页岩层系碳酸盐结核微生物诱导机制及其古环境重建意义

Carbonate concretions have been found in marine and continental shale formations in China, and the degradation of organic matter by anaerobic microbial communities may play a key role in their formation. However, previous studies on concretions mostly relied on petrological observations and inorganic geochemistry, and paid little attention to organic geochemical parameters. In order to further understand the complex ecosystem in shale diagenetic environment, the method of combining organic geochemistry with inorganic geochemistry is proposed. The carbonate concretions discovered in the continental shale series of Songliao and Ordos basins will be taken as the research object. On the basis of section and core observation, the concretions and their surrounding rocks will be systematically compared by means of SEM、XRD、ICP-MS、GC-MS and GC-IRMS. Firstly, the mineral and organic composition of concretions will be identified, and the macro and micro structures of concretions will be determined. Secondly, the fingerprint characteristics of biomarker will be analyzed, the source of carbonate minerals will be discussed, the differences of diagenetic microenvironment related to microbial activity will be studied, then the specific conditions of concretion formation can be determined. Finally, the preservation ability of concretion microsystems will be discussed, the Paleoenvironment information and organic characteristics in and out of the concretion will be compared to determine its paleoenvironment reconstruction function. It is expected that innovative achievements will be made in the research of shale diagenetic microenvironment and concretion microsystem.

我国海相和陆相页岩层系中不断发现碳酸盐结核，厌氧微生物群落降解有机质的过程可能在其形成中起到关键作用。但以往对结核的研究大多依赖于岩石学和无机地球化学方法，对有机地化特征关注较少。为进一步了解页岩成岩环境中复杂的生态系统，拟将有机地化与无机地化方法相结合，以松辽、鄂尔多斯盆地陆相页岩层系中已发现的碳酸盐结核为研究对象，在剖面和岩心观察的基础上，利用SEM、XRD、ICP-MS、GC-MS及GC-IRMS等测试技术，将结核与其围岩进行系统对比，首先，查明结核的矿物和有机物组成，确定结核宏观和微观结构；然后，重点研究生物标志化合物及其衍生指标，结合碳酸盐与有机质同位素，确定碳酸盐矿物成因，探讨微生物活动引起的成岩微环境差异，明晰结核形成的特异条件；最后，对比结核内外有机物演化和古环境信息，分析结核微系统的保存能力，确定其古环境重建作用。项目预期在页岩成岩微环境和结核微系统方面取得创新性成果。

页岩层系碳酸盐结核成因研究对了解页岩成岩微环境差异具有重要意义，结核对古信息的保存能力亦值得探索。项目以松辽盆地白垩系页岩层系中的碳酸盐结核为例，采用无机地球化学和有机地球化学相结合的思路，应用BSEM、EMPA、LA-ICP-MS、GS-MS、GC-MS-MS及GC-IRMS等测试技术，对结核的核、体、壳、缝及其宿主页岩进行了较系统的测试分析和对比研究。结果表明，松辽盆地白垩系页岩层系碳酸盐结核由高含量的微晶白云石组成。结核中相对富集轻稀土元素，并表现出负Eu异常。结核核部、主体及包壳具有不同的稀土元素分布模式，指示不同部位物质来源或形成机制不同。结核核部有机碳含量高达78%。结核与围岩的生物标志物组成特征非常相似，表明结核中保存的分子化石主要从围岩中继承。但结核中含有较多的C27甾烷和霍烷系列，藿烷/甾烷值显著高于围岩、2-甲基霍烷的相对含量是围岩的2.4~6.6倍，这表明结核内外的源生物生态系统平衡具有差异。不稳定有机物作为核心触发了结核的形成，有机核周围细菌浓度和活性增加，高浓度厌氧微生物降解有机质的作用改变了孔隙水环境，诱导碳酸盐快速沉淀并形成结核。结核形成之后，受环境变化影响，在边缘裂缝中依次形成了高Mn边缘带、低Mn钠长石充填序列及高Mn方解石充填序列。HI和生物标志物衍生指标均指示结核中有机物的转化程度低于围岩。结核中的正构烷烃单体烃同位素δ13C16-30较围岩偏重1‰~3‰，这可能与岩性、细菌作用和风化程度的差异有关。因此，页岩层系碳酸盐结核对分子化石和古环境信息具有较好的保存能力，可为早期生命和古环境研究提供有价值的参考。