南海北部冷泉区AOM驱动的硫早期成岩循环作用及其对甲烷渗漏环境识别研究

In the seabed Cold Seep Area, the sulfate reduction is driven by the organic matter oxidation, but mainly driven by anaerobic methane oxidation (AOM). However, the research of AOM-driven sulfate reduction and its important contribution to the sulfur early diagenesis cycle and sulfur buried needs to be studied. Further more, the research as hydrate exploration anomaly index needs to be from qualitative research deepen to the quantitative research. In this project, the sediment cores and cold seep carbonates are collected from the Dongsha and Shenhu Cold Seep Area, northern South China Sea.The main geochemistry characteristics research contains the chemical composition of pore water, the microstricture fo sulfates and sulfides authigenic minerals, the distribution and content of intermediate state of sulfur and organic matter sulfide, the sulfur and carbon stable isotope fractionation with comprehensive methods such as geochemistry, mineralogy, isotope geochemistry, numerical calculation methods,etc. The target of the project is to identify the sulfate reduction driven by organic matter oxidation or AOM, obtain the proportion of sulfate consumed by AOM in the pore water, the sulfur isotope fractionation characteristics and constraints; establish a sound sulfur cycle path in marine sediment, quantitatively assess the diagenesis burial flux of sulfide and sulfate minerals in marine sediments; react the cold seep sedimentary environment characteristics and explore the affection of the methane seeps on the global sulfur cycle and balance of payments by the research of sulfur early diagenesis cycle; provide theoretical basis for the repair of ancient cold seeps and indication of gas hydrate reservoir.

在海底冷泉沉积环境中，硫酸盐还原除受有机质氧化作用驱动外，主要受甲烷缺氧氧化（AOM）作用驱动。但AOM作用对硫酸盐还原的控制强度及其对硫早期成岩循环作用和硫埋藏的重要贡献还有待研究，作为水合物勘探的异常指标研究也需要从定性研究深化到定量研究。本项目以南海北部东沙和神狐冷泉区的沉积物柱状样和冷泉碳酸盐岩为研究对象，通过地球化学、矿物学、同位素地球化学和数值计算等方法，系统研究孔隙水化学组分，自生矿物分布、含量和显微结构，各种价态硫的分布形态和含量，硫、碳稳定同位素特征等，辨析冷泉区有机质氧化和AOM驱动的硫酸盐还原作用，获取AOM作用消耗孔隙水中硫酸盐的比例大小和同位素分馏作用及制约因素；建立完善的海洋沉积环境硫循环路径，定量评估海洋沉积物中的硫埋藏通量；通过硫早期成岩循环作用研究反映冷泉沉积环境特征，探索甲烷渗漏对全球硫循环收支平衡的影响；为修复古冷泉环境和指示水合物赋存提供理论依据。

在海底冷泉沉积环境中，硫酸盐还原除受有机质氧化作用驱动外，主要受甲烷缺氧氧化（AOM）作用驱动。本项目以南海北部东沙和神狐冷泉区的沉积物柱状样和冷泉碳酸盐岩为研究对象，系统研究孔隙水化学组分，自生矿物分布、含量和显微结构，各种价态硫的分布形态和含量，硫、碳稳定同位素特征等。研究结果表明，东沙海域存在南部深水区“海洋四号”沉积体和北部浅水区九龙甲烷礁两个水合物有利区域，ＳＭＩ埋深普遍较浅，指示较高的甲烷通量，与国际上已发现天然气水合物区的地球化学特征相类似。这种高甲烷通量很可能是由下伏的天然气水合物所引起的，暗示着该区海底之下可能有天然气水合物层赋存。973-5站位柱状样的草莓状自生黄铁矿的微晶颗粒形态多变主要是在较为还原的环境中形成的；973-4 站位柱状样的自生黄铁矿多呈棒状和管状，主要是在含氧量较大的环境中形成的，总有机碳/总硫比值和临近站位孔隙水数据表明这些都是冷泉流体活动的结果。973-5站位的Uvigerina spp.的δ13C表明深海的甲烷渗漏活动可能会造成局部碳酸盐岩补偿深度（CCD）变深，并造成沉积物中碳酸盐岩含量出现极低值。974-4站位的Uvigerina spp.的δ13C表明末次盛冰期（LGM）之前东沙海域有持续的冷泉活动，而自末次盛冰期以来 Uvigerina spp.的δ13C偏负程度逐渐变小、冷泉活动逐渐减弱，这可能是海平面上升扩大了天然气水合物稳定区范围从而抑制了冷泉气体上涌的结果。南海北部陆坡自生黄铁矿主要呈长条状，由草莓状黄铁矿组成，具有较大的硫同位素值，分布较为广泛；自生石膏主要呈球状或者块状，透明自形晶结构，分布在神狐及东沙海域部分站位。沉积物硫元素化学种的测试分析结果表明相对于Site 5B和Site 6A站位的变化曲线，Site 4B站位沉积物0-95cm层位中硫酸根相对含量几乎都近于100%，揭示氧化条件；95cm-300cm层位中硫酸根与硫化物的相对含量出现频繁的消长变化特征，显示氧化还原条件的多次、高频、激烈变化。分析认为，如此特殊的氧化还原条件变化是硫酸根与伴随泥火山活动的渗漏甲烷之间的相互作用造成的，深部含有渗漏型天然气水合物。