贵州松桃大塘坡地区南华纪早期冷泉碳酸盐岩地质地球化学特征

贵州松桃大塘坡地区的南华系是研究古代天然气渗漏及冷泉碳酸盐岩的理想地区之一.该区冷泉碳酸盐岩由两类岩石组成:一是两界河组含砾砂岩中(Sturtian冰期早期)的白云岩丘或透镜体;二是之上的大塘坡组第一段黑色含锰岩系中的似层状或透镜状菱锰矿矿体及少量白云岩透镜体.该地区冷泉碳酸盐岩的碳同位素具明显的负偏特征,充填在菱锰矿矿石气孔中的沥青碳同位素为-30.98‰,并具有异常高的硫同位素正值.结合冷泉碳酸盐岩的空间分布、古天然气渗漏构造、菱锰矿的沉积有机质等特征分析,认为其与现代冷泉碳酸盐岩的特征十分相近.两界河组的白云岩丘是目前所发现的最古老的冷泉碳酸盐岩,与在它之上的菱锰矿矿体是同一个古天然气渗漏系统中不同时期的冷泉碳酸盐沉积.天然气泄漏形成的冷泉与大塘坡组烃源岩的形成关系密切.

黔东北地区南华系大塘坡组冷泉碳酸盐岩及其意义

黔东北及毗邻地区新元古界南华系下统铁丝坳组冰碛层(相当于Sturtian冰期)之上,大塘坡组的底部分布一套黑色岩系.在一系列同期形成的断陷盆地近中心区域,黑色岩系下部主要由菱锰矿、白云岩等碳酸盐岩组成.通过对该地区出露的这套碳酸盐岩的野外地质构造、矿物成分、碳、氧、硫稳定同位素特征的研究,发现除碳稳定同位素表现出强烈的负偏移外,硫同位素值表现出明显的正偏移,还发现了大量气孔状构造和泥火山、底辟等典型构造.其特征与现代海底天然气水合物的渗漏、释放和环境突变所形成的冷泉碳酸盐岩机理一致,进而认为这套碳酸盐岩成因是新元古界古海洋的海底天然气水合物渗漏所形成的冷泉碳酸盐岩沉积.该成果拓展了海底天然气水合物研究领域和时空范围,对其所导致的成岩成矿作用、环境评价的分析研究提供了新思路.

南海北部冷泉碳酸盐岩和石化微生物细菌及地质意义

通过对2002年广州海洋地质调查局在南海北部海域拖网采集的碳酸盐岩样品进行岩石、矿物、微量元素和同位素特征的研究,证实在南海水合物远景区发育有冷泉碳酸盐岩。冷泉碳酸盐岩形态类似于烟囱,主要由方解石、伊利石、石英、黄铁矿和一种未知的矿物组成。保存了很可能是石化的甲烷氧化和硫酸盐还原细菌。碳酸盐岩矿物的δ13CPDB为-51.24‰--51.757‰。碳酸盐岩矿物的页岩标准化稀土元素配分模式具无Ce和Eu异常、微弱的轻稀土亏损和中稀土富集特征,表明形成于还原的缺氧环境,显示了冷泉碳酸盐岩的特征,指示在南海北部水合物远景分布区内冷泉活动的近海底可能发育有水合物。

海底天然气渗漏系统微生物作用及冷泉碳酸盐岩的特征

海底天然气渗漏系统是全球海洋环境中广泛分布的自然现象。部分渗漏天然气通过细菌作用转变为二氧化碳,同时海水硫酸盐被还原为硫化氢, 与孔隙水中的钙和铁结合而沉淀冷泉碳酸盐岩。冷泉碳酸盐岩的常见矿物有微晶方解石、文石、白云石和黄铁矿。冷泉碳酸盐岩常发育一些特殊的组构, 如黄铁矿环带结核、溶蚀面、平底晶洞、凝块和向下生长的叠层石组构等。碳酸盐岩特别负的δ13C值指示碳来源于生物成因的甲烷, 而18O富集可能与天然气水合物的分解有关。冷泉碳酸盐岩中黄铁矿的δ34S值低于海水的, 这指示硫来源于微生物还原的海水硫。冷泉碳酸盐岩中的生物标志化合物及其极负的δ13C值指示微生物的生命代谢活动。

海底甲烷缺氧氧化与冷泉碳酸盐岩沉淀动力学研究进展

海底缺氧带甲烷氧化作用是一个重要的甲烷生物地球化学过程,已被许多地球化学现象所证实。甲烷缺氧氧化有效地减少了渗漏到海水和大气中的甲烷通量,但目前仅有的数据还不能很好地限定甲烷缺氧氧化在全球甲烷循环和全球碳循环中的作用。甲烷缺氧氧化的机理还存在争议,很可能是一个“反甲烷生成”过程。在许多天然气渗漏发育区域,由于甲烷缺氧氧化作用引起环境碱度的增加而沉淀冷泉碳酸盐岩,在海底表层沉积物中形成块状碳酸盐岩结壳。但冷泉碳酸盐岩生成所需的物理化学和生物地球化学条件在很大程度上还不清楚。数值计算表明,孔隙水中溶解足够量的甲烷、冷泉渗漏强度适中、较小的生物扰动作用有利于冷泉碳酸盐岩的生成,而过高的沉积速率则抑制冷泉碳酸盐岩结壳的生成。因此,海底发育冷泉碳酸盐岩可以指示天然气渗漏系统的演化特征。

南海北部冷泉碳酸盐岩的矿物、岩石及地球化学研究进展

南海北部陆坡海底冷泉碳酸盐岩广泛发育,已从30个站位采集到冷泉碳酸盐岩。南海北部冷泉碳酸盐岩呈结壳状、结核状、烟囱状、角砾状、块状等,主要自生矿物有文石和方解石,部分站位样品有白云石和铁白云石及少量菱铁矿。冷泉碳酸盐岩具有较轻的碳同位素组成特征,西沙海槽海域、神狐海域、东沙西南海域、东沙东北海域和台西南海域碳酸盐岩的δ13CPDB分别为29.6‰—13.3‰(平均21.0‰),40.4‰—38.7‰(平均39.8‰),36.1‰—18.2‰(平均26.8‰),61.4‰—32.8‰(平均49.3‰)和57.6‰—35.7‰(平均48.3‰),显示了较大的变化范围,反映了复杂的碳源。冷泉碳酸盐岩的δ18OPDB为0.4‰—7.5‰,同样显示了较大的变化范围,反映可能与富集18O的地层水和/或天然气水合物分解水有关。神狐海域及东沙东北部九龙甲烷礁海域冷泉碳酸盐岩的稀土元素页岩标准化配分模式既具有Ce正异常,同时也有Ce负异常特征,说明冷泉碳酸盐岩形成过程中可能存在氧化还原条件的变化。南海北部陆坡不同海域,甚至同一站位的冷泉碳酸盐岩均表现出不同的矿物、同位素及元素组成特征,可能反映了冷泉渗漏流体和天然气水合物稳定状态的差异。

南海北部冷泉碳酸盐岩矿物微形貌及其意义探讨

主要通过南海北部冷泉碳酸盐岩的扫描电子显微镜观察,发现该区结核状碳酸盐岩具有微孔结构,这些微孔可能是甲烷渗漏的通道,并且结核状碳酸盐岩矿物堆积较为紧密;碳酸盐矿物的微形态呈近菱形、菱形、球状、丝状、短柱状、卵状等形态或集合体,其中球状碳酸盐具有微生物结构,由蠕虫状或丝状矿物组成,其他几种微形貌的碳酸盐矿物由纳米级的微晶颗粒组成。碳酸盐集合体微形貌和微晶颗粒在形态和大小上与甲烷氧化古细菌和硫酸盐还原菌差别较大,由此推测在其沉淀过程中这两种细菌可能只是提供了物质基础,而其沉淀作用则与纳米细菌密切相关。在南海北部冷泉碳酸盐岩中还发现了结晶程度不同的碳酸盐矿物连续生长的现象,以及一些未知的蘑菇状和管状矿物。

南海北部冷泉碳酸盐岩层状结构及其地质意义

通过对南海北部冷泉碳酸盐岩的结构进行研究,发现了3种不同的层状结构:结核状碳酸盐岩的微纹层和烟囱状碳酸盐岩平行及垂直烟囱壁的层。不同层的微结构、化学成分、矿物等方面的研究结果表明:结核状碳酸盐岩层的各个微纹层在结晶程度、矿物形态、孔隙度等方面不同,但化学成分变化不大;对于烟囱状碳酸盐岩,与烟囱壁平行的内外层之间矿物、成岩程度等不同,垂直烟囱壁的不同层之间碳酸盐矿物含量不同。碳酸盐岩不同的层状结构是其形成时地质、物理、化学和生物等信息的反映,对于恢复其形成时的古环境具有重要意义。

冷泉碳酸盐岩的稀土元素地球化学特征及氧化还原条件示踪

在海底冷泉活动区渗漏甲烷被细菌缺氧氧化为HCO3,产生碳酸盐岩沉淀,同时消耗沉积物孔隙水中的硫酸根离子,从而改变沉积环境的氧化还原条件。墨西哥湾和刚果扇的现代冷泉碳酸盐岩及摩洛哥Hollard Mound中泥盆统和意大利Marmorito中新统冷泉碳酸盐岩的泥晶和亮晶碳酸盐矿物的稀土元素(rare earth element,REE)总量(ΣREE)质量分数变化范围较大(0.3×10–6—43.7×10–6),泥晶的ΣREE高于亮晶碳酸盐矿物。稀土元素页岩标准化配分模式具有不同的Ce异常特征,即使在同一地点采集的样品也表现出不同的Ce异常,显示了冷泉活动区海底除目前认识到的还原环境外,至少存在局部和短暂的氧化环境。氧化还原条件的改变可能与冷泉流体流动速率变化有关,或与甲烷缺氧氧化伴生的反硝化作用产生的氧有关。

黑海西北部冷泉碳酸盐岩的沉积岩石学特征及氧化还原条件的稀土元素地球化学示踪

黑海西北部罗马尼亚大陆架（水深120m）和乌克兰陆坡（水深190m）发育冷泉碳酸盐岩结壳。XRD测试表明此结壳主要由高镁方解石和文石组成。结壳中与渗漏系统微生物活动有关的凝块和葡萄状文石等特殊的沉积组构非常发育。冷泉碳酸盐岩酸可溶部分（碳酸盐岩相矿物）的稀土元素含量很低（0．068×10^-6～2．817×10^-6），稀土元素页岩标准化配分模式显示罗马尼亚大陆架冷泉碳酸盐岩具有明显的Ce负异常，乌克兰陆坡冷泉碳酸盐岩具Ce的正异常，表明它们是分别在氧化和还原环境中沉积的。稀土元素和V、Cd和U等微量元素的含量在泥晶中最高，亮晶中最低，可能反映成岩过程对元素含量有控制作用。

南海北部冷泉碳酸盐岩中钙质生物壳体和自生碳酸盐矿物的Mg/Ca、Sr/Ca及其环境指示

南海北部冷泉碳酸盐岩具有包裹结构和孔洞结构，并且含有丰富的生物遗迹。利用电子探针对位于不同结构单元（包裹结构和基质）的自生碳酸盐矿物和钙质生物壳体进行了 Mg/Ca 和 Sr/Ca分析，结果显示：自生碳酸盐矿物 Mg/Ca 变化范围为0．50～39．19 mmol/mol，平均为12．50 mmol/mol，Sr/Ca 变化范围为0．06～2．90 mmol/mol，平均为0．53 mmol/mol；钙质生物壳体 Mg/Ca 变化范围为1．14～84．57 mmol/mol，平均为24．57 mmol/mol，Sr/Ca 变化范围为0．77～1．84 mmol/mol，平均为1．08 mmol/mol。Mg/Ca 和 Sr/Ca 的关系显示自生碳酸盐矿物均具有低到中等的 Mg/Ca、低 Sr/Ca 的特征，没有明显分组现象；但是钙质生物壳体却根据其在岩石中的结构位置呈现明显的分组现象，基质钙质生物壳体具有高 Mg/Ca、中等 Sr/Ca 的特征，包裹的钙质生物壳体具有低 Mg/Ca、中等Sr/Ca 的特征。根据碳酸盐矿物和钙质生物壳体的 Mg/Ca 特征，认为基质钙质生物壳体是在甲烷渗漏环境下钙化的，无机碳酸盐矿物的出现影响了其 Mg/Ca；而包裹的钙质生物壳体是在非甲烷渗漏环境下钙化的，由于生物扰动、灌洗等作用以包裹团块的形式保存在碳酸盐岩中。依据 Sr/Ca 在成岩过程中的变化特点推测最初形成的基质钙质生物壳体可能具有较现在高的 Sr/Ca。研究结果在甲烷渗漏信息地球化学指标提取方面具有一定意义。

墨西哥湾深水下陆坡区冷泉碳酸盐岩中的环烷烃及单环芳烃的特征与来源

研究了墨西哥湾水深约2 200 m的下陆坡Alaminos Canyon 645区块(AC 645区)冷泉碳酸盐岩中含量较高的烷基环戊烷、烷基环己烷、直链烷基苯及苯基烷烃化合物的组成和分布特征。烷基环戊烷和烷基环己烷以低碳数烃占绝对优势,主峰碳分别为C14和C15,目前发现的烷基环己烷主要来源于嗜热嗜酸的细菌或藻类直链脂肪酸经环化作用的产物。烷基苯碳数分布范围为C13—C23,以C13—C20的低碳数烷基苯为主,主峰碳为C16,具有明显偶碳优势,很可能来源于冷泉渗漏环境中的喜盐细菌。

墨西哥湾布什山冷泉碳酸盐岩沉积岩石学及地球化学

对墨西哥湾布什山采集的7块冷泉碳酸盐岩样品进行了沉积岩石学及地球化学研究,结果表明:冷泉碳酸盐岩以结壳的形式产出,结壳中双壳类和管状蠕虫等冷泉生物碎屑发育,结壳主要由泥晶、微晶和亮晶文石组成(含量89%～99%,平均94%)。碳酸盐岩13C中等亏损(δ13C最负值为-29.4‰,PDB),表明碳的来源主要是非甲烷的碳烃化合物,18O相对富集(δ18O为+2.4‰～+5.0‰,PDB),可能与原地水合物分解形成富集18O的孔隙水有关。碳酸盐矿物相(5%硝酸可溶部分)的稀土元素总量较低(0.40×10-6～20.85×10-6),稀土元素Ce异常特征和页岩标准化配分模式在不同样品、甚至同一样品结晶程度不同的碳酸盐矿物相(泥晶、微晶和亮晶)中变化显著,表明布什山冷泉碳酸盐岩形成过程中氧化还原条件复杂多变,控制氧化环境变化的主要因素可能是流体的渗漏速率。

墨西哥湾GC238区冷泉碳酸盐岩的微结构与石化微生物特征

采于墨西哥湾GC238海底天然气渗漏区浅表层的冷泉碳酸盐岩呈结核状产出,由方解石微晶和胶结物及少量的黄铁矿构成。胶结物由直径为0.1～0.5m的方解石化的球体、卵形体、棒状体组成,充填于方解石晶体之间。冷泉碳酸盐岩结核下表面发育有由方解石化的球体、卵形体、棒状体组成的薄层,其中的一些球状集合体(约5m)断面显示发育有核和外壳的层圈结构。黄铁矿呈草莓状,也具有相似的层圈结构。这种层状结构与活体古细菌被硫酸盐还原细菌包裹的层圈结构相似。样品中所保存的球体、卵形体、棒状体及其所组成的层圈结构可能是石化的甲烷氧化古细菌和硫酸盐还原细菌。

冷泉碳酸盐岩研究进展及成矿意义

冷泉及冷泉碳酸盐岩是当今科学界研究的前沿之一.本文对现代和古代冷泉碳酸盐岩研究的最新进展进行了阐述,如形态、碳、氧同位素、结构构造与矿物成分等特征.并对震旦系陡山沱组盖帽白云岩与在黔东北地区新发现南华系底部冷泉碳酸盐岩的特征进行了对比,认为盖帽碳酸盐岩不等同于冷泉碳酸盐岩.同时,初步探讨了天然气渗漏与金属成矿的关系及发展前景.

意大利亚平宁地区第三纪中新世“Calcaria Lucina”冷泉碳酸盐岩中结晶扇的沉积岩石学及地球化学特征

结晶扇是冷泉碳酸盐岩的一种标志性沉积构造,主要由文石或重晶石等矿物呈放射状聚集形成。意大利亚平宁地区的第三纪中新统广泛发育冷泉碳酸盐岩,其中"Calcari a Lucina"冷泉碳酸盐岩中发育有典型的结晶扇。结晶扇主要由放射状文石聚集形成,含少量的方解石,具有明显的生长纹层。文石纹层的δ13CPDB为-37.9‰^-53.5‰,δ18OPDB为+2.4‰^+6.0‰,相邻文石纹层之间的δ13CPDB和δ18OPDB值差别明显,可能是与碳和氧的来源及流体渗漏速度有关。全岩稀土元素总量很低,w(REE)为0.23×10-6,页岩标准化模式具有明显的Ce负异常,显示结晶扇形成于氧化环境。

墨西哥湾陆坡区冷泉碳酸盐岩的烷烃分布特征

对墨西哥湾北部水深2200m的Alaminos Canyon645区块(AC645区)和水深540m的Green Canyon185区块(GC185区)冷泉碳酸盐岩的有机质进行了研究,结果显示深水和浅水区冷泉碳酸盐岩的有机质丰度和烷烃组成差别较大,下陆坡深水AC区样品有机质含量低,正构烷烃、萜烷、甾烷各组分的含量相对较高,正构烷烃以低碳数占绝对优势,并含有种类丰富的三环萜烷和五环三萜烷,且以17α(H),21β(H)-藿烷为主峰碳,反映了深水区冷泉碳酸盐岩的有机质来源于细菌和低等藻类,有少量的深部油气藏有机质的渗漏输入,并受微弱的微生物作用改造。上陆坡浅水GC区样品有机质含量较高,其中正构烷烃含量较低,并且以难以分开的复杂混合物(UCM)为主,同样含有种类丰富的以17α(H),21β(H)-降藿烷为主峰碳的三环萜烷和五环三萜烷,表明有机质主要来源于深部油气藏渗漏的有机质,并遭受了强烈的微生物降解。本文系统地研究了冷泉碳酸盐岩中正构烷烃、萜烷、甾烷的组成和分布特征,并探讨了有机质来源和冷泉渗漏的关系。

羌塘盆地双湖地区冷泉碳酸盐岩的发现及其天然气水合物成藏地质意义

为了评价羌塘盆地双湖地区天然气水合物的存在性及其基本成藏地质条件,通过系统的区域地质调查和野外样品测试分析,在双湖地区侏罗系布曲组发现了天然气水合物渗漏的证据——冷泉碳酸盐岩的存在,与南海北部、墨西哥湾及挪威北海有别,其碳氧稳定同位素主要介于-30‰～-25‰(PDB)之间和4‰～5‰(PDB)之间,反映其烷烃气主要为热成因来源;通过成藏地质要素的综合评价,认为双湖地区布曲组具有良好的天然气水合物勘探前景。其中,侏罗系底部的曲色组油页岩有机质丰度高、类型好、成熟度高,是优质的供烃层系;布曲组颗粒白云岩溶孔、裂隙发育,是良好的储集层;布曲组上覆的区域性泥质岩、膏盐岩、泥灰岩和冻土带是良好的封盖层。

南海东北陆坡烟囱状冷泉碳酸盐岩生长剖面的碳、氧同位素特征与生长模式

对SO177航次采集自南海东沙东北古冷泉活动区的烟囱状碳酸盐岩样品(TVG14-C1-1)进行解剖研究,探讨烟囱样品的形成机理。我们首先对烟囱样品的横截面进行高分辨率精细取样并进行碳、氧同位素分析,在充分了解其矿物组成特征的前提下,利用碳酸盐岩—水体系氧同位素分馏方程计算古冷泉流体的氧同位素组成并定量分析流体的端元成分和相对贡献,然后根据它们在烟囱生长剖面上的变化特征,为碳酸盐质烟囱建立生长模式。分析表明,该样品横截面的δ13C值在-50.136‰～-43.923‰之间变化,δ18O值在2.762‰～4.848‰之间变化,由中心向外,碳氧同位素呈反向协同变化趋势,δ13C逐渐升高而δ18O逐步降低。结合该样品的年龄和古海水的氧同位素组成,计算得到形成该样品的冷泉流体的δ18O在1.2‰～2.3‰V-SMOW之间变化,较冰期海水的更富18O。认为在形成烟囱的不同阶段,水合物分解产生的富18O流体与同期海水发生了不同程度的混合,烟囱中心部位水合物分解水的相对贡献高达53.6%,而烟囱外层,水合物分解水的贡献低至6.1‰。通过综合研究,提出了烟囱样品的生长模式。

冷泉碳酸盐岩Sr同位素示踪研究进展

在冷泉的研究中,确定富甲烷流体的来源是非常重要的,Sr同位素对流体来源、混合模式和水岩反应等具有很好的示踪作用。近年来,国际上对冷泉碳酸盐岩Sr同位素的示踪研究越来越关注。本文系统总结了现代和古代冷泉碳酸盐岩Sr同位素的研究进展,简要归纳了Sr同位素分析测试方法,并对化学前处理过程中采用的不同酸溶液溶解样品的方法进行了对比,指出了建立标准化学前处理方法的必要性。现代和古代冷泉碳酸盐岩Sr同位素组成的变化范围较大,不同碳酸盐矿物具有不同的Sr同位素特征。冷泉碳酸盐岩Sr同位素的示踪研究集中在现代和古代冷泉流体来源的定性研究、混合流体来源的定量模型计算、以及古代冷泉碳酸盐岩的Sr同位素定年等方面。尽管取得了一系列进展,但是定量计算端元流体混合比例的准确性还有待提高,同时利用Sr同位素对古代样品进行定年存在不确定因素,其适用条件也需要进一步研究。