南海北部不同形貌冷泉碳酸盐岩地质地球化学特征及其形成环境判识

海底甲烷渗漏系统是一种分布于全球的自然现象，因其与天然气水合物、全球气候变化、生命起源与演化等问题密切相关，是现代海洋地质学的前沿研究领域之一。碳酸盐岩是保存甲烷渗漏系统信息的最好档案。南海北部陆坡存在甲烷渗漏现象，发现了各种形貌的碳酸盐岩，其岩石学和地球化学特征已基本清楚，但不同形貌碳酸盐岩的形成环境及反映的甲烷渗漏信息还不清楚。本研究拟选取两种不同形貌碳酸盐岩，采用微取样技术，通过碳酸盐矿物、C、O同位素和稀土元素的剖面变化、U-Th年代学研究，划分碳酸盐矿物形成期次，界定该系统中微环境存在的标志、尺度，融合沉积环境和构造特征，揭示南海北部碳酸盐矿物的形成机制，探讨不同形貌碳酸盐岩的形成环境，重建南海北部甲烷渗漏环境演化过程。不同形貌碳酸盐岩的精细剖面研究和重建南海北部不同形貌碳酸盐岩的形成环境是本研究的特色和创新之处。研究结果对于寻找天然气水合物和古环境研究具有一定的意义。

甲烷渗漏系统广泛分布于全球海底，是现代海洋地质学的前沿研究领域之一。碳酸盐岩是保存甲烷渗漏系统信息的最好档案。南海北部陆坡发现了不同形貌的冷泉碳酸盐岩，本研究对块状和烟囱状两种形貌特征的碳酸盐岩开展了岩石矿物学、C、O 同位素、稀土元素（REE）和U-Th 年代学等方面的研究。块状和烟囱状均具有层状结构，并含有丰富的生物遗迹。块状样品S03A为微晶结构，碳酸盐矿物含量相对较高，主要为方解石、高镁方解石；δ13C和δ18O的变化范围分别为-28.84‰～-46.82‰和2.19‰～3.51‰（PDB，下同），其均值分别为-40.83‰和3.05‰；REE总量的变化范围为18.19×10-6～28.94×10-6，中稀土富集，大多数样品具有Ce的负异常；形成年龄约在27770～32262yr之间。烟囱状样品S04F为隐晶结构，碳酸盐矿物含量相对较低，主要为方解石、高镁方解石、文石；δ13C和δ18O的变化范围分别为-22.85‰～-45.00‰和-2.78～-3.12‰，其均值分别为-36.47‰和1.32‰；REE总量的变化范围为10.39×10-6～23.04×10-6，没有Ce异常，但具有中稀土富集的特征；其形成年龄约为41736～55042yr之间。分析结果表明：C、O同位素变化与层状结构的对应关系明显；块状碳酸盐岩δ13C更负，18O更加富集；碳酸盐矿物及钙质生物壳体的Mg/Ca和Sr/Ca可以作为识别甲烷渗漏的新指标。基于分析测试结果和沉积环境，认为块状样品S03A的渗漏通道较为复杂，经历了沉积充填埋藏的过程，沉积环境也发生了由氧化环境向还原环境的转变；烟囱状样品S04F形成在还原的沉积环境，渗漏通道单一，烟囱自内向外生长。对比全球海平面变化，均形成在末次冰期以来的总体海平面下降时期，部分时期为局部低海平面时期，因此可能是海平面的大幅下降造成静水压力减小造成天然气水合物分解引起甲烷渗漏。研究结果为揭示南海北部甲烷渗漏提供了新的数据资料，揭示了不同形貌冷泉碳酸盐岩指示的沉积环境，提出了识别甲烷渗漏的Mg/Ca和Sr/Ca指标，为从沉积物和冷泉碳酸盐岩中提取甲烷渗漏信息提供了新的尝试方法。