石盐流体包裹体均—温度及捕获嗜盐菌机理研究

【摘要】 石盐流体包裹体由于其数量丰富、体积较大,且石盐矿物普遍发育在各个地质历史时期,成为研究古大气圈、水圈、生物圈等的信息的重要材料,为研究古温度、古水体成分、古大气成分以及生物的演化等方面提供可靠的定量数据。近些年来,国外学者在表生环境条件形成的蒸发盐流体包裹体的分析测试方法及应用等方面均做了大量的研究工作,但国内在这方面的实质性研究却较少。本文对于实验室合成石盐包裹体均一温度、岩相学、包裹体对微生物的捕获特征及从包裹体中提取微生物的实验方法均做了探索性研究,得到大量实验数据和可靠结果,并将这些研究方法用于陕北盐盆地奥陶纪马家沟组地层以及柴达木盆地大浪滩野外样品的研究,得到如下结果：(1)采用冷冻测微法测试实验室50℃蒸发形成的石盐流体包裹体均一温度。其测得的均一温度最大值与石盐晶体形成时的温度一致。所以,我们认为,石盐包裹体均一温度的最大值能够反映形成时的环境温度。原生流体包裹体均—温度与大小之间没有任何相关关系。在野外样品中,次生包裹体的大小大于原生包裹体大小。(2)应用冷冻测温法我们得到了陕北盐盆地奥陶纪马家沟组沉积期的古气温为27-36.9℃。这—古温度高于该研究区近二十年的现代气温,其原因可能是,陕北盐盆地奥陶纪所在的板块纬度位置较现今发生的很大的改变,其所处气候带也从低纬度热带变为中纬度温带；同位素测温结果显示,奥陶纪中期以前气温高于现代,而本样品来自于中奥陶纪的马家沟组地层,所以该地区古气温高于现代平均气温。(3)含有嗜盐菌的包裹体岩相学研究结果表明,捕获有嗜盐菌的包裹体比不含嗜盐菌的包裹体体积更大。含有嗜盐菌的包裹体数越多的样品,单个包裹体所捕获的嗜盐菌数量也越大。蒸发温度会影响包裹体中捕获的嗜盐菌的密度,但嗜盐菌形态并不影响包裹体对其的捕获。溶液中原始的嗜盐菌密度,与包裹体内所捕获嗜盐菌的密度没有太大关系。(4)建立了从石盐包裹体提取嗜盐菌的分子生物学技术方法,能够成功提取石盐流体包裹体中捕获的嗜盐菌DNA,并进行了基因序列对比验证。 

第一章绪论

1.1本研究的学术背景及意义

对于生物体在地质历史时期中的保存及研究，并由此延伸出对于生命演化史的研究一直是地质学及生物学界关注的焦点。生物体在地质历史中的保存有以下几种介质：首先是沉积岩石，即形成化石，这也是最为常见的保存介质；其次是冰和冻土，其对于生物体保存的完整性甚至优于岩石；还有一种就是保存在蒸发盐中的生物，通常是一些微生物或生物标志化合物。随着火星上蒸发盐矿物及一定量水（冰）痕迹的发现，蒸发盐中所包裹的生物体研究成为探索火星生命可能性的重要依据。生物体在蒸发盐中的赋存主要是被捕获于蒸发盐流体包裹体中。

盐类矿物流体包裹体是指地表水体（海洋、湖泊）在强烈的蒸发作用下，形成的盐类矿物往往捕获有母液，它们能够保存大气圈、水圈、生物圈等的信息，可以为研究古温度、古水体成分、古大气成分以及生物的演化等方面提供可靠的定量数据。近些年来，国外学者在表生环境条件形成的蒸发盐流体包裹体的分析测试方法、意义及应用等方面均做了大量的研究工作，这些工作对于恢复干旱区古气候环境、深化岩盐成矿理论、岩盐矿床的开采、核废料的处置以及极端环境下的生物存活机制等方面均具有十分重要的理论和实践意义。但国内在这方面的实质性研究却极为少见。

由于石盐普遍与不同盐度水体蒸发形成的盐类矿物具有很好的共生关系，且石盐流体包裹体一般较丰富、体积较大，因此本文采用石盐流体包裹体作为研究蒸发盐形成环境及其捕获并保存微生物的对象。

1.2国内外研究现状

包裹体根据成因可分为原生、假次生和次生三种类型（卢焕章等，。原生包裹体是矿物在结晶过程中被捕获的包裹体，与主矿物同时形成。原生包裹体常沿矿物生长面分布。假次生包裹体是在主矿物结晶过程中，因某种原因使主矿物产生裂隙，，而后有成矿流体充填其中，因裂隙愈合封存成矿流体而形成的包裹体。它沿愈合裂隙分布，具有次生包裹体的分布特征，但这种愈合裂隙只分在主矿物内部。由于它是在主矿物形成过程中形成的，所以假次生包裹体与原生包裹体一样，是代表形成主矿物成矿流体的样品。次生包裹体形成于主矿物结晶之后。当后期热液沿矿物裂隙、解理、孔隙进来，对矿物进行溶解，使其重结晶，在此过程中捕获形成了次生包裹体。它们常沿切穿矿物颗粒的裂隙分布。次生包裹体所代表的不是形成主矿物的成矿流体，而是代表矿物形成后的某个时间进入主矿物的流体。

原生和次生流体包裹体的主要区别在于，原生流体包裹体一般分布在主矿物的结晶位置（如晶面、负晶形），有时包裹体被个别矿物颗粒所限，或其在晶体中无一定的排列次序；而次生包裹体一般沿矿物裂隙的位置分布，有一定的方向性，沿裂隙可追索晶粒边缘，或包裹体平面穿过晶体边界时不分叉不改向。还有一种假生包裹体，其只限于矿物内部生长，属于原生包裹体的一种。原生包裹体的形态常与主矿物结晶形态一致，如石英中的六边形包裹体，石榴石中多边形包裹体，形态复杂的包裹体较少见。原生和次生包裹体形成温度，成分和PH值等也有明显的差别。

盐类流体包裹体与一般矿物中的流体包裹体的理论基础是相同的。只是由于盐类矿物易发生重结晶这一特殊的性质，在研究时我们更加关注其原生包裹体的特征。

1.2.1石盐流体包裹体形成过程及其特征

石盐晶体在生长过程中有两种不同的作用：一种是在水面形成的漏斗形生长，另一种是在水体底

部形成的人字形生长（图1-1）。

第二章石盐流体包裹体均一温度研究

2.1实验室蒸发形成石盐流体包襄体均一温度研究

关于石盐流体包裹体均一温度的研究，国内外学者做了大量的工作。原生石盐包裹体的均一温度能够代表其形成是的水体温度，但与其形成时的气温又有怎样的对应关系呢？对于这个问题，Roberts等做了深入研究，并给出相应结论。他在收集了加拿大死谷盐湖1911-1993年的气温数据之后，总结出了该盐湖月平均气温变化范围。同时，他釆用冷冻测温法得到相应时期沉积的石盐包裹体均一温度。

2.1.1样品制备

NaCl在100摄氏度条件下溶解度为39.2，故将1.2L去离子水煮沸并加入500gNaCl（分析纯）。在室温下用玻璃棒搅拌至完全溶解，并用温度计测量溶液温度。待溶液温度降低到50°C时，快速将溶液放入恒温干燥箱，干燥箱内温度设定为50°C。约3-5天之后，溶液蒸干，NaCl晶体完全析出。结晶出的NaCl晶体呈立方体或漏斗形集合体。由于蒸发盐矿物具有易潮解、易重结晶等特殊性质，为防止磨片过程对包裹体均一温度的测定产生干扰，本研究未进行磨片，而直接将样品切成厚度小于0.5mm薄片在显微镜下观察。样品编号后用自封袋将其密封好并放入干燥剂，以避兔矿物发生潮解。干燥箱为天津市泰斯特仪器有限公司所产，其温度误差在±5°C。

2.2陕北盐盆地奥陶纪马家沟组地层石盐流体包裹体均一温度研究

关于石盐流体包裹体的研究，以上的蒸发盐石盐表明：原生石盐流体包裹体的最大均一温度能够反映形成时期的古环境。故我们将此方法应用于陕北盐盆地奥陶纪马家沟组地层中石盐流体包裹体的研究中。以此来研究探讨古地层中的石盐包裹体均一温度对于形成环境古温度的指示情况。

2.2.1研究区概况

陕北盐盆位于鄂尔多斯盆地的中东部，其分布范围大致为N36°10’-39°10’，E108°30'-111°，面积约5.6万平方公里（图2-4）。行政区划包括陕北地区柳林、临县、神木、靖边、志丹、延安、大宁等市县辖区。鄂尔多斯盆地是指贺兰山以东、吕梁山以：西、阴山以南、秦岭以北的地区，包括甘肃的东部、宁夏的大部、陕西的中部和北部、内蒙古的西部和山西的西部，面积约32万平方公里。

陕北盐盆的蒸发盐所在层位主要发育马家沟组地层，其中马家沟组一、三、五段为含盐段，二、四、六段为碳酸盐岩段。从岩性上看，陕北盐盆在该时期主要经历了三次完整的海进海退事件，形成了三个蒸发盐与碳酸盐岩互层的沉积旋回（侯方浩等。

第三章石盐流体包裹体捕获嗜盐菌机理研究.........24

3.1样品制备.......24

3.2镜下包裹体岩相学观察....28

第四章青海柴达木盆地大浪滩干盐湖石盐流体包裹体分析.......66

4.1研究区概况.....66

第五章结论.....84

第四章青海柴达木盆地大浪滩干盐湖石益流体包襄体分析

近些年来，火星遥感及火星登陆测量都发现了大量的含水硫酸盐、碳酸盐及氯化物的存在，这些盐类的状态和演化见证了近代火星表面环境条件的变化。同时，更进一步的火星探测也表明，尽管现在的火星是一个温差大、空气稀薄、干旱等极端气候条件的不毛之地，但是从火星地质地貌和保存在沉积岩石中的记录，可以清楚地看到火星曾经发育过河流、湖泊和大海，可能具有类似于现在地球的地质和气候环境。由于火星研究受到取样、探测方法的限制，我们试图釆用在地球相似地表环境寻找类比研究试验场的方法，对于火星进行更加客观、准确地研究。

青藏高原柴达木盆地西部地质条件和气候环境与现在的火星有许多相似之处，在该区建立探测火星试验场对了解火星盐类矿物、岩石、地形、地貌以及极端环境下的生命探索具有重要意义。经过详细的地质考察比较，由于大浪滩干盐湖具有大量硫酸盐、碳酸盐和氯化物等蒸发盐矿物，且具有低温、低压、极端干旱等与火星极为相似的一些气候条件，我们选取大浪滩干盐湖作为一个火星试验场。

我们应用石盐流体包裹体均一温度及捕获嗜盐菌提取等实验技术方法对柴达木盆地大浪滩干盐湖的石盐流体包裹体样品进行了详细研究，希望得到该地区的古环境温度以及流体包裹体在自然条件下对于嗜盐菌的捕获机制和相关分子生物学信息。这些数据信息，对于认识大浪滩的古气候和生命在极端环境下的生存与保存状态有着重要意义，也对于火星类比研究进行一些基础资料数据的积累。

第五章结论

石盐流体包裹体由于其数量丰富、体积较大，且石盐矿物普遍发育在各个地质历史时期，成为研究古大气圈、水圈、生物圈等的信息的重要材。其研究结果可以为研究古温度、古水体成分、古大气成分以及生物的演化等方面提供可靠的定量数据。近些年来，国外学者在表生环境条件形成的蒸发盐流体包裹体的分析测试方法、意义及应用等方面均做了大量的研究工作，但国内在这方面的实质性研究却极为少见。我们对于石盐包裹体均一温度、岩相学以及微生物提取的实验方法均做了详细的实验室研究，得到可靠结果，并将这些研究方法用于野外样品的研究，得到如下结果：我们对于原生流体包裹体大小与均一温度间的关系做了研究，试图找到原生流体包裹体均一温度与大小之间的关系。对于测量了均一温度的包裹体我们测量了其最大边长，并以此作为衡量包裹体大小的依据，通过将均一温度和包裹体大小作为横纵坐标，并将所测数据投点后发现，原生流体包裹体均一温度与大小之间没有任何相关关系，这与前人的研究结果是一致的。

参考文献（略）