冷泉碳酸盐工厂的提出及古气候意义

【意义】碳酸盐工厂的提出及其分类研究对于推动碳酸盐岩沉积学发展具有重要意义,但现行分类方案不足以囊括所有碳酸盐沉积类型,因此亟须从机理和过程层面对碳酸盐工厂类型予以梳理、扩充。【进展】传统碳酸盐工厂的碳源主要为大气—海洋中的无机碳库,而一些特殊海相和陆相碳酸盐工厂的碳则主要源于外源碳库,因而两者具有本质上的区别。后者往往对于追溯深时水体环境和气候事件具有重大意义。【结论与展望】以冷泉碳酸盐岩为例,正式提出“冷泉碳酸盐工厂”概念,综述了其沉积特征、生物组成及生物地球化学过程,并举例阐述其古气候意义。基于外源碳库的碳酸盐工厂类型理应得到重视。

冷泉碳酸盐岩有机碳、氮同位素的耦合及其对甲烷厌氧氧化过程的指示

驱动甲烷厌氧氧化(AOM)过程的微生物不仅能同化吸收甲烷等碳氢化合物作为碳源,同时也能进行氮素的同化吸收,从而导致这些微生物的生物体出现显著的^(13)C、^(15)N亏损。目前还缺乏来自冷泉环境有机氮δ^(15)N数据来直接证实AOM参与氮的循环过程。本研究分析了来自墨西哥湾海底5个冷泉站位的自生碳酸盐岩的总氮(TN)、总无机氮(TIN)和总有机氮(TON)的含量及其δ^(15)N值,并结合前人获得的总无机碳和总有机碳含量和δ^(13)C数据进行研究,结果发现总氮的δ^(15)N与总有机碳的δ^(13)C只在部分站位表现出正相关性。然而,在排除无机氮的干扰后,总有机氮的δ^(15)N与总有机碳的δ^(13)C在所有站位均表现出正相关性。表明这种有机碳、氮同位素上的耦合与甲烷的活动密切相关,有望作为有效示踪过去海底甲烷渗漏及AOM作用的指标。

南海海马冷泉区沉积物孔隙水地球化学特征对冷泉活动的指示

海马冷泉位于南海琼东南海域,是南海迄今发现的两个活动冷泉之一。我们对海马冷泉Rov2和PC3站位两个活塞重力柱沉积物孔隙水的阴阳离子、溶解无机碳(DIC)及其碳同位素组成和Sr、Ba含量等进行了分析。结果表明,两个站位孔隙水DIC含量(Rov2和PC3最大DIC含量分别为27.4、8.5 mM)和δ^(13)CDIC(Rov2和PC3站位最低值分别为-54.63‰和-48.93‰)具有明显的镜像关系。结合孔隙水硫酸盐浓度的变化特征,Rov2和PC3站位的硫酸盐-甲烷界面(SMI)分别位于约485和410 cm。通过模拟估算,Rov2和PC3站位向上甲烷通量分别为67.4和97.2 mol·m^(-2)·ka^(-1),较浅的SMI深度与相对较高的甲烷通量相一致。SMI附近极低的孔隙水δ^(13)CDIC值指示了AOM作用的发生及其对DIC的贡献。在Rov2站位,自生碳酸盐矿物以高镁方解石为主,阳离子Ca^(2+)、Mg^(2+)和Sr^(2+)含量随深度增加并表现出与SO_(4)^(2−)阴离子含量相似的变化特征。在SMI附近,随着SO_(4)^(2−)的消耗、有机质的矿化将大量的Ba^(2+)和PO_(4)^(3-)释放进入孔隙水。因此,冷泉孔隙水地球化学特征的变化能帮助我们有效识别渗漏活动过程,对AOM作用下物质的迁移与转化具有重要的指示意义。

海底甲烷冷泉特征与冷泉生态系统的群落结构

海底冷泉及冷泉生态系统是现代海洋地质学和生物学研究的前沿领域,它提升了人类对深海资源的认识和利用,拓展了深海极端环境下生命的潜在界线。综述了海底甲烷冷泉的成因、冷泉喷发的类型及其特征,海底冷泉分布、形成的主要阶段(150—100Ma BP,42—28Ma BP和12Ma BP以来)以及指示海底冷泉系统的简要特征;综述了冷泉化能自养生态系统及其食物链构成和特征,专性种、潜在专性种和非专性种的生物组成及其特征,冷泉环境中有孔虫和轻小型底栖动物的主要变化;最后划分了我国近海的冷泉区(点)并简要介绍它们的分布和特征,为开展我国近海冷泉及其冷泉生物群落的调查和研究提供了基础资料。

南海北部陆坡西部海域“海马”冷泉甲烷渗漏及其海底表征

2015年3月"海马"号遥控无人潜水器(ROV)在南海北部陆坡西部海域首次发现活动冷泉,并命名为"海马"冷泉,此后中国地质调查局广州海洋地质调查局先后组织了3个航次,对"海马"冷泉开展进一步勘查和研究。本次研究在综合分析4个航次调查数据的基础上,初步阐述"海马"冷泉的分布范围、地形地貌、生物群落、自生碳酸盐岩和流体活动等特征。总体而言,"海马"冷泉区地势平缓,气体渗漏现象非常发育,是以CH4为主要气体渗漏形成的活动冷泉区,且气体渗漏活动具有时空迁移性。气体碳同位素组成表明,海马冷泉区的CH4为混合成因气,且以微生物成因为主;"海马"冷泉区发育有多种类型的化能自养冷泉生物群落,冷泉区种类丰富,目前已报道了多个冷泉生物新种。这些发现为研究南海北部陆坡西部海域天然气水合物分解及其环境效应、冷泉生物生命起源与演化和南海与印度洋及太平洋物种迁移贯通等科学问题提供重要依据。

基于ZooScan图像分析“海马”冷泉区浮游动物垂直分布特征

为了解“海马”冷泉区浮游动物的垂直分布以及冷泉活动可能对上方浮游动物群落产生的影响,2020年9月在“海马”冷泉区的5个调查站位使用浮游生物分层拖网对1250m以浅的浮游动物垂直分布进行了调查。使用浮游动物图像扫描系统(ZooScan)对不同水层的浮游动物样品进行了分析,获取了浮游动物的丰度、生物量和粒径谱的垂直分布特征。结果显示:浮游动物丰度和生物量主要集中在0~100m水层,低于100m后,浮游动物的丰度和生物量随着水深增加均快速下降,在1000~1250m水层平均分别仅为8.33个·m^(-3)和12.10mm^(3)·m^(-3)。总体看来,桡足类是各水层浮游动物的优势类群,胶质类浮游动物在深层中的占比上升。“海马”冷泉区不同站位和水层标准化生物量谱斜率的变动范围为-0.94~-0.57,截距的变化范围为-2.10~5.94。从表层到底层,浮游动物标准化生物量谱基本呈现斜率逐渐增大而截距逐渐减小的趋势。这反映了浮游生态系统的生产力水平从表到底逐渐下降,但浮游食物网的能量传递效率逐渐增加。甲烷气体渗漏强度最大的ROV1站位在1000~1250m水层表现出异常的粒径谱特征,生物量谱的斜率a显著低于同水层其他站位,同时在600~800m水层出现浮游动物丰度的相对高值,推测该站位的浮游动物群落结构可能受到冷泉区甲烷渗漏的影响。

冷泉渗漏对海洋沉积物氧化还原环境地球化学识别的影响--以南海东北部F站位活动冷泉为例

氧化还原敏感元素(Mo、U、V、Re、Ni、Co、Cr)已被广泛用于判别沉积环境的氧化还原状态,以及计算上覆水体和大气层中的氧气浓度。然而海底冷泉活动由于微生物作用形成的硫化氢可以导致这些元素指示的氧化还原信号发生变化和模糊,进而影响氧化还原状态判别的有效性。文章通过对南海活动冷泉F站位海底3根插管沉积物的氧化还原敏感元素地球化学特征分析,发现冷泉活动区海底沉积物相比正常海底环境普遍表现为较高的Mo含量,并指示孔隙水为硫化环境,表明甲烷厌氧氧化作用形成的硫化氢对沉积物中Mo富集具有促进作用。冷泉沉积物的U/Th、V/Cr和Ni/Co显示底层海水具有较高的氧浓度,与正常海底特征相一致。但是V/(V+Ni)>0.7指示了沉积物形成时的环境缺氧,可能与陆源碎屑中较低的Ni含量有关。冷泉沉积物Re/Mo比值接近现代海水值,与现代海洋硫化盆地的特征类似,指示了冷泉附近海洋硫化分层特征。因此冷泉活动区海底沉积物的Re和Mo容易受到甲烷渗漏的影响,不能可靠指示真实的氧化还原状态。

海底冷泉区沉积物-水界面甲烷通量原位观测研究进展

海底沉积物-水界面作为冷泉跨圈层活动最关键的界面,近年来已成为冷泉区碳循环研究调查的重点目标。为准确获取海洋沉积物-水界面的流体通量,客观重建界面环境过程,评估环境效应,必须发展一整套精确、高效、科学的水下原位甲烷通量测量技术。综述了当前海洋冷泉区沉积物-水界面甲烷通量研究的意义与价值,详细介绍了多种较为成熟的海洋沉积物-水界面甲烷原位通量测试技术工作原理、使用方法和优缺点等,如测试游离气泡态甲烷通量的渗漏帐篷、声学反射、时序影像等技术方法,原位溶解态甲烷膜脱气技术的甲烷传感器、激光拉曼光谱测量方法等,同时对全球该领域已经调查的地区、研究现状和进展进行了详细的介绍。最后从技术层面对这一研究领域未来的发展方向和趋势进行展望,以期为未来国内海洋冷泉区沉积物-水界面甲烷通量原位观测研究提供思路与方向借鉴。

利用南海琼东南盆地冷泉碳酸盐判断甲烷流体成因的方法研究

冷泉自生碳酸盐(Authigenic Carbonate,CA)记录了海底甲烷渗溢活动及流体组成信息。CA的稳定碳同位素(δ^(13)CA)常被用于推测流体来源及甲烷成因,但δ^(13)CA本质上并不能直接反映甲烷的δ^(13)C,所以这种推测是定性且不准确的。研究认为,CA的沉淀源自沉积物孔隙水中溶解无机碳(DIC)的过饱和.

海底冷泉系统氧化还原环境重建方法研究进展

冷泉活动是现代深海极端环境系统之一,其在天然气水合物资源勘探、全球气候变化、极端环境生命活动等方面具有重要的科学研究意义。重建海底冷泉区氧化还原环境是研究其中生物地球化学过程、揭示甲烷渗漏活动特征的重要途径。近年来,大量矿物学及地球化学指标在冷泉系统氧化还原条件的恢复研究中获得了成功的应用。在前人研究的基础上,对自生矿物学标志、稀土元素、氧化还原敏感元素(Mo、U、Fe)和稳定同位素(钼同位素δ^(98)Mo、铁同位素δ^(56)Fe、硫同位素δ^(34)S)等不同指标对氧化还原环境变化的响应机制进行了系统总结,从测试分析方法、后期成岩改造、单一指标的多解性等多个方面探讨了各指标的影响因素和当前仍存在的问题,并指出了未来该领域需进一步加强的关键研究方向。

海底天然气水合物及冷泉流体渗漏的原位观测技术

海底天然气水合物藏是天然的巨型碳储藏库,是深部甲烷等烃类气体运移至海底过程中暂时的碳储,是地球碳循环过程的重要一环。冷泉通常与海底天然气水合物藏分解密切相关,是深源或浅层气及水合物分解气在海底发生渗漏的现象。该文根据国内外天然气水合物及冷泉系统勘查的最新动向,综述了与水合物及冷泉流体渗漏相关的羽状流、运移通道、海底微地形地貌等要素的海底原位观测技术,主要包括:走航式及坐底式原位观测、海面及低空渗漏甲烷观测、海底可视化观测、与水合物及冷泉相关的海底观测网络等。综合使用原位观测技术可以更细致、全面地描绘水合物和冷泉系统的时空“景象”,更好地协助厘清海底渗漏甲烷的归趋,拓展人类对深海独特生命绿洲的认知。

南海冷泉区深海沉积物来源放线菌的分离培养及其抑菌活性

为挖掘南海冷泉区可培养放线菌资源及其潜在的生物活性,采用稀释涂布法分离培养了来源于南海冷泉区深海沉积物中的放线菌,利用16S rRNA基因测序鉴定菌株,构建系统发育树,并分析了放线菌的多样性;通过K-B法药敏试验对放线菌发酵粗提物进行抑菌活性测试。结果显示:分离获得的50株放线菌隶属于5个科,7个属,其中5株放线菌被初步判定为潜在新种。7株放线菌的发酵粗提物对副溶血性弧菌、甲氧西林敏感金黄色葡萄球菌和甲氧西林耐药金黄色葡萄球菌呈现不同程度的抑菌活性,其中活性最好的为小单孢菌属(Micromonospora)的2株菌,Micromonospora sp.LDBS3988抑菌活性最强,Micromonospora sp.LDBS3949抑菌活性较为广谱。

海底冷泉气体渗漏模拟观测系统设计与开发

由于海底冷泉声探测需要准确的气泡特征信息作为支撑,以真实海底冷泉气泡分布特征为依据,研制了控制精度高、功能全的海底冷泉气体渗漏模拟观测系统。通过模糊PID控制算法对气体流量进行精准控制,相比于常规控制方法流量误差率最高可降低1.5%,可以准确可控地模拟真实环境下的冷泉气泡;通过设计的以太网同步触发器驱动双相机同步拍摄,使拍摄同步误差范围降低1.1 ms,实现了对初始溢出阶段气泡形态的正交同步观测,能够为海底冷泉探测提供数据支持。

冷泉羽状流多波束水体声学探测技术与应用

海底冷泉作为地球水圈与下伏岩石圈之间物质和能量交换的重要场所,其广泛发育于主动大陆和被动大陆边缘、深海扩张中心、汇聚板块边界、弧前盆地、断层以及泥火山发育区等区域。研究海底冷泉对于海洋工程安全、天然气水合物开发、海洋油气勘探、全球气候变化、碳循环和极端生物群落等方面具有重要意义。本文在系统总结海底冷泉探测技术方法的基础上,重点阐述了多波束水体声学探测技术及海底冷泉羽状流特征反演方法,对海底冷泉系统探测技术方法完善和应用具有重要意义。

南海西沙海槽的碳酸盐结壳及其对甲烷冷泉活动的指示意义

冷泉碳酸盐岩是指示南海北部可能发育天然气水合物的重要证据之一。对在西沙海槽采集到的冷泉碳酸盐结壳颗粒进行了形貌、稳定同位素等的研究,讨论和揭示了冷泉碳酸盐结壳的形成机理及其与甲烷冷泉活动的关系。结果表明,碳酸盐结壳具有多孔结构,冷泉矿物为文石和重晶石,文石呈针状,含量为39.5%—46.6%,重晶石呈矮柱状,含量为15.6%—21.2%,它们均是从流体中沉淀出来的。重晶石的δ34S值为23.47‰—26.32‰,表明硫同位素发生正漂移,属于与冷泉流体有关的成岩成因重晶石。文石的碳同位素轻度亏损,δ13C值为-13.30‰—-29.59‰,主要来源于热解成因气,但结合了少量正常海水的溶解碳,δ18O值为2.32‰—3.74‰,指示碳酸盐结壳形成时的温度为3.5—9.7℃。研究表明,碳酸盐结壳形成于流体活动缓慢的环境,是深部富含Ba2+的甲烷冷泉流体向上排放和喷溢,在近海底遇到向下渗漏的富含SO42-海水,发生缺氧甲烷氧化反应沉淀出文石,流体中剩余的重34S的SO42-与Ba2+形成重晶石,因此,碳酸盐结壳是西沙海槽存在甲烷冷泉活动的证据。研究结果为进一步开展该海域潜在天然气水合物的调查和研究提供了新证据。

南海东沙西南海域冷泉碳酸盐岩特征及其意义

海底冷泉流体或自生碳酸盐沉积可为碳氢化合物(主要指常规油气或天然气水合物)、冷泉生物群落的调查和研究提供有利线索。对东沙群岛海区、神狐海区和ODP184-1146钻孔碳酸盐沉积的特征进行了对比和研究,结果表明这些海区碳酸盐岩的岩性特征、碳氧同位素组成等存在明显差异。东沙群岛海区和神狐海区的碳酸盐岩的化学成分如TFe、A l2O3、TiO2、K2O、Na2O、MnO、P2O5等不同,表明它们可能分别受到了粘土矿物和铁锰氧化物影响。在神狐海区至少发生了一次冷泉流体活动,形成了早晚两期冷泉碳酸盐岩,而在东沙群岛海区发生了至少3次冷泉流体活动,形成了多期冷泉碳酸盐岩,反映了这两个海区碳酸盐沉积的甲烷成因不同,且形成环境也受不同的因素控制。研究揭示,在东沙群岛南部海区可能发育热成因甲烷汇聚的天然气水合物,其海底可能存在冷泉生物群落,这为东沙西南海域天然气水合物和冷泉生物群落的进一步寻找和研究提供了新思路。

海底冷泉系统的碳循环问题及探测

海底冷泉泄漏是全球碳循环过程中重要的一环,该系统分布的广泛性、机制的复杂性、与水合物资源的关联性及相关科学问题的重要性,使之成为海洋科学调查和研究的前沿领域.本研究评述了冷泉泄漏活动涉及到的几个碳循环问题,包括作为甲烷厌氧氧化反应(AOM)产物的碳酸盐在碳循环中的地位、大陆坡深源碳在冷泉泄漏中的贡献以及冷泉泄漏与金属矿产资源的关系等,藉此加深人们对该系统的理解.同时,本研究还介绍了在当前关于碳循环研究过程中,对海底冷泉探测常用的几种重要方法,包括以多波束探测气泡羽流,以坐底式探测器对冷泉泄漏活动进行原位、实时、持续地观测以及一系列近期开展的海底观测网计划.最后讨论了该领域未来发展的趋势及相关的重点问题,以期给相关研究提供一些有益的参考.

“深海勇士”号载人深潜器在“海马”冷泉拍摄的水合物丘

2022年9月23日,“深海勇士”号载人深潜器在“海马”冷泉进行考察作业时(2022-TS2-17航次),再次发现水合物丘,进一步揭示该区域具有良好的天然气水合物赋存前景,并为开展天然气水合物保真取样器海试等提供了新点位。“海马”冷泉位于琼东南盆地西部海域。

中华泰山矿脉冷泉群的研究分析

为了更好的开发冷泉群,从泰山山脉独特的地质构造和水文气候等方面分析论证了中华泰山矿脉冷泉群的形成原因,经对冷泉群的水质化学分析研究表明,中华泰山矿脉冷泉群涌出的泉水中各项指标符合国家《饮用天然矿泉水》GB8537-87标准,而且里面含有丰富的偏硅酸、锶、钾、锌等微量元素以及矿物质,具有巨大的健康饮用价值和开采商业价值,其具有巨大的开发价值。

墨西哥湾北部上陆坡Green Canyon 140冷泉活动在自生碳酸盐岩中的地球化学记录

墨西哥湾北部上陆坡Green Canyon 140产出的冷泉碳酸盐岩可以分为结核结壳、生物碎屑结壳和块状结壳三类。三类结壳均以高镁方解石和文石为主要矿物,另外,结核结壳含少量白云石,生物碎屑结壳含少量低镁方解石。团粒、凝块、草莓状黄铁矿和生物钻孔等生物成因沉积组构发育,且含有以有孔虫和双壳类为主的生物碎屑。三类结壳的碳同位素值变化较大,^δ13C值为-36.1‰～5.1‰,指示了产甲烷残余CO2、海水源碳或热成因甲烷的混合碳源特征。结核结壳胶结的生物壳^14C年龄为46.5～25.8 ka BP,生物碎屑结壳为17.6～11.7 ka BP,块状结壳为-1.2 ka BP,显示了该地区冷泉活动的间歇性特征。