湖相细粒碳酸盐形成过程的生物化学实验模拟

Fine-grained carbonates, clay minerals, and organic matters are the main material compositions of the Eocene mudrocks of Bohai Bay Basin. This basin is rich in carbonates in various amounts as indicated in vertical profile. Carbonate particles are formed from the biochemical effect of cyanobacteria. However, the quantitative relation among carbonates, microorganisms, and terrigenous clay was not established. Here, the cyanobacteria-induced calcite formation is identified. The influence of environmental parameters (clay minerals, climate, Ca2+, and HCO3-) on the biochemical formation of calcite is studied according to the sedimentary characteristics of Eocene fine-grained carbonates of Bohai Bay Basin. The formation mechanism of the laminas of organic matter and calcite is explained through a sedimentary simulation experiment to illustrate the changes on the relationship of carbonate content and environmental parameters (climate changes, terrigenous substance importation, and cyanobacteria bloom). This proposal aims to discuss the biochemical formation of fine-grained carbonates on the basis of biological and geological theory and thus provide a theoretical foundation for the formation of lacustrine fine-grained carbonates.

细粒碳酸盐、黏土矿物和有机质是渤海湾盆地始新统泥页岩中最为常见的物质组成，又以富含碳酸盐为特色，其含量在垂向上是变化的。已有研究表明，碳酸盐微粒的形成是藻类生物化学作用的结果，但其含量变化与微生物和陆源黏土之间相互作用的定量过程尚未建立。本申请项目拟以蓝藻对方解石的生物诱导过程为研究对象，依据渤海湾盆地始新统细粒碳酸盐的沉积特征，分析环境因素（黏土矿物、气候、Ca2+和HCO3-）对方解石生物化学过程的影响，并通过沉积模拟实验，探讨生物作用下有机质纹层、碳酸盐纹层的形成机理，明确碳酸盐含量在垂向上随季节更替、陆源物质输入和藻类勃发的变化机制。本研究从生物学和地质学角度探讨细粒碳酸盐的生物化学形成过程，为研究湖相细粒碳酸盐的成因提供理论支撑。

碳酸盐细粒沉积岩是湖相页岩油的重要赋存载体，了解湖相细粒碳酸盐的成因对指导湖相富碳酸盐油气田的开发具有重要的指导意义。我国渤海湾盆地始新世地层中广泛发育细粒沉积岩，其矿物组成复杂，包括黏土、碳酸盐、有机质和石英等。在细粒沉积岩中，盆内自生细粒碳酸盐常以泥晶方解石和微晶方解石的形式存在，从沉积学及地球化学角度分析，细粒碳酸盐来源于浮游藻类的诱导矿作用。蓝藻是重要的有机质来源，其对碳酸盐的诱导矿化作用已得到实验验证，但涉及黏土等环境因素的影响相对较少。黏土矿物作为湖相细粒沉积岩的重要组分，对蓝藻诱导细粒碳酸盐的影响机制尚不清晰。因此，项目组利用摇瓶实验和柱体反应器模拟并研究了不同环境条件下聚球藻的聚集作用及聚球藻的生理生化特性，结合多种表征手段，探讨了黏土矿物作用下细粒碳酸盐的形成机制，取得了如下认识：聚球藻能够诱导产生15-60μm的碳酸盐，主要为块状低镁方解石。黏土矿物对蓝藻的聚集作用可形成藻细胞聚集体，聚集体粒径的增大有利于自身沉降，因此，柱体反应器表层沉积物有机质含量低而碳酸盐含量高，底层沉积物有机质含量高而碳酸盐含量低。藻细胞的聚集使得聚集体中的羧基数量及密度增大，由于羧基对Ca2+具有较高的亲和力，使得聚集体周围微环境中的Mg/Ca摩尔比升高，抑制了方解石晶核的生长，从而有利于形成5-10μm的簇状文石。此外，菌藻共培养条件下也有利于文石的形成。文石粒径与泥晶方解石的粒径相接近，推测文石经成岩作用可形成泥晶方解石。以上研究结果为油页岩中细粒碳酸盐的形成机制提供了理论依据。