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1、地质微生物对沉积的作用 殷鸿福、谢树成、王红梅、陈中強、 赵小明、刘邓、邱轩 (中国地质大学，武汉， 生物地质与环境地质国家重点实验室) 2016.3.27 提纲 1前寒武纪微生物对沉积的作用 1. 前寒武纪微生物对条带状含铁建造 (BIF)的作用 2. 微生物在形成原生白云岩中的作用 3. 前寒武纪BIF和白云岩分布与微生 物和海洋化学的关系 二.显生宙微生物对沉积的作用 三. 结语 表壳岩石在地 史中的相对丰度 Ronov et al, 1971,修改 1.1.条带状含铁建造(BIF)的地史分布 条带状含铁建造（BIF）是指铁含量 15%的薄层、纹层状赤铁矿或磁铁矿 与SiO2(石英、燧石
2、)互层。其铁矿储量约 占全球铁矿总储量80%，是最重要的铁 矿石。 Holland, 2006 BIF最早出现在38亿年左右（格陵兰的Isua Belt），集中分 布于35-18亿年，高峰在28亿年前后，在18亿年前后BIF急剧减 少并很快消失。在7.55-5.5亿年时，又出现仅存的几个BIF。 BIF 1.2. 前寒武纪的微生物与BIF BIF形成的三种可能情况 不产氧光合铁氧化菌 (Bekker et al., 2010) 低氧条件下的微好氧菌 紫外光介导的非生物氧化, 现不大认可 BIF 早太古代无氧条件 蓝细菌产氧光合作 用后 1.2. 前寒武纪的微生物与BIF 早太古代无氧条件：当时
3、是富Fe2+海洋,富CO2+H2大气。多数人认为BIF是厌氧 光合铁氧化菌对二价铁(Fe2+)的氧化作用产物。38亿年前，己存在BIF的代谢合 成。 4Fe2+CO2+4H+光CH2O+4Fe3+H2O 29亿年开始蓝细菌产氧光合作用后: 在近中性低氧条件下，微好氧菌、硝酸盐 还原菌可通过酶促反应氧化Fe2+以获得能量促进生长。 4Fe2+O2+10H2O4Fe(OH)3+8H+ 4Fe2+2NO2-+6H+4Fe3+N2O+3H2O 在2025的温度下，微生物氧化Fe2+的速率最高，随着温度上下波动， Fe2+的氧化速率降低，而非生物硅沉淀速率升高，从而形成了BIF硅铁互层。 BIF 不产氧
4、光合铁氧化菌与BIF关系示例 美国Animikie盆地BIF, 1.9Ga 正的Ce异常及 铁同位素反映低氧 水体中的二价铁的 部分氧化，是此类 细菌的典型环境 附着在氢氧化铁颗粒上的 不产氧光合铁氧化菌菌丝 体 Planavski et al.,2009 1.3. 前寒武纪的其它微生物 营甲烷厌氧氧化(AOM)的甲烷古菌(ANME)和产生 H2S的硫酸盐还原菌(SRB)在35亿年左右均已出现。随 着海洋中各种含氧化合物如硫酸盐等的聚集，BSR过 程逐渐加强，在18亿年左右海水表面以下的陆缘海洋 变为硫化而非铁化，这对BIF消失是一决定因素。 BIF 2.微生物在形成原生白云岩中的作用 2.1
5、.白云岩的地史分布 最早的沉积白云岩见于29亿年前,但近来认为 Isua Belt(38亿年)就有微 生物介导的白云岩。它是前寒武系主要沉积类型之一,于元古宙极 盛，超过石灰岩，且可能为原生；显生宙产出少于石灰岩 。 前寒武纪沉积岩中白云石的相对 百分含量 显生宙碳酸盐岩中白云石的相对 百分含量 2.2.微生物在形成原生白云岩中的作用 白云岩在当代稀少且多为成岩作用产物，由于硫酸根与钙、 镁的结合形成白云石CaMg(CO3)2 的动力学障碍，当代海洋一 般不直接沉积白云岩,实验室在常温常压下亦不能沉淀白云石 ，这便成为白云岩问题。是微生物作用解决了白云岩问题。 蓝细菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌、
6、嗜盐古菌和细菌的活动 消耗硫酸根离子，使抑制白云石成核作用的硫酸盐浓度降低 ，周围水体pH上升，形成碱性的微环境，有利于碳酸钙、镁 达到饱和而沉淀。 元古代硫酸根离子浓度低，故白云岩发育 ； 嗜盐古菌在环境盐度升高时可以提高其表面羧基的含量,与镁 离子结合, 使之可进入钙镁碳酸盐矿物晶格。所以这些微生物 作用在盐碱环境中表现更为突出。 实验条件下微生物成因白云石案例 邱轩，2014 2.3.硫酸盐还原菌诱诱导形成白云岩的实验 负电荷的微生物细胞壁、 荚膜(capsule)以及EPS(胞外 分泌物)均能提供碳酸钙、 镁晶核位点(globules). 微生物分泌的有机酸对溶液中钙离子的亲和力要 比
7、镁离子强，能增加溶液中的Mg2+Ca2+有利于 白云石的形成。 硫酸盐 还原菌 C2H3O2- + SO42- HS- + 2 HCO3- 在以上作用诱导下，在实验室成功沉淀了原生白云石 ( Bontognali et al., 2008) Desulfovibrio brasiliensis (SRB) EPSEPS 富镁方解石 硫酸盐还原菌 nanoglobules EPS EPS形成带负离子有机体吸附钙镁 正离子 EPS上的微球粒 成为晶核位点 2.3.硫酸盐还原菌诱导形成白云石的实验 在硫酸盐还原菌及其EPS、微球粒诱导下富镁方解石的形成 5 m 1 m 10 m 20 m 2.3.硫
8、酸盐还原菌诱导白云石的形成及其形态 絲状体上的 微球粒成为 碳酸钙、镁 的晶核位点 在晶核位 点上形成 原始的白 云石沉淀 白云石晶体逐渐长大 最后形成微生物诱导的白云石晶形 2.3. 野外找到了硫酸盐还原菌诱导形成的 白云石的化石形态 微生物诱导白云 石的特征形态或 其印模； 保存为化石的胞 外分泌物EPS或 絲状体； 20 m 巴西Lagoa Vermelha 实验室形态 絲状体 EPS 2.4.嗜盐古菌诱诱导形成白云岩的实验 嗜盐古菌细胞切片TEM图 a,b：盐度为120的样品; c,d：盐度为200的样品; e,f：盐度为280的样品; g,h：盐度为360的样品; 对内蒙古 等地系列
9、 盐湖(有少 量白云石 沉淀)进行 了调查和 研究 邱轩，2014 发现嗜盐古菌能够沉淀白云石 200280360 不同盐度下嗜盐古菌沉淀的白云石具有不同形态 邱轩，2014 200，Mg/Ca=10 280，Mg/Ca=10 280，Mg/Ca=10 280，Mg/Ca=10 280，Mg/Ca=10 280，Mg/Ca=10 TEM/SAED /EDS结果 Ra : Rb =1:1 Mg : Ca1:1 ab =120o 1)Mg/Ca =1 2)晶轴夹角 120度 3) a轴与b轴 轴长比1 三方面证据： 邱轩，2014 嗜盐古菌 H. volcanii 成功诱导 形成白云石 为什么嗜盐
10、古菌能诱导形成白云石？ 1.白云石CaMg(CO3)2的矿物晶格是镁离子层与钙离子层呈互层排列 碳酸钙镁矿物 晶格中镁、钙 离子的相对比 例和排列状况 镁离子比钙离子更难以进入碳酸钙镁矿物晶格。因为镁、钙离子与水 分子结合形成的阳离子水合物中，水合镁离子较水合钙离子更为稳定 ，导致镁离子较难去水化, 因而不易进入矿物晶格。 为什么嗜盐古菌能诱导形成白云石？ 有机质表面 羧基-COOH 含量 2. 嗜盐古菌细胞表面的羧基官能团能够使水溶 碳酸镁分子MgCO3(aq)和水溶碳酸钙分子 CaCO3(aq)的生成焓趋近，有利于 MgCO3(aq)和CaCO3(aq)以1:1的比例进入碳 酸盐晶格，促进
11、镁、钙离子的有序排布，从 而形成白云石。 3. 培养实验发现微生物有机质表面羧基密度偏高 的样品都能诱导白云石的形成（下表)。 邱轩，2014 (Lasic D., 1995) 嗜盐古菌表层电镜图 嗜盐古菌表层结构图 高盐度条件下嗜盐古菌形成白云石的分子机制 盐度升高 嗜盐古菌S-layer羧基含量增大 羧基促进Mg、Ca互层进入碳酸钙晶格 足够的Mg 离子 成功诱导白云石沉淀 Mg/Ca=10 2.4. 野外找到了微生物诱导形成的 白云石的化石形态 保存为化石的纳米球 形结构 nanoglobular textures。 偏低的碳氧同位素 据上，巳经在不少地 点发现现生的原生白 云岩,其沉积
12、环境是在 高盐度的潟湖、蒸发 潮坪或咸水盆地。 T3 Microbial Dolomite T3 Microbial Dolomite (Mastandrea et al., 2006)(Mastandrea et al., 2006) 2.4 我国学者在元古代白云岩中找到的微生物结构 Tang et al., 2015 3.前寒武纪BIF和白云岩分布 与微生物和海洋化学的关系 1. 这两种重要岩石的沉积及 地史兴衰均与微生物有关 。 2. 早、中太古代厌氧细菌首 先诱导了BIF沉积，后来又 诱导了硅质叠层石沉积。 3. 晚太古代是BIF鼎盛时期， 同时嗜盐古菌，硫酸盐还 原菌，蓝细菌(产氧光
13、合) 等作用导致白云岩的出现 。 4. 第一次大氧化事件对沉积 白云岩的促进作用与对BIF 的限制作用十分巨大。 (白云岩) 3. 前寒武纪BIF和白云岩分布 与微生物和海洋化学的关系 5. BSR作用导致陆缘硫化海洋的出现及发 展对BIF在第一次大氧化事件后日益衰微 ，以致在18亿年后的消失，有决定性影 响。 6. 在8-6.5亿年的雪球地球时期，白云岩 、叠层石由于寒冷而衰退，BIF却因硫化 海消失而重现。 7. 在显生宙,三者都衰退或消失。BIF是由 于生物爆发，造成氧化海洋而绝迹；白 云岩则是由于后生生物爆发，限制了微 生物作用,只能限于干旱、咸化的局限海 域中。 8. 海洋化学:太古
14、代酸性海洋的BIF和叠层 石都是硅质为主。元古代海洋硫酸盐浓 度低，微生物作用适于形成大量白云石 和叠层石。而到显生宙，海洋富硫酸盐 且不再酸性,宏体生物繁殖故多变为灰岩 。 提纲 1前寒武纪微生物对沉积的作用 二.显生宙微生物对沉积的作用 1.微生物在黑色页岩的形成中的作用 1). 微生物与黑色页岩(泥岩)沉积 2). 微生物与粘土岩成岩过程 2.微生物在时错相形成中的作用 1).华南早三叠世时错相沉积(1) 2).华南早三叠世时错相沉积(2) 三. 结语 1) 微生物与黑色页岩(泥岩)沉积 李国山等，2014 济阳抝陷沙河街组 2).微生物与粘土岩成岩过程 蒙皂石的伊利石化 u 蒙皂石的伊
15、利石化(蒙皂石 + A13+ + K+ 伊利石 + Si4+） 与烃类成熟史,页岩地压力,生长断裂的形成,孔隙水化学变化等 有关。在沉积成岩作用期，蒙皂石的伊利石化大致伴随着油气 成熟过程。是沉积成岩阶段所发生的典型地球化学反应之一。 u 该反应长期被认为受时间、温度和压力所调控，沉积岩中 伊/蒙混层矿物（蒙皂石向伊利石转变的过渡相）被视为恢复 盆地构造-热演化史的地质温度计。高温高压实验结果表明， 通常蒙皂石的伊利石化在300-350C和100 mPa条件下需耗时4- 5个月。 u 微生物实验证明,在异化铁还原菌(Shewanella onoidensis)的 作用下蒙皂石伊利石化可在常温常压条件下发生，而且仅需两 周时间。 异化铁还原菌(Shewanella onoidensis)的作用下蒙皂石伊利石化 Kim, 2004 微生物诱导蒙皂石的伊利石化的透射电镜图像。在粘土 岩中呈现两种矿物。1.0nm厚的伊利石层产生于1.3nm厚的 蒙皂石基质中。挿入小图为
