冷泉沉积物是海洋生物可利用铁的源？—以南海东沙海域和南沙海槽冷泉区研究为例

Iron is an essential micronutrient and commonly considered to be one of the key-limiting factor for biological productivity in many ocean regions. Seafloor Fe supply should be most efficient in a narrow redox window where neither oxygen nor sulphide is present. Recent studies shown that widely spread anoxic environments can develop in hydrocarbon seep sediment and local bottom water, owing to the occurrence of anoxic/anaerobic methane oxidation. Under this condition, the iron in sediment can be reduced to dissolved Fe2+ in the ocean for bioavailable iron. However, whether the hydrocarbon seep sediment can represent a source for bioavailable iron to the ocean, and the control factor for the transformation of iron in the sediment remains largely unexplored. Within this project, iron speciation, pyrite sulfur isotope, major and trace elements, as well as geochemical composition of pore water of cored sediments from Dongsha area and Nansha Trough of South China Sea will be analysised to constrain the intensity of cold seep, and its impact on bottom water redox conditions, as well as the transformation of iron in the sediment. In addition, we will answer the key scientific questions whether the hydrocarbon seep sediment can represent a source for bioavailable iron to the ocean, and the relationship between the transformation of iron in the sediment and the methane flux, in order to better understanding the biogeochemical process of hydrocarbon seep system.

铁元素是海洋环境重要生源要素，是限制全球许多海域生物生产力的关键因素之一。缺氧且非硫化的环境，沉积物中的铁较容易被还原为能被生物所利用的呈溶解态的二价铁，能为海底高效地供给铁。海洋大陆边缘广泛发育富甲烷冷泉流体活动，发生显著的甲烷缺氧氧化，甚至甲烷有氧氧化作用，导致冷泉区沉积物和局部底层水体发育缺氧环境，那么，冷泉沉积物是否为海洋生物可利用铁的源？冷泉沉积物中铁的转化受何种因素的控制？目前还缺乏深入的研究。本申请项目拟研究南海北部东沙海域和南部南沙海槽冷泉区柱状沉积物不同价态铁的形态、黄铁矿的硫同位素，结合沉积物主量和微量元素以及沉积物孔隙水的地球化学特征研究，确定冷泉活动的强度及其对底层海水氧化还原环境变化的影响，探讨冷泉沉积物中不同价态铁的转化过程，揭示沉积物中铁的转化与甲烷通量变化的关系，为深入认识冷泉系统生物地球化学过程提供新的方法和思路。

项目对比研究了受不同强度冷泉活动影响的沉积物的沉积学、矿物学及地球化学特征。结果表明冷泉活动释放的甲烷通量的变化影响了沉积物中铁的形态的转化和释放：高通量甲烷条件下，强烈的甲烷有氧氧化作用造成了底层海水的缺氧，沉积物中铁的氧化物和氢氧化物的溶解造成沉积物中铁的丢失，释放的铁能扩散到底层海水而被生物所利用；而较低甲烷通量条件下，甲烷缺氧氧化作用造成的孔隙水的高硫化环境能使沉积物中的铁转化为铁硫化物，沉积物中铁的总量不发生变化。进一步的研究发现甲烷通量的变化还能影响沉积物中稀土元素的特征：甲烷通量的增加能减少底层海水氧气浓度，导致海洋来源有机物质的增加；强烈甲烷渗漏造成的强还原条件能使沉积物中的Eu3+还原为Eu2+。这些研究结果表明，流体活动可能对富含甲烷的海洋沉积物中有机物和稀土元素的分布具有重要影响。通过三年的研究，项目在冷泉活动对海底元素循环方面做出了原创性的研究成果，有效的加深了冷泉系统对海洋环境影响的认识。