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山东沂水寒武系张夏组凝块石特征及成因机制研究

庄定祥  
【摘要】:碳酸盐岩在自然界中广泛分布,是油气主要的储集岩之一。微生物在碳酸盐岩的形成过程中发挥着重要作用,微生物席可以捕集粘结水体中的碳酸盐矿物及其它矿物颗粒。尤其在碳酸盐岩中发现微生物化石之后,微生物灰岩也随之成为研究热点。前人研究发现微生物灰岩中矿物的成核与生长由于受到微生物代谢活动的影响,与非微生物灰岩相比其具有独特的形貌和晶体结构。但仍然存在一些令人困惑的问题,在野外和实验室的研究中发现,微生物灰岩中的矿物具有特殊的形貌,例如球形或者哑铃形方解石,但是最近的研究发现在有机物质丰富的条件下,也可以具有这种特殊形貌。因此,对微生物灰岩的判别要格外谨慎,不能仅仅通过矿物形貌来判断是否为微生物成因。另外,对于微生物灰岩的成因机制,除了微生物席捕集粘结和微生物的自生钙化作用之外,微生物诱导矿化的成因机制也具有重要意义。细胞的胞外聚合物(EPS)不仅为碳酸盐矿物的成核提供场所,还通过自身独特的代谢活动改变矿物沉淀的微环境,促进碳酸盐矿物形成。因此,为进一步探究微生物灰岩的典型特征,在室内利用微生物诱导方解石沉淀来进一步丰富微生物灰岩的成因机制。本文以山东沂水寒武系张夏组微生物灰岩凝块石作为研究对象,同时选取非微生物灰岩—泥晶灰岩作为对比。利用X射线衍射(XRD)确定凝块石和泥晶灰岩的矿物成分,利用差热分析探究同一块凝块石中凝块部分与胶结部分的热稳定性,通过分析凝块部分与胶结部分的稳定碳同位素差异了解凝块石的形成环境。利用上述研究分析微生物灰岩特征,针对微生物灰岩成因机制中的微生物诱导矿化机制,在实验室内利用硫酸盐还原菌—蜡样芽孢杆菌MRR2诱导方解石沉淀,同时设置有机成因和无机成因方解石作为平行对照组。在微生物模拟诱导矿化研究的基础上,发现具有高矿化能力的EPS中除了谷氨酸和天冬氨酸含量较高之外,甘氨酸的含量也较高。最后,选取甘氨酸作为有机模板在不同甘氨酸浓度和pH值条件下,探究甘氨酸仿生矿化碳酸钙矿物的成因机制。本论文得到结论如下:XRD结果表明凝块石中凝块部分和泥晶灰岩两种样品的矿物成分均为方解石,但是它们的结晶度不同,凝块部分的结晶度高于泥晶灰岩。热分析结果表明凝块部分的活化能和热稳定性也相对较高。另外,同一块凝块石中微生物含量较多的凝块部分与微生物含量较少的胶结部分相比,凝块部分的结晶度和热稳定性更高。稳定碳同位素结果表明,与胶结部分中化学沉淀的亮晶方解石相比,凝块部分中蓝细菌通过光合作用吸收较多的12C,导致凝块部分富集较多的13C,碳同位素δ13C值较高。晶体学和热力学特征上的差异可以有助于辨别自然界中的微生物岩。选择蜡样芽孢杆菌MRR2为代表的兼性厌氧性微生物诱导方解石沉淀,其结果表明微生物通过产生氨气提供碱性环境促进方解石沉淀,氨基酸测试结果显示在微生物胞外聚合物中谷氨酸是最丰富的氨基酸,它含有的游离羧基在碱性环境中带有大量的负电荷能够吸附钙离子。另外,微生物方解石与有机成因和无机成因方解石相比,表现出独特的矿物集合体形貌如拉长形方解石,丰富的有机官能团、较高的结晶度和热稳定性。蜡样芽孢杆菌MRR2通过代谢活动消耗有机物质(牛肉膏和胰蛋白胨)产生二氧化碳,二氧化碳的水合作用产生碳酸根离子与钙离子结合形成方解石,稳定碳同位素结果表明,蜡样芽孢杆菌MRR2诱导形成的方解石中的碳源来自培养基中的有机物质(牛肉膏和胰蛋白胨),导致方解石的碳同位素δ13C值偏负性较大。微生物成因矿物不同于非生物成因矿物的典型特征,为辨别自然界中生物成因矿物和微生物碳酸盐岩提供一定参考依据。以甘氨酸为模板的碳酸钙仿生矿化实验研究结果表明,滴定反应前钙离子与甘氨酸的螯合时间、甘氨酸浓度和pH值会影响矿物的物相组成。在较短的螯合时间、较低的甘氨酸浓度和较低的pH值条件下形成的碳酸钙矿物均为方解石。随着螯合时间、甘氨酸浓度和pH值的增加,甘氨酸分子可以吸附在矿物的表面或者进入到矿物内部,使得甘氨酸与已形成的方解石发生相互作用而溶蚀方解石,出现球形或者哑铃形的球霰石,但是这种不稳定的球霰石随着反应时间延长逐渐消失。另外,方解石在溶液中随着反应时间延长在甘氨酸的作用下发生溶解,在方解石的表面出现溶蚀孔洞。甘氨酸对方解石的溶蚀作用导致方解石的结晶度和热稳定性降低。以甘氨酸为模板的碳酸钙矿物仿生矿化研究,为探讨成岩作用过程中微生物岩的次生溶蚀孔隙形成机制提供理论依据。通过以上研究,为自然界中微生物灰岩与非微生物灰岩的鉴别提供一定理论参考,同时,有助于深刻理解微生物诱导的生物矿化机制及有机分子影响碳酸钙矿物的仿生矿化机制。


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