冷泉碳酸盐岩中硫酸盐(CAS)的地球化学特征及其对甲烷渗漏活动的示踪

Considering that the massive release of methane would have a significant impact on the paleo-ocean, paleo-climate, and paleo-environment, it is of great scientific significance to reconstruct the fluid activity intensity of cold seep. As a significant sign and diagenetic product of cold seep activity, cold seep authigenic carbonates can well preserve the geochemical information of cold seep diagenetic fluid in different periods. In recent years, although the carbonate-associated sulfate (CAS) has gradually been applied to reconstruct the sulfur isotopic composition of ancient seawater sulfate, the geochemical characteristics of CAS from cold seep authigenic carbonates is still rarely studied and poorly understood. Considering the complexity and heterogeneity of methane seepage in a dimension of time and space, and based on the improved extraction and sulfur isotope analytical technology of CAS, we choose Shenhu and Dongsha areas in the northern continential slope of South China Sea and Chiahsien area in the Western Foothills of Taiwan as the modern and ancient cold seep system cases, respectively, and present the concentration and sulfur isotope distributions of CAS in cold seep authigenic carbonates (e.g., chimney, crust, and block). From this, the variations of methane seepage intensity during cold seep diagenetic process can be indicated, which will shed new light on the geochemical research of cold seep system.

由于甲烷的大规模释放会对古海洋、古气候和古环境产生显著影响，因此尝试重建地质历史时期冷泉的流体活动强度具有重要的科学意义。作为冷泉活动的显著标志及其成岩作用的产物，冷泉自生碳酸盐岩可以很好地保存不同时期冷泉成岩流体的地球化学信息。近些年来，尽管采用碳酸盐相关的硫酸盐(CAS)重建古海洋硫同位素演化已经得到越来越普遍的应用，但是有关冷泉自生碳酸盐岩的CAS地球化学特征研究目前仍处于起步阶段。考虑到甲烷渗漏强度在时间和空间上的复杂性和不均一性，本项目拟在改进CAS提取和硫同位素分析技术的基础上，分别选取中国南海北部陆坡神狐、东沙海域和台湾西部麓山带甲仙地区作为现代和古代冷泉系统的代表性研究区域，揭示冷泉自生碳酸盐岩(例如烟囱、结壳和块体)内部CAS含量和硫同位素组成的分布规律，示踪冷泉成岩过程中的甲烷渗漏强度，为冷泉系统的地球化学研究提供新的视角和方法。

冷泉自生碳酸盐岩中微量硫酸盐(CAS)可以用来示踪其形成过程中甲烷渗漏的强度变化，但是传统的CAS分析方法需要溶解几十至上百克样品，无法满足对冷泉成岩环境在厘米级尺度上不均一性的研究需求。本项目在评估阴离子交换膜(AEM)分离和浓缩硫酸根离子能力的基础上，采用多接收电感耦合等离子体质谱技术(MC-ICP-MS)分析硫同位素组成，将冷泉碳酸盐岩CAS提取的样品用量缩减至1克以下。基于这一分析方法的改进，本研究对分别来自台湾西部麓山带甲仙地区和中国南海北部陆坡的古代和现代冷泉碳酸盐岩进行CAS提取和分析。在冷泉碳酸盐岩烟囱体内部和大型块状体表面，CAS含量及其硫同位素组成均呈现明显的不均一性分布特征，并在烟囱体内绝大多数层位呈现从中心通道向外侧边缘的规律性变化。在排除含铁硫化物氧化、白云石化和大气水污染所产生的成岩影响之后，根据CAS含量变化与其硫同位素组成相对于同时期海水硫酸盐的富集程度，示踪得到冷泉碳酸盐岩烟囱从边缘向中心的生长过程中甲烷渗漏的强度变化。与传统的碳、氧和锶同位素地球化学手段相比，CAS含量及其硫同位素组成可以为冷泉流体渗漏环境的复杂性和多变性提供更详尽的地球化学指标和证据。