温度对甲烷渗漏背景下自生矿物形成影响的实验

<正>海底冷泉是指来自海底沉积地层的气体以喷涌或渗漏的方式注入海洋中的一种海洋地质现象[1]。冷泉沉积物一般由碳酸盐和硫化物组成,这些自生矿物一方面将渗漏甲烷和海水中的硫转化并固定在海底沉积物中,显著地调控着全球甲烷收支平衡;另一方面,几乎所有的天然气水合物产地均发现有自生碳酸盐和硫化物的存在。因此,自生碳酸盐和硫化物对下伏天然气水合物具有指示作用,是天然气水合物赋存的地球化学找矿标志和含甲烷冷泉流体渗漏的地球化学标志[2]。自生碳酸盐和硫化物的形成与甲烷     

南海北部神狐海区冷泉碳酸盐岩的地球化学特征

冷泉碳酸盐岩作为海底渗漏体系的重要标志,分布在世界范围内的主动和被动大陆边缘.大量研究表明,在冷泉碳酸盐岩发育区近海底往往赋存有天然气水合物.     

南海东沙西南海域冷泉碳酸盐岩特征及其意义

海底冷泉流体或自生碳酸盐沉积可为碳氢化合物(主要指常规油气或天然气水合物)、冷泉生物群落的调查和研究提供有利线索。对东沙群岛海区、神狐海区和ODP184-1146钻孔碳酸盐沉积的特征进行了对比和研究,结果表明这些海区碳酸盐岩的岩性特征、碳氧同位素组成等存在明显差异。东沙群岛海区和神狐海区的碳酸盐岩的化学成分如TFe、A l2O3、TiO2、K2O、Na2O、MnO、P2O5等不同,表明它们可能分别受到了粘土矿物和铁锰氧化物影响。在神狐海区至少发生了一次冷泉流体活动,形成了早晚两期冷泉碳酸盐岩,而在东沙群岛海区发生了至少3次冷泉流体活动,形成了多期冷泉碳酸盐岩,反映了这两个海区碳酸盐沉积的甲烷成因不同,且形成环境也受不同的因素控制。研究揭示,在东沙群岛南部海区可能发育热成因甲烷汇聚的天然气水合物,其海底可能存在冷泉生物群落,这为东沙西南海域天然气水合物和冷泉生物群落的进一步寻找和研究提供了新思路。     

地质历史时期天然气水合物分解释放的地质地球化学证据

巨量天然气水合物广泛赋存于大陆坡海底和高纬度永久冻土带沉积物中,是重要的环境影响因素。有些地质历史时期发生的重大地质灾变可能是由天然气水合物分解释放甲烷引起的。持续时间短暂且显著的全球性海相和陆相碳同位素的负漂移、甲烷起源的极负碳酸盐岩碳同位素值(特别是δ¹³C<-40‰)、碳酸盐岩溶解、指示甲烷浓度异常的生物标志化合物、生物成因重晶石富集、类似冷泉碳酸盐岩发育的特殊沉积组构、海底垮塌及碳酸盐结晶扇(如文石)等是支持天然气水合物分解“假说”的主要证据。但这些证据还存在一定的局限性,该“假说”仍然存在较大的争论,因此需要进一步深入研究。     

西藏岗巴地区晚白垩世冷泉碳酸盐岩地球化学特征及其对流体来源及沉积环境的示踪

冷泉碳酸盐岩是海底冷泉流体活动的重要标志,其地球化学特征记录了过去流体活动的信息。西藏岗巴地区晚白垩世沉积地层中发育有冷泉碳酸盐岩,为了探究其形成的流体来源及沉积环境,开展了野外观察、岩石学、矿物学、地球化学研究。该区岗巴剖面冷泉碳酸盐岩以结核状产于灰黑色页岩中,碳酸盐矿物主要为泥微晶方解石,含少量草莓状黄铁矿,δ13CV-PDB为-17.0‰~-7.2‰,表明碳源可能与甲烷渗漏冷泉活动有关。稀土元素分布模式呈中稀土富集特征,经La校正后显示无Ce异常,指示了冷泉碳酸盐岩形成于弱缺氧的沉积环境中。西藏岗巴地区碳酸盐岩结核的发现及其地质地球化学特征是该地区晚白垩世冷泉甲烷渗漏活动发育的有力证据,对古冷泉流体来源及沉积环境特征的探讨将为恢复古冷泉活动提供重要线索。     

海底天然气渗漏系统演化特征及对形成水合物的影响

通过天然气沉淀水合物的动力学模拟计算,研究了墨西哥湾GC185区BushHill海底天然气渗漏系统的演化特征及对水合物沉淀的影响。渗漏早期,天然气渗漏速度大(q>18.4kg/m2-a),海底沉积以泥火山为主,渗漏天然气具有与气源天然气几乎一致的组成,形成的水合物具有最重的天然气成分。渗漏晚期,天然气渗漏速度很慢(q<0.55kg/m2-a),在海底附近没有水合物沉淀,主要以冷泉碳酸盐岩发育为主,水合物产于海底之下一定深度的沉积层中。介于二者间的渗漏中期(q:0.55～18.4kg/m2-a),海底发育水合物、自养生物群为特征,渗漏速度控制了水合物和渗漏天然气的组成及沉淀水合物的天然气比例。BushHill渗漏系统近10年的深潜重复采样显示,渗漏天然气和水合物天然气的化学组成在时空上是多变的,相对应的渗漏速度在时间上的变化约为3倍,在空间上的变化近2个数量级。     

海底天然气渗漏系统微生物作用及冷泉碳酸盐岩的特征

海底天然气渗漏系统是全球海洋环境中广泛分布的自然现象。部分渗漏天然气通过细菌作用转变为二氧化碳,同时海水硫酸盐被还原为硫化氢, 与孔隙水中的钙和铁结合而沉淀冷泉碳酸盐岩。冷泉碳酸盐岩的常见矿物有微晶方解石、文石、白云石和黄铁矿。冷泉碳酸盐岩常发育一些特殊的组构, 如黄铁矿环带结核、溶蚀面、平底晶洞、凝块和向下生长的叠层石组构等。碳酸盐岩特别负的δ13C值指示碳来源于生物成因的甲烷, 而18O富集可能与天然气水合物的分解有关。冷泉碳酸盐岩中黄铁矿的δ34S值低于海水的, 这指示硫来源于微生物还原的海水硫。冷泉碳酸盐岩中的生物标志化合物及其极负的δ13C值指示微生物的生命代谢活动。     

冷泉流体沉积碳酸盐岩的地质地球化学特征

冷泉流体是指来自海底沉积界面之下的低温流体以喷涌和渗漏方式注入盆地, 并产生系列的物理和化学及生物作用, 这种作用及产物称为冷泉?它是继洋中脊以盆下源中高温流体的热泉被发现和研究之后的又一个新的盆地流体沉积领域?日前研究较多的是以水? 碳氢化合物 (天然气和石油) ? 硫化氢? 细粒沉积物为主要成分, 温度与海水相近的流体, 广泛发育于活动和被动大陆边缘斜坡海底?冷泉流体沉积体系发育高密度的化学自养生物群, 以碳酸盐岩和天然气水合物为主, 有少量的硫化物和硫酸盐等?冷泉碳酸盐岩的产状有丘? 结核? 硬底? 烟囱? 胶结物和小脉等, 以化学自养生物碎屑和多期次的自生碳酸盐胶结物组成的生物丘最为常见, 它在物质来源? 形成环境? 形成作用等方面与传统来源于海水碳的碳酸盐岩建隆不同, 用术语 C h e r m o h e r m 表示, 以区别于传统海水碳酸盐岩建隆术语b i o h e r m s ? l i t h o h e r m s ? p s e u d o b i o h e r m s 和 b i o s t r o m e s ?地层中石化的化学自养生物丘常是含有大量底栖生物化石的碳酸盐岩建隆产于深水相沉积地层中, 在沉积环境和相分析上出现纵向和横向的不连续, 甚至出现反常现象?矿物以镁方解石? 白云石和文石为主, 与传统的碳酸盐岩相似, 在地球化学组成上最大的区别是冷泉流体沉积碳酸盐岩的碳来源于冷泉体系中的细菌生物成因碳, 具有特别负的碳同位素值?冷泉在海底主要沿构造带和高渗透地层呈线性群, 或围绕泥火山或盐底劈顶部呈圆形或不规则状冷泉群分布,或以海底地形低凹处和峡谷转向处呈孤立冷泉形式产出?冷泉流体以沉积建造流体为主?上覆快速堆积? 成岩压实和胶结作用? 构造挤压和变形作用? 深部的后生作用和成岩作用? 海底沉积物中的天然气水合物分解作用是建造流体向上运移进入海底成为冷泉的驱动力?冷泉碳酸盐岩的沉积作用主要有胶结作用? 充填作用和生物化学沉积作用?冷泉流体中的碳主要是以甲烷为主的碳氢化合物形式存在, 经微生物作用转变为 C O₂ ,最终形成冷泉碳酸盐岩?     

海底冷泉渗漏流体的总S和总Ca浓度变化及影响因素

通过对卡斯卡迪亚水合物脊和墨西哥湾布什山冷泉渗漏流体的原位测定总S和总Ca浓度分析,发现渗漏流体的总S和总Ca浓度约为海水浓度的50%~70%,讨论了冷泉流体活动特征以及流体的总S和总Ca浓度的控制因素。在这两个冷泉渗漏区海底渗漏流体的总S和总Ca浓度随时间变化的趋势比较一致,均是发生在流体渗漏流量速率高频变化周期。流体的总S和总Ca浓度的降低,可能主要受冷泉区海底广泛存在的甲烷缺氧氧化作用控制,同时也可能受到水合物分解、粘土矿物的去水反应和油气藏破坏产生的纯水的稀释作用的影响。     

黔东北地区南华系大塘坡组冷泉碳酸盐岩及其意义

黔东北及毗邻地区新元古界南华系下统铁丝坳组冰碛层(相当于Sturtian冰期) 之上, 大塘坡组的底部分布一套黑色岩系.在一系列同期形成的断陷盆地近中心区域, 黑色岩系下部主要由菱锰矿、白云岩等碳酸盐岩组成.通过对该地区出露的这套碳酸盐岩的野外地质构造、矿物成分、碳、氧、硫稳定同位素特征的研究, 发现除碳稳定同位素表现出强烈的负偏移外, 硫同位素值表现出明显的正偏移, 还发现了大量气孔状构造和泥火山、底辟等典型构造.其特征与现代海底天然气水合物的渗漏、释放和环境突变所形成的冷泉碳酸盐岩机理一致, 进而认为这套碳酸盐岩成因是新元古界古海洋的海底天然气水合物渗漏所形成的冷泉碳酸盐岩沉积.该成果拓展了海底天然气水合物研究领域和时空范围, 对其所导致的成岩成矿作用、环境评价的分析研究提供了新思路.      

冷泉自生碳酸盐岩的沉积结构对冷泉活动示踪的初步研究

<正>冷泉是一种富烃类(主要为甲烷)的低温流体,至今仍活跃在世界范围内大陆边缘陆架区和陆坡区的海底[1]。冷泉持续地将沉积物深部的甲烷带至浅部,在合适的低温高压条件下,甲烷与周边的水一同形成天然气水合物[2]。一方面,天然气水合物具有相当可观的能源前景[3],由此冷泉也受到越来越多的关注;另一方面,到达沉积物浅部的甲烷也会在产甲烷菌和硫酸盐还原菌的共同作用下,与下渗海水带来的硫酸盐进行甲烷厌氧氧化反应(AOM),将甲烷和硫酸盐转化为重碳酸根和硫化氢[4]。大量释放的重碳酸根为     

南海北部冷泉碳酸盐岩和石化微生物细菌及地质意义

通过对2002年广州海洋地质调查局在南海北部海域拖网采集的碳酸盐岩样品进行岩石、矿物、微量元素和同位素特征的研究,证实在南海水合物远景区发育有冷泉碳酸盐岩。冷泉碳酸盐岩形态类似于烟囱,主要由方解石、伊利石、石英、黄铁矿和一种未知的矿物组成。保存了很可能是石化的甲烷氧化和硫酸盐还原细菌。碳酸盐岩矿物的δ^13CPDB为-51.24‰～-51．757‰。碳酸盐岩矿物的页岩标准化稀土元素配分模式具无Ce和Eu异常、微弱的轻稀土亏损和中稀土富集特征,表明形成于还原的缺氧环境,显示了冷泉碳酸盐岩的特征,指示在南海北部水合物远景分布区内冷泉活动的近海底可能发育有水合物。     

海底冷泉在旁扫声纳图像上的识别

海底冷泉是指来自海底沉积地层(或更深)的气体以喷涌或渗漏的方式注入海洋中的一种海洋地质现象,它普遍发育于主动大陆边缘和被动大陆边缘。海底冷泉研究在天然气水合物、全球气候变化、极端生物群落等研究方面都具有重要意义。利用实测的海上资料,通过分析水体声学剖面上的冷泉气柱、旁扫声纳图像上的亮斑异常以及柱状沉积物样品中天然气水合物等的对应关系,指出旁扫声纳图像上出现的亮斑异常是海底冷泉喷逸的指示。海底冷泉逸出的大量气泡遮蔽海底,从而形成一个强波阻抗界面,这个强波阻抗界面在旁扫声纳图像上形成亮斑异常。通过亮斑异常,可以判定海底冷泉的存在。旁扫声纳可以成为海底冷泉探测的有力方法。     

羌塘盆地双湖地区曲色组冷泉碳酸盐岩及其地质意义

羌塘盆地南部双湖地区曲色组地层发育大量碳酸盐岩结核,这些结核多呈丘状、椭球状、透镜状、似层状、脉状、树枝状产出。其物质组分主要为泥微晶碳酸盐矿物,少量粘土矿物、石英及草莓状、半自形黄铁矿等。草莓状黄铁矿平均粒径在5.0μm左右,内部可见葵花状构造。发育凝块状、气孔状和渗漏孔等特殊构造。产双壳类、菊石类、蠕虫状或树枝状生物及超微生物化石,生物密度极高。碳同位素明显负偏,硫同位素则明显正偏,其特征与现代海底天然气水合物的渗漏、释放所形成的冷泉碳酸盐岩机理一致,因而推测为古代海底天然气渗漏喷发形成。大量海底天然气泉口的存在,可能表明羌塘盆地双湖地区早侏罗世大洋缺氧事件与海底天然气水合物喷发存在极大关联。     

南海北部烟囱状碳酸盐岩记录的冷泉流体活动演化特征研究

冷泉碳酸盐岩是冷泉渗漏活动的重要产物之一,它记录了冷泉流体的来源、其活动演化特征和沉积环境等。通过对南海北部东沙海域Site3站位采集的三个烟囱状冷泉碳酸盐岩的矿物成分、碳氧同位素及碳酸盐岩中黄铁矿硫同位素的研究,确定了冷泉渗漏可能的流体来源,结合烟囱状碳酸盐岩独特的形貌特征,探讨了研究区冷泉流体的活动演化特征。烟囱A为环状,外环直径16 cm,中央流体通道直径5 cm;烟囱B呈底部直径8 cm的实心锥形;烟囱C也为环状,外环直径20 cm,中央流体通道直径12 cm。三个烟囱都具有较负的碳同位素组成(δ~(13)CVPDB值低至–55.7‰)和较正的氧同位素组成(δ~(18)OVPDB值高达5.4‰)特征。研究认为,甲烷是该海域冷泉渗漏流体的主要烃类来源,其中沉淀烟囱C的冷泉流体中很可能存在水合物分解释放流体的加入。三个烟囱状碳酸盐岩的外层相比于内层,普遍具有δ~(13)C值高、δ~(18)O值低、δ~(34)S值高的特征,认为这是由于烟囱状碳酸盐岩从外至内形成过程中沉积空间逐渐受到限制导致流体渗漏强度增强而造成的。综上所述,烟囱状冷泉碳酸盐岩因其独特的形态结构,是冷泉流体渗漏特征在时间和空间上变化的优良记录者。     

南海东北部天然气水合物成藏演化地质过程

南海东北部天然气水合物赋存类型多样,包括块状、瘤状、薄层状、脉状及分散状等五种形式,独自出现或相互共生成藏,并伴生碳酸盐岩,且分布在水深600~900m、海底及其以下的200m地层之内。其中前四种水合物常形成于浅断裂隙、沉积物层间薄弱带、海底表面等局部地区,粒径大于正常沉积物孔隙,水合物肉眼可见,故又称可视水合物;分散状水合物充填于微米—纳米级孔隙的沉积物中,肉眼难以分辨,故这类水合物为非可视水合物。据钻井揭示,以海底之下90m处地层为界,研究区发育上、下两套水合物矿层,上部水合物矿层以可视水合物为主,下部水合物矿层为非可视水合物。其中上部水合物矿层发育上、下两个水合物层段,在各水合物层段的顶部均发育自生碳酸盐岩,反映为地史时期与水合物藏演化相伴生的古冷泉。综合分析认为,天然气水合物赋存形式及水合物藏演化受控于多种因素作用,包括岩性、粒度、岩相(古河道、扇体)等沉积作用,新构造活动及断层作用,流体及气体运移,以及影响水合物结晶成核生长的热流、盐度、时间等。其中可视水合物主要受构造因素控制,多为活跃流体携带气体以渗漏形式局部聚集形成;而分散状水合物则多受沉积因素影响,气体以扩散形式运移至适宜温压域的沉积层内形成水合物。上新世以来的地质事件是水合物形成分解的诱发因素,冰期、间冰期变化与水合物形成分解有一定耦合关系。水合物形成时代应早于上覆的自生碳酸盐岩,晚于其赋存的母岩沉积层,研究区上部水合物矿层的上段形成于晚更新世,下段形成于中更新中期—晚更新世,下部水合物矿层形成中更新世早期—中更新世中期;水合物矿藏共经历了3次水合物藏发育期和2次水合物藏破坏期。伴随水合物演化,发育两期自生碳酸盐岩,海底自生碳酸盐岩形成于更新世末期,上部水合物矿层之下段的顶部碳酸盐岩形成于中更新世早期。多层水合物构成的复式水合物矿藏系统,是扩散、渗漏驱动的二元成藏动力学过程综合作用的结果。     

秭归地区震旦系陡山沱组碳酸盐岩结核成因新认识及其地质意义

扬子克拉通秭归地区震旦系陡山沱组第四段黑色泥页岩中广泛发育具明显δ13C负异常的碳酸盐岩结核,其是否与古甲烷天然气水合物渗漏有关值得深入研究.对该碳酸盐岩结核开展的沉积结构构造、岩相学和地球化学研究表明,碳酸盐岩结核具典型韵律环带结构,普遍发育有亮晶球体结构、草莓状黄铁矿,以及与渗漏系统有关的凝块组构,δ13C具明显负异常(-5.65‰~-6.76‰),U、Mo元素强烈富集(U_EF=8~26,Mo_EF=99~320),Y/Ho比值为31.05~37.31,稀土配分型式为平缓左倾,主微量元素K、Sc、V、Cr、Co、Ni、Rb、Sr、Ba、Th、U和Mo等总体显示为缺氧-硫化环境,与冷泉碳酸盐岩的形成环境和特征一致.碳酸盐岩结核环带SiO₂、MgO、CaO、CO₂等地球化学元素含量呈阶段性连续增减变化,显示碳酸盐岩结核形成经历了初始形成、成岩-交代、成岩后改造3个连续演化阶段.据此,提出碳酸盐岩结核是新元古代末噶斯奇厄斯冰期(582~551 Ma)结束温度回暖,黑色泥页岩中低温封存固态天然气水合物发生分解释放和成岩-交代形成的冷泉碳酸盐岩结核,也是古天然气水合物存在的重要地质记录和标志,这一新认识为华南扬子克拉通在震旦系和下古生界沉积盖层中寻找页岩气(甲烷天然气)储集层位提供了重要地质依据.      

南海甲烷渗漏研究进展及其对我国南海科学钻探选址的启示

天然气水合物是极具潜力的能源资源，具有重要的战略价值，加强对天然气水合物的勘探已成为各国共识。天然气水合物只有在低温高压的条件下才能稳定存在，外部环境的变化极容易导致水合物的分解，从而引发海底甲烷渗漏。因此，研究海底甲烷渗漏事件对于天然气水合物勘探具有重要的理论和实践意义。南海作为西太平洋最大的边缘海，资源丰富，战略地位突出，是研究天然气水合物的天然实验室。甲烷渗漏活动过程的演化，以及甲烷渗漏自生矿物的成因及其与甲烷活动的关系等作为新兴的事件沉积学课题，在部分研究方向上已取得突出进展。本文总结了近年来南海沉积物甲烷渗漏事件研究取得的基本认识，主要包括：① 甲烷气体的成因和来源；② 地质学、地球化学和地球物理学等多学科、多指标识别体系；③ 甲烷渗漏通量的时间变化特征及其潜在驱动力，并指出了目前研究的亮点及局限。根据目前的研究进展，笔者提出了未来具有潜力的研究手段和可能的发展方向，同时建议将南海琼东南盆地海马冷泉区作为我国大洋钻探船未来在南海的钻探目标区。     

海底可视技术在天然气水合物勘查中的应用

海底可视技术是一种可以直观地对海底地形地貌、表层沉积物类型、生物群落等进行实时观察的调查手段。本文介绍了海底摄像、电视抓斗、深拖系统和ROV四种海底可视技术，并对海底可视技术在南海北部陆坡天然气水合物勘查中的应用进行阐述。利用海底可视技术，在南海北部陆坡发现了天然气水合物气体“冷泉”喷溢形成的自生碳酸盐岩和活动于天然气水合物冷喷溢口或渗流口周围的菌席、双壳类、管状蠕虫等化能自养生物群，圈定出该陆坡由天然气水合物气体“冷泉”喷溢形成的巨型碳酸盐岩面积达430km^2。     

海底沉积物孔隙水钡循环对天然气渗漏的指示

冷泉流体的渗漏活动强烈地影响着海底沉积物孔隙水钡循环。冷泉流体中的Ba2+ 向上扩散与孔隙水硫酸盐反应,在硫酸盐—碳氢化合物转化带（SHT）之上沉淀重晶石。随着沉积物的埋藏,先前沉淀的重晶石被埋藏于SHT之下的硫酸盐亏损带,将发生溶解,溶解的钡向上扩散,在SHT之上再次沉淀重晶石。当体系中向上扩散的Ba2+超过埋藏的重晶石中的钡时,在剖面上形成“钡锋”。向上渗漏的碳氢化合物（甲烷为主）通量控制了SHT的深度,二者之间存在很好的地球化学耦合关系,从而,可以用“钡锋”来评价天然气渗漏活动的特征。在总结和分析国际海底冷泉渗漏活动区沉积物孔隙水的甲烷和钡循环的研究进展基础上,综述了海底沉积物孔隙水钡循环对现在和过去天然气渗漏的指示,总结了渗漏成因重晶石的地质和地球化学特征。