现代冷泉区沉积物孔隙水硫酸根硫氧同位素研究及其对古冷泉系统硫酸根的消耗途径和甲烷通量的指示意义

Accurate assessment of methane fluxes in continental margin sediments is critical for understanding the environmental effects of cold seeps. Among seeps, methane transport within the pore space of marine sediments via diffusion is more common than as methane bubbles. The porewater sulfate consumption in methane diffusion environments is depended on anaerobic oxidation of methane (AOM) and organoclastic sulfate reduction (OSR). The relative proportions of sulfate consumed by AOM and OSR, and methane fluxes at modern seeps can be determined by porewater geochemical parameters and numerical simulation. However, an effective method is lacking to constrain sulfate reduction pathways and corresponding methane fluxes in methane diffusion environments in the geological history. Recent studies showed that sulfate reduction pathways (AOM and OSR) can be identified by sulfur and oxygen isotope values and their ratios of porewater sulfate, providing a unique opportunity to constrain methane fluxes in methane diffusion environments at ancient seeps. The present project is designed to measure sulfur and oxygen isotopes of sulfate and other geochemical parameters in pore waters at cold seeps from Dongsha, Shenhu, and Qiongdongnan area of the South China Sea. The aim of the project is to determine the link of methane fluxes and sulfate sulfur/oxygen isotope ratios, and to establish a proxy for identification of diffusion methane seeps in the geological records, which provide important clues for the understanding of the carbon and sulfur cycling in methane-rich environment in the geological history.

准确评估冷泉区甲烷通量是认识其环境效应的前提。相对于现今海底甲烷冒泡区，以溶解为主的甲烷渗漏区分布更广。溶解甲烷渗漏沉积物孔隙水中硫酸根由甲烷厌氧氧化（AOM）和有机质氧化（OSR）所消耗。通过孔隙水地球化学结合数值模拟研究能够确定现今海底溶解甲烷渗漏环境中AOM和OSR消耗硫酸根的比例和甲烷通量。然而，对地质历史时期溶解甲烷渗漏环境中硫酸根的消耗途径及对应的甲烷通量的确定还缺乏有效的手段。近期发现孔隙水硫酸根硫、氧同位素及其比值可用于限定硫酸根的消耗途径，为研究溶解甲烷渗漏环境甲烷通量提供了新的契机。本申请项目拟通过南海北部东沙、神狐和琼东南海域冷泉区柱状沉积物孔隙水硫酸根硫、氧同位素及其他孔隙水参数特征，确定甲烷通量与硫酸根硫、氧同位素比值之间的关系，建立识别地质历史时期溶解甲烷渗漏的指标，为理解地质历史时期中富甲烷环境的碳、硫循环提供重要线索。

冷泉系统微生物驱动的碳硫耦合机制是海洋生物地球化学过程研究的核心内容。前人研究发现冷泉系统高甲烷通量环境（如甲烷冒泡区）强烈的微生物硫酸盐还原作用会导致孔隙水硫酸根具极低的δ18O/δ34S斜率（不超过0.5），然而并不清楚产生这一独特的同位素信息所需要的最小甲烷通量值，致使对冷泉区甲烷环境效应的评估依然停留在定性阶段。考虑到有机质驱动的硫酸盐还原（OSR）作用会影响孔隙水硫酸根氧、硫同位素（δ18O、δ34S）组成，本研究选取了南海北部海马冷泉海域OSR速率低且甲烷通量不同的（26 mmol m-2 yr-1至1126 mmol m-2 yr-1）的三根沉积柱样开展工作。研究结果确定了δ18O/δ34S斜率值随着甲烷通量/净硫酸盐还原速率增加而降低。不同于以往单纯认为硫酸盐还原过程氧硫同位素分馏特征主要取决于净硫酸盐还原速率，本项目获得的研究结果突出了电子供体类型的关键性作用，即相同净硫酸盐还原速率，OSR和AOM-SR的δ18O/δ34S斜率值不同。研究成果对氧硫同位素方法示踪海洋沉积环境硫酸盐还原途径、甲烷通量、硫循环等具有重要启示作用。新发现进一步拓展了同位素方法评估甲烷通量的适用范围，为评估过去甲烷渗漏在地球表层系统中的作用提供了方法支撑，为定量评估微生物硫酸盐还原作用在海洋碳硫循环中的作用及其环境效应的提供了新的解决方案。