藏南岗巴白垩纪甲烷释放的古海洋背景与环境效应

The stability of methane gas hydrate in global warming environment is an essential issue as methane is an important greenhouse gas. If massive methane releases from gas hydrate, what is the paleoceanographic condition and its consequent effect on environments? Our preliminary work found multiple episodes of methane release in Cretaceous strata, a super warm period in the geological history. Investigation on these events will provide perspectives on former questions. Strata from Aptian to Turonian that contain ancient methane release records distribute widely in South Tibet and have been studied for biostratigraphy and sedimentary stratigraphy. This project will systematically analyze sedimentary geochemical and biogeochemical records from Aptian to Turonian, including C-N-O-S isotope compositions, lipid biomarkers composition, iron speciation and trace elemental composition. On the basis of these records, this project will provide evidence and distribution pattern for methane release in this super warm interval, will identify paleoceanographic condition, such as oceanic chemical background, redox and geomicrobial composition, during the processes of methane release, and will unravel the mechanism and environmental consequence of massive methane release. This knowledge will be useful for understanding the mechanism and evolutionary processes of the super warm event in Cretaceous and provide information for the current global warming.

随着全球变暖的加剧，海洋沉积物中保存的天然气水合物是否会大规模释放？如果发生了大规模释放，则其释放的古海洋环境背景特征及其所引起的后续环境效应如何？我们的前期工作发现“极端温室气候”的白垩纪存在着频繁的甲烷释放事件，这些甲烷释放事件的深入研究将为上述问题提供线索。项目拟以沉积地层、生物地层等研究基础较好的西藏岗巴地区Aptian期至Turonian期地层为研究对象，开展系统的沉积地球化学和生物地球化学研究，包括C-O-S同位素组成特征、生物标志化合物组成、铁组分和微量元素地球化学，查明极端高温环境下甲烷释放的证据与分布特征，详细刻画甲烷释放前后的古海洋化学背景，如古海洋氧化还原特征、古海水化学特征及地质微生物组成特征，探讨这些甲烷释放的环境背景、触发机制及环境效应。该研究可以更好地认识白垩纪中期的“极端温室效应”的形成、演化，为现代全球变暖所引起的环境变化提供参考

白垩纪是地球演化过程中的关键时期，该时期记录了大气二氧化碳的急剧增加、海洋的广泛缺氧、温室气候的转变（极热事件）、海洋碳同位素的扰动以及微生物的大量繁盛等。这些大气-海洋-生命事件与甲烷释放事件密切相关，然而，到目前为止，白垩纪时期大规模甲烷释放的环境背景/促发机制还不明确，这极大限制了我们对于白垩纪时期大规模甲烷释放所引起的地球环境与生命事件之间关系的理解。因此，项目从岩相学（沉积组构等）、碳同位素、生物标志化合物组成及单体同位素等多方面提供证据，查明西藏南部地区白垩纪Aptian期至Turonian期甲烷释放的原因及来源，对探讨甲烷释放与环境效应之间的关系以及对温室效应的贡献具有重大意义。. 经过4年以上的研究工作，我们取得了以下几点认识：1）沉积学、岩石学和矿物学、碳-氧同位素等证据揭示西藏南部岗巴地区白垩纪中期地层中存在着至少9次的甲烷释放事件；2）微量元素、碳同位素特征以及钕同位素特征为白垩纪中期古海洋甲烷释放事件的成因提供了新的解释：白垩纪中期存在的多期次火山活动增强了海底热液活动，适宜温度下的热液流体热分解下覆地层中的有机质，引起大规模甲烷或其他温室气体的释放；藏南强东剖面碳酸盐岩样品具有明显的Eu正异常、MREE富集的稀土元素配分特征，其与热液流体的稀土元素配分特征一致；Eu正偏最大时对应着碳同位素负偏，反映该时期存在的甲烷释放事件与同期的海底热液活动有关；同时，通过还原海水Nd同位素,发现在Albian时期到Turonian时期水体团的变化模式,在MCE和OAE2时期海水Nd同位素组成都发生了明显的改变，我们发现海水团Nd(t)值峰值出现的层位都对应甲烷释放层位，我们认为研究区域内的Nd(t)值峰值出现极有可能是来自热液流体与下覆地层中的黑色页岩相互作用产生的流体上涌所导致大量热液源的Nd组成混入海水团中；3）相对于用甘油二烷基甘油四醚化合物（GTGTs）的四醚指数TEX86、δ18O同位素恢复的同期海洋表层水温度（22~42 oC），利用Δ47重建的古温度平均高出5~10 oC。尽管不同指标间重建古温度存在系统偏差，然而两种指标构建的白垩纪平均温度都高于现代海洋，说明白垩纪时期最高温要比现代海洋平均温度要高10度以上。