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矿物-微生物交互作用广泛参与地球表层系统物质循环与能量流动过程,深刻地影响着一系列重要的地表生物地球化学进程。近年来地表半导体矿物的相关研究,为矿物-微生物交互作用提供了崭新研究方向,揭示地表“日光-半导体矿物-微生物”系统电子传递过程及其环境效应,是地质微生物学交叉领域研究的核心科学问题之一。本研究从地表不同生境“矿物膜”出发,以光电化学技术证实喀斯特、红壤、岩石漆“矿物膜”在1 000 min长时间循环实验中平均光电流值约为5.4、3.4、3.2 μA/cm2,证实“矿物膜”良好日光响应特性且铁锰氧化物矿物在其中发挥核心作用。基于笔者前期研究所发现的“矿物膜”电活性菌富集且与半导体矿物分布呈正相关性这一现象,本文进一步构建模拟光电子红壤细菌群落系统,20天后细菌群落α多样性显著提升,研究证实细菌群落具有模拟光电子响应活性,且电极与溶液群落均具有演化方向性;16S rRNA测序分析表明模拟光电子作用下Shewanella、Pseudomonas、Streptococcus、Lactobacillus、Acinetobacter等电活性菌显著富集。综上,本文研究结果间接证实地表半导体矿物光电子可有效调控微生物群落结构并促进电活性菌在“矿物膜”中富集。 相似文献
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地球早期生命起源的第一步是合成简单的有机化合物，但合成有机物所需能量来源问题长期困扰着学术界。早期地球上丰富的硫化物半导体矿物可将太阳光子转化为光电子，提供持续的能量来源。也正是由于矿物光电子能量较高，在非生物途径合成小分子有机物方面具有优势。其中半导体矿物自然硫转化太阳能产生的光电子能量，是目前所发现的最高的矿物光电子能量，不仅能直接还原CO2分子为甲酸物质，还可催化其他生命基础物质的合成。在全球陆地系统中暴露在阳光下的岩石/土壤表面普遍被一层铁锰氧化物“矿物膜”所覆盖，光照下含半导体矿物水钠锰矿的“矿物膜”产生原位、灵敏、长效的光电流，显示出优异的光电效应。生物光合作用中心Mn4CaO5在裂解水产氧过程中产生成分和结构类似水钠锰矿的结构中间体，地球早期“矿物膜”中水钠锰矿可能促进了锰簇Mn4CaO5与生物光合作用的起源与进化。早期地球半导体矿物为生命起源基本物质的合成提供直接能量来源，矿物光电子能量在地球早期生命起源与进化中起到了重要作用。 相似文献
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地球早期生命起源的第一步是合成简单的有机化合物,但合成有机物所需能量来源问题长期困扰着学术界。早期地球上丰富的硫化物半导体矿物可将太阳光子转化为光电子,提供持续的能量来源。也正是由于矿物光电子能量较高,在非生物途径合成小分子有机物方面具有优势。其中半导体矿物自然硫转化太阳能产生的光电子能量,是目前所发现的最高的矿物光电子能量,不仅能直接还原CO2分子为甲酸物质,还可催化其他生命基础物质的合成。在全球陆地系统中暴露在阳光下的岩石/土壤表面普遍被一层铁锰氧化物“矿物膜”所覆盖,光照下含半导体矿物水钠锰矿的“矿物膜”产生原位、灵敏、长效的光电流,显示出优异的光电效应。生物光合作用中心Mn4CaO5在裂解水产氧过程中产生成分和结构类似水钠锰矿的结构中间体,地球早期“矿物膜”中水钠锰矿可能促进了锰簇Mn4CaO5与生物光合作用的起源与进化。早期地球半导体矿物为生命起源基本物质的合成提供直接能量来源,矿物光电子能量在地球早期生命起源与进化中起到了重要作用。 相似文献
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在国际地科联启动深时数字地球大科学计划背景下,开展成因矿物学大数据平台建设和数据深度挖掘和研究,具有十分重要的意义。建议优先考虑矿物系统发生史、矿物标型和矿物成因分类3个方面的数据平台建设,开展3个方面的大数据模型、大数据处理的方法研究和大数据结果的信息提取。部署开展基于大数据的若干国家战略性关键金属元素矿物(如锂矿物、铀矿物、镓矿物、铈矿物、铂矿物等)的系统发生史和矿物类的系统发生史研究,分析其在不同地质历史时期和地球不同构造单元中的聚散规律,为战略性关键金属找矿预测提供思路。根据矿物大数据库的深度挖掘和矿物系统发生史研究所提供的有关矿物演化的规律,揭示地球历史中重要地球物理、地球化学和地球生物事件的性质、分布、规模及辐射效应。借助矿物成因分类的大数据平台,完善“显性”成因矿物族分类和区划图编制,在此基础上,开展基于大数据的“隐性”成因矿物族和找矿矿物族的分类和区划图研制。要重视矿物学和地质大数据研究的复合型人才培养,在开设地质大数据本科专业基础上,在研究生层次开设“成因矿物学大数据”研究方向。 相似文献
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地表“矿物膜”:地球“新圈层” 总被引：1，自引：0，他引：1
地球表层是一个极为复杂的开放系统,其中所充满的阳光、大气、水分、有机酸、无机酸/盐、矿物质和微生物等彼此之间无时无刻不在发生着人们尚未充分认识到的多种自然作用。本文采用环境矿物学、半导体物理学与光电化学等交叉学科研究手段,在我国南方红壤、西南喀斯特和西北戈壁等典型陆地生境中,发现直接暴露于太阳光下的土壤/岩石表面广泛发育有几十纳米到数百微米厚度的铁锰氧化物"矿物膜";详细研究了铁锰氧化物"矿物膜"中矿物组成及其精细结构特征,发现半导体性能优异的水钠锰矿普遍存在,其晶体结构中富含促进其光催化功能的稀土元素Ce。在这些生境中,矿物岩石表面所包覆的铁锰氧化物"矿物膜"总是朝着太阳光发育,岩石背面却不出现"矿物膜",揭示出太阳光照射下的地球陆地表面普遍存在的"矿物膜"与太阳光有着直接的响应关系。光电化学测试结果显示,天然"矿物膜"具有较好的日光响应性能,由其制成的电极在可见光照射下皆能产生明显的光电流,而不含铁锰氧化物矿物的岩石基质样品及石英、长石等矿物样品几乎不产生光电流,表明"矿物膜"光电流的产生主要与铁锰氧化物有关。进一步测得"矿物膜"中主要铁锰氧化物的禁带宽度均小于2. 5eV,证明其均为对可见光具有广泛而良好吸收的天然半导体矿物。以全球日光平均辐照强度100mW/cm~2计以及全球典型生境中"矿物膜"分布面积估算,全球"矿物膜"吸收太阳能等效为生物质能的最大量与2017年度全球糖类产量(1. 92亿吨)相当。铁锰氧化物"矿物膜"不仅存在于陆地地表,还存在于海洋透光层中。可以认为地表"矿物膜"是地球上分布最广的天然"太阳能薄膜",从功能上"矿物膜"相当于继地核、地幔和地壳之后的地球第四大圈层,事实上构成了地球"新圈层",也是地球在太阳光能量驱动下发生外营力地质作用的关键地带。在此基础上,本文提出从"矿物膜"中产生的矿物光电子与太阳光子和元素价电子共同组成了地表存在的三种主要能量形式的认识。深入探讨太阳光照射下地表多圈层交互作用界面上所发生的电子传递与能量转化的微观机制,有助于深刻理解地表"矿物膜"这一地球"新圈层"如何影响地球物质演化、生命起源进化与环境变化演变的宏观过程。 相似文献
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长江中下游成矿带铁-铜成矿系统结构的地球物理探测: 综合分析 总被引：1，自引：0，他引：1
成矿系统是在深部过程驱动下形成的、具有自组织的能量及物质迁移-汇聚系统。系统在形成和演化过程中,在岩石圈不同尺度上留下“痕迹”,这种“痕迹”可以通过地球物理、地球化学和遥感等方法进行探测或观测。文章尝试在成矿系统理论框架下,对近10多年来在长江中下游成矿带进行的多尺度地球物理、地球化学探测结果进行分析,识别典型陆内成矿系统“源区”“通道”“场所”的地球物理、地球化学“痕迹”,尝试构建陆内成矿系统的空间结构模型。主要结论有:(1)长江中下游晚中生代的大规模铁、铜多金属成矿作用是一个完整的成矿系统。该系统包括3个子系统,分别为与高钾钙碱性岩浆岩有关的夕卡岩-斑岩成矿子系统、与橄榄安粗岩有关的陆相火山岩铁(硫)成矿子系统和与碱性岩有关的铜-金(铀)成矿子系统。(2)成矿系统的“源区”来自富集地幔的熔融、底侵,并在壳/幔边界与下地壳物质的混合,具有多级分布特点。幔源岩浆与地壳物质混合的比例决定了成矿金属的类型。(3)成矿带发育的“鳄鱼嘴”构造是铁铜成矿系统的主干“通道”。成矿系统“末端”矿质沉淀的“场所”主要受近地表褶皱、断裂、层间滑脱断层,以及由它们形成的断裂(裂隙)网络控制。(4)区域磁异常、放射性和地球化学异常是成矿系统残留“痕迹”的响应和“标识”。通过分析不同尺度的“标识”特征,可以深入认识成矿系统的空间结构,并可用于深部成矿预测。 相似文献
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纳米比亚湖山铀矿位于达马拉造山带的中央南部地区,工业铀矿物为晶质铀矿,属于伟晶岩型铀矿床。关于不同矿石中铀元素的富集与沉淀机制还存在一定争议。为了揭示伟晶质岩浆演化与铀矿化作用的关系,本文对矿区内不同矿物组成的伟晶岩型矿石开展了岩石和矿物地球化学研究。野外及镜下鉴定结果显示,矿化伟晶岩可以分为“简单类型”矿体和“复杂类型”矿体。前者具有正常的花岗伟晶结构,晶质铀矿均匀分布于造岩矿物之间,矿化程度低到中等;后者表现出非均匀的结构特征,且矿化程度极高,晶质铀矿在成因上与大量黑云母团块有明显的空间联系。地球化学研究表明:在“简单类型”伟晶岩中,铀元素主要通过伟晶质岩浆的分离结晶作用富集;“复杂类型”伟晶质岩浆的演化则明显受控于同化混染作用,其铀矿化为岩浆同化混染与分离结晶(assimilation-fractional crystallization,AFC)作用产物。具体而言,外来基性组分(FeO,MgO,TiO2,MnO)的混入导致“复杂类型”熔体中矿物的结晶顺序发生改变,长石类矿物的“延后”结晶为黑云母提供了更加有利的结晶空间和条件,促使黑云母以团块状聚集的形式产出。黑云母的大量析出会引发残余岩浆中UFm4-m络合物的水解,导致晶质铀矿在团块黑云母内部或周围沉淀。因此,本文有关“简单类型”和“复杂类型”产铀伟晶岩的研究,有效地揭示了岩浆演化过程与铀矿化机制,丰富了伟晶岩型铀矿床理论,为后期勘查开发提供了科学依据。 相似文献
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生物扰动对塔里木盆地塔河油田奥陶系碳酸盐岩“基质储集体”储集性能的改造效应具有重要影响。以塔河油田奥陶系岩心为研究对象,利用Adobe® Photoshop® CS6软件提供的生物扰动数字图像分析软件包,对岩心数字图像中生物扰动区域进行了识别和定量表征。结果表明: (1)在生物扰动数字图像分析软件包提供的方法中,“相似像素选择法”和“魔棒法”是对生物扰动识别与定量表征最为有效的方法,但二者适用范围不同;(2)“相似像素选择法”适用于生物扰动程度较大,单个形体相对较小且离散度相对较高的情况:当生物扰动充填物和围岩基质边界对比度较大时,应用“选取相似”操作效果最好;而当生物扰动充填物和围岩基质边界对比度较小时,应用“色彩范围”操作识别效果最好;这2种操作都仅能执行1次;(3)“魔棒法”对于识别生物扰动区域形体大而分布连续,且充填物颜色不同的情况具有独到优势;该方法可以通过多次重复操作以及调整“容差”来提高生物扰动区域与围岩基质的识别度。该研究对从生物成因角度解释碳酸盐岩“基质储集体”的非均质性与分布规律、实现增强储集性能生物扰动属性表征、丰富海相碳酸盐岩储集层地质学理论、指导该类油气藏远景勘探和储量计算以及选择合理的开发方案等具有重要意义。 相似文献
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基于东海北部陆架表层沉积物的泥温、粒度分析与重矿物鉴定数据,结合末次盛冰期(LGM)以来的东海海平面演化阶段分析,提取高海面期以来底层水团承载的沉积重矿物空间分布规律与信息记录。结果表明优势矿物种的迁移路径与区域环流系统密切相关,进而可示踪东海北部物质的大致输运方向。依据透明矿物(普通角闪石、帘石类、稳定矿物)、金属矿物(不透明矿物)、片状矿物及自生矿物等优势重矿物种迁移路径的判断和讨论,将研究区初步划分为5类矿物区,分别为冷涡矿物区(Ⅰ区)、黄海沿岸流与跨陆架流矿物区(Ⅱ区)、长江冲淡水矿物区(Ⅲ区)、暖流矿物区(Ⅳ区)和复合矿物区(Ⅴ区)。Ⅰ区受济州岛西南冷涡影响显著,高含量的自生黄铁矿指示了强还原的沉积环境;Ⅱ区是黄海沿岸流与跨陆架流(ECSC)南向输运老黄河三角洲物质的重要通道,帘石类矿物、金属矿物、片状矿物的含量变化可指示输运的路径;Ⅲ区是长江冲淡水东扩的重要通道,普通角闪石、片状矿物、石榴石为示踪的特征矿物;Ⅳ区是陆架水团混合了台湾暖流和对马暖流水体的区域,区内“洁净”的暖流水阻隔陆源物质向东输运,其西侧为物源供给侧,形成优势矿物低值区,东侧物质供给匮乏,海侵改造沉积出露,重矿物及优势矿物种呈高值;Ⅴ区是区域环流系统季节性变化与强度差异影响下的复合作用区,区内矿物学特征与邻区相比无明显优势。从矿物迁移路径的角度认识东海北部陆架的物质输运与聚集过程,可进一步理解优势矿物示踪意义与区域环流系统动力环境的响应机制。 相似文献
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位于我国东部的许多新生代盆地,在地质历史时期发育了巨厚的岩盐沉积。尽管这些盆地的成盐模式研究已经历了40多年,但由于缺乏“深水成盐”的现代沉积模式,到底是“深盆-深水”还是“深盆-浅水”成盐,一直难以定论。为了理解“深水成盐”的控制因素,很多现代盐湖开展了水文学和水化学调查,然而这些湖盆的矿物组合各不相同,“深水成盐”的形成条件和控制因素尚不清楚。本文对死海、佛瑞湖等“深水成盐”的现代盐湖以及我国东濮凹陷沙三段的成盐特征进行了解剖,从盐度、水深、湖平面波动以及卤水分层等角度探讨了“深水成盐”的形成条件,对比分析了“深水成盐”的相对位置以及沉积物特征,总结了“深水成盐”的识别标志。研究表明,盐岩层系在岩心和测井资料上显示出多尺度的旋回性。“深水成盐”为水深较大的洼陷中心成盐,与盆缘的“浅水成盐”同盆共存。沉积相对岩盐层系的结构和组成有明显的控制作用,其中洼陷带的“深水成盐”,主要在洼陷带的卤水-湖底沉积物界面附近,析出和增生粗晶的盐类矿物,常与富含有机质和黄铁矿的暗色泥岩共存;而湖滨附近的“浅水成盐”,单层厚度薄,结晶粒度细小,通常含有较多的陆源碎屑。死海为代表的现代盐湖以及东濮凹陷等古代成盐盆地的沉积特征表明,“深水成盐”发生于湖平面的下降期,而且卤水剖面的厚度对蒸发岩的形成分布有明显的控制作用,同时具有“深水”和“深盆”特征的内陆盐湖更容易形成单层厚度大、横向稳定的岩盐沉积。本研究有助于改变人们以往对内陆湖盆成盐机理的认知,尤其是现代盐湖的卤水分层析盐特征,对解读地质历史中的其他成盐事件具有重要启示。基于现代沉积实例的“深水成盐”识别标志,可以为古代岩盐沉积模式的建立提供限定条件。 相似文献
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Under the ever-present solar radiation, photosynthetic organisms on Earth evolved structurally-sophisticated photosynthetic systems. However, little attention has been paid to the inherent impact of sunlight illumination on the inorganic minerals widespread on the Earth surface. We discovered for the first time the solar energy conversion system of the “mineral coatings” on the Earth's surface (aka“mineral membrane”), which exerts potential oxygen-production and carbon-sequestration functions on the Earth surface. Our finding shed a light on the photoelectric effect and non-classical photosynthesis involving natural semiconducting minerals. In this contribution, we studied the semiconducting property and photoelectron energy of typical minerals in the “mineral membrane”, focusing primarily on the photoelectric effect in and oxygen-production/carbon-sequestration function of ferromanganese oxides, as well as relevant geological records. We propose that birnessite, goethite and hematite, the semiconducting minerals commonly found in the “mineral membrane”, can perform sensitive and stable photon-to-electron conversion under solar radiation. The non-classical mineral photosynthetic function we put forth is as follows: Solar energy utilization by inorganic minerals resembles photosynthesis in regarding to oxygen evolution and carbon fixing, and the “mineral membrane” may take part in both photocatalytic water-oxidation reaction and transformation of atmospheric CO2into marine carbonate. In addition, minerals might as well have promoted photosynthesis in photosynthetic organisms. During the water-oxidation reaction, the inorganic cluster Mn4CaO5of photosystem II cycles through redox intermediates that are analogous to birnessite both in structure and component. Thus, it is fair to postulate that birnessites could play a role in the initiation of the photosynthesis in cyanobacteria, as minerals could weaken the hydrogen bond strength and alter water properties, thus facilitating water oxidation and photosynthesis. This observation offers further insights into the molecular mechanism of mineral participation in photosynthesis in photosynthetic organisms. 相似文献
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矿产勘探的理念,在西方国家被称为“勘探哲学”,是指导矿产勘探的思想、方法、技术、目标和组织。矿产勘查的3个基本要素是“找什么”、“哪里找”和“如何找”。随着“三要素”的发展,矿产勘查的概念正在逐渐变化,“三要素”为改变矿产勘探的概念、方法和技术提供了强大的动力。矿产勘查概念的创新是持续的勘查和开发与时俱进的结果。“数学地质学”和“信息技术”的结合被称为“数字地质学”。数字地质学是地质科学的数据分析的组成部分。地质数据科学是一种根据地质数据的特征和地质工作的需要,利用数据科学的一般方法来研究地质学的科学。数字矿产勘查是数字地质学在矿产勘查中的应用,以减少找矿的不确定性。 相似文献
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《矿物学报》2013,(Z1)
The Earth surface is a multiple open system. Semiconducting minerals, including most metal oxides and sulfides, absorb visible light of the solar spectrum. Microorganisms evolve varied pathways to get carbon and energy sources. It is obvious that the interaction among solar light, semiconducting minerals, photoelectron/photohole, organics, inorganics, valence electrons and microorganisms occurs continuously on our planet. In a recent study, Lu et al. (2012) presented evidence demonstrating solar energy mediated by semiconducting mineral photocatalysis, acting as energy source, promoted the growth of some non-photosynthetic bacteria and revealed that the ternary system of microorganisms, minerals and solar light has played a critical role in the history of life on our planet. In simulated system, under simulated solar light semiconducting minerals, such as metal oxides and metal sulfides, generates photoelectrons which could be used by non-phototrophic microorganisms to support their metabolisms. The growth of microorganism was closely related to photon quantity and energy, and the microorganism growth and mineral light absorption spectra were fitted well under different light wavelengths. The overall energy efficiency from photon to biomass was 0.13‰ to 1.9‰. Further studies revealed that in natural soil systems, semiconducting mineral photocatalysis could influence the microbial population. Solar energy utilization pathway by nonphototrophic microorganisms mediated by semiconducting mineral photocatalysis provides a new concept to evaluate the origin and evolution of life. Semiconducting minerals are ubiquitous on Earth’s surface and widely participate in redox reactions following photoelectron-photohole pairs excited by solar light. As photoholes can be easily scavenged by environmental reductive substances and microorganisms possess multiple strategies to utilize extracellular electrons, the highly reductive photoelectrons serve as potential energy source for microbial life. The discovery of this pathway extends our knowledge on the use of solar energy by nonphototrophic microorganisms, and provides important clues to evaluate life on the early Earth. Microorganisms, minerals and solar light constitute a complex but important ternary system through Earth history. The discovery of the novel energy conversion pathway in this system demonstrates how nonphototrophic microorganisms directly or indirectly utilized photoelectrons as the solar energy source. The fully comprehending of nonphototrophic bacteria solar energy utilization conducted by semiconducting minerals in present environment will greatly help us to better understand the energy transform mechanism among interfaces of lithosphere, pedosphere, hydrosphere and biosphere. 相似文献
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为探究"矿物膜"中半导体矿物与光合色素间的日光响应协同作用,对采自安徽潜山市郊的"矿物膜"样品进行了矿物组成和色素组成分析。同步辐射X射线粉末衍射测定表明,样品富含锐钛矿、赤铁矿等半导体矿物;拉曼光谱证实其中存在地表广泛分布的光合色素:β-胡萝卜素。在此基础上开展锐钛矿-β-胡萝卜素协同增强日光响应模拟实验。合成锐钛矿电极并对其进行系统的矿物学表征,紫外-可见漫反射吸收谱计算其禁带宽度约为3.07 eV;莫特-肖特基计算得到的平带电位约为-0.16 V,载流子浓度约为3.25×1026 cm-3;光电化学测试结果显示其具有一定可见光光电转化能力。经β-胡萝卜素敏化处理后,锐钛矿电极平均光电流密度提升了400%,在425~550 nm间光吸收值提高,该波段位于日光辐射能量集中的波长范围内,且与β-胡萝卜素吸收范围吻合,表明二者间存在日光吸收及光电响应协同增强作用。 相似文献