油气盆地周边岩溶发育的微生物作用机理

选择鄂尔多斯盆地内奥陶系地层和毗邻的晋陕蒙接壤区奥陶系岩溶含水层作为研究对象，以微生物（硫酸盐还原和硫化物氧化）作用下硫循环为线索，采用野外地质调查、室内模拟实验、结合硫、氧、碳稳定同位素技术、水化学及反应路径模型等手段，研究岩溶水中硫化物来源，探索硫化物的氧化机制与影响因素，以及硫酸对碳酸盐岩的溶蚀作用，识别硫氧化菌在硫酸形成中的作用；根据岩溶水中硫氧化菌的空间分布及其与水化学组分的关系，结合水中硫酸盐的氧-18同位素以及水的氧-18同位素特征,识别硫氧化菌的作用及其对硫酸侵蚀碳酸盐岩的影响；根据岩溶水中硫酸盐的硫-34和水中溶解无机碳-13同位素特征，结合化学计量法对水化学组分的分析识别硫酸溶蚀碳酸盐岩作用。揭示油气盆地周边岩溶的生物形成机制，拓宽岩溶研究领域，将硫、微生物（硫酸盐还原菌和硫氧化菌）引入碳、水、钙岩溶系统，提出新的岩溶发育模式。

本项目选择鄂尔多斯盆地内奥陶系地层和毗邻的晋陕蒙接壤区奥陶系岩溶含水层作为研究对象，以微生物（硫酸盐还原和硫化物氧化）参与下的硫循环为线索，采用野外地质调查和室内模拟实验方法，结合同位素水文学技术、分子生物学等手段，研究鄂尔多斯盆地内奥陶系古岩溶的生物成因模式，揭示奥陶系风化壳顶部的黄铁矿化与下部压释水岩溶的共生机制，刻画细菌硫酸盐还原的地球化学特征，识别鄂尔多斯盆地毗邻的奥陶系岩溶含水层中的微生物种类。结果表明，研究区内硫酸盐岩中微生物优势菌群明显，80%的微生物菌群均属于硫酸盐还原菌；风化壳底部的硬石膏在上覆石炭—二叠系含煤地层压释的酸性水溶解后，为埋藏后的硫酸盐还原菌提供了代谢所需的SO42-，而酸性水中所含的有机质和烃类成为细菌硫酸盐还原的电子供体，根据奥陶系储层在中生代晚期的地温梯度3.3～4.1℃/100m推算埋藏阶段风化壳的温度大致为64～80℃，推断适宜于细菌硫酸盐还原作用的发生。风化壳中充填黄铁矿的硫同位素比值δ34S范围（-5.86‰～23.19‰）和硬石膏δ34S值范围（23.75‰～28.00‰）说明发生了同位素分馏，这种同位素分馏效应表明奥陶系中的硫酸盐岩在中—深埋藏阶段，发生了细菌硫酸盐还原作用，该作用形成的H2S与风化壳上部广泛分布的Fe的结合形成黄铁矿，导致还原产物H2S不断减少，促使硫酸盐岩在埋藏环境中持续溶解，以维持细菌硫酸盐还原作用的进行，进而发育了奥陶系岩溶；室内实验结果证实了细菌硫酸盐还原作用产生了次生方解石，进一步说明细菌硫酸盐还原过程将有机碳转换为无机碳，其方解石的δ13C值为-2.61～-4.2‰，因而，次生方解石的稳定碳同位素特征可以用作细菌硫酸盐还原作用的标记。本项目的研究成果不仅成功地将硫和微生物引入到C-H2O-Ca岩溶系统研究中，而且提出了一个新的岩溶发育的生物成因模式。