钙华生物沉积作用研究进展与展望

弄清钙华生物沉积作用有助于更好地理解钙华微岩相结构和地球化学特征的气候环境指示意义。总结和综述了与钙华沉积相关的生物群落、生物成因钙华微岩相结构、钙华生物沉积作用过程及其对钙华地球化学特征影响的研究进展,并展望了未来的研究重点。细菌、藻类和苔藓等广泛参与到钙华沉积中,形成了许多不同类型的孔隙结构、晶体结构和纹层结构。生物沉积过程主要包括:①生物生长扰动水流使得CO2逸出;②代谢作用(如光合作用)过程诱导碳酸钙沉积;③"表面控制"过程影响晶体成核及生长。生物沉积作用驱动了元素的迁移转化,对沉积水体和钙华地球化学特征具有重要影响。钙华在地球生物学研究中具有重要潜力,未来需要加强现代钙华沉积中的物理化学和生物过程相互作用机制及其各自贡献的量化研究,以便准确地解译钙华沉积记录。     

钙华的形成环境与特征及在油气储集方向的探讨

钙华是一种特殊的化学或生物化学沉积,它们在大陆内部广泛地分布且含有重要的地质信息,是一种特殊的油气储集体。影响钙华沉积的因素复杂多样,在调研钙华的形成过程及分类的基础上,从气候环境、水文地质条件、水体物理化学条件、生物活动及构造活动五个方面讨论钙华形成的控制因素;并从沉积环境与模式、沉积速率等方面将新疆塔北地区的钙华与国外钙华沉积体进行类比,发现塔北钙华沉积体在温暖湿润的环境下表现出良好的季节性分层,五道班地区钙华在沉积时汇入了大量的陆源碎屑,受生物活动影响较大;硫磺沟地区的钙华沉积则是伴随断裂活动所形成热液上涌的产物。通过对比发现,塔北露头缝洞内充填的钙华内部孔隙发达、连通性较好,并有良好的含油显示,故钙华具备一定的储集能力。     

雪宝顶区块流域钙华形成的生物作用研究

钙华不仅具有重要的景观旅游价值,而且对确定区内碳酸盐沉积特征、环境演化规律及同期环境生物的作用与贡献有重要的研究意义。本文在对比国内外典型钙华特征的基础上,以黄龙和九寨沟为例,对雪宝顶区块流域内钙华的沉积特征、环境化学与生物作用进行阐述,指出了雪宝顶区块流域冷水型钙华的形成与演化是化学沉积-溶解作用、生物沉积与溶蚀作用等共同作用的结果,并受非生物、生物因素影响。在雪宝顶冷水型钙华的形成过程中,微生物协同参与了钙华的沉积与溶蚀过程,通过自身新陈代谢促活动促使使钙离子结晶,并诱导晶型变化;其他生物体如植物、藻类等或以间接的方式促进或加快了钙华形成,或为钙华生长提供模板和体量。      

美国西尔斯盐湖钙华研究综述

钙华具有重要的科研价值。美国加利福尼亚州西尔斯湖内北部、中部和西南部广泛发育钙华丘,丘状体的高度从几厘米至45 m不等,通常高度为5～12 m。钙华丘内存在4种沉积相,分别为多孔海绵状钙华沉积相、结壳状钙华沉积相、柱状钙华沉积相和薄层结壳状钙华沉积相。从时空分布来讲,钙华呈两种沉积层序,分别为多孔海绵状钙华沉积相-结壳状钙华沉积相-薄层结壳状钙华沉积相-多孔海绵状钙华沉积相和多孔海绵状钙华沉积相-柱状钙华沉积相-薄层结壳状钙华沉积相-多孔海绵状钙华沉积相。这些钙华主要由方解石和文石组成,从微观尺度来讲,主要由纳米球晶体和棒状晶体组成,被解释为是微生物作用活动的结果。钙华沉积相中δ~(13)C的测定结果均为正值,表明西尔斯湖钙华属于热成因钙华。对西尔斯湖钙华主要沉积类型及沉积成因的讨论,可以为我国钙华研究提供对比参考资料。     

陆地热泉钙华研究进展与展望

陆地热泉钙华是沉淀于富Ca2+和HCO₃-热泉（普遍T≥30℃）的陆地碳酸盐沉积物/岩。热泉钙华独特的形成环境、岩石矿物学特征、地球化学特征和流体性质对古环境、古气候、早期生命起源、新构造运动、陆相热水沉积学、地热资源等方面研究具有重要指示意义。尽管相关学者对陆地热泉钙华开展了相关研究,但由于热泉钙华沉积-成岩过程中受复杂外界条件控制,其时空分布、沉积特征、矿物组成、地球化学特征、微生物作用、流体来源、成岩作用、古气候记录等系列科学问题有待深入研究。在国内外大量文献的基础上,结合研究团队对云南腾冲火山地热区热泉钙华的认识,综述了目前国内外学者对陆地热泉钙华的研究进展,总结了热泉钙华研究意义,提出了当前热泉钙华研究存在的问题及下步研究方向,为更加全面地认识陆地热泉钙华沉积及未来研究提供启示。     

四川黄龙钙华的形成

作者通过现场测试、实验及室内分析,从薄膜(扩散边界层)效应及水化学的变化对黄龙钙华进行了研究,得出黄龙钙华的沉积速率为0.43～4.7mm/a,其中速率较大者出现在流速较快(边界层较薄)的部位,如边石坝上;而速率较小者则出现在流速较慢(边界层较厚)的部位,如钙华池内。      

基于钙均衡估算黄龙钙华沉积速率的探讨

从黄龙钙华的成因研究出发,结合地质历史分析及长观资料对核心景区景观水系统的相对稳定性作出了评价。通过对景观水中钙离子及其它组分含量在时间及空间上变化特征的分析研究,揭示了钙离子含量在时间上的相对稳定以及在空间上自上游而下逐渐降低的规律,这为采用钙均衡模式来研究钙华堆积区内的年沉积量提供了重要保证。在此基础上,进一步通过同位素测年、物探、测绘等综合手段对钙华堆积区内的历史与现代的平均沉积速率进行系统研究,并与前人的研究成果对比,验证了钙均衡模型的可行性和可靠性。计算结果表明,黄龙核心景区钙华的平均沉积速率为1～ 4. 86mm /a。      

西藏加查象牙泉水文地球化学特征及成因

象牙泉地处青藏高原高寒地区,因其钙华沉积酷似“象牙”而闻名。开展象牙泉形成机理的研究,有助于钙华景观的地质环境保护,对雅鲁藏布江构造带古环境演化、新构造活动的研究具有重要意义。文章以象牙源泉及其钙华沉积为研究对象,通过钙华成分、泉水水化学组分、氢氧同位素及相关性分析,探讨了象牙泉及钙华景观的形成机制,估算了钙华形成年代,讨论了钙华景观演化趋势。结果表明:象牙泉出露高程3 208 m,温度16.1 ℃,pH值6.06～6.64,溶解性总固体1 521.1～1 524.2 mg/L,为中偏弱酸性微咸水;阳离子以钠和钙为主,阴离子以碳酸氢根和氯离子为主,水化学类型为重碳酸钙型水;象牙泉具有较高的氯、钠及稍高的溶解性总固体特征,其氢氧同位素分布于全球大气降水方程线附近,说明象牙泉主要为大气降水补给,具有较长的径流途径和缓慢的循环速度,水岩作用强烈。象牙泉为溶解沉淀型,其化学组分来源于水岩相互作用过程碳酸盐岩矿物、硅酸盐岩矿物的溶解。象牙泉钙华沉积的化学成分主要为碳酸钙,占63.07%;次要成分为二氧化硅,占10.19%;属钙华为主、硅华次之的常温泉类钙华。钙均衡估算表明,象牙泉钙华形成于1.38万年前,其沉积速率约为0.27 mm/a。     

雪宝顶流域黄龙彩池新生钙华生物沉积特性

为探究钙华沉积的生物特性,以雪宝顶流域黄龙景区的五彩池和争艳彩池为研究对象,采集和分析研究点藻类的优势种类,利用傅里叶变换红外光谱仪和高效液相色谱确定优势藻胞外产物的主要组成和含量,并采用X射线荧光光谱仪、X射线衍射光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪和扫描电子显微镜分析其新生钙华的元素组成、物相结构和微观形貌。结果表明:五彩池和争艳彩池的优势藻类分别是黄藻门（Xanthophyceae）和硅藻门（Bacillariophyta）,藻类的胞外产物主要为蛋白质、多糖和有机酸;新生钙华以方解石为主,表面含羧基、甲基、醛基等基团;与无藻类参与的钙华沉积物对比,新生钙华晶体无特定形状,并出现溶蚀及穿孔现象。藻类及其胞外产物参与钙华沉积过程,调控钙华晶体微观形貌。      

黄龙钙华边石坝退化特征及其修复保育材料研究

藻席钙华对彩池边坝的颜色及钙华的沉积具有调控作用,会影响彩池边壁稳定性,导致独特景观破坏。文章选取黄龙争艳彩池作为研究对象,通过对藻席钙华的基本理化特征和微观形貌观察与分析,明确藻席钙华的沉积特性。结果表明：藻席钙华含水率为5.70 %,密度为1.56 g.cm-3,具有较强吸水能力;通过XRD确定其主要矿物相为方解石;利用元素分析仪确定总碳含量为12.06 %,在生物作用下,受次生有机碳影响较大;藻席钙华的微观形貌显示,硅藻与钙华颗粒是构成藻席钙华的基本单元,是一个复合型生物集合体。     

四川黄龙—九寨自然风景区冷水型钙华成因的水文地球化学研究

著名的四川黄龙—九寨自然风景区冷水型钙华沉积典型，分布集中，环境条件单一。本文以黄龙沟为主体，兼论九寨沟，试图通过系统的水文地球化学、运移、水动力状况、流速、藻类生物作用等因素，结合水质模型及温度场模型，探讨其沉积条件。     

基于微岩相分析的藻类在钙华沉积中的作用研究——以四川黄龙为例

在地表环境下,钙华沉积常常是物理化学和生物沉积过程共同作用的结果。藻类因其在钙华沉积环境中具有较大的生物量及其自身拥有多样的代谢方式,对钙华沉积过程和形态具有重要影响。本研究以四川黄龙钙华为例,通过对典型沉积点的水化学、藻类群落组成和现代钙华微岩相结构进行综合分析,来揭示藻类在钙华沉积中的作用。研究发现,黄龙钙华沉积环境中分布的藻类主要包括蓝藻、绿藻和硅藻等。这些藻类代谢活动会在一定程度上改变沉积水体水化学环境,但在快速流动的水体中,其影响有限。不同藻类群落常常形成几百微米至1~2 mm厚的微生物席或生物膜层,作为碳酸钙沉积发生的重要场所,即钙华沉积活动层。在该活动层内,藻体及其分泌的胞外聚合物（EPS）能够为碳酸钙晶体生长提供大量成核位点和生长模板,从而极大地促进钙华沉积。同时,EPS可以控制或影响碳酸钙结晶形态及钙华微岩相结构。准确认识和量化藻类在钙华沉积中的作用还需要继续开展更多微观尺度方面的研究,以便更好地理解钙华沉积机制,并为准确解译古老钙华岩相结构和地球化学特征奠定基础,同时为预测钙华景观演化和保育提供更多科学依据。      

Biological Processes Responsible for Travertine Deposition: A Review and Future Prospect

The investigation of biological processes responsible for travertine deposition allows us to better understand the travertine petrographic and geochemical signatures as proxies of climatic and environmental change. This paper reviewed the organisms associated with travertines, the biotic micro-fabrics formed within travertines, the biological processes associated with travertine precipitation and their controls on travertine geochemical properties. Prospects of the future research on biological processes responsible for travertine precipitation were provided. Bacteria, algae and mosses are the most important organisms that involve in the precipitation of travertines. The growth of these organisms leads to the formation of a range of various porosity, crystal fabrics and lamination within travertines. Three main biological processes responsible for travertine deposition can be classified, including \mathrm{①} a process of aquatic plant growth generating a turbulent condition and consequent CO₂ evasion, \mathrm{②} a metabolic (mainly photosynthetic) process mediating carbonate precipitation and \mathrm{③} a ‘surface-control’ process influencing nucleation and crystal growth. These processes play an important role in the migration and transformation of elements in travertine-depositing system and thus determine the properties of water chemistry and geochemistry of carbonate deposits. Travertine deposits have great potential to be valuable records for the geobiological study. Further investigation is required to simultaneously track biotic and abiotic interactions in modern travertine-depositing environments and quantify the contribution of these two processes and apply the results to accurately interpret travertine records.     

世界遗产——四川黄龙钙华景观退化现象、原因及保护对策分析

近年来, 随着游客人数的逐年增长, 黄龙国家级风景名胜区钙华景观出现了明显的退化现象, 主要表现为地表水量减少, 钙华彩池干枯、钙华沉积速率变慢以及水生藻类加速生长3个方面。为了阐明上述退化现象是源于旅游等人为活动因素影响还是自然因素变化所致, 我们首先对比分析了近年来景区上、下游泉水流量变化, 结果发现, 地表水量的减少是源于地表水向地下渗漏量的增加; 考虑到近年来景区内外工程活动的增强以及钙华沉积速率的减缓, 这种渗透性的增强很可能来自工程的爆破震动以及钙华沉积速率减缓所导致的钙华致密性下降。同时, 在对黄龙溪流水化学测试分析后发现, 旅游活动在很大程度上影响了黄龙风景区水质进而影响了水生藻类生长以及钙华沉积速率。因此, 我们推测, 黄龙钙华景观的退化, 在一定程度上可能应归结为人类活动的影响。     

西藏多格错仁南岸钙华地球化学特征与钾盐地质意义

西藏多格错仁南岸地区发育有一系列正在沉积的钙华丘和盐泉,泉水具有较高的含钾异常,属于含钾溶滤卤水,因此确定泉水中的矿物质来源成为找钾的关键问题,研究钙华的地球化学特征和成因机制则有助于解决这一问题。区内钙华有原地钙华和碎屑钙华两种类型,且明显富集K、Fe等元素,具有明显的轻稀土富集特征。不同泉眼周围的钙华样品的稀土分配模式基本相同,表明区内钙华的钙物质具有同一来源层位。经过将钙华与区内主要地层的稀土元素特征进行比对,发现这些钙华和索瓦组具有明显的亲缘关系,针对两者的相关性分析也再次表明钙华和索瓦组的亲缘特征。在此基础上,结合区内古地理和古气候资料,认为索瓦组具有较好的找钾潜力。此外,盐泉和钙华的碳、氢、氧同位素数据说明,盐泉的水物质属于大气降水,形成钙华的CO₂则具有深部来源特征,研究区的钙华属热成因钙华。     

气候变化背景下钙华退化影响因素及其保育措施研究进展

为厘清黄龙钙华退化受气候变化调控规律,探究影响钙华沉积的生物与非生物因素对气候变化产生的响应,通过对钙华相关研究的专著及文献进行分析,从直接影响气候变化的水文因素和大气二氧化碳浓度出发,探索其对钙华退化的影响,表明水文过程及气候变化引起的极端事件是导致钙华退化的主要原因:（1）适宜的气候加速钙华沉积,极端的气候则会引起钙华退化;（2）气候变化主要是通过影响极端降水导致钙华退化,如干旱使钙华裸露受风化侵蚀而洪涝灾害使钙华受冲刷或被稀释效应影响;（3）全球变暖导致藻类大量富集,亦会破坏钙华。在钙华保育过程中,一方面应避免因极端气候事件对钙华的破坏,并在其发生时因势利导,缓解其负面效应对钙华的影响,另一方面提倡节能减排,抵御区域二氧化碳浓度升高导致的藻类大面积滋生,以便更好地保护钙华景观。      

Novel applications of fluid inclusions and isotope geochemistry in unravelling the genesis of fossil travertine systems

The Denizli Basin is a fault‐bounded Neogene–Quaternary depression located in the Western Anatolian Extensional Province, Western Turkey. The basin is a unique geological site with abundant active and fossil (Quaternary) travertine and tufa deposits. Fluid inclusion microthermometry and isotopic analysis were applied to study the genesis of the Ball?k fossil travertine deposits, located in the south‐eastern part of the basin. Microthermometry on fluid inclusions indicates that the main travertine precipitating and cementing fluids are characterized by low salinity (<0·7 wt% NaCl equivalent) and variable temperatures that cluster at <50°C and ca 100°C. Fluids of meteoric origin have been heated by migration to the deeper subsurface, possibly in a local high geothermal gradient setting. A later uncommon cementation phase is related to a fluid with a significantly higher salinity (25·5 to 26·0 wt% bulk). The fluid obtained its salinity by interaction with Late Triassic evaporite layers. Strontium isotopes indicate that the parent carbonate source rock of the different travertine precipitates is very likely to be the Triassic limestone of the Lycian Nappes. Carbon isotopes suggest that the parent CO₂ gas originated from thermal decarbonation of the Lycian limestones with minor contributions of magmatic degassing and organic soil CO₂. Oxygen isotopes confirm the meteoric origin of the fluids and indicate disequilibrium precipitation because of evaporation and degassing. Results were integrated within the available geological data of the Denizli Basin in a generalized travertine precipitation model, which enhanced the understanding of fossil travertine systems. The study highlights the novel application of fluid inclusion research in unravelling the genesis of continental carbonates and provides several recommendations for hydrocarbon exploration in travertine‐bearing sedimentary basins. The findings suggest that travertine bodies and their parent carbonate source rocks have the potential to constitute interesting subsurface hydrocarbon reservoirs.     

万年尺度下钙华的古环境重建检验——以青海冰凌山为例

采用钙华中微量元素进行古气候环境重建为近年来国内外研究热点。前人研究成果主要为小时间尺度古气候环境重建,因微量元素的影响机制及地区间差异性问题,可能存在未知因素影响稀土元素含量及Mg/Ca、Mg/Sr比值,从而导致解译的古气候环境意义失真。以位于青海省格尔木地区的达布逊湖达1井孢粉谱图与青藏高原湖区变化谱图为参照对象,对青海省平安县三合镇东北冰凌山万年尺度下钙华的古环境重建方法进行了检验,结果表明:1)冰凌山泉华台地沉积环境相对稳定,提供冰凌山钙华物质来源的地下水长期处于接受来自地壳深部CO2补给的偏酸性条件下;2)所采集钙华样品除P04点外,均具有相同的物质来源和形成过程;3)万年尺度下,用钙华中的稀有元素总量重建古气温方法可行,且稀有元素总量与古气温呈负相关关系;4)采用Mg/Ca、Mg/Sr比值重建古降水环境应区分钙华成因类型,表生钙华Mg/Ca、Mg/Sr比值与古降水呈现负相关,而内生钙华Mg/Ca、Mg/Sr比值与古降水呈现正相关.     

Global travertine deposition modulated by oscillations in climate

Travertine deposits are important records of past fluid flow in the Earth's crust, and document fluid migration through both tectonic activity and changes in climate. While many studies hint at possible relationships between travertine formation and global climate, none have investigated these connections on a global scale. Here we compile 1649 published travertine ages from six continents to test the hypothesis that global and/or regional changes in climate regulate travertine deposition. Peaks in bedded travertine ages occur with main frequencies that correspond to 100‐kyr changes in global climate, where most peaks occur during glacial terminations or interglacial periods, including a large peak that coincides with the Early Holocene climatic optimum. Time–series analysis also suggests a possible connection with 41‐kyr obliquity cycles. At regional scales, many peaks also correspond with local times of high precipitation or wet conditions. This can be attributed to higher groundwater recharge rates, providing the necessary water to form travertine. Many bedded travertine‐depositing systems may therefore be water‐limiting and sufficient CO₂ may be present even during times of no travertine deposition. Exceptions to this conclusion are banded vein travertine deposits, which typically form during times of dry climate when water tables are low. Copyright © 2019 John Wiley & Sons, Ltd.