生一些與其代謝有關(guān)的非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，或微生物的參與調(diào)控了白云石生長(zhǎng)形態(tài)。這些結(jié)構(gòu)主要包括納米球狀、啞鈴狀、橢球狀和花椰菜結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可能代表微生物白云石成核的最初階段，并存在相應(yīng)的演化序列，細(xì)菌細(xì)胞分泌的聚合物 （主要是胞外多糖）可以作為礦物的成核模板，從而控制碳酸鹽礦物的類型和晶體形態(tài)［4］。因此，在地質(zhì)記錄研究中發(fā)現(xiàn)這種特殊結(jié)構(gòu)特征的白云石時(shí)應(yīng)考慮是否有微生物的參與。

1.3 同位素及其他地球化學(xué)特征

微生物代謝活動(dòng)會(huì)引起碳同位素分餾［10］（見圖1），硫酸鹽還原菌的參與會(huì)導(dǎo)致形成的微生物白云石13C有不同程度的虧損。Wacey［11］對(duì) Coorong地區(qū)的微生物成因白云石的同位素進(jìn)行研究，認(rèn)為白云石的碳同位素不具有有機(jī)成因碳酸鹽巖的特征，因?yàn)樵摰貐^(qū)由微生物作用形成的白云石的碳主要來自于湖水中儲(chǔ)存的無(wú)機(jī)碳。此外，產(chǎn)甲烷菌作用形成白云石13C與同期海水的碳同位素值相比會(huì)有不同程度的富集。通常硫酸鹽還原菌的參與會(huì)導(dǎo)致白云石碳同位素組成偏負(fù)，產(chǎn)甲烷菌的參與會(huì)導(dǎo)致白云石碳同位素組成偏正。同時(shí)，在硫酸鹽還原菌參與的情況下會(huì)造成硫同位素分餾，因而可根據(jù)硫同位素特征來判斷硫酸鹽還原作用是否活躍。另外，成巖時(shí)如果存在可利用的Fe2＋時(shí)，黃鐵礦會(huì)作為副產(chǎn)物沉淀下來，而大多數(shù)Fe2＋在硫酸鹽還原帶被固定，剩下的Fe2＋進(jìn)入產(chǎn)甲烷帶，形成菱鐵礦或鐵白云石 （見圖1）。

圖1 海相沉積中的成巖區(qū)和一般地球化學(xué)趨勢(shì)

Sánchez-Román等［12］在微生物白云石沉淀試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，Sr在白云石中的分配系數(shù)明顯與溫度和硫酸根濃度有關(guān)，因而認(rèn)為白云石中的Sr不是通過取代Ca而是通過吸附作用進(jìn)入白云石中，這表明微生物的作用可使白云石具有很高的Sr含量，而高Sr白云石的形成并不一定是交代文石的結(jié)果。由于微生物的作用使常溫條件下形成的白云石具有很高Sr含量，因此在評(píng)價(jià)古代地層中白云巖Sr含量時(shí)應(yīng)考慮微生物的作用。此外，Krause［3］在研究中發(fā)現(xiàn)，白云石形成過程中Ca同位素發(fā)生分餾，據(jù)此認(rèn)為用Ca同位素指示古環(huán)境時(shí)需考慮微生物的影響。

2 多糖類有機(jī)物和硫化物作用

研究發(fā)現(xiàn)［13］，多糖類有機(jī)物和硫化物具有催化作用能在常溫下直接沉淀無(wú)序白云石。雖然沒有直接合成具有超結(jié)構(gòu)反射的白云石，但這與常溫條件微生物作用形成的白云石機(jī)制上可能具有相似性。

2.1 多糖類有機(jī)物的作用

Bontognal等［9］在微生物白云石試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，碳酸鹽礦物的成核發(fā)生在EPS的多糖部分而不是在細(xì)胞周圍。Zhang等［13］利用多糖類有機(jī)物在室溫 （25℃）條件下催化合成了無(wú)序白云石，推測(cè)這可能是沉積白云石的亞穩(wěn)定先驅(qū)狀態(tài)，并認(rèn)為多糖類有機(jī)物會(huì)降低溶液中鎂離子的水合能，鎂離子進(jìn)入礦物晶格中使無(wú)序白云石的成核和結(jié)晶。

2.2 硫化物的作用

Zhang等［13］報(bào)道溶解的硫化物 （sulfide）對(duì)Ca-Mg碳酸鹽的沉淀具有催化作用，能促進(jìn)高鎂方解石 （HMC）和無(wú)序白云石的結(jié)晶沉淀。Yang等［14］通過分子動(dòng)力學(xué)的模擬計(jì)算，認(rèn)為HS-不具有以類似氫鍵的形式使水和水合鎂離子脫水的能力，可能是HS-通過其他機(jī)制使水合鎂離子脫水促進(jìn)了白云石的形成。同時(shí)，在地質(zhì)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)大量產(chǎn)出的白云石與硫化物的存在有關(guān)。

3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀與展望

國(guó)內(nèi)學(xué)者基于所發(fā)現(xiàn)白云石的同位素特征和晶體形態(tài)對(duì)微生物成因進(jìn)行了相關(guān)研究。張曉寶等［15］在研究準(zhǔn)噶爾盆地二疊統(tǒng)蘆草溝組湖相白云巖時(shí)發(fā)現(xiàn)一批特殊碳同位素組成白云巖，認(rèn)為發(fā)酵帶的產(chǎn)甲烷菌參與到白云巖的形成過程并導(dǎo)致白云巖13C的異常富集。黃杏珍等［16］研究泌陽(yáng)凹陷下第三系湖相白云巖形成條件時(shí)，認(rèn)為菌、藻類微生物在還原環(huán)境中的代謝活動(dòng)形成了一個(gè)有利于白云石沉淀的環(huán)境，凹陷中白云巖系是在生物和化學(xué)雙重因素綜合作用下形成的。方少仙等［17］在研究上震旦統(tǒng)燈影組中白云巖時(shí)，認(rèn)為其成因可能與蘭細(xì)菌有關(guān)。于炳松等［18］發(fā)現(xiàn)在青海湖底沉積物中存在著微米級(jí)球狀白云石集合體，認(rèn)為這些白云石集合體的形成與微生物活動(dòng)有關(guān)。因此，目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)微生物白云石研究主要集中在微生物白云巖模式的識(shí)別上，相應(yīng)的試驗(yàn)卻少有報(bào)道。今后應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注青海、西藏地區(qū)現(xiàn)代湖泊沉積物中的白云石顆粒，并且在研究古代與細(xì)菌作用有關(guān)的沉積白云巖時(shí)應(yīng)考慮其形成可能為原生沉淀。此外，高鹽度湖泊中存在的原生白云石沉淀可能與微生物活動(dòng)有關(guān)，因而在研究湖相白云巖時(shí)應(yīng)考慮微生物的作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

白云巖的成因問題在沉積地質(zhì)領(lǐng)域一直備受關(guān)注。在大量分析文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了微生物、多糖類有機(jī)物、硫化物在促進(jìn)白云石形成方面的重要作用，介紹了國(guó)內(nèi)研究的現(xiàn)狀并進(jìn)行了展望，以便為有機(jī)白云巖成因機(jī)制研究提供參考。

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