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。     

海底甲烷冷泉特征与冷泉生态系统的群落结构

海底冷泉及冷泉生态系统是现代海洋地质学和生物学研究的前沿领域,它提升了人类对深海资源的认识和利用,拓展了深海极端环境下生命的潜在界线。综述了海底甲烷冷泉的成因、冷泉喷发的类型及其特征,海底冷泉分布、形成的主要阶段(150—100Ma BP,42—28Ma BP和12Ma BP以来)以及指示海底冷泉系统的简要特征;综述了冷泉化能自养生态系统及其食物链构成和特征,专性种、潜在专性种和非专性种的生物组成及其特征,冷泉环境中有孔虫和轻小型底栖动物的主要变化;最后划分了我国近海的冷泉区(点)并简要介绍它们的分布和特征,为开展我国近海冷泉及其冷泉生物群落的调查和研究提供了基础资料。     

海底热液喷口区类脂物生物标志化合物研究进展

类脂物生物标志化合物(简称类脂物生标)记录了原始生物母质的分子组成信息,是研究极微生物群落、探索生命起源与演化的重要载体。综述了海底热液喷口区类脂物生标的主要研究进展,重点探讨烷烃、脂肪酸、醚类生标的应用及科学意义。类脂物生标研究表明,海底热液喷口区具有独特而又丰富的生物群落,喷口区动物群落与其他深海环境相似物种在饮食结构上有明显差别,它们主要捕食化能自养细菌或古细菌,且不同物种所捕食的微生物种类也具有选择性。为应对喷口区的极端物化环境,热液细菌和古菌形成了独特细胞分子组构。类脂物生标及单体同位素组成显示,喷口区存在嗜热型氨氧化和甲烷缺氧氧化古菌活动,在热液流体富H2的情况下硫酸盐还原菌与产甲烷古菌能够共存,碳限制条件下能产生富13C (-11.8‰~+3.6‰PDB)的类脂物生标。类脂物生标对于揭示热液微生物种群与营养关系、指示热液环境条件、反映热液区甲烷代谢作用以及探索生命起源与进化过程具有重要的研究意义,今后还需加强其应用范围及相关指示性机理等方面的研究。     

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。     

南海东沙东北部甲烷缺氧氧化作用的生物标志化合物及其碳同位素组成

南海东沙东北部碳酸盐岩和泥质沉积物中的生物标志化合物组合及其碳同位素组成分析表明,研究区内甲烷缺氧氧化作用(anaerobic oxidation of methane-AOM)发育.研究区内碳酸盐岩中含丰富的AOM标志化合物,2,6,11,15-四甲基十六烷(Crocetane-Cr.)、2,6,10,15,19-五甲基番茄烷(Pentamethylicosane-PMI)和2,6,10,15,19,23-六甲基二十四烷(Squalane-Sq角鲨烷)的13C亏损强烈(δ13C值介于-74.2‰~-119.0‰PDB之间),表明碳酸盐岩形成于AOM,同时反映该研究区曾发生过强烈、持续的富CH₄流体释放活动.柱状泥质沉积物中,AOM生物标志化合物在硫酸岩-甲烷过渡带(SMI-Sulfate-Methane Interface)边界附近相对丰度高,SMI之上样品中含量低,或未检出,表明现代环境在SMI附近有大量嗜甲烷微生物生长,使得深部上升的甲烷被大量消耗,很少有甲烷逸出海底.AOM生物标志化合物可用来指示SMI边界.不同站位、不同岩性AOM生物标志化合物组成(包括碳同位素组成)的差异反映了嗜甲烷古细菌组成的不同.     

海底甲烷缺氧氧化与冷泉碳酸盐岩沉淀动力学研究进展

海底缺氧带甲烷氧化作用是一个重要的甲烷生物地球化学过程,已被许多地球化学现象所证实。甲烷缺氧氧化有效地减少了渗漏到海水和大气中的甲烷通量,但目前仅有的数据还不能很好地限定甲烷缺氧氧化在全球甲烷循环和全球碳循环中的作用。甲烷缺氧氧化的机理还存在争议,很可能是一个"反甲烷生成"过程。在许多天然气渗漏发育区域,由于甲烷缺氧氧化作用引起环境碱度的增加而沉淀冷泉碳酸盐岩,在海底表层沉积物中形成块状碳酸盐岩结壳。但冷泉碳酸盐岩生成所需的物理化学和生物地球化学条件在很大程度上还不清楚。数值计算表明,孔隙水中溶解足够量的甲烷、冷泉渗漏强度适中、较小的生物扰动作用有利于冷泉碳酸盐岩的生成,而过高的沉积速率则抑制冷泉碳酸盐岩结壳的生成。因此,海底发育冷泉碳酸盐岩可以指示天然气渗漏系统的演化特征。     

海底冷泉系统的碳循环问题及探测

海底冷泉泄漏是全球碳循环过程中重要的一环,该系统分布的广泛性、机制的复杂性、与水合物资源的关联性及相关科学问题的重要性,使之成为海洋科学调查和研究的前沿领域.本研究评述了冷泉泄漏活动涉及到的几个碳循环问题,包括作为甲烷厌氧氧化反应(AOM)产物的碳酸盐在碳循环中的地位、大陆坡深源碳在冷泉泄漏中的贡献以及冷泉泄漏与金属矿产资源的关系等,藉此加深人们对该系统的理解.同时,本研究还介绍了在当前关于碳循环研究过程中,对海底冷泉探测常用的几种重要方法,包括以多波束探测气泡羽流,以坐底式探测器对冷泉泄漏活动进行原位、实时、持续地观测以及一系列近期开展的海底观测网计划.最后讨论了该领域未来发展的趋势及相关的重点问题,以期给相关研究提供一些有益的参考.     

古海洋与古气候演化的生物标志化合物记录

海洋沉积中的生物标志化合物记录了不同时空尺度下海洋与气候变迁的历史。从这些地质档案中，运用分子有机地球化学的理论与方法提取古环境参数，辅以各种方法的定年技术建立时间标尺，可以反映从区域到全球，不同时间分辨率下的环境演变。本文以古海水表现温度的分子地层记录以以及有要分子碳同位素组成作为古大气ＣＯ２分压的指标为例，阐述分子有机地球化学在古全球变化研究中的最新进展。     

海底冷泉系统氧化还原环境重建方法研究进展

冷泉活动是现代深海极端环境系统之一,其在天然气水合物资源勘探、全球气候变化、极端环境生命活动等方面具有重要的科学研究意义。重建海底冷泉区氧化还原环境是研究其中生物地球化学过程、揭示甲烷渗漏活动特征的重要途径。近年来,大量矿物学及地球化学指标在冷泉系统氧化还原条件的恢复研究中获得了成功的应用。在前人研究的基础上,对自生矿物学标志、稀土元素、氧化还原敏感元素(Mo、U、Fe)和稳定同位素(钼同位素δ⁹⁸Mo、铁同位素δ⁵⁶Fe、硫同位素δ³⁴S)等不同指标对氧化还原环境变化的响应机制进行了系统总结,从测试分析方法、后期成岩改造、单一指标的多解性等多个方面探讨了各指标的影响因素和当前仍存在的问题,并指出了未来该领域需进一步加强的关键研究方向。     

南沙海洋沉积物中生物标志化合物的组成及地化意义

对１９９０年取自南沙海域１０２站位岩芯柱样中饱和烃进行色谱－质谱分析，研究沉积物中生物标志化合物组成和地球化学意义，结果表明，正构烷烃，类异戊二烯烷烃，甾烷和藿烷组成特征指示了其先质主要为海洋浮游生物和细菌，部分为陆源高等植物，反映了南沙海洋沉积有机质起源于这些生物，较丰富的胡萝卜烷在和Ｐｒ／Ｐｈ比值低，说明沉积环境具强还原性，随沉积物理埋藏深度增加，藿烷和藿烷以及藿烷异体之间，均存在明显的成岩转     

乳山湾的污染与异养微生物的调查分析

于1985年5—10月定期采取了乳山湾内和岸边养虾池的水样及底泥进行了异养微生物的分析。菌数的平均值池内高于湾内,其最高值和水中COD的最高值同时出现在养虾旺季的8月份。在湾泥和池泥中的硫酸盐还原菌数均高达10~6个/克以上,与同期内硫化物的最高含量(326mgS/kg)相一致。并发现病原性弧菌也广泛存生。异养菌种群的组成,假单胞杆菌占有最大的比值,反映出该水域为污染类型。上述结果表明该湾的水质条件已远超出国家渔业水质标准,呈现高度的有机物污染状态,其污染源与湾边周围开展大面积的养虾有关。     

南海F站位冷泉水体中的溶解甲烷

目前对南海北部陆坡的F站位冷泉的研究多从地质和生物角度开展,而冷泉羽流在水平和垂直方向上的扩散范围尚不清晰,其影响因素尚不明确。针对该问题,于2021年6月6~23日搭乘“科学”轮对该冷泉海域的溶解甲烷进行调查,使用搭载遥控无人潜水器(Remote Operated Vehicle,ROV)和温盐深系统(Conductivity,Temperature,Depth,CTD)的采水瓶采集了该冷泉及邻近水体中从近海底(距底2.5 m)至表层(5~10 m)多个层位的水样,并使用气相色谱仪在现场分析了水样中溶解甲烷的含量。结果表明,溶解甲烷在覆盖喷口的生物繁茂区水体中的含量为6 590~11 300 nmol/L,在生物稀少的毗邻区迅速降至85.0~354.8 nmol/L。水柱剖面的测量结果显示冷泉喷口区1 000 m以深的水体中溶解甲烷含量高于背景区,而1 000 m以浅的水体中溶解甲烷的含量与背景区相同(2.01~3.90 nmol/L);自喷口区顺流向下1 500 m处,甲烷羽流信号消失。综上结果,甲烷羽流的水平扩散距离≤1 500 m,上升高度≤125 m。溶解甲烷的含量在生物繁茂区的迅速降低是由于底栖生物对溶解甲烷的摄食所致,而其在繁茂区之外扩散过程中的逐渐降低是海水湍流混合导致的稀释效应所致。     

楚科奇海和白令海沉积物中的生物标志物及其生态环境响应

采用210Pb方法对北极C8和B2-9岩心样进行了定年和沉积速率研究,获得分辨率约为10 a的100年以来(1880-1999,1889-1999年)连续的海洋沉积环境序列。该岩心样中检出众多的生物标志物(正构烷烃、类异戊二烯、脂肪酸、甾醇等),利用这些精细分子组合特征∑nC22+/∑nC21-、TABHC、CPI、CPIA、∑C20:0-/nC20:0+、C18:2/C18:0并结合甾醇C27、C28、C29的含量特征变化,认为海域沉积物中有机质主要来自陆源碎屑物质以及海洋自生源(硅质生物)组成。研究还表明,白令海沉积地层(3~0 cm)中生物标志物记录对应时间段约为1980-1999年,保存着北极增暖的强烈信号。北极的温室效应被放大,进一步证实了极地海洋生物学过程对气候变化有响应。     

南海北部冷泉碳酸盐岩层状结构及其地质意义

通过对南海北部冷泉碳酸盐岩的结构进行研究,发现了3种不同的层状结构:结核状碳酸盐岩的微纹层和烟囱状碳酸盐岩平行及垂直烟囱壁的层。不同层的微结构、化学成分、矿物等方面的研究结果表明:结核状碳酸盐岩层的各个微纹层在结晶程度、矿物形态、孔隙度等方面不同,但化学成分变化不大;对于烟囱状碳酸盐岩,与烟囱壁平行的内外层之间矿物、成岩程度等不同,垂直烟囱壁的不同层之间碳酸盐矿物含量不同。碳酸盐岩不同的层状结构是其形成时地质、物理、化学和生物等信息的反映,对于恢复其形成时的古环境具有重要意义。     

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...     

辽东湾表层沉积物中生物标志物记录的浮游藻类生物量和群落组成特征

对渤海辽东湾海域表层沉积物中浮游植物生物标志物的分布进行了研究。通过对辽东湾51个站位的调查研究发现,硅藻、甲藻和颗石藻这3种浮游植物的生物标志物含量分布规律不明显,为了消除粒度和沉积速率的影响,将这3种生物标志物总量与总有机碳(TOC)含量做比值,得到的相对含量从湾内到湾口随着离岸距离增加而增加,生物标志物指示的初级生产力与现场调查的结果一致,表明生物标志物法基本可以用来重建初级生产力。辽东湾海域初级生产力在湾口高于湾内,表明其主要控制因素是水体浊度而不是陆源营养盐的输入。辽东湾西侧菊花岛附近初级生产力的高值主要与人类养殖、陆源排污等导致的水体富营养化相关。生物标志物的相对比例结果显示,辽东湾两侧近岸区硅藻和甲藻相对贡献高,尤其是硅藻占据绝对优势,这主要与硅藻在高营养盐的情况下具有竞争优势有关,而在辽东湾中部发现高的颗石藻相对贡献与黄海暖流入侵路径相对应。     

黄海夏季沉积物中异养细菌的现存量及分布特点

采用DAPI荧光染色技术, 进行了2007年6月和2008年7月黄海底栖异养细菌的丰度和生物量及分布特点研究。结果表明, 2007年底栖细菌的丰度为(1.13±0.39)×109cells/cm3, 生物量为(49.63±17.26)?gC/cm3; 2008年底栖细菌的现存量较2007年低了约43%。南黄海的底栖细菌现存量较北黄海分别低8%(2007年)和13%(2008年), 而中央冷水团则较其外围区域高约10%和37%, 在南黄海呈现中央冷水区域高于近岸的分布特点, 而在北黄海则正相反。统计分析表明, 2007年北黄海底栖细菌丰度与沉积物叶绿素a含量呈极显著正相关, 南黄海细菌丰度与沉积物有机质含量及底层水盐度呈极显著正相关; 而2008年北黄海细菌丰度与环境因子未见明显的相关性, 在南黄海则与底层水的叶绿素含量呈极显著负相关, 显示浒苔暴发可能对底栖细菌产生了明显抑制。     

阿塔卡马海沟深渊和非深渊站位的沉积脂肪酸对比研究

深渊海沟作为海洋的最深处,是最不被人了解的地球生态环境之一。有机质的输入、含量和活性对于维持深渊生态系统和深渊生物地球化学循环至关重要。本文利用脂肪酸生物标志物方法,研究了来自阿塔卡马海沟的4个沉积物柱状样(长度为15-35cm),比较了水深2560-7770m的深渊(A5, A10)和非深渊(A1, A9)站位的脂肪酸含量、来源和保存状况。本研究共检测到50种脂肪酸化合物,包括来自陆源有机质的长链饱和脂肪酸,来自海源浮游植物的短链饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸,以及来自细菌的甲基支链脂肪酸。总脂肪酸的平均含量在非深渊站位A1最高[(13.4±2.9)mg/gdws],而深渊站位A5最低[(5.4±2.2)μg/gdws],这可能与各站位的初级生产力和水深有关。在所有站位中,海源脂肪酸均处于主导地位(61.6%±9.2%),其比例显著高于陆源脂肪酸(33.6%±10.7%)和细菌脂肪酸(4.9%±2.3%),表明在阿塔卡马海沟沉积物中脂肪酸主要是海源有机质的贡献。在每个站位,随着沉积物深度的增大,陆源脂肪酸的比例均明显增加,而海源脂肪酸的比例则减少,该结果与脂肪酸指数FA-...     

基于“发现”号ROV的近海底综合声学调查系统及其在台西南冷泉调查中的应用

随着海洋调查技术的发展和海洋研究的深入,基于深潜器平台的近海底调查在海洋调查与研究中的综合应用日趋常态。基于这一背景,本文介绍了搭载于"发现"号缆控水下机器人(remotely operatedvehicle,ROV)的近海底综合声学调查系统及其在台西南冷泉区的应用实例。基于"发现"号ROV平台的近海底综合声学调查系统主要由R2Sonic2024多波束测深系统,模块一体化的侧扫声纳-浅地层剖面系统和水下综合定位与导航系统构成。该系统的配置极大地扩展和完善了"发现"号ROV的近海底调查能力,实现了近海底多波束、侧扫和浅剖等声学数据的同步采集和快速融合处理。基于本套系统在南海冷泉区的综合应用,本文对其工作流程进行了介绍,并对所获得一系列成果进行了初步分析。结果表明,近海底综合探测系统的应用为南海冷泉区的识别、海底地形地貌特征分析以及空间规模量化研究等内容提供了不可或缺的基础资料。本套系统的配置和成功应用,有效地提高了我国的近海底调查和作业能力。     

天然热释光技术在海洋油气田勘查中的应用

沉积物热释光能有效地反映海洋环境下深部油气田引起的微弱放射性异常。热释光在不同的测试粒级、不同的岩性中的丰度不同，结果为粗粒级＞细粒级、砂岩＞粉砂质砂岩＞泥质粉砂岩＞泥岩。热释光也与部分金属元素含量有关，Ti、Ba、Zn、Fe^3 /Fe^2 与热释光呈正相关关系。热释光与烃类也呈较强的正相关性。不同采用深度热释光测量结果表明，热释光剂量随沉积物的沉积深度和沉积时间的增加而增加，深层样的热释光对油气藏的指示效果更好。