南方早古生代聚煤过程中硫的生物地球化学行为及金属元素富集与成矿机制

本项目以硫的生物地球化学循环学术思路为主线，研究南方早古生代煤与多金属矿的共生关系和形成过程。通过微生物学、煤地质学、地球化学、矿物学和矿床学等多学科的交叉融合研究，对比分析聚煤早期的泥炭和早古生代石煤的地质地球化学特征，查明泥炭和石煤中硫和金属元素的赋存状态及金属硫化物的矿床地球化学特征和成因环境，结合微生物成矿作用模拟实验，分析成煤环境下硫的生物地球化学行为及其富集的层次性、阶段性和规律性，探讨石煤中硫化物矿床形成的生物地球化学条件、生物学过程和硫循环转换机制，重点剖析微生物作用下硫和金属元素的耦合作用、成矿过程和控制因素，揭示南方含石煤岩系与多金属硫化物的共生机理和成矿效应，建立石煤和含硫矿物共生成矿的生物-地质地球化学模式，为我国含煤岩系中硫的形成机理及金属微量元素的富集效应研究提供科学依据，也为我国黑色岩系矿床基础研究工作拓展新途径。

本课题通过微生物学、煤岩学、地球化学、矿物学和矿床学等学科的交叉融合研究，对比分析了石煤中硫和金属元素的来源、赋存形式及其控制因素以及泥炭沼泽中硫富集的生物-地质地球化学条件和模式，结合微生物作用下金属硫化物成矿作用模拟实验，探讨了石煤中硫形成的生物地球化学条件、过程和硫循环转换机制。结果表明：①通过对南方下寒武统含石煤岩系的有机质的详细分析，提出了下寒武统黑色岩系中的有机质可划分为有形态组分、无形态组分，其中有形态组分又可分为植物型（层状藻、结构藻）、动物型、细菌型及混合型海相镜质体，无形态组分主要为微粒体、矿物沥青基质和沥青质体。有机岩石学特征反映了该套黑色岩系的生源母质主要为菌藻类、浮游动物和底栖海绵等，其生物组合面貌表明其沉积环境可能为浅水大陆架的缺氧环境，石煤中的菌藻生物先质和缺氧沉积环境是石煤中多金属元素富集的重要条件。②通过对南方黑色岩系微量元素和稀土元素的分析，发现牛蹄塘组黑色岩系沉积早期以缺氧还原环境为主，而在矿层沉积附近发生过充氧事件，进而海绵生物得以生存，但是充氧及其短暂，其沉积环境主要为浅水大陆架的贫氧带，局部处于富氧带环境。③通过对现代红树林泥炭沼泽沉积物中有机地球化学特征以及铁、硫组分的地球化学特征的分析，发现现代红树林泥炭沼泽中活性铁比例很高，属于富铁环境，而黄铁矿生长主要受到有机质含量以及硫酸盐供给速率的控制。④莓状黄铁矿是现代红树林沉积物中黄铁矿的主要赋存形式，莓状黄铁矿粒径分布特征指示了氧化-次氧化的沉积环境。硫同位素分析显示存在强烈的黄铁矿氧化现象，揭示了红树林泥炭沼泽沉积埋藏过程中环境的不稳定性。现代滨海泥炭沼泽和海相成因煤中形态硫的赋存特征具有一定的可比性，沉积环境和有机质含量是控硫的重要因素。⑤微生物模拟试验实验揭示了SRB对硫酸盐的还原速率最高可达54.7%，还原产物中发现有黑色FeS，表明硫酸盐还原菌可以将S6+快速还原成S2-，进而形成金属硫化物。SRB对硫酸盐的还原率以海水中混合SRB活性最强，硫酸盐还原率最高，其次是SRB单菌种，现代泥炭沼泽沉积物中混合SRB还原率最低，并且不同深度的泥炭沼泽沉积物中的SRB混合菌种活性差异较大。实验还发现各种金属离子对SRB的活性影响差异明显，其中Zn2+对SRB活性影响最小（平均33.5%），其次是Ni2+（平均29.7%），而Mo6+对SRB活性影响最大（平均22.1%）。