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。     

南海东北部硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化界面——海底强烈甲烷渗溢的记录

南海东北部沉积物顶空气甲烷含量较高,海底存在明显的甲烷渗溢现象。该海域6个沉积物岩心的孔隙水硫酸盐浓度和顶空气甲烷含量随深度变化而变化,出现明显的硫酸盐-甲烷互相消耗区域,硫酸盐和甲烷浓度均急剧下降。HD109、HD170、HD196A、HD200、HD319和GC10等6个岩心的硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化界面(SMI)分别位于704、911、728、636、888、792cm处,完全落入全球水合物区富甲烷环境的SMI深度范围之内。强烈的甲烷渗溢过程使得硫酸盐-甲烷互相消耗作用加剧,并形成浅的SMI。浅的SMI显示了东北部存在强烈的甲烷渗溢活动以及强烈的甲烷厌氧氧化作用,具有天然气水合物成藏的典型特征。     

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。     

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。     

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。     

南海北部神狐东南海域沉积物孔隙水地球化学特征及其对天然气水合物的指示

SH-CL13、SH-CL16与SH-CL17站位位于南海北部神狐东南海域BSR发育区内。地球化学分析结果显示,SH-CL16与SH-CL17柱状样孔隙水中的氯离子(Cl~-)浓度及氢同位素(δD)值分别随深度明显降低和升高,指示下伏沉积物可能发育水合物。3个站位的浅表层沉积物甲烷通量很低,甲烷通量的大小控制了SMI的深浅和硫酸盐通量。孔隙水SO_4~(2-)浓度变化趋势及δ~(13)C_(DIC)值表明,在浅表层沉积物中硫酸盐消耗均由有机质硫酸盐还原作用(OSR)所控制,甲烷缺氧氧化作用(AOM)发生在较深的层位。综合地球化学和地球物理研究成果,3个站位位于水合物有利发育区内,由此推测神狐东南海域可能发育扩散型水合物,具有良好的水合物勘探前景。     

南海神狐天然气水合物系统沉积物中自生黄铁矿的特征研究

南海神狐海域是中国最重要的天然气水合物调查研究区之一，为了解水合物存在对沉积物地球化学环境的影响，对采自神狐海域W19B井位的沉积物样品进行了矿物学和地球化学研究。X射线衍射分析和主量元素结果显示部分层位有异常高含量的硫化物（主要为黄铁矿）。扫描电镜结果表明随着样品深度的增加，黄铁矿的晶面、晶棱更加明显，且集合体形态呈现聚莓→单莓→细粒的变化趋势，扫描电镜还观察到草莓状黄铁矿向细粒自形黄铁矿转化的中间产物。在53.0 mbsf（meters below seafloor）和140.4 mbsf层位均发现异常高含量的黄铁矿。其中140.4 mbsf层位黄铁矿充填有孔虫壳体的现象普遍，并伴有大量柱状黄铁矿产出，可能与有机质和甲烷厌氧氧化相关，但主导作用应为甲烷厌氧氧化，该层位可能位于古硫酸根-甲烷界面（sulfate-methane interface，SMI）附近。根据所得结果，推测地质历史时期中甲烷异常渗漏事件的发生，致使向上的甲烷通量增加，推动SMI上移，导致53.0 mbsf和140.4 mbsf界面处因甲烷厌氧氧化而形成大量黄铁矿。多个黄铁矿富集层的存在可能表示沉积史中曾发生多期次的深部流体渗漏或者天然气水合物的分解活动。     

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...     

南海北部柱状沉积物中黄铁矿的分布特征和形貌研究

对南海北部陆坡柱状沉积物样品总有机碳、总硫含量,以及其中的自生黄铁矿形貌、含量进行分析．结果显示,沉积物中黄铁矿（FeS2）、总有机碳（TOC）、总硫（TS）的质量分数分别为0～0,71％、0．37％～1．18％、0．04％～0．81％;黄铁矿和总有机碳、总硫的含量随深度加深逐渐增大,达到峰值后不断减少,三者的分布趋势基本一致;扫描电镜下观察到黄铁矿主要以莓球状集合体和八面体微晶形貌产出,局部层位亦发现管状、生物内膜状和立方体状黄铁矿晶体．表明该区浅表层环境为缺氧环境,硫化物主要以黄铁矿形式产出,其成因与有机质的厌氧氧化作用有关,而甲烷的厌氧氧化作用也可能促使自生黄铁矿的加速形成．莓球状黄铁矿占主导亦指示一种强还原性的缺氧微环境．黄铁矿富集的缺氧环境与下伏地层中天然气水合物分解释放的甲烷有关,为天然气水合物在该区的勘探提供一定的科荤依据．     

南海北部陆坡沉积物硫酸盐-甲烷反应界面深度的空间变化及其对甲烷水合物赋存状态差异性的指示意义

海洋沉积物中的硫酸盐-甲烷反应界面（SMI）的深度变化能够指示下伏甲烷水合物的赋存状态。本文通过对南海北部陆坡天然气水合物潜在分布区沉积物间隙水化学和自生碳酸盐氧、碳同位素组成资料系统分析和对比,探讨了南海北部陆坡沉积物的SMI深度空间变化对下伏甲烷水合物的赋存状态的指示意义。结果表明,南海北部陆坡沉积物的SMI的深度呈现出从西南-东北变浅的趋势,这一趋势与自生碳酸盐的碳同位素组成揭示的甲烷释放量增大趋势有很好的对应关系,进而表明在南海北部陆坡从西南-东北甲烷水合物的埋藏深度变浅或者甲烷水合物的分解程度增大。     

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.     

南海琼东南海域沉积物的微量元素地球化学特征及其对天然气水合物的指示意义

天然气水合物已成为重要的战略资源。为探讨天然气水合物富集区的微量元素特征及其指示意义,对琼东南海域沉积物进行系统采样,分析了样品主、微量元素和TOC地球化学特征,并采用氧化还原状态以及氧化还原敏感元素与TOC相关关系的分析方法进行探讨。结果显示:沉积物相较于上地壳更为富集Sr、Pb、Th、U、Zn、Cu和Mo元素,Th/U和V/Sc比值在纵向上呈系统的变化,表层沉积物处于还原的沉积状态,大量富集Mo和U。初步推断研究区部分沉积物可能处于硫化带,使其出现氧化还原敏感元素(Mo和U)的富集,这些特征或由下部天然气水合物分解释放大量的甲烷所导致。表层沉积物孔隙水中出现的硫化带以及Mo和U元素异常,可作为新的地球化学指标以识别下部可能存在的天然气水合物资源。     

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。     

海洋浅表层沉积物和孔隙水的天然气水合物地球化学异常识别标志

天然气水合物是一种赋存在低温,高压条件下海底沉积物中的规模巨大的新型能源,研究表明,地球化学是识别海底天然气水合物赋存的一种有效方法。国际上通过分析由大洋钻探采上来的柱状沉积物和孔隙水的地球化学异常,已建立了一套较为成熟的地球化学识别方法。但是,在没有钻井岩心的情况下,如何通过浅表层（＜20m）沉积物和孔隙水及底层海水的地球化学分析来识别海底可能存在的天然气水合物,是国际国内天然气水合物勘查中面临的一道难题,通过对国际上已有数据和资料的全面总结,尝试提出了一系列在海底浅层条件下识别天然气水合物赋存的地球异常标志,包括底层海水的烃类气体及其同位素组成异常,沉积物有机碳和水的含量异常,沉积物中孔隙水的元素和同位素组成异常,沉积物中气体含量异常及沉积物中自生碳酸盐矿物的化学和同位素组成异常等。这些标志的建立将有助于在我国海域开展天然气水合物的勘查工作。     

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。     

沉积物孔隙水地球化学异常:天然气水合物存在的指标

沉积物孔隙水氯度、氧同位素和硫酸盐浓度梯度是指示天然气水合物存在的指标之一，成功的实例 表明：孔隙水氯度明显降低，而δ^18OSMOW向深部升高，线性的，陡的硫酸盐梯度和浅的硫酸盐－甲烷界面（SMI），都是天然气水合物可能存在的标志。     

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...     

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%。     

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.