南海北部自生碳酸盐岩的纳米矿物学和沉积结构特征对冷泉渗漏活动的示踪

Cold seep is closely related with methane supply and gas hydrate deposition near the seafloor of continental margins. Authigenic carbonates are precipitated in cold seep environment, recording multiple aspects of cold seep activities. So, it is significant to study the mineralogy, geochemistry, and sedimentary fabircs of authigenic carbonates. Various characteristics of mineralogy and sedimentary fabrics are developed in authigenic carbonates. In the samples from northern South China Sea, we discovered the synchronous variation of MgCO3 mol% and microstructure of high-Mg-carbonates by transmission electron microscope, and also distinguished micrometer-scale channels in thin sections. The geochemistry of the internal and external sediments of selected channels is different. The composition and structure of authigenic carbonates are controlled by cold seep status, while the internal and external sediments of microchannels may be formed in different cold seep venting stages. The mechanisms are still unclear. This project plans to research on the authigenic carbonates from Shenhu area and Southwest Taiwan basin in South China Sea. The study on carbonate minerals will focus on phase assemblages identification, MgCO3 mol% calculation, nano-mineralogy, rare earth element concentrations, carbon and oxygen isotope compositions, while the research on the microchannels will be based on the carbonate mineralogy and in-situ geochemistry of the internal and external sediments. The relationship between carbonate phases and cold seep status will be discussed and used to trace the cold seep activities of each seepage stage summarized from the geochemistry of microchannels. The conclusions will provide new ideas for tracing the cold seep process in South China Sea.

冷泉活动与大陆边缘海底的甲烷供应及天然气水合物的成矿密切相关，形成于冷泉环境的自生碳酸盐岩记录了冷泉活动的多方面特征，对其矿物学、地球化学、沉积结构等方面的研究有重要意义。自生碳酸盐岩蕴含丰富的矿物学和沉积结构特征，我们在南海的冷泉碳酸盐岩中，利用透射电镜发现高镁相碳酸盐的MgCO3 mol%和微结构有同步的变化，还在玻片中识别了冷泉微通道，其内部和外部细粒沉积物的地球化学差异明显。碳酸盐相的成分和结构受冷泉渗漏状态控制，微通道内外也许形成于不同的冷泉期次，其中的具体关系尚不清楚。本项目拟以南海神狐海区和台西南盆地为目标区，系统研究自生碳酸盐的矿物组合及MgCO3 mol%计算、纳米矿物学特征、稀土元素和碳氧同位素特征，以及微通道内外的碳酸盐矿物学和沉积物地球化学特征，探讨碳酸盐矿物组成和微通道分别对应的冷泉渗漏状态和期次，以及研究区经历的冷泉演化过程，为南海北部冷泉活动的示踪提供新思路。

海底冷泉在世界范围的大陆边缘分布，向海洋和大气输送的甲烷量不容小觑，即影响着全球气候，也是天然气水合物形成的烃类来源。冷泉碳酸盐形成于冷泉活动中的硫酸盐-甲烷厌氧氧化作用（SD-AOM）下，其矿物学和地球化学特征记录了冷泉活动状态，本项目研究冷泉碳酸盐的碳酸盐矿物相和镁同位素特征与冷泉活动状态的关系。.样品来自南海北部神狐海区和台西南盆地，鉴定了冷泉碳酸盐的矿物学特征，分析碳酸盐相的钙、镁和稀土元素含量，以及碳、氧和镁同位素特征。碳酸盐相包括不同镁含量的镁方解石、低有序度白云石和钙白云石，作为中间相的低有序度白云石在透射电镜下表现极不均一的微结构分布特征，由纳米微区的方解石结构和白云石结构组成，推测形成方式是纳米晶体的方向性拼贴，之后进一步演化生长，转变成更大的晶体。另一方面，碳酸盐相的镁含量与代表SD-AOM作用影响程度的Ce异常、轻重稀土比和碳同位素亏损有正关系，根据前人的合成实验结果，认为冷泉碳酸盐的镁是由SD-AOM提供的硫化氢和胞外聚合物（EPS）催化进入碳酸盐晶格，在一定范围内，催化剂浓度越高使得初期形成的钙镁碳酸盐纳米晶体的镁含量越高，足够高的镁含量和适当的保存条件可以最终形成白云石，因此建议将冷泉碳酸盐看成具有一定镁含量的钙镁碳酸盐。据此，挑选不同碳酸盐相组合的样品测试碳酸盐相的镁同位素，镁同位素与镁含量和碳同位素亏损有正关系变化，说明冷泉碳酸盐沉积时发生的镁同位素分馏程度降低，可能是因为较为封闭的环境和SD-AOM作用释放的催化剂在沉积过程中帮助镁离子脱水而造成。其中，神狐海区样品的变化斜率更高，说明更封闭的条件和更强的SD-AOM作用，暗示更活跃的冷泉活动。.本项目的结果建议将冷泉碳酸盐看成一定镁含量的钙镁碳酸盐，而不是独立的低镁方解石、高镁方解石或白云石。不同碳酸盐相组合的镁同位素与镁含量和碳同位素同步变化的趋势暗示冷泉活动状态。SD-AOM作用产物的催化可能是一种自然界白云石形成的方式。