南海北部冷泉和天然气水合物发育区海底浅表层沉积物碳循环数值模拟

Methane release is widespread natural process at hydrocarbon seeps and gas hydrate-occurred areas. The releasing methane is mainly consumed by the anaerobic oxidation of methane (AOM) before reaching the seafloor. The abundant dissolved inorganic carbon (DIC) produced by AOM mainly enters the ocean via diffusion and/or advection and possibly plays a role in deep-sea carbon cycling. However, the fluxes and influence of the AOM-derived DIC on the deep ocean are poorly constrained. This proposed study combines pore water geochemistry and numerical simulation to investigate the carbon cycling in the subsurface sediments at hydrocarbon seeps and gas hydrate-occurred areas, the northern South China Sea (SCS). Our aim is to calculate the benthic fluxes of methane, dissolved organic carbon (DOC), and DIC at hydrocarbon seeps and gas hydrate-occurred areas, to quantify methane turnover in the near bottom sediments, to evaluate their impacts on the deep-water carbon reservoir, and to improve our understanding of the carbon cycling at the SCS. This proposal would help to assess the influence of gas hydrate dissociation and submarine seeps on the carbon reservoir of the modern ocean, and to provide important clues to explore their influence from methane release at hydrocarbon seeps and gas hydrate dissociation on the ocean carbon reservoir in the geologic history.

海底冷泉和天然气水合物发育区向海洋释放甲烷是一种常见的自然过程，大部分渗漏甲烷在近海底沉积物中被甲烷缺氧氧化作用(AOM)所消耗，转化形成溶解无机碳(DIC)，形成的大部分DIC通过扩散和对流方式进入海洋，影响深海碳循环。然而，目前这种DIC进入海洋的通量及其对深海的影响并不清楚。本项目拟通过对南海北部冷泉和天然气水合物发育区近海底沉积物孔隙水地球化学进行模拟研究，定量计算冷泉和天然气水合物区海底界面释放的甲烷、溶解有机碳(DOC)和DIC的通量，确定渗漏甲烷在海底浅表层沉积物中的碳循环过程，评估海底冷泉和天然气水合物分解释放甲烷对南海深部碳库的影响，深化对整个南海碳循环系统的认识。该研究将有助于认识现今海底天然气水合物分解和冷泉活动对深海碳库的影响，为探索地质历史时期天然气水合物分解和冷泉活动对海洋碳库的影响提供重要参考。

海底冷泉和天然气水合物发育区向海洋释放甲烷是一种常见的自然过程，大部分渗漏甲烷在近海底沉积物中被甲烷厌氧氧化作用(AOM)所消耗，转化形成溶解无机碳(DIC)，形成的大部分DIC通过扩散和对流方式进入海洋，影响深海碳循环。项目聚焦南海北部海底甲烷源DIC进入海洋的通量及其对深海的影响。对南海海马冷泉区进行了溶解有机碳（DOC）性质的研究，发现冷泉区的DOC主要为AOM作用过程中的产物，揭示了冷泉区DOC的来源和潜在的产生机制和影响。对海底沉积物孔隙水地球化学进行37个站位的模拟研究，获得了南海北部冷泉和水合物发育区的溶解无机碳和甲烷扩散通量的初步空间分布特征。随着南海数据的累积，基于南海北部近250个站位的孔隙水硫酸盐浓度剖面获得的区域硫酸盐通量显著高于前人基于沉积速率估算的结果，表明海底浅表层中存在着大量以往被忽略的深部来源甲烷。深部来源甲烷通过AOM消耗了大量额外的硫酸盐，维持了区域上的硫酸盐平衡。根据南海北部106个站位孔隙水钙离子/镁离子/DIC数据计算的自生碳酸盐岩沉淀和DIC通量以及与硫酸盐通量间的经验关系，量化了整个南海北部海底碳循环过程。在整个南海北部，硫酸盐通量为4.26 Tmmol a-1，深部来源甲烷通量为3.03 Tmmol a-1，在AOM、有机质硫酸盐还原和产甲烷作用下共计产生了5.49 Tmmol a-1的DIC，其中约22%的DIC（1.21 Tmmol a-1）在沉积物中形成了自生碳酸盐岩，剩下的约78%的DIC（4.28 Tmmol a-1）排放进入了海洋中。我们的研究结果表明，深部来源甲烷及其产生的DIC在大陆边缘海底碳和硫循环过程中起到了至关重要的作用，能为广泛存在的化能自养型生态系统提供了可观的能量来源，对研究深时甲烷循环及其气候效应具有重要启示作用。