基于微藻—水盐体系模拟实验的西藏班戈错水菱镁矿成因研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院青海盐湖研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:swordhero
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西藏班戈错是藏北羌塘高原南部的一个内陆盐湖,具有高海拔、低气温和高矿化度的自然环境特点,因其具有5000万吨的水菱镁矿探明储量而备受关注。水菱镁矿(Hydromagnesite)是一种分布广泛的含水碱式碳酸镁矿物,在制备氧化镁等化工产品、无机阻燃材料、吸附剂以及建筑材料改性等领域均有应用。目前关于该矿物的成因认识还尚未统一,主要分为蒸发沉积成因和生物成因两类。部分学者从水菱镁矿的物质组成和地质特征出发,认为该矿物是在高Mg/Ca值、偏碱性咸水环境中自然沉积的产物,但是这一成因认识还缺乏直接成矿证据。西藏班戈错和杜佳里湖湖水原位蒸发实验结果表明,现阶段湖水在自然蒸发过程中不会或难以结晶形成水菱镁矿矿物,而这一认识不仅与前人关于水菱镁矿自然蒸发沉积成因的认识相矛盾,而且与西藏班戈错和杜佳里湖水菱镁矿大量存在且正在生长形成的现象相矛盾,表明西藏班戈错水菱镁矿可能不是由湖水自然蒸发浓缩结晶形成。前人通过改变无机溶液的反应温度、CO2分压以及离子浓度等条件,成功在室内制备出水菱镁矿矿物,证实水菱镁矿能够在仅受物理化学条件控制下的无机溶液中自发结晶形成,但无机合成水菱镁矿的最低结晶条件又明显高于西藏班戈错的自然条件。同时,部分学者发现微藻在常温常压条件下具备诱导形成碳酸盐矿物的能力,尤其是加拿大Atlin地区和土耳其Salda湖的水菱镁矿与微藻的生命活动过程密切相关,表明水菱镁矿能够在微藻生物成矿作用影响下结晶形成。本研究利用西藏班戈错湖水和湖滨采集的微藻等材料分别开展室内微藻培养实验、水菱镁矿结晶实验和无微藻自然结晶实验,研究微藻生命活动与西藏班戈错水菱镁矿结晶沉淀的相互联系,主要取得以下初步认识:(1)班戈错湖水在高Mg2+浓度条件下只有三水菱镁矿结晶形成,湖水在自然蒸发浓缩过程中结晶形成的含镁盐类矿物只有氯碳钠镁石,而配制卤水在自然蒸发过程中结晶形成的含镁盐类矿物同样只有三水菱镁矿和氯碳钠镁石矿物,均没有结晶形成球碳镁石或水菱镁矿矿物,表明水菱镁矿难以通过常温常压条件下的自然蒸发过程结晶形成。相反,现场调查结果、野外样品微藻培养实验结果以及扫描电子显微镜观察结果均表明,水菱镁矿与当地微藻普遍存在空间共存联系,表明西藏班戈错水菱镁矿具备生物成因的条件。(2)适宜的光照条件和较高浓度的氮磷营养盐含量将有助于微藻在更长时间内保持较高的生物量水平,同时,微藻在经历较长时间培养后的种属结构将会趋向单一化,不同位置微藻对比结晶实验的优势种属以丝状颤藻目(Oscillatoriales)为主,微藻正交结晶实验的优势种属以小球藻(Chlorella sp.)为主。(3)微藻光合作用过程能够显著提高溶液pH值,不同位置微藻对比结晶实验的各组溶液pH值最终维持在9.900或10.000左右,微藻正交结晶实验的各组溶液pH值最终维持在9.500或9.600左右。后期氮磷营养盐缺乏和较高酸碱度等因素对微藻光合作用效率有显著抑制作用,后期微藻相继死亡成为水体pH值保持较高水平、不再继续升高的主要原因。(4)微藻能够通过光合作用释放OH-、细胞代谢释放胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)等途径促进矿物在细胞壁或周围环境中结晶成矿,结晶矿物逐渐将微藻覆盖的同时也会显著影响微藻的生长繁殖过程,并最终导致微藻死亡。前期以微藻的生长繁殖过程为主,后期以矿物结晶沉淀过程为主。反应体系中较高的pH值、Mg2+浓度和生物量水平将有助于盐类矿物更快结晶形成。丝状颤藻目微藻和圆球状小球藻均具备诱导形成球碳镁石(Dypingite,Mg5(CO3)4(OH)2·8H2O)的能力,该矿物分阶段脱水将能够形成水菱镁矿(Hydromagnesite,Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O)矿物,表明西藏班戈错微藻生命活动与水菱镁矿结晶沉淀过程存在密切联系。
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