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1、 善 2 1 背 地 质 论 评 G E O L O G I C A L R E V I E W V o l 6 2 N o 2 M a r 2 0 1 6 塔里木盆地和 田 1井中寒武统膏岩层段 发现原 生 白云石 王 小 林 胡 文 碹 张 军 涛 朱 井 泉 万 野 1 南京大学地球科学与工程学院 南京 2 1 0 0 9 3 2 中国石化石油勘探开发研究院 北京 1 0 0 0 8 3 3 中国科学院地质与地球物理研究所 北京 1 0 0 0 2 9 内容提要 岩石学与地球化学研究表明 塔里木盆地和田 1 井中寒武统膏岩层中自云石为原生白云石 岩石学 特征上 白云石晶体微小 属隐晶一微
2、晶 9 6 l 3 C V P DB 6 o 图5塔里木盆地和田 1 井中寒武统白云石 碳氧同位素组成 Fi g 5 Ca r b o n a n d Ox y g e n i s o t o p e v a l u e s c r o s s pl o t o f d o l o mi t e o f W e l l He t i a n l Mi d d l e Ca mb r i a n T a r i m B a s i n 1 0 0 0 l n a d 0 l 0 i 一 t 2 7 3 1 0 T一 0 2 6 1 他们认为 微生物在 白云石沉淀过程 中仅起诱 发作用 并没有影
3、响白云石与水体之间的氧同位素 分馏 并且将该计算公式应用到现代 白云石沉积 效 果较好 由于原生 白云石 晶体很小 仅为数 m 因此 难 以对其包裹体进 行观察 其 形成温度难 以得 到 尽管 V a s c o n c e l o s 等 2 0 0 5 的实验证明 白云石有序 度与其形成温度有关 但是影 响白云石有序度 的因 素较多 并且 白云石形成后很可能经历 成熟 过程 a g i n g p r o c e s s 其有序度也会发生改变 因此 难 以将 白云石有序度与形成温度联系在一起 尽管寒武纪全球海平面的突然变化可能暗示着 冰川作用 的存 在 但 是整个 寒 武纪 时期 以温暖
4、的 温室 气候为主 B a b c o c k e t a 1 2 0 1 5 根据现代 热带地区海水温度 的测量结果 海水表层温度一般 不超过 3 0 Me c k l e r e t a 1 2 0 1 5 由于碳 酸盐 岩剩磁强度较弱以及重磁化影 响 早古生代塔里木 板块的古纬度难 以精确定位 方大钧等 2 0 0 1 但 中寒武世时应在低纬度地 区 方大钧等 2 0 0 6 假 设沉淀 白云石的水体温度为 3 0 3 5 那么与 白 云 石 达 到 平 衡 状 态 的水 体 氧 同位 素 组 成 应 为 他 0 S MO W 一 3 e 一 6 c 图 6 现代 海水 8 1 8 0
5、S MO W 为 0 5 原生 白云石形成机理 前人对原生 白云石 的研究表 明 其形成与生物 作用密切 相关 Mo o r e e t a 1 2 0 0 4 e t a 1 2 0 0 4 P e r r i a n d T u c k e r 2 0 0 7 尤其与硫还原 细菌作用关 系密切 v a n L i t h e t a 1 2 0 0 2 N i e l s e n e t a 1 1 9 9 7 Va s c o n c e l o s e t a 1 1 9 9 5 2 0 0 5 W rig h t 1 9 9 9 W a r t h ma n n e t a 1 2
6、0 0 0 W rig h t a n d W a c e y 2 0 04 B a l d e r m a n n e t a 1 2 0 1 5 然而 岩石学 与地球化 学研究表明 对于塔里木盆地和田 1 井中寒武统的 地质论评 2 0 1 图 6 6 1 s O 与 的氧同位素平衡曲线 白云石 O S MO W 为 2 4 2 6 F i g 6 6 1 8 O V e S H S o C f o r 6 1 8 O S MO W 2 4 a n d 2 6 0 r e s p e c t i v e l y d e ri v e d f r o m t h e f r a c t i
7、o n a t i o n e q u a t i o n p r o p o s e d b y V a s c o n c e l o s e t a 1 2 0 0 5 原生白云石 其形成可能与硫还原 细菌作用关系不 明显 此外 未见正常海相沉积的特征化石和 或萨 布哈环境 的典型沉积特征 如鸟眼构造 多边形泥裂 等 这些特征说明白云石并非形成 于海相与萨布哈 沉积环境 两类原生 白云石 的典 型特征包 括 晶体 微 小 仅为数 m 并且不含任何灰质前驱物 说 明其 为原生沉淀的产物 见岩石学特征 分布与石膏 有 关 说 明 其 形 成 于 蒸 发 环 境 F r i e d m a n
8、 a n d S a n d e r s 1 9 6 7 T u c k e r 2 0 0 1 Wa n a s 2 0 0 2 3 未 见 化 石 说 明其 形 成 于高 盐 度 的局 限沉 积 环 境 S p o t l a n d B u r n s 1 9 9 1 但是 在研究 中发现一些 片状 白云石 虽然数量很少 但具有重要意义 单纯 无机沉淀作用难以解释如此殊 的白云石形态 图 7 虚线箭头 并且在 片状 白云石上 见少量微 小球 形 白云石 图 7实线箭头 小于 1 m 与微生物体 形 状 类 似 Wr i g h t a n d Wa c e y 2 0 0 4 P e 耐
9、 和 T u c k e r 2 0 0 7 将片状 白云石解释为有机成 因 是微 生物分泌的胞外聚合物 E P S E x t r a c e l l u a r p o l y m e r i c s u b s t a n c e 矿 化 的 结 果 此 外 在 委 内 瑞 拉 A r c h i p i l a g o L o s R o q u e s国家 公 园 的 F r a n c i s q u i d e l M e d i o 渴湖沉积中也发现了原生白云石 其分布与 胞外聚合物密切相关 P e t r a s h e t a 1 2 0 1 5 因为 这类白云石没有一定的
10、晶形 穿插于硬石膏晶体间 并且表面发育一些小于 1 m的球形白云石 图7 这与微生物培养实验中沉淀在胞外聚合物上的纳米 图 7片状 白云石 虚线箭头 S E M 照片 F i g 7 Th e S EM i ma g e o f s he e t l i ke d o l o mi t e d a s h e d a r r o w1 白云石无 固定形态 与无 机成因 以及硫还 原细 菌作用 下形威 次 圆形 白云石也差别明显 并且片状 白云石上见球形 白云石 线箭头 上为 S E M照片 下为 E D S谱 图 T h e u pp e r p a r t i s a S EM p h o
11、t o f o r d o l o mi t e s o f s p e c i a l s h a p e wh i s d i s t i n g u i s h a b l e f r o m t h o s e f o r me d a b i o t i c a l l y o r u n d e r me d i a t i o n o f s u l f a t e r e d u c i n g b a c t e r i a I n a d d i t i o n a g g r e g a t e s o f fi n e s p h e r o i d a l d o l
12、 o m i t e s s o l i d a r r o w w e r e a l s o o b s e r v e d o n s u r f a c e o f s h e e t l i k e d o l o mi t e d a s h e d a I T o w T h e l o w e r p a r t i s e n e r g y d i s p e r s i v e s p e c t r o s c o p i c a n a l y s i s o f t h e s h e e t l i k e d o l o mi t e 级一微米 级 球 形 白云
13、 石 类 似 B o n t o g n a l i e t 2 0 0 8 这说 明 微生物调 制作用可 能是这些 石形成 的重要方式 因此 文中原生 白云石 的形成 可能 的模式 在炎热干燥 的气候条件下 强烈 的蒸发导致溻 体体积变小 同时使得水体盐度增大 当达到蒸 的饱和度时 持续蒸 发使得蒸 发盐 石膏 大 淀 白云石与石膏共生 说 明沉积 白云石的流t S O 一的浓度较高 一般认为 水体中 S O 一与 会形 成 紧 密 的离 子 对 B a k e r a n d K a s t n e r 1 c Wa r r e n 2 0 0 0 正是由于 s O 一对 M g 的束缚
14、了 Mg 进入 白云石 晶格 s 0 一是 阻碍 白云石 7 的动力学障碍 S O 一抑制白云石形成的观点 于 B a k e r和 K a s t n e r的高 温合 成 实验 2 0 0 第 2期 王小林等 塔里木盆地和田 1 井中寒武统膏岩层段发现原生白云石 B a k e r a n d K a s t n e r 1 9 8 1 B a k e r 和 K a s t n e r 发现 s 0 一 的存在会抑制白云石形成 认为移除溶液中的 S O 一 可以促进白云石形成 硫还原细菌的新陈代 谢作用可以消耗水体中的 S O 一 前人的微生物培养 实验表明硫还原细菌的新陈代谢作用能够促
15、进 白云 石 沉 淀 并 形 成 了微 生 物调 制 白云 石 成 因模 式 V a s c o n c e l o s e t a 1 1 9 9 5 V a s c o n c e l o s a n d Mc K e n z i e 1 9 9 7 然而 后续实验研究 和地质观察 表明 一些需氧的嗜盐细菌的新 陈代谢作用 同样可 以促进白云石沉淀 例如 学者从青海湖底沉积物 中分离出了硫还原细菌 D e s u l f o t o ma c u l u m r u m i n i s 和 需氧的嗜盐细菌 H a l o mo n a s m a r i n a 并开展了相应的 微生物培养
16、实验 发现这两种细菌都可以促进 白云 石沉淀 D e n g S h i c a i e t a 1 2 0 1 0 此外 我们 的实 验研究发现 s O 一对 Mg 的束缚作用在 高温条件 下较强 而在室温条件下相对较弱 Wa n g X i a o l i n e t a 1 2 0 1 3 因此 S O 一在高温条件下抑制白云石 沉淀的机制 可能 不能外推 到室 温条件 也 就是说 S O 一抑制 白云石形成的作用 被夸大 了 本 文所研 究的蒸发盐层 系中缺少硫还原 细菌作 用 的直接证 据 也说明表生条件下 s 0 一 与 M g 结合形成离子 对从而阻碍 Mg n进入 白云石 晶格这一作用可能不 是抑制 白云石 形成 的 主要 动力 学障碍 事实 上 Mg n的水合作用可能是抑制 白云石形成 的主要动 力学障碍 Wa r r e n 2 0 0 0 在水溶液 中 Mg 周围 被水合壳包 围 其 中内层水合壳由六个水分子构成 很稳定 P y e a n d R u d o l p h 1 9 9 8 水合壳 的存在 阻碍了 M g n进人白云石晶格 最近研究发现 包括 微生物
