南海北部神狐海区的自生碳酸盐岩烟囱——海底富烃流体活动的记录

大陆边缘海的流体喷流活动或水合物分解都会导致自生碳酸盐岩的形成。南海北部神狐海区出现的自生碳酸盐岩主要为烟囱状,以铁白云石、文石、方解石碳酸盐矿物为主;稳定同位素研究显示,烟囱的δ13CPDB值在-40.18‰^-38.69‰、δ18OPDB值在3.75‰~4.31‰之间变化,显示了导源于甲烷厌氧氧化作用的特征,是海底富含甲烷的流体活动的最终产物。持续或间断的流体喷流活动,使神狐海区碳酸盐岩烟囱发生单阶段或多阶段沉淀。

南海北部深海甲烷冷泉自生碳酸盐岩显微结构特征与流体活动关系初探

对2002年"海洋四号"在南海北部深水冷泉活动区水深约3000m海底获得的1块自生碳酸盐岩展开了岩石学、地球化学和显微结构的分析研究。结果表明,该HD-83站位岩石样品为有多孔不规则块体,属于与扩散流有关的冷泉自生碳酸盐岩。其自生碳酸盐矿物成分为镁方解石或文石,含量达全岩的17%。全岩碳同位素值δ13C为-61.403‰,氧同位素值δ18O为3.5606‰,属于甲烷冷泉喷口成因自生碳酸盐岩,甲烷来源以微生物成因为主。该岩石显微结构有泡孔状、充填通道、不规则裂隙、虫孔边缘加厚4种主要类型。通过对比,推知这些显微结构可能与甲烷分解排气释放或流体逃逸通道有关。本研究注意到在岩石的裂隙或孔道中菌丝体普遍存在,可能属于菌席的组成份子,依靠通道内流体进行化能合成。

综合大洋钻探计划311航次沉积物中自生碳酸盐岩碳、氧稳定同位素特征

为了探索水合物背景下沉积物中自生矿物响应,对采自综合大洋钻探计划(IODP)311航次沉积物中自生碳酸盐岩颗粒进行了矿物组成、形貌特征和碳、氧稳定同位素特征等研究。X光粉晶衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)结果显示碳酸盐岩颗粒的主要矿物成分是铁白云石和方解石,呈多孔状结核和不规则状集合体产出。碳酸盐岩颗粒的碳稳定同位素δ13CPDB低至-41.50‰,证实其碳源源自甲烷,其成因与甲烷厌氧氧化过程有关,印证了研究区存在海底甲烷渗漏现象,是甲烷水合物赋存区重要的识别标志之一。碳酸盐岩颗粒的氧稳定同位素δ18OPDB总体上随着沉积物深度增加而减小,可能指示沉积物的背景温度由下而上(从早到晚)逐渐降低。研究结果提供了现代海洋天然气水合物背景下沉积物中自生碳酸盐岩的碳、氧稳定同位素记录,对于寻找我国海域天然气水合物资源,探索地史时期古海洋沉积物中类似的甲烷事件记录具有重要的理论和实践指导意义。

自生碳酸盐岩与底栖有孔虫碳同位素特征对多幕次甲烷事件的耦合响应——以IODP 311航次1328和1329站位为例

甲烷渗漏活动及其甲烷厌氧氧化(AOM)在自生碳酸盐岩沉淀的同时,也通过影响孔隙水溶解无机碳(DIC)进而影响着周围环境中底栖有孔虫,以往的文章鲜有报道二者的耦合响应。研究开展了综合大洋钻探计划IODP 311航次两个钻孔(1328和1329)中获得的自生碳酸盐岩和底栖有孔虫(Uvigerina peregrina)同位素研究,发现晚更新世以来多个层位获得的自生碳酸盐岩和底栖有孔虫的稳定碳同位素变化趋势均呈现一致的负偏碳同位素特征,但是,同层位的自生碳酸盐岩碳同位素负偏程度要比底栖有孔虫大一个数量级。自生碳酸盐岩与底栖有孔虫碳同位素变化趋势的一致性表明二者对于甲烷渗漏作用有较好的共同响应。AOM作用对孔隙水中溶解无机碳(DIC)的影响可在重碳酸氢根通过局部环境的过饱和沉淀自生碳酸盐岩的同时,也能部分参与底栖有孔虫的成壳,两者在成因方面是耦合的。综合结合自生碳酸盐岩和底栖有孔虫的碳同位素特征可以避免单一载体易受后期成岩改造影响而掩盖甲烷渗漏活动的识别。

利用湖泊自生碳酸盐岩氧碳同位素特征分析古湖泊类型的方法——实际应用中的要点及分析程式

以文献资料为素材,讨论了湖泊自生碳酸盐岩样品构成中岩性成分、采样点分布及数据量对样品氧碳同位素相关性及其能否反映古湖泊氧碳同位素相关性影响,指出根据相关性分析古湖泊类型时,必须充分考察样品岩性成分一致性、地质层位同一性、地质及地理分布合理性,着重考察样品数据量的充足性.综述了利用湖泊自生碳酸盐岩氧碳同位素特征分析古湖泊类型的方法,提出"一氧、二碳、三相关、四综合"的基本分析程式.

甲烷通量对自生碳酸盐岩和水合物饱和度的影响

为了探讨甲烷通量或SMT对自生碳酸盐岩埋深和水合物饱和度的影响,综述了第六届国际水合物论文集中的相关论文得出如下结论:海底发生富含甲烷的孔隙水渗漏和甲烷气的排出,有利于海底自生碳酸盐岩的沉积;甲烷通量和海底侵蚀可能控制了自生碳酸盐岩和SMT的埋深,然而,甲烷通量或SMT埋深是否控制沉积物中水合物的饱和度目前尚无定论。

马克兰增生楔自生碳酸盐岩与水合物——以2007年流星号M74/3航次调查报告为例

为了探讨马克兰增生楔自生碳酸盐岩与水合物的关系,对2007年流星号的M74/3航次资料进行了总结。结果显示,自生碳酸盐岩与水合物并非一一对应的关系。对于甲烷通量很大的海区,海底和浅表层沉积物中通常没有自生碳酸盐岩,但是可以存在水合物。对于甲烷通量较高的海区,如果海底或浅表层沉积物中存在少量且小块的自生碳酸盐岩,通常沉积物中存在水合物;如果海底或浅表层沉积物中存在大量且大块的自生碳酸盐岩,通常浅表层沉积物中没有水合物,但就目前的资料,尚不能确定其深部是否存在水合物。对于甲烷通量很弱的海区,沉积地层表现为纹层状结构,通常既没有自生碳酸盐岩,也没有水合物。

广州火烧岗垃圾填埋场自生碳酸盐岩的微生物成因特征

为探讨垃圾填埋场自生碳酸盐岩的生物地球化学过程和机制,对广州火烧岗垃圾填埋场渗滤液收集管道发育的纹层状碳酸盐结壳进行了岩石学和地球化学研究。结果显示,碳酸盐岩主要为低镁和高镁方解石,保存了叠层石、鲕粒、团粒、凝块、草莓状黄铁矿和球状、丝状和杆状体等与微生物活动有关的组构;碳酸盐矿物的δ^(13)CV-PDB值为+7.34‰^+18.21‰,表明碳主要来自产CH_4作用残余的CO_2;稀土元素组成显示其形成于还原环境。研究表明,厌氧微生物将垃圾有机质逐渐降解为CH_4和CO_2,提高渗滤液的碱度和p H值,降低SO_4^(2-)浓度,使得方解石晶体在细胞表面成核和沉淀;较晚形成的高镁方解石具有较高的δ^(13)C值,可能指示流体的Mg/Ca值和溶解无机碳δ^(13)C值在封闭的填埋场稳定化过程中逐渐上升。

挪威海Nyegga麻坑区的甲烷成因自生碳酸盐岩

Nyegga麻坑区位于中挪威海大陆坡边缘Storegga海底滑坡的北缘，本研究的甲烷成因自生碳酸盐岩采自该麻坑区的CN03、Tobic、DoDo和G11四个麻坑内的海底面之上。碳酸盐岩孔洞和裂隙非常发育，部分碳酸盐岩胶结有大量的化学自养贝壳，表面被红褐色-黑色的铁锰氢氧化物覆盖。碳酸盐矿物以泥晶高镁方解石和针状文石为主导，伴有极少量的白云石。草莓状黄铁矿和球粒分布广泛，揭示了碳酸盐岩形成时的还原环境及形成过程中微生物的参与。碳酸盐岩的δ^13CPDB值为-58．67‰—47．46‰，清楚地表明这些甲烷成因自生碳酸盐岩经甲烷厌氧氧化过程而形成，且微生物成因的甲烷为其主导碳源。碳酸盐岩的δ^13C值还有效地指示了麻坑间沉积物甲烷的δ^13C值的差异。

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。

南海北部陆坡九龙甲烷礁冷泉碳酸盐岩沉积岩石学特征

本文对南海北部陆坡九龙甲烷礁采集的两个冷泉碳酸盐岩样品TVG-1和TVG-11进行了矿物学、岩石学和碳氧同位素分析研究。X-射线衍射分析(XRD)结果表明,自生矿物主要为文石、白云石和高镁方解石等,碎屑矿物含量较少。TVG-11中存在大量的文石,而TVG-1只保留了已转化为方解石的文石假象,据此可以推断TVG-1的形成要早于TVG-11。扫描电镜(SEM)显微结构特征显示,自生矿物主要是通过细菌的厌氧氧化作用,直接从冷泉中沉淀出来的。碳、氧同位素测试结果显示,碳酸盐岩具有强13C亏损和一定程度的18O富集的特征,TVG-1和TVG-11的δ13C值分别为-46.22‰和-52.88‰,均低于-40‰,表明碳源于微生物作用的甲烷厌氧氧化,是指示该海域存在冷泉的重要证据;TVG-1和TVG-11的δ18O值分别为3.19‰和4.07‰,存在一定程度的18O富集。碳氧同位素和矿物的显微结构特征都说明九龙甲烷礁碳酸盐岩是烃类渗漏微生物作用而形成的自生碳酸盐岩,可能是天然气水合物分解引起的沉积,显示该区存在水合物的可能性很大。

海底蛇纹岩化伴生的碳酸盐岩研究进展

现代海洋环境中超基性岩广泛发生蛇纹岩化,导致富氢气(H2)和无机成因甲烷(CH4)的流体渗漏活动和化能自养生物群的发育,该过程常伴有自生碳酸盐岩和水镁石沉积的形成。本文综述了现代不同海洋环境(洋中脊、弧前泥火山与海沟等)与海底蛇纹岩化有关的碳酸盐岩的地质地球化学及标志性生物特征,介绍了自生碳酸盐岩及其中生物标志物研究无机成因CH4记录的研究现状以及古代蛇纹岩化相关的碳酸盐岩的地质地球化学特征,指出了该领域存在的关键问题以及研究重点。

氧碳同位素在湖相自生碳酸盐研究中的应用

在各种湖泊的沉积物研究中,自生碳酸盐氧碳同位素指标得到了广泛的应用。通过氧碳同位素分析实验,可以利用湖泊次生碳酸盐氧碳同位素恢复湖泊的古气候、古盐度和古温度。在样品分析测试时也应注意外源碳酸盐岩与湖泊自生生碳酸盐岩的区分。

南海东北部天然气水合物成藏演化地质过程

南海东北部天然气水合物赋存类型多样,包括块状、瘤状、薄层状、脉状及分散状等五种形式,独自出现或相互共生成藏,并伴生碳酸盐岩,且分布在水深600~900m、海底及其以下的200m地层之内。其中前四种水合物常形成于浅断裂隙、沉积物层间薄弱带、海底表面等局部地区,粒径大于正常沉积物孔隙,水合物肉眼可见,故又称可视水合物;分散状水合物充填于微米—纳米级孔隙的沉积物中,肉眼难以分辨,故这类水合物为非可视水合物。据钻井揭示,以海底之下90m处地层为界,研究区发育上、下两套水合物矿层,上部水合物矿层以可视水合物为主,下部水合物矿层为非可视水合物。其中上部水合物矿层发育上、下两个水合物层段,在各水合物层段的顶部均发育自生碳酸盐岩,反映为地史时期与水合物藏演化相伴生的古冷泉。综合分析认为,天然气水合物赋存形式及水合物藏演化受控于多种因素作用,包括岩性、粒度、岩相(古河道、扇体)等沉积作用,新构造活动及断层作用,流体及气体运移,以及影响水合物结晶成核生长的热流、盐度、时间等。其中可视水合物主要受构造因素控制,多为活跃流体携带气体以渗漏形式局部聚集形成;而分散状水合物则多受沉积因素影响,气体以扩散形式运移至适宜温压域的沉积层内形成水合物。上新世以来的地质事件是水合物形成分解的诱发因素,冰期、间冰期变化与水合物形成分解有一定耦合关系。水合物形成时代应早于上覆的自生碳酸盐岩,晚于其赋存的母岩沉积层,研究区上部水合物矿层的上段形成于晚更新世,下段形成于中更新中期—晚更新世,下部水合物矿层形成中更新世早期—中更新世中期;水合物矿藏共经历了3次水合物藏发育期和2次水合物藏破坏期。伴随水合物演化,发育两期自生碳酸盐岩,海底自生碳酸盐岩形成于更新世末期,上部水合物矿层之下段的顶部碳酸盐岩形成于中更新世早期。多层水合物构成的复式水合物矿藏系统,是扩散、渗漏驱动的二元成藏动力学过程综合作用的结果。

珠江口盆地东部陆坡末次冰期天然气水合物-冷泉活动的记录与时间

对珠江口盆地东部陆坡GMGS 08C孔的3层自生碳酸盐岩(结核状)和有孔虫(底栖和浮游)开展高分辨率氧碳同位素分析和AMS^(14) C测年,第1层自生碳酸盐岩δ^(13) C为-38.85‰,第2、3层的δ^(13) C介于-41.36‰^-56.74‰,平均值-51.64‰,均低于-40‰。δ^(18) O值介于2.94‰~4.18‰,平均值3.68‰,明显偏重。这表明其为天然气水合物分解的产物,形成于微生物对甲烷的缺氧氧化作用,甲烷主要源自生物成因;自生碳酸盐岩层位的底栖有孔虫Uvigerina peregrina和浮游有孔虫Globigerinoides ruber的δ^(13) C值几乎同时出现极负偏,最低值分别达到-12.17‰和-9.06‰,有孔虫δ^(18) O总体上正偏,最大正偏幅度达1.50‰,说明其负偏与后期源于甲烷厌氧氧化作用(Anaerobic Oxidation of Methane,简称AOM)的成岩作用有关。自生碳酸盐岩及其与有孔虫异常碳(偏负)氧(偏正)、粥状沉积是GMGS 08C孔水合物分解甲烷渗漏的重要指标,据此推断该孔在末次冰期(MIS2—MIS3)发生过至少2次天然气水合物分解释放-冷泉甲烷渗漏活动,分别距今36ka和31~26ka,主要发生在低海平面期,说明冷泉活动明显受海平面变化影响。

东沙海区泥火山调查进展

泥火山是地球运动和深部含流体物质向表层迁移的一种重要形式,其喷溢及喷出物对认识地质动力、地层岩性和资源环境具有重要的意义。东沙海区新生界薄(~1km),中生界厚(>5km),是南海最典型的中生代沉积区和油气勘探待突破区。区内有众多的海山海丘,过去都被推测为不利于油气成藏的岩浆火山。但近年来针对这些海山进行的调查发现了大量海底地层底辟形变与断裂、流体充注空白反射带和喷溢释放结构。通过浅表层取样采获了丰富的自生碳酸盐岩结核及深水珊瑚、海绵等生物,表明众多海山、海丘具有明显的泥火山活动特征。东沙泥火山的发现表明区内具有良好的油气生成和运移条件,为勘探源于中生界的油气和水合物提供了重要线索;而大量深水珊瑚和海绵的出现指示东沙泥火山区可能是深水珊瑚礁、海绵礁发育区,为研究油气泄漏、化养生物和环境三者的关系提供了重要的研究对象。

天然气水合物分解及其生态环境效应研究进展

了解大陆/大洋边缘地区天然气水合物形成与分解及其在海底沉积物、水体及海底化学自氧生物群落中的一系列物理、化学及生物作用有助于我们在全球和区域尺度上探讨天然气水合物分解对气候变化的影响;天然气水合物在碳循环中的作用和大陆边缘流体活动与物质交换机制等问题。从水合物分解与全球变暖、贫/缺氧甲烷氧化作用、自生矿物沉淀、化学自养生物群落等方面综述了水合物的环境生态效应研究进展。天然气水合物的形成/分解及其对海洋乃至全球环境生态变化的影响,深刻地反映了地球上岩石圈、水圈、大气圈和生物圈之间相互联系与相互作用,生物,特别是微生物对全球CH4的平衡和自生矿物沉淀至关重要。

南海东沙海域冷泉渗漏区沉积物稀土元素地球化学特征

东沙海域是我国典型的冷泉活动区,该区域表层沉积物的稀土元素地球化学特征不仅受其源区控制,同时也可能会受到冷泉渗漏活动的影响。本文选取位于南海北部陆坡973-4站位的柱状样为研究对象,该站位位于21°54.3247’N、118°49.0818’E,水深为1 666m,柱状样总长1 375cm,采用电感耦合等离子质谱(ICP-MS)、X射线荧光光谱(XRF)等分析测试方法,测得样品的稀土元素以及部分微量和主量元素数据,并结合总碳(TC)、总有机碳(TOC)以及有孔虫质量分数等数据,探讨了冷泉泄漏对周围成岩环境及沉积物稀土元素地球化学特征的影响。结果发现,973-4站位柱状样在海底以下459~619cm深度范围内稀土元素含量整体异常减少,但所有样品稀土元素分布模式及相关稀土元素参数均十分一致。结合冷泉活动研究,表明该区域沉积物元素地球化学特征的异常与物源无关,是受自生碳酸盐岩的增加所影响。此外,通过分析δCe值随深度的变化以及自生碳酸盐岩和硫酸盐-甲烷转换带(SMTZ)的分布情况发现三者相关度很高,表明自生碳酸盐岩的增加很可能是该区域发生的冷泉渗漏导致的甲烷厌氧氧化作用(AOM)所产生的。

南海北部深海浅层沉积物中甲烷生物地球化学过程数值模拟研究

富甲烷浅层海相沉积物中的生物地球化学过程已引起了国内外学者的广泛关注。研究采用数值模拟的方法对"海洋四号区"浅层沉积物中甲烷生物地球化学过程进行定量研究。依据研究区域实际地质资料,使用Mathematica建立起一维反应运移稳态模型。模拟结果认为研究区深层沉积物内赋存有甲烷源,释放的甲烷气以气泡的形式运移至沉积物表层,并造成气泡淋滤现象。气泡淋滤使孔隙水中SO_4^(2-)等溶质浓度在海底以下0~2.8m的范围内保持不变。甲烷气泡在浓度梯度作用下向孔隙水中溶解,溶解通量为160mmol·m^(-2)·a^(-1),溶解甲烷在微生物作用下被SO_4^(2-)氧化,氧化速率为140mmol·m^(-2)·a^(-1)。甲烷通量与氧化速率均远小于水合物脊等甲烷渗漏活跃地区,SMTZ埋藏也相对较深,故推测甲烷源埋藏较深或规模较小,也有可能是良好的圈闭条件阻止了甲烷逸出。作为AOM过程的重要自生矿物,本地区碳酸盐和硫化物矿物沉淀速率都比较低(分别为35mmol·m^(-2)·a^(-1)和70mmol·m^(-2)·a^(-1)),且碳酸盐的沉淀受到了硫化物矿物的影响。

南海东北部陆坡天然气水合物多期次分解的沉积地球化学响应

南海地区天然气水合物资源丰富,针对其分解方式的研究有助于资源的开采.对南海东北部天然气水合物钻探区GMGS08站位岩心沉积物开展沉积学、地球化学分析研究.结果表明:该站位自上而下分布11层含自生碳酸盐岩和双壳碎屑层(其中6层呈粥状沉积)以及2层自生碳酸盐岩灰岩层;各层自生碳酸盐岩除一个样品δ13 C值稍高(-38.85×10-3)外,其他的δ13 C值介于-41.36×10-3^-56.74×10-3,均低于-40.00×10-3,δ18 O值介于2.94×10-3~5.37×10-3,明显偏重,表明其为天然气水合物分解的产物,形成于微生物对甲烷的缺氧氧化作用,甲烷主要源自生物成因;各层自生碳酸盐岩层中的有机质碳同位素负偏明显,最低达-82.44×10-3,可能与微生物活动有关;根据自生碳酸盐岩的分布推断该站位至少发生过6次天然气水合物分解释放,每期次自生碳酸盐岩的差异说明其甲烷通量强弱不同.