高原寒水型钙华的微生物沉积晶化动力学机制及其环境地质意义

Basing on the deficiency of the comparison study of active tufa and death tufa, microbial participation mechanism and crystallization kinetics study, the project will systematically research the relationship between microorganism and tufa deposits formation and diagenetic crystallization in modern and ancient environment. Modern molecular biology methods are adopted to study the microorganism characterics, microbial diversity, components and distribution of the cold water type tufa, combining with the metagenomic to analytical investigation on environmental factors for the selective evolution of functional genes. Through environmental evolution of the cold water type tufa, O, C, Ca, Sr, Pb isotopic dating and provenance analysis of the modern sedimentary system, the ancient tufa microfacies and the main wall rock to reveal the environmental characteristics and evolution trend. Comparative analysis of in-situ and simulation of the microbial water phase calcite dissolution, sedimentation and crystal controlling environmental conditions, the microbial geological processes in plateau cold region and hot spring, will be investigated comprehensively to elucidate the role and mechanism of microbe in the cold water type tufa, calcite and aragonite nanometer sedimentary crystallization mechanism and dynamics control biological factors. This project has important research value on the establishing, evolutionary process and development tendency of the cold water type tufa profile environment in our country, the formation process, mechanism and subsequent crystallization, and the fixed tufa landscape formation, evolution and the color cuases of the cold water type tufa. Besides, the project will improve the strategies for tufa protection, and resurrection of disturbed tufa in the plateau and chilliness area.

基于活动与退化死亡钙华对比研究、微生物参与机制及晶化动力学研究的不足，项目将系统研究现代和古环境中微生物与钙华沉积物形成和结晶成岩的关系；利用分子生物学等手段对寒水型钙华的微生物区系特征、微生物多样性、组成及分布进行研究，结合宏基因组分析研究环境外因对功能基因的选择性进化作用；通过寒水型钙华环境演化、现代沉积体系和古钙华微相剖面和主要围岩的O、C、Ca、Sr、Pb等同位素定年和物源成因分析，揭示其环境特征和演化趋势，采用原位与模拟微生物水相方解石的溶解-沉积-控晶的环境条件对比分析，全面深入探讨高原严寒地区与热泉的微生物地质作用，阐明微生物对寒水型钙华、方解石-文石生物表面纳米沉积晶化机制与动力学控制因素。该项目对我国冷水型钙华剖面环境重建与演化，微生物参与钙华形成过程与机制及后续晶化，钙华固定景观形成演化与呈色成因和保护、人工复活方式等具有重要的研究价值。

新生代陆地碳酸盐岩--钙华形成了许多全球著名的自然遗产景观，这些景观除美学价值外，还为生物矿化与生命演化、古气候环境与地质事件以及人类活动与气候变化研究提供了重要档案。随着钙华水文地质与环境的变化以及自身退化，极需对这些钙华景观的沉积动力学深化科学认知。项目开展了黄龙寒水型钙华沉积过程中微生物协同作用研究，对比分析了“8.8”震后九寨沟钙华沉积演变，利用矿物学、环境化学、微生物学、同位素化学等方法，调查研究了黄龙-九寨钙华相关的水化特性、钙华物相、藻类与微生物群落、钙华沉积实验室模拟、钙华同位素组成变化。研究明确了冷水型钙华沉积过程中微生物的协同参与共沉积，主要沉积作用的机制是通过微生物自身呼吸与代谢作用促使钙离子分步结晶，包括自身躯体以及排泄物的矿物点核捕获、诱导与形成模板。新发现微生物作用诱导晶型形态变化，及同步引起晶体溶蚀或刻蚀现象。查明了微生物作用对钙华成色的贡献：一是微生物的参与导致总有机碳含量的变化，再是微生物富集部分有色元素，如镁、铝、铁、硫、磷等元素，进而被有机质转换而改变钙华成色。查明了钙华沉积退化的主控因素，即缺少富含钙离子的地下水涵养，导致贫藻类与水草和苔藓滋生；或导致钙华在高寒地区的抗风化能力大大减弱，反而促使微生物参与风化作用，进而会往退化方向演变。通过最新的U-系年代学方法厘定了研究区的钙华沉积时间序列，其沉积时间顺序为张家沟、九寨沟、黄龙沟、牟尼沟；黄龙地区最老钙华年龄为 13 Ka，整体钙华沉积反映了末次冰期后气候变暖的环境演变。提出了“钙华天然海绵地质体”的理论模型，从微观尺度上刻画了方解石与微生物作用构筑钙华体机制，进一步推演了水在钙华体中的蓄、排、渗、净等过程，为钙华景观的修复和保育提供理论依据。提出了钙华“方解石矿物演化世代”概念，从老地层碳酸盐岩到现代新生钙华，通过微生物参与沉积演化角度，建立了钙华中方解石“演化树”，进而从新的视角认识钙华与微生物协同沉积作用。