冷泉环境自生矿物多硫同位素特征及应用

正常海相沉积物中普遍存在有机质硫酸盐还原作用(OSR),但在冷泉区,硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化作用(SR-AOM)则占据主导地位。如何区分这两种硫酸盐还原途径,对研究极端环境下的生物地球化学过程具有重要意义。为进一步概括、了解冷泉区与SR-AOM相关的自生矿物的多硫同位素特征及其建模应用,在广泛调研国内外与SR-AOM相关的多硫同位素研究成果的基础上,综述了SR-AOM成因的黄铁矿和冷泉重晶石的多硫同位素特征。在此基础上,分别针对黄铁矿和冷泉重晶石概括已被广泛应用的稳定状态盒模型和1-D反应转移模型。SR-AOM成因的黄铁矿相比OSR成因的黄铁矿具有更高的δ34S值和Δ33S值。同时,SR-AOM成因的黄铁矿的δ34S值和Δ33S值呈负相关性,不同于OSR的正相关性。此外,冷泉重晶石的负Δ33S-δ’34S相关性与受OSR控制的孔隙水硫酸盐的正相关性亦明显不同。在冷泉环境中,与SR-AOM相关的自生矿物多硫同位素特征能有效示踪该极端条件下硫同位素的演化,且有利于区分SR-AOM和OSR,这为研究极端环境下的生物地球化学过程和示踪潜在的天然气水合物矿藏提供了有效依据。     

南海东北部陆坡结核成因及对冷泉活动的指示

本文对2018年利用“海龙Ⅲ”ROV在南海东北部陆坡采集到的多金属结核样品进行了矿物学和地球化学分析。结果表明研究区结核以棒状为主,具有2层结构。结核外层的矿物学和元素组成特征与水成型多金属结核较为相似。结核内层多发育孔洞,以针铁矿为主,有黄铁矿残余,Fe、As元素含量高,Mn、REE等元素含量低。NH-2结核样品内部的碳酸盐组分的全岩δ¹³C为-30.91‰。所研究结核样品的早期形成过程与冷泉活动密切相关,结核生长后期冷泉活动停止或是减弱,在等深流作用下结核黄铁矿被氧化成针铁矿,之后锰铁氧化物继续在结核外部生长。     

生物标志物及其碳同位素在冷泉区生物地球化学研究中的应用

甲烷通量在很大程度上控制着海底冷泉区生物地球化学过程及生态系统。缺氧甲烷氧化(AOM)作用是消耗CH4的一种重要途径,主要是由甲烷氧化古菌和硫酸盐还原菌共同调节的,其反应机制及碳循环可以利用生物标志物及其碳同位素比值来表征。这两种微生物所产生的特定生物标志物都具有相对负的δ13C值,且硫酸盐还原菌生物标志物的δ13C值要比古菌的略偏正,说明在AOM过程中,甲烷碳从古菌到细菌的传递。甲烷通量决定海底冷泉区微生物群落结构,通量高时以ANME-2古菌群落为主,而OH-AR和BIPH两个生物标志物指标可以指示古菌群落结构变化。所以,利用生物标志物及其δ13C值不仅能够证明AOM作用的存在和反应机制,还可以对冷泉区(尤其是古冷泉区)环境及微生物群落结构进行分析和重建。     

新的痕量同位素示踪剂在全球变化研究中的应用

最近，用高精度多通道电感耦合等离子体质谱仪测定某些过渡金属，如Mo,Fe,Cu,Zn等同位素的组成，表明它们可作为全球变化研究中生物地球化学过程的示踪剂，现有的研究文献表明，Mo的同位素可用于古氧化还原环境研究，初步结果显示，海水中δ^97/95Mo的变化与海洋有氧与缺氧沉积物有直接的关系，可记录缺氧沉积物的来源，以此为基础，可用δ^97/95Mo的收支来估算从陆地进入海洋中Mo的通量和全球Mo同位素的收支；Fe同位素在一定程度上控制着海洋生物生产力的水平，其丰度也对气候变化有影响，但生物与非生物过程都可引起铁同位素的分馏，其δ^56/54Fe的变化都可达1‰，所以Fe同位素不能单独用来界定地质记录的Fe参与的过程是生物还是非生物控制，Cu,Zn的同位素也被用来研究生物地球化学过程的示踪剂，但目前报道不多，综述了这一领域的主要进展，集中阐述了同位素示踪样品的制备、纯化与测定方法，同位素在海洋环境变化研究中的应用，最后提出了这一领域可能的发展方向。     

台湾甲仙地区早上新世冷泉白云岩的地质地球化学特征及沉积环境

白云石成因一直是地学中尚未解决的难题,海底冷泉系统中发育的原生白云石为解决白云石成因问题提供了新途径。台湾甲仙白云仙谷早上新世盐水坑组页岩地层中发育有冷泉白云岩,其流体来源和沉积环境并不清楚。本文通过矿物学和岩石学,结合碳氧同位素、微量和稀土元素地球化学,探索该冷泉白云岩的流体特征和形成环境,为解决白云石成因提供参考。白云仙谷冷泉白云岩以烟囱状或透镜状产出于页岩中,碳酸盐矿物均为泥微晶白云石,含量为61.4%～88.0%。冷泉白云岩的δ13C为-27.08‰～-10.58‰,指示形成白云石的碳源可能是热成因甲烷和海水的混合。Ni/Co均值为12.54,稀土元素配分模式呈中稀土富集、无Ce异常,均表明冷泉白云岩形成于弱还原的沉积环境。在弱还原环境中的冷泉微生物的作用下,促进了HCO3-的增加和SO42-的消耗,可能有利于冷泉白云石的形成。     

自生黄铁矿的微生物成矿机理及对冷泉泄漏的指示意义

自生黄铁矿普遍存在于海洋沉积物中,其矿物学、地球化学及同位素组成均蕴含着丰富的环境信息,也是当前地球科学和微生物学交叉研究的典型矿物之一。以之既可用来恢复沉积、成岩环境的演化变迁,亦可为海洋油气和天然气水合物藏勘探、开发提供可靠依据。综述了海洋环境中自生黄铁矿形成机制、铁-硫同位素的分馏及生物地球化学过程及其在冷泉泄漏系统中的指示作用,并对当前围绕黄铁矿进行研究的几个焦点问题的进展进行了阐述,尤其是与引发广泛关注的天然气水合物动态变化间的关系。主要目的是促使更深入地了解黄铁矿的沉淀、成岩作用及环境指示意义,加强人们对微生物催化因素和冷泉泄漏区自生黄铁矿的关注程度。     

沉积矿物学在陆缘海环境分析中的应用

沉积矿物学是进行环境分析的重要手段之一，对矿物在表生环境下的物理、化学行为的研究是正确理解和获取一些重要的替代性环境指标的基础，它可为认识近代地质过程、地表气候过程和海洋环境过程提供定性和定量依据。20世纪90年代以来，海洋矿物学注重于以沉积矿物为指示，研究气候、物质来源、扩散路径和运移方向以及沉积环境等相关内容，并与地球化学相结合，解释区域性环境变化，乃至全球性环境演变等问题，取得了重要进展。对我国这一领域的研究现状作一综述，提出了5项环境示踪的沉积矿物学指标，即：用矿物组合、重矿物含量、磁铁矿、角闪石、长石等矿物示踪物源和物流；用矿物组合、高岭石、伊利石、方解石等指示古气候；用重矿物含量、石英特征等反映水动力条件；用海绿石、自生黄铁矿、铁锰氧化物等揭示氧化－还原环境；用火山玻璃、玄武闪石、蒙脱石等示踪火山和热液活动。但应用沉积矿物学示踪环境，必须运用多种指标进行综合分析。     

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。     

墨西哥湾布什山冷泉碳酸盐岩沉积岩石学及地球化学

对墨西哥湾布什山采集的7块冷泉碳酸盐岩样品进行了沉积岩石学及地球化学研究,结果表明:冷泉碳酸盐岩以结壳的形式产出,结壳中双壳类和管状蠕虫等冷泉生物碎屑发育,结壳主要由泥晶、微晶和亮晶文石组成(含量89%～99%,平均94%)。碳酸盐岩13C中等亏损(δ13C最负值为-29.4‰,PDB),表明碳的来源主要是非甲烷的碳烃化合物,18O相对富集(δ18O为+2.4‰～+5.0‰,PDB),可能与原地水合物分解形成富集18O的孔隙水有关。碳酸盐矿物相(5%硝酸可溶部分)的稀土元素总量较低(0.40×10-6～20.85×10-6),稀土元素Ce异常特征和页岩标准化配分模式在不同样品、甚至同一样品结晶程度不同的碳酸盐矿物相(泥晶、微晶和亮晶)中变化显著,表明布什山冷泉碳酸盐岩形成过程中氧化还原条件复杂多变,控制氧化环境变化的主要因素可能是流体的渗漏速率。     

冷泉系统研究国际发展态势分析

以Web of Science信息平台的SCIE数据库为数据源,利用文献计量方法,分析国际冷泉系统研究的年度变化、期刊分布、主要研究国家、机构的影响力及合作情况以及国际研究热点领域。研究结果发现:国际冷泉系统研究论文产量一直呈增长趋势;美国论文产出数量最多、合作中心性最强。德国亥姆霍兹国家研究中心联合会发文最多。中国近三年发文比例和第一国家发文比例均排名第一,其中发文最多的机构为中国科学院。微生物甲烷厌氧氧化、冷泉区生物多样性以及冷泉碳酸盐岩的矿物学和地球化学是研究热点。     

深海冷泉古菌厌氧甲烷氧化研究进展

在富含甲烷水合物的海相冷泉沉积物中, 古菌厌氧甲烷氧化作用(anaerobic oxidation of methane, AOM)越来越受到人们的重视。目前普遍认为, AOM是由嗜甲烷古菌和硫酸盐还原菌共同调节的生物地球化学过程。16S rRNA基因分析表明, 包括AEME-1、AEME-2和AEME-3在内的多种甲烷古菌参与了AOM的过程, 它们广泛分布于全球大洋海底缺氧带。AOM过程与全球环境变化密切相关, 从深海底部冷泉区向上渗漏的甲烷气体, 绝大部分在穿透缺氧带沉积层过程中被甲烷氧化古菌所消耗, 有效减少了具有强烈温室效应的甲烷气体向大气的释放。对AOM生物地球化学过程的研究, 在认识冷泉系统碳酸盐的形成机理、控制强温室气体甲烷从海底的渗漏和开发可燃冰新能源等方面具有重要意义。     

香港牡蛎在综合养殖池塘育肥期间不同组织的碳、氮稳定同位素周转

本研究采集了在鱼虾混养池塘育肥的香港牡蛎样品,监测牡蛎体质量、软体组织质量、出肉率,以及闭壳肌、外套膜和鳃的δ¹³C和δ¹⁵N值随育肥时间的变化,计算了牡蛎3种软体组织的代谢率常数m和碳、氮稳定同位素周转时间,为开展综合养殖池塘生态系统的食物网研究提供基础数据。结果显示:经过44d的育肥,虽然牡蛎体质量无显著增加(P>0.05),但软体组织质量和出肉率显著上升(P<0.05)。育肥期间牡蛎外套膜、闭壳肌和鳃的生长与整个软体组织的生长基本同步。牡蛎各组织的δ¹³C和δ¹⁵N值在育肥16d后就显著减小(P<0.05)。比较同一天采集的组织,牡蛎闭壳肌的δ¹³C和δ¹⁵N值都显著大于外套膜和鳃(P<0.05),而外套膜和鳃的δ¹³C和δ¹⁵N值则无显著差异(P>0.05)。闭壳肌和外套膜的代谢周转常数m为0,其碳、氮稳定同位素周转完全由生长决定,因此闭壳肌和外套膜碳、氮稳定同位素的周转时间...     

琼东南盆地冷泉差异发育特征及其深部控制机理

海底冷泉与天然气水合物资源、全球气候变化和极端环境生态系统等重大问题密切相关,具有重要的科学意义。冷泉系统形成演化影响因素众多,其时空分布、活动特征及相关物理、化学和生物作用差异较大。冷泉活动的浅表层响应与深部控制要素的耦合关系、冷泉差异发育的流体动力学过程与控制机理等科学问题有待深入研究。以琼东南盆地为主要研究对象,针对冷泉差异发育特征及其控制机理问题,以流体动力学研究为主线,深浅连通,将浅表层冷泉观测数据与深部地质环境、地层压力等要素相结合,精细刻画冷泉流体从物源层向浅表层运移的渗漏通道特征,建立冷泉浅表层响应与深部要素之间的耦合关系,揭示冷泉差异发育的流体动力学模式,探讨冷泉差异发育的控制机理,以期为冷泉环境水合物勘查与试采、深海物质和能量迁移转化及极端环境的生态系统研究提供理论依据。     

南海西沙海槽的碳酸盐结壳及其对甲烷冷泉活动的指示意义

冷泉碳酸盐岩是指示南海北部可能发育天然气水合物的重要证据之一。对在西沙海槽采集到的冷泉碳酸盐结壳颗粒进行了形貌、稳定同位素等的研究,讨论和揭示了冷泉碳酸盐结壳的形成机理及其与甲烷冷泉活动的关系。结果表明,碳酸盐结壳具有多孔结构,冷泉矿物为文石和重晶石,文石呈针状,含量为39.5%—46.6%,重晶石呈矮柱状,含量为15.6%—21.2%,它们均是从流体中沉淀出来的。重晶石的δ34S值为23.47‰—26.32‰,表明硫同位素发生正漂移,属于与冷泉流体有关的成岩成因重晶石。文石的碳同位素轻度亏损,δ13C值为-13.30‰—-29.59‰,主要来源于热解成因气,但结合了少量正常海水的溶解碳,δ18O值为2.32‰—3.74‰,指示碳酸盐结壳形成时的温度为3.5—9.7℃。研究表明,碳酸盐结壳形成于流体活动缓慢的环境,是深部富含Ba2 的甲烷冷泉流体向上排放和喷溢,在近海底遇到向下渗漏的富含SO42-海水,发生缺氧甲烷氧化反应沉淀出文石,流体中剩余的重34S的SO42-与Ba2 形成重晶石,因此,碳酸盐结壳是西沙海槽存在甲烷冷泉活动的证据。研究结果为进一步开展该海域潜在天然气水合物的调查和研究提供了新证据。     

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。     

甘油二醚膜类脂化合物的生物地球化学研究进展

甘油二醚膜类脂化合物相对其他类脂生物标志物而言,通常具有较特定的微生物来源及环境指示意义,目前国内外还未有相关的综述性报道。综述了该类型化合物的测试方法,古菌和细菌二醚的组成特征,重点评述了如产甲烷菌、甲烷氧化菌、嗜盐菌等古菌,以及硫酸盐还原菌、Aquificales及一些嗜热细菌,在极端环境(如冷泉、热泉、热液系统)研究中甘油二醚膜类脂化合物应用的进展和可能经历的生物地球化学过程。简要介绍了环境对甘油二醚膜类脂分布的影响,并对其及其他类脂生物标志物的应用前景和发展趋势进行了展望。     

南海北部陆坡九龙甲烷礁冷泉碳酸盐岩沉积岩石学特征

本文对南海北部陆坡九龙甲烷礁采集的两个冷泉碳酸盐岩样品TVG-1和TVG-11进行了矿物学、岩石学和碳氧同位素分析研究。X射线衍射分析（XRD）结果表明，自生矿物主要为文石、白云石和高镁方解石等，碎屑矿物含量较少。TVG-11中存在大量的文石，而TVG-1只保留了已转化为方解石的文石假象，据此可以推断TVG-1的形成要早于TVG-11。扫描电镜（SEM）显微结构特征显示，自生矿物主要是通过细菌的厌氧氧化作用，直接从冷泉中沉淀出来的。碳、氧同位素测试结果显示，碳酸盐岩具有强δ^13C亏损和一定程度的δ^18O富集的特征，TVG-1和TVG-11的δ^13C值分别为-46．22％。和-52．88％，均低于-40%，表明碳源于微生物作用的甲烷厌氧氧化，是指示该海域存在冷泉的重要证据；TVG-1和TVG-11的δ^18O值分别为3．19‰和4．07‰，存在一定程度的δ^18O富集。碳氧同位素和矿物的显微结构特征都说明九龙甲烷礁碳酸盐岩是烃类渗漏微生物作用而形成的自生碳酸盐岩，可能是天然气水合物分解引起的沉积，显示该区存在水合物的可能性很大。     

珊瑚脂质是其共生虫黄藻密度降低时的重要能量来源

近年来珊瑚白化现象日益严峻。白化意味着珊瑚共生虫黄藻密度的降低,然而目前关于珊瑚体内的脂质在虫黄藻密度降低时对维持能量供给稳定的意义尚不清楚。本研究以2020年3月和6月在西沙群岛采集的帛琉蜂巢珊瑚(Favia palauensis)和澄黄滨珊瑚(Porites lutea)样品为材料,通过生理参数(虫黄藻密度、脂质含量)与地球化学指标(虫黄藻的稳定氮同位素δ¹⁵N_z值)相结合的方法,探讨了珊瑚脂质对虫黄藻密度及其光合作用强度变化的响应。结果显示,夏季两种珊瑚的虫黄藻密度和δ¹⁵N_z值均显著下降,意味着夏季虫黄藻密度降低导致了其光合作用强度的降低。与此同时,两种珊瑚的脂质含量也显著下降,并且脂质含量与虫黄藻密度、δ¹⁵N_z值之间均呈正相关关系,这说明珊瑚脂质含量与虫黄藻光合作用强度的变化之间存在耦合关系。当光合作用强度降低时,珊瑚可以通过消耗其自身储存的脂质更好地维持能量供给的稳定,这对提高环境胁迫的适应能力以及抗白化能力具有重要意义。     

西北太平洋公海秋刀鱼碳、氮稳定同位素特征研究

秋刀鱼(Cololabis saira)广泛分布于西北太平洋海域,是我国重要的大洋性远洋作业对象之一。为研究秋刀鱼摄食以及营养生态位特征,基于2018年7～11月西北太平洋公海采集的秋刀鱼样本,分析了秋刀鱼肌肉样本的碳、氮稳定同位素特征。结果表明:(1)样本碳稳定同位素(δ¹³C)值范围在-24.60‰～-20.69‰之间,氮稳定同位素(δ¹⁵N)值范围在6.49‰～11.11‰之间,以桡足类作为基线生物,营养级范围在2.44～3.71之间。(2)雌雄样本间δ¹³C值、δ¹⁵N值、营养级均不存在显著性差异(P>0.05);雄性样本核心生态位(SEAc)和总生态位(TA)均高于雌性。(3)广义相加模型(Generalized Additive Model,GAM)显示,δ¹³C值、δ¹⁵N值和营养级值均随体长增加而增大(P<0.05);251～260 mm体长组间的SEAc高于其他体长组;聚类分析结果表明,体长小于280 mm和大于280 mm的...     

象山港潮滩沉积物有机质分布特征及物源影响分析

潮滩是陆海交互影响的重要区域,在陆海物质交换的过程中扮演着重要的角色。象山港位于浙江宁波,是典型的半封闭式港湾,受人类活动影响显著。本文取其重要支港西沪港为研究区,自其潮上带至潮间带采集表层沉积样品,进行总有机碳(Total Organic Carbon,TOC)、总氮(Total Nitrogen,TN)和稳定碳同位素δ¹³C等测试。分析象山港潮滩有机质分布的空间特征,并估算陆源有机质的贡献率的空间差异,探讨了影响象山港潮滩有机质的物源因素。结果显示:(1)潮滩表层沉积物TOC均值为0.86%,δ¹³C均值为-23.58‰。在平均海面附近的样品TOC和δ¹³C均出现异常值,其中TOC约2.3%,而δ¹³C约-26.44‰,指示有大量陆源有机质在平均海面附近累积。(2)δ¹³C总体上随高程下降而下降,潮上带平均值为-22.40‰,潮间带平均值为-23.33‰。(3)有机质累积受植被、养殖、污水排放等影响。潮上带和高潮滩表层沉积物受潮滩植被影响显著;平均海面附近样品的δ¹³C与生活污水和沿岸围塘养殖的δ¹³C接近,说明象山港潮动力较弱,沿岸人类活动产生的有机质容易在平均海面附近大量累积。