南海神狐海域水合物发育区浅表层沉积物甲烷周转定量模拟

在天然气水合物发育区海底沉积物中甲烷厌氧氧化作用(AOM)是碳循环的重要组成部分。通过定量计算表层沉积物中甲烷迁移转化通量,可以更准确评估甲烷来源碳对沉积物碳库和海洋深部碳库影响。本文利用反应―运移模型对采集于南海神狐水合物发育区两个站位(SH-W19-PC、SH-W23-PC)采集的孔隙水SO_4~(2-)、溶解无机碳(DIC)、Ca~(2+)剖面进行拟合,同时对DIC碳同位素进行分析,确定近海底沉积物中的碳循环。研究显示两个站位孔隙水中SO_4~(2-)和Ca~(2+)浓度在剖面上随深度呈线性减少,DIC浓度随深度逐渐增加,其δ~(13)C_(DIC)值随深度逐渐降低至约-25‰,表明两个站位存在一定程度的AOM。模拟计算两个站位沉积物孔隙水溶解甲烷向上的通量分别为25.9和18.4 mmol·m~(-2) a~(-1),AOM作用产生的DIC分别占其总DIC量的70.7%和60%。由沉积物向海水中释放的DIC通量占DIC汇的约60%。因此,在天然气水合物发育区向海底渗漏甲烷大部分以DIC的形式进入上覆海水,这些具有极负碳同位素值的甲烷来源的DIC可能对局部深海碳库产生一定的影响。     

南海北部陆坡天然气水合物的沉积物孔隙水地球化学研究进展

孔隙水地球化学异常是天然气水合物勘探的重要工具之一,南海北部陆坡地区拥有良好的天然气水合物成藏潜力,孔隙水地球化学异常在南海的天然气水合物勘探中发挥了重要作用。其中与水合物直接相关的氯离子含量异常被用于识别神狐及东沙海域钻探区的水合物层和计算水合物饱和度。除直接指标外,浅表层沉积物中的硫酸盐含量及其他与早期成岩作用有关的地球化学异常作为间接指标可用于水合物的找矿预测,研究者们通过对硫酸盐还原过程的判别、硫酸盐甲烷接触界面的计算等方面对南海北部陆坡不同海域的沉积物甲烷通量进行了评估,预测出水合物可能的成藏区域。其他如碘含量、氧化还原敏感元素、氯同位素、地球化学模型等新的地球化学指标和计算机手段也被应用于南海北部陆坡区水合物成藏研究并取得了不错的成效。     

海洋沉积物微量元素地球化学特征对天然气水合物勘探的指示意义

天然气水合物与资源和全球环境变化等重大科学问题密切相关.前期关于甲烷渗漏区地球化学特征的研究主要集中于浅表层沉积物(<20 m),而浅层沉积物(>20 m)地球化学特征知之甚少.为探讨海洋浅层沉积物微量元素特征与天然气水合物勘探的相关关系,对南海神狐海域沉积物进行了4个站位的钻探取样,分析了样品主、微量元素和有机碳地球...     

南海北部东沙海域水合物区浅表层沉积物的地球化学特征

对采自南海北部陆坡东沙海域水合物区HD319、HD196A和GC10站位的浅表层沉积物进行了地球化学特征研究。X射线衍射分析和扫描电镜观察表明,沉积物中存在具有天然气水合物和甲烷渗漏指示意义的自生碳酸盐、硫酸盐和黄铁矿。沉积物孔隙水化学组分分析显示,随着埋藏深度加深,SO42-、Ca2+、Mg2+和Sr2+浓度明显降低,CH4、H2S浓度的增加,以及Mg2+/Ca2+和Sr2+/Ca2+比值急剧增加,与世界上水合物区浅表层沉积物孔隙水中离子浓度异常特征吻合。沉积物顶空气游离烃分析结果和孔隙水化学组分变化,特别是SO42-、H2S和甲烷含量的急剧变化,说明研究区有丰富的气源,赋存水合物的可能性非常大,同时指示了研究区硫酸盐-甲烷界面(SMI)较浅,位于海底之下8m左右。     

南海北部东沙海域沉积物地球化学特征及其反映的冷泉活动

南海北部东沙海域是典型的水合物成藏区,冷泉活动对其沉积物地球化学特征有显著影响。分析了东沙海域冷泉区973-4站位1 375cm(水深1 666m)和973-5站位935cm(水深2 998m)长的柱状样的总有机碳(TOC)、总硫(TS)含量,并挑选其中的底栖有孔虫进行了碳氧同位素测试。通过沉积物总硫含量分析和临近站位孔隙水数据分析表明,2个站位沉积物均有较浅的硫酸盐甲烷还原界面(SMI)深度和较大的甲烷通量,其中973-4站位硫酸盐甲烷界面深度为海水―沉积物界面以下约900cm,973-5站位硫酸盐甲烷界面深度为海水―沉积物界面以下约750cm。总碳/总硫比值表明冷泉流体活动对沉积物硫埋藏起主导作用。Uvigerina spp.的δ13 C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δ13 C其偏负程度逐渐变小、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,从而抑制了冷泉流体上涌的结果。     

琼东南盆地与甲烷渗漏有关的早期成岩作用和孔隙水化学组分异常

X-射线衍射和扫描电镜观察表明,采自南海北部琼东南盆地的沉积物样品中有天然气水合物和甲烷渗漏指示意义的自生碳酸盐、硫酸盐和草莓状framboids黄铁矿,自生矿物组合和显微结构特征与冷泉沉积物类似,属微生物成因。沉积物孔隙水化学组分分析结果显示,随着埋藏深度加深,SO₄2-,Ca2+,Mg2+和Sr2+浓度明显降低,Mg2+浓度与Ca2+浓度和Sr2+浓度与Ca2+浓度的比值急剧增加,这些地球化学特征与世界上天然气水合物产区的浅表层沉积物孔隙水中离子浓度异常吻合较好,暗示采样站位深部可能有油气或天然气水合物藏。     

南海南部浅表层柱状沉积物孔隙水地球化学特征对甲烷渗漏活动的指示

海底沉积物孔隙水地球化学特征能快速响应甲烷渗漏活动及其生物地球化学过程,从而记录甲烷渗漏活动特征。对采自南海南部北康盆地的3个重力沉积柱状沉积物孔隙水样品(BH-H75、BH-H13Y和BH-H61)进行了甲烷浓度、溶解无机碳(DIC)和碳同位素(δ~(13)CDIC)、阴离子(SO_4~(2-)、 Cl~-)以及主微量元素(Ca~(2+)、 Mg~(2+)、 Sr~(2+)、 Ba~(2+))等地球化学分析。(△DIC+△Ca~(2+)+△Mg~(2+))/△SO_4~(2-)比率图解与δ~(13)CDIC深度剖面特征揭示了有机质硫酸盐还原反应(OSR)和硫酸盐驱动-甲烷厌氧氧化反应(SD-AOM)在不同沉积柱中所占比例的不同,其中BH-H13Y沉积柱中OSR和SD-AOM共同存在;BHH75沉积柱中OSR占主导;在BH-H61沉积柱中SD-AOM占主导,且其底部可能存在微生物产甲烷作用。硫酸盐浓度线性拟合关系指示BH-H13Y的硫酸盐-甲烷过渡带(SMTZ)的深度约为700 cmbsf。结合SO_4~(2-)浓度、DIC浓度最大值和δ~(13)CDIC最小值推测BH-H61的SMTZ深度约为480 cmbsf。BH-H61和BH-H13Y沉积柱中,较浅的SMTZ深度、上升的DIC浓度以及强烈负偏的δ~(13)CDIC值指示研究区存在甲烷渗漏活动。此外,在BH-H61和BH-H13Y站位,硫酸盐浓度随深度降低的变化梯度在沉积柱下部较上部陡,指示向上迁移的甲烷通量在时间上逐渐增强。孔隙水中Ca~(2+)、Mg~(2+)、Sr~(2+)浓度以及Mg/Ca、Sr/Ca比值变化特征指示研究区沉积物中可能有自生高镁方解石矿物生成;而BH-H61站位SMTZ界面以下,孔隙水中Ba~(2+)浓度升高,指示了硫酸钡的溶解作用。     

南海北部浅表层沉积底栖有孔虫碳同位素及其对富甲烷环境的指示

对南海北部陆坡东沙海域、神狐海域及西沙海槽甲烷渗漏环境和无甲烷渗漏环境87个浅表层沉积物中的底栖有孔虫Uvigerinaspp.进行碳同位素分析研究,结果表明,东沙海域δ13C值为-0.52‰~-5.68‰,平均值为-1.41‰,出现明显的负偏移;神狐海域δ13C值介于-0.36‰~-1.10‰,平均值为-0.75‰,未见明显的δ13C值负偏移;西沙海槽δ13C值介于-0.01%~-0.89‰,平均值为-0.45‰;对Uvigerinaspp.碳同位素组成与沉积物有机碳(TOC)、甲烷(CH4)间的关系进行探讨,发现δ13C负偏移主要出现在甲烷渗漏环境,发生在末次盛冰期,与溶解无机碳负偏移以及沉积物全样的δ13C值负偏移层位相吻合,有可能作为富甲烷环境的替代指标。     

南海北部神狐海域水合物钻探区沉积物地球化学特征

海底水合物形成分解/甲烷渗漏的甲烷以及相关的生物地球化学过程可能对海底的沉积环境产生影响,因此识别水合物的形成分解/甲烷渗漏对海洋沉积环境改造有助于了解水合物成藏特征及其形成分解过程。选取南海北部神狐海域2007年水合物钻探区的SH3钻孔沉积物为研究对象,对SH3钻孔岩心的碳硫数据、主微量元素,尤其是氧化还原敏感元素(U、Mo、U/Mo、V/Sr)进行分析测试,同时结合SH3钻孔孔隙水数据和前人对神狐水合物钻探区的研究成果等进行对比研究。结果表明南海北部神狐海域沉积物来源除河流沉积物以外,同时还有少量中国黄土以及大陆岛弧的长英质岩浆岩沉积物;通过对U、Mo、U/Mo以及碳硫数据分析,发现SH3钻孔在10~25mbsf(meter below the seafloor)层位为硫酸盐驱动的甲烷厌氧氧化作用(Anaerobic oxidation of methane,AOM)造成的还原沉积环境,AOM作用导致了在这一层位发生了LREE/HREE、MREE/HREE的分馏;SH3钻孔沉积物在约180~215mbsf的含水合物层位出现了浊流沉积的次氧化的沉积环境,同时其赋存的细粒沉积环境也导致了轻重稀土元素的分馏,与水合物饱和度存在一定的相关性。     

硫酸盐-甲烷界面与甲烷通量及下伏水合物赋存的关系

硫酸盐-甲烷界面在富甲烷和含天然气水合物的海洋沉积区已经成为一个重要的生物地球化学识别边界.在硫酸盐-甲烷界面之上,沉积物中的硫酸盐因参与分解有机质和甲烷厌氧氧化反应而被消耗,而界面之下沉积物中的甲烷则不断生成,含量逐渐增加.根据该界面附近硫酸盐浓度和甲烷浓度的变化特征,可以判断该区甲烷流体通量的大小,从而指示下伏天然气水合物的可能赋存状况.南海北部陆坡的柱状沉积物孔隙水数据的分析显示,其硫酸盐-甲烷界面埋深比较浅,表明该海域的甲烷通量较高.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,并暗示着该区下伏海底可能有天然气水合物沉积层赋存.     

硫酸盐-甲烷界面与甲烷通量及下伏天然气水合物赋存的关系

硫酸盐-甲烷界面在富甲烷和含天然气水合物的海洋沉积区已经成为一个重要的生物地球化学识别边界。在硫酸盐-甲烷界面之上,沉积物中的硫酸盐因参与分解有机质和甲烷厌氧氧化反应而被消耗,而其界面之下沉积物中的甲烷则不断生成,含量逐渐增加。根据该界面附近硫酸盐浓度和甲烷浓度的变化特征,可以判断该区甲烷流体通量的大小,从而指示下伏天然气水合物的可能赋存状况。南海北部陆坡的柱状沉积物孔隙水数据的分析显示,硫酸盐-甲烷界面埋深比较浅,表明该海域的甲烷通量较高。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,并暗示着该区下伏海底可能有天然气水合物沉积层赋存。     

天然气水合物赋存区甲烷渗漏活动的地球化学响应特征

综述了天然气水合物赋存区甲烷渗漏活动的地球化学响应指标的研究进展,分析了应用单一指标识别甲烷渗漏活动各自所存在的问题,包括浅表层沉积物孔隙水中CH_4、SO_4~(2–)、Cl~–等离子浓度随深度的变化;浅层沉积物全岩W_(TOC)(W表示质量分数,TOC表示总有机碳)和W_(TS)(TS表示总硫)之间的相关性及比值;自生碳酸盐岩δ~(13)C和δ~(18)O;自生矿物重晶石、黄铁矿、自生石膏的δ~(34)S;有孔虫壳体和生物标志化合物的δ~(13)C等。结果表明孔隙水中的CH_4、SO4_~(2–)浓度及溶解无机碳的碳同位素组成可以用来识别目前正在发生的甲烷渗漏活动;而沉积物中的WTS、自生矿物的δ~(34)S、钡含量及其异常峰值和生物标志化合物的δ~(13)C等指标的联合使用可以更真实准确地反映地质历史时期天然气水合物赋存区的甲烷渗漏活动。因此,在实际研究过程中,可将孔隙水和沉积物两种介质的多种指标相结合。随着非传统稳定同位素(Fe、Ca、Mg等)和沉积物氧化还原敏感元素(Mo、V、U等)等研究的发展,甲烷渗漏活动地球化学响应指标的研究也将得到拓展,而多种地球化学指标的联合使用将为天然气水合物勘探及其形成分解过程识别研究提供重要的科学依据。     

阿拉伯海北部马克兰增生楔G16站位地球化学特征及其对天然气水合物的指示

阿拉伯海马克兰海域是具有天然气水合物勘查潜力的重要区域之一。对该海域G16站位沉积物样品的碎屑矿物、钼、有机碳和顶空气甲烷含量以及孔隙水总碱度和阴阳离子等地球化学特征进行综合分析。结果表明:Mg_(2+)和Ca_(2+)的浓度随深度明显降低,总碱度、Mg_(2+)/Ca_(2+)随深度显著增加;在硫酸盐-甲烷界面(SMI),SO_4(2-))的浓度线性降低至0.31 mmol/L,甲烷含量急剧增加至784μmol/L,黄铁矿含量达到最大值并形成一个Mo峰。研究区硫酸根浓度线性降低和强烈亏损梯度以及Mg_2~+、Ca_(2+)、总碱度和有机碳含量的变化特征,指示研究区存在强烈的甲烷厌氧氧化反应(AOM),并形成浅的SMI(估算深度4.62 mbsf)。孔隙水样品的地球化学异常与沉积物自生黄铁矿和Mo含量存在耦合现象,表明本站位深部沉积物中可能赋存有天然气水合物藏。     

南海北部陆坡珠江口盆地东南海域GMGS2-09井孔隙水地球化学特征及其对天然气水合物的指示意义

沉积物孔隙水地球化学是天然气水合物勘探与研究的重要手段。为了探究珠江口盆地东南海域GMGS2-09钻孔的沉积物孔隙水地球化学特征及其对埋藏的天然气水合物的指示意义,我们在前人的研究和认知基础上,通过测试该钻孔沉积物孔隙水的氯离子含量、氢氧同位素和阳离子组成来识别天然气水合物的赋存层位。结果表明GMGS2-09钻孔在9～17、47以及100m处存在氯离子浓度的负异常耦合氧同位素的正异常,指示相应的天然气水合物赋存,其中9～17m层位指示结果与实际取样情况完全一致。此外,采用基于水合物晶格的排盐机理推导的经验公式计算显示水合物饱和度在浅表层(17m)最高约为50%,中间以及底层约为20%。     

沉积物中水合物含气量测定方法

建立了沉积物中水合物含气量的测定方法;测定了人工松散沉积物中甲烷水合物、南海神狐海域及祁连山冻土区天然气水合物样品的含气量;计算了样品的表观水合指数(水与气体的摩尔比);探讨了水合物含气量的影响因素.测试结果表明,人工甲烷水合物样品表观水合指数与晶体水合指数相近,样品中水合物的浓度大,含气量较高;南海神狐海域及祁连山冻...     

九龙江河口沉积物中硫酸盐还原与甲烷厌氧氧化:同位素地球化学证据

通过沉积物柱孔隙水中甲烷,SO2-4,Cl-,δc(34S-SO2-4)、δc(13 C-CH4)的垂直分布特征,研究了硫酸盐还原和甲烷厌氧氧化(anaerobic oxidation of methane,简称AOM)过程在九龙江河口沉积物中的分布规律.测定结果显示两个站位(J-A和J-E)间隙水中SO2-4浓度随深...     

东海冲绳海槽泥火山发育区甲烷气体来源研究

高沉积速率、构造活动发育和高热流值3个重要地质条件促使了冲绳海槽广泛发育泥火山、气烟囱等烃类流体渗漏构造,前人对该类泥火山及气烟囱的地球物理特征做过较多的研究,但是鲜有研究从地球化学角度揭示渗漏流体来源及形成机制。本研究通过对东海冲绳海槽中部泥火山发育区2个泥火山站位开展海底钻探取样,获取浅表层60 m沉积物并开展孔隙水烃类浓度、甲烷稳定碳、氢同位素研究。通过分析发现,18-01孔孔隙水顶空烃类比值C_1/C_2为960.53～1 120.75,甲烷稳定碳同位素(δ~(13)C_(C H4))为-36.07‰～-56.60‰V-PDB,甲烷稳定氢同位素(δD_(CH4))为-163.94‰～-237.81‰V-SMOW;在18-05孔,孔隙水顶空烃类比值C1/C2为1 064.66～1 546.74,δ13CC H4为-36.10‰～-62.92‰V-PDB,δD_(CH4)为-122.86‰～-282.09‰V-SMOW。系统分析2个站位甲烷气源均为热解成因或以热解成因为主的混合成因。综合分析2个站位泥火山及气烟囱发育的地质背景以及高通量甲烷渗漏的特征认为,深部地层中有机热解成因甲烷流体是通过断层、气烟囱等运移通道,在流体超压的驱动下渗漏、扩散至浅表层地层中,并在海底形成了泥火山以及羽状流等构造。     

南海北部神狐海域沉积物中烃类气体的地球化学特征

烃类气体是形成天然气水合物的物质基础,浅表层沉积物顶空气中烃类气体的异常特征可用来探测深部是否存在天然气水合物藏.对南海北部神狐海域浅表层沉积物以及钻探采获的含或不含天然气水合物的沉积物的顶空气样品中烃类气体组分和同位素组成进行了测试分析,结果表明:291个1 mbsf(bsf,below sea floor)沉积物顶...     

红树林湿地沉积物硫酸盐-甲烷界面分布特征及其影响因素研究

利用孔隙水化学和稳定同位素化学等方法分析珠江口红树林湿地沉积层孔隙水硫酸根(SO_4~(2-))、游离甲烷气体(CH_4)、总溶解无机碳(DIC)以及δ13CDIC的垂直剖面分布特征.结果显示,孔隙水SO_4~(2-)浓度自表至底呈线性梯度减小,至硫酸盐-甲烷界面(SMI)附近,硫酸盐几乎全部消耗,而CH_4浓度急剧增大,KC1、KC3、KC4、K17和K10等5个站位SMI深度分别为20、50、70、80、50 cm,SMI深度由红树林湿地林间向光滩逐渐增大.同时,孔隙水DIC浓度在该深度明显升高,沉积物发生强烈的甲烷厌氧氧化(AOM)作用.在AOM过程中,由于12CH_4氧化速率较13CH_4快,故引起沉积物孔隙水δ13CDIC偏轻.沉积层中的有机质含量及其活性高低是制约沉积物SMI分布深浅的关键因素,高含量的活性有机质可加速孔隙水SO_4~(2-)再矿化过程的消耗,使得通过AOM作用的SO_4~(2-)消耗通量相应增大.在微生物作用下,部分活性有机质被大量消耗,致使进入沉积物SO_4~(2-)还原带的活性有机质数量相应减少,从而引起部分SO_4~(2-)转为与CH_4发生反应促进AOM作用.     

基于声波速度分析神狐海域水合物垂向分布特征

在分析了等效介质理论提出的2种模式的异同点后,结合神狐海域水合物钻井的测井数据与沉积物样品分析数据,基于物理模型的等效介质理论,计算了在不同水合物饱和度条件下的纵波速度,并估算了神狐海域某钻井沉积物孔隙空间中水合物的饱和度,进而分析水合物在沉积物层中的垂向分布特征.研究表明,神狐海域水合物主要分布在190～220 m之...