冷泉系统微生物硫酸盐还原作用在碳酸盐岩中的记录

Microbial sulfate reduction and coupled anaerobic oxidation of methane are the dominant biogeochemical processes occurring at cold seep in marine settings. These processes not only support the growth of chemosynthetic communities but also promote the precipitation of authigenic carbonates. However, investigations of microbial sulfate reduction have been conducted only using porewaters or seep-related barites. The fact is that many seeps are either inactive or do not precipitate any barite minerals. Thus, little is known about the microbial sulfate reduction at these seep environments. The occurrence of authigenic carbonate has been documented at almost all cold seep sites, which provide a unique opportunity to investigate the microbial sulfate reduction using such carbonate. The present project is designed to measure the concentrations and isotopic signatures of carbonate-associated sulfate (CAS). The aim of the project is to determine the role of sulfate and sulfate reduction during carbonate precipitation at cold seeps. The obtained data will also be used to evaluate if the carbonate precipitated by the anaerobic oxidation of methane contains information about the nature of sulfur biogeochemistry at cold seeps. Overall, the study will provide clues for studies of cold seeps, and make essential contributions to the communities.

与甲烷厌氧氧化耦合的微生物硫酸盐还原作用是冷泉系统最重要的生物地球化学过程之一，该过程孕育了独特的冷泉生物群落，还促使了冷泉碳酸盐岩的形成。然而至今，有关冷泉系统微生物硫酸盐还原作用的研究仅限于对活动冷泉表层沉积物中的孔隙水或者冷泉重晶石来进行。由于许多现代冷泉都是不活动的，也不发育重晶石，因而无法开展深入研究，导致对冷泉系统硫酸盐还原作用这一至关重要的生物地球化学过程缺乏足够的了解。而自生碳酸盐几乎在每个冷泉系统都有发育，其中均含有微量的硫酸根离子，为研究冷泉系统微生物硫酸盐还原作用提供了绝佳的载体。本申请项目拟研究冷泉碳酸盐岩中保存的微量硫酸根，确定硫酸根的含量及其硫、氧稳定同位素组成特征，结合冷泉碳酸盐岩矿物、岩石及同位素地球化学研究，探索冷泉系统微生物硫酸盐还原作用在碳酸盐岩中的记录，加深冷泉系统微生物硫酸盐还原作用的认识，为研究冷泉系统生物地球过程提供新的方法和思路。

海洋自生碳酸盐岩沉积在地质历史时期全球碳循环中扮演了重要的角色，甲烷缺氧氧化作用是产生自生碳酸盐岩的重要途径之一，但由于自生碳酸盐岩容易遭受后期成岩蚀变，长期以来缺乏有效识别地质历史时期广泛存在的该类自生碳酸盐岩的方法。测定和研究了三处现代（墨西哥湾、黑海和南海）和两处古冷泉（美国华盛顿州和意大利北部）发育的自生碳酸盐岩的晶格硫（CAS）的氧（δ18OCAS）、硫（δ34SCAS）和碳酸盐的锶同位素（87Sr/86Sr）组成，发现硫酸盐驱动的甲烷缺氧氧化形成的碳酸盐岩具有特定δ18OCAS-δ34SCAS斜率(~0.3)，该斜率不受样品的形成年代和发育位置等环境参数控制，仅与碳酸盐岩沉积环境的甲烷浓度有关，并推断任何富集甲烷环境（如冷泉区，上升流区，高生产力区等）沉积的碳酸盐岩均具有此独特的地球化学特征。还综合分析了文石和方解石中各自CAS的δ18O和δ34S及锶同位素数据，揭示了此前认为的CAS记录海水硫酸根的地球化学信息的观点是片面的，明确了富甲烷环境沉积的碳酸盐岩CAS记录的是孔隙水硫酸根而非海水硫酸根的信息。所建立的识别地质历史时期甲烷缺氧氧化作用的新方法有望为定量地评估地质历史时期中自生碳酸盐岩在全球碳循环中作用提供重要基础。