冷泉碳酸鹽巖結(jié)核下的微觀結(jié)構(gòu)

冷泉碳酸鹽巖結(jié)核下的微觀結(jié)構(gòu)

0moa和srb細(xì)胞的分布墨西哥灣發(fā)現(xiàn)了大量甲烷泄漏活動，形成了天然氣、冷泉生物群和冷泉碳酸鹽巖。這是世界上天然氣和冷泉碳酸鹽巖最發(fā)育的地區(qū)之一。碳酸鹽巖非常低的碳同位素比值表明其是滲漏甲烷經(jīng)微生物作用形成的產(chǎn)物[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13],同時(shí)形成了特殊的生物標(biāo)志物[14,15,16,17,18,19,20]。甲烷的氧化是海底滲漏天然氣在還原帶被甲烷氧化古細(xì)菌(MOA)和硫酸鹽還原細(xì)菌(SRB)耦合新陳代謝的催化作用過程。這種細(xì)菌活動的共同代謝作用已在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)存活的古細(xì)菌(MOA)和硫酸鹽還原細(xì)菌(SRB)的研究所證實(shí)[16,17,22,23,24,25]。對現(xiàn)今甲烷滲漏活動的水合物脊表層沉積物樣品的熒光研究表明單體的MOA和SRB細(xì)胞呈球狀,直徑通常為0.3～0.5μm。黑海滲漏區(qū)的單體MOA細(xì)胞尾部呈扁平的圓柱桿狀,具有矩形外觀,直徑為0.6～1.4μm?，F(xiàn)存的MOA細(xì)胞相互連接形成鏈狀,形成長達(dá)到70μm的絲狀體。甲烷滲漏區(qū)發(fā)育的SRB細(xì)胞常聚集成球體,部分或全部被SRB細(xì)胞集合成的外殼所包裹,這種由MOA和SRB聚集的球狀集合體直徑通常為1～11μm,平均為3.2±1.5μm。這些MOA和SRB的數(shù)量是巨大的。Cascadia水合物脊近海底5cm的表層沉積中MOA細(xì)胞豐度估計(jì)達(dá)3×109個(gè)/cm3、SRB細(xì)胞豐度達(dá)6×109個(gè)/cm3。顯微鏡的直接計(jì)數(shù)顯示墨西哥灣水合物伴生沉積物的MOA和SRB細(xì)胞總數(shù)達(dá)1.5×109個(gè)/g、水合物分解的水達(dá)1.0×106個(gè)/ml。Michaelis等報(bào)導(dǎo)黑海海底天然氣滲漏活動區(qū)海底發(fā)育的MOA和SRB細(xì)菌席厚達(dá)10cm,集合生長在一個(gè)冷泉碳酸鹽巖的煙囪表面。海底天然氣滲漏活動區(qū)發(fā)育有如此巨量的MOA和SRB,并導(dǎo)致冷泉碳酸鹽巖的形成,因此,這些微生物應(yīng)該能以化石的形式保存于冷泉碳酸鹽巖中。Peckmann及其同事提出了該觀點(diǎn),但所描述的微生物絲狀體直徑約10～20μm,遠(yuǎn)大于報(bào)導(dǎo)的活動細(xì)菌細(xì)胞的直徑值。本文描述了墨西哥灣GC238區(qū)天然氣滲漏區(qū)的碳酸鹽巖的微結(jié)構(gòu)特征,其中所保存的球體、卵形體、棒狀體及其所組成的圈層結(jié)構(gòu)與古細(xì)菌—硫酸鹽還原細(xì)菌特征及其組成的圈層結(jié)構(gòu)非常相似,說明冷泉碳酸鹽巖可能保存了MOA和SRB的化石。1樣品特征和采集2002年5月在墨西哥灣GC238區(qū)Johnson-Sea-LinkⅡ載人深潛器4298深潛航次采集了海底細(xì)菌席發(fā)育區(qū)表層的約10cm厚的沉積物。采集的樣品以有H2S氣味的黑色泥質(zhì)沉積物為主,并含有幾十塊碳酸鹽巖結(jié)核。碳酸鹽巖結(jié)核小于～5cm×5cm×1cm,結(jié)核呈多孔特征,結(jié)核的一個(gè)表面比較平整,另一個(gè)極不平整(圖1)。采樣溫度大約為6.15℃,水深約700m。碳酸鹽巖結(jié)核在采集后用淡水清洗,分析前再次用蒸餾水清洗并在室溫下干澡。將樣品敲掉左角(如圖1所示)露出新鮮斷面用于掃描電子顯微鏡(SEM)觀測。沿平行A—B線切割樣品磨成薄片進(jìn)行光學(xué)顯微鏡觀測。同時(shí)利用掃描電子顯微鏡觀測了樣品上表面和下表面(圖1a、b的白色正方形區(qū)域)。用于SEM觀測的樣品用厚約200埃的噴金處理,SEM圖像用LEO-1530VP電子顯微鏡在10～20kV和5～9mm的工作距離下拍攝。巖石薄片顯微圖用LEICA-DMRX光學(xué)顯微鏡拍攝,顯微鏡下物體大小由LeicaQwin程序測定。巖石的礦物化學(xué)組成由JEOL-JXA8100電子探針測定。碳酸鹽巖的碳和氧同位素用GVIsoprimeⅡ穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測定,δ18O和δ13C的誤差均小于0.01‰(2σ),均為PDB標(biāo)準(zhǔn)。2碳酸鹽巖粘結(jié)中的雙向異性圖2和圖3分別是碳酸鹽結(jié)核上、下表面(圖1a、1b中白色正方形內(nèi))的SEM圖像。結(jié)核上表面為約4μm的方解石晶體(微晶方解石),約10μm的微孔隙被一定方向排列的自形方解石圍繞(圖2)。結(jié)核下表面也是碳酸鹽礦物組成,但沒有自形方解石晶體(圖3)。它是由直徑約為0.1～0.5μm碳酸鹽顆粒聚集成一薄層。部分呈圓球狀,斷面呈外殼(圖3“ol”)包裹核心(圖3“c”)的圈層結(jié)構(gòu)。有些集合體為蠕蟲狀或柱狀形態(tài)(圖3中黑色和白色箭頭)。上表面的高倍放大圖像顯示不發(fā)育下表面所示碳酸鹽顆粒,顯示了完全不同的二個(gè)表面特征。圖4是沿A—B線制作的薄片光學(xué)顯微鏡圖像。在透光顯微鏡下顯示碳酸鹽巖結(jié)核由微晶方解石、方解石膠結(jié)物和草莓狀黃鐵礦組成。草莓狀黃鐵礦直徑約3～8μm(平均5μm)。X-射線衍射表明,樣品由90.1%的方解石,6.7%的粘土和2.7%的石英組成。電子探針分析顯示微晶方解石是由47.99%CaO,1.37%MgO和0.37%FeO組成的,膠結(jié)物由43.16%CaO,1.26%MgO和0.46%FeO組成的(表1)。圖5顯示了碳酸鹽巖結(jié)核破裂面(圖1a左側(cè)斷面)的SEM圖像。在SEM的高倍放大顯示方解石膠結(jié)物包裹在微晶方解石的表面。并且膠結(jié)物由直徑約0.1～0.5μm的球狀、橢圓狀或桿狀顆粒組成。這些顆粒單獨(dú)或呈團(tuán)塊產(chǎn)出,并叢生集合成薄層席狀。部分方解石團(tuán)塊薄層能夠比較清楚的顯示組成的顆粒,部分方解石團(tuán)塊融合非常徹底以至難以分辨其原始的顆粒形態(tài)。圖6和圖7詳細(xì)顯示了草莓狀黃鐵礦的微觀特征。圖6a為圖1a碳酸鹽巖結(jié)核左側(cè)斷面中觀測到的草莓狀黃鐵礦,黃鐵礦集合體直徑約3～8μm,由直徑約0.5μm的小球狀顆粒組成。圖7為圖1a所示A—B線制作的碳酸鹽巖薄片的反光顯微圖像。草莓狀黃鐵礦顯示出內(nèi)核和外層的層圈結(jié)構(gòu)(圖7a、b)。內(nèi)核由大量的白色黃鐵礦和黑色方解石微小顆粒組成,外層由眾多的黃鐵礦微小顆粒和桿狀方解石組成。電子微探針分析顯示內(nèi)核含有39.79%Fe,48.58%S,外層含有37.52%Fe,46.97%S和3.44%Ca(表2)。3微生物作用的機(jī)制所研究的碳酸鹽巖結(jié)核長約5cm,厚約1cm,采集于墨西哥灣的GC238塊區(qū)海底天然氣滲漏區(qū)。光學(xué)顯微鏡和電子掃描顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)碳酸鹽巖結(jié)核兩個(gè)表面的微觀結(jié)構(gòu)特征差異明顯。a表面以微晶方解石及無充填膠結(jié)物的孔隙組成,并有微晶方解石圍繞微孔隙發(fā)育(圖2),而b表面沒有微晶方解石,由直徑0.1～0.5μm的方解石顆粒聚集成厚約1μm的層。其中直徑較大的球狀集合體發(fā)育有外殼和內(nèi)核構(gòu)成的層圈結(jié)構(gòu)(圖3)。碳酸鹽巖結(jié)核內(nèi)部是微晶方解石及膠結(jié)充填物及直徑約3～8μm的草莓狀黃鐵礦。草莓狀黃鐵礦由直徑約0.5μm的微小顆粒組成,這些顆粒聚集成內(nèi)核和外核的圈層結(jié)構(gòu)。本文所研究的碳酸鹽巖結(jié)核中的方解石顆粒集合體的球狀、橢圓狀和桿狀顆粒形態(tài)及集合成的席狀體與文獻(xiàn)中所描述的石化(納米)細(xì)菌生物群落的形態(tài)非常相似。同時(shí),在我們的樣品中碳酸鹽顆粒集合體和草莓狀黃鐵礦均具層狀結(jié)構(gòu),這種集合體的層圈結(jié)構(gòu)與所觀察到的活體MOA(外核)和SRB(內(nèi)核)共生生物群落集合體結(jié)構(gòu)非常相似。Popa等在甲烷滲漏形成的的厭氧微生物細(xì)菌席中發(fā)現(xiàn)了草莓狀黃鐵礦,表明了這種草莓狀黃鐵礦與微生物作用的成因關(guān)系。在南海的冷泉碳酸鹽巖中也發(fā)現(xiàn)了草莓狀黃鐵礦。因此,這種草莓狀黃鐵礦可能是天然氣滲漏區(qū)海底冷泉沉積的特征性標(biāo)志。我們認(rèn)為所觀察到的由球狀,橢圓狀和桿狀顆粒組成的碳酸鹽巖和黃鐵礦可以保存MOA和SRB細(xì)菌細(xì)胞。我們測量的顆粒大小在所觀察到的現(xiàn)存細(xì)菌細(xì)胞范圍之內(nèi),這些顆粒聚集成外殼及其包裹的內(nèi)核結(jié)構(gòu)與所觀察到的活體共生MOA和SRB生物群落一樣的層圈結(jié)構(gòu)。而且,碳酸鹽巖的極負(fù)的碳同位素值(13CPDB=-49.16‰～-52.29‰)也表明方解石和黃鐵礦顆粒是微生物作用的產(chǎn)物。同時(shí)本文所研究的冷泉碳酸鹽巖及其周圍的泥沉積物的生物標(biāo)志化合物分析發(fā)現(xiàn)了一組含有1～5個(gè)不飽和雙鍵的2,6,10,15,19-五甲基二十烷烯(PMI)。這些烷烯化合物以甲烷厭氧氧化古細(xì)菌為特征。化合物PMI:2,PMI:3和PMI:4的碳同位素組成相對于PDB分別為-107.2‰,-115.0‰和-115.5‰。PMIΔ化合物極低的碳同位素組成證明這些化合物來源于甲烷厭氧氧化。因此,所研究的碳酸鹽巖結(jié)核中保存的這些微小的方解石或黃鐵礦質(zhì)顆?？赡苁鞘募?xì)菌細(xì)胞。對于碳酸鹽巖結(jié)核的形成,我們假設(shè)a表面是樣品的頂部,b表面是底部,海底天然氣滲漏過程中可能的微生物作用過程是在碳酸鹽巖結(jié)核底部,細(xì)菌使CH4轉(zhuǎn)化為CO2、硫酸根離子轉(zhuǎn)化為H2S,豐富的CO2和H2S,與海水向下擴(kuò)散的Ca和Fe相遇時(shí)使細(xì)菌石化。CO2通過碳酸鹽巖