陆架边缘海沉积物有机碳矿化及其对海洋碳循环的影响

边缘海沉积物是海洋重要的碳储库,其内部的碳循环主要是由有机质矿化分解过程来驱动的。有机碳进入边缘海沉积物后,矿化分解为溶解无机碳(DIC)进入沉积物孔隙水并扩散到上层水柱,参与海洋系统碳循环;同时还有部分DIC与钙镁等离子结合形成自生碳酸盐,保存于沉积物碳库。从生物地球化学角度探讨有机质埋藏机制和效率,在此基础上重点综述沉积物硫酸盐还原、产甲烷和甲烷厌氧氧化过程的耦合机制,以及有机质矿化对自生碳酸盐形成的影响等方面的研究进展,以期加深对陆架边缘海沉积物在全球碳循环收支平衡中的作用及其气候环境效应的认识。     

海底地热通量对海洋深层温度和环流的长期影响

虽然地球海底地热通量在全球热能收支平衡中所占的比例非常低,在目前的海洋气候模式开发中也并没有将其包含在内,但是由于海底地热通量可以持续改变海洋的浮力而影响海水层结,进而影响海洋温度分布以及环流等海洋水文要素,并且可以进一步影响海水的化学性质、碳氮的分布循环以及生物分布等,因此其对海洋环流和气候变化长期影响的潜在可能性仍不能完全排除。在通用地球系统耦合模式(CESM)的基础上,通过在全球大洋中脊区域持续加入1 W/m2的地热通量的方式运行了长达5 000年的数值模拟实验,模式结果显示:海底地热通量对深层海洋的物理性质和全球海洋环流的长期影响是不可忽略的;受地热通量的局地加热效应影响,大洋深层3 000~3 500 m总体升温约0.4℃;在南大洋和北大西洋的深层水形成区域,海洋深层的增温信号可以影响到表层海洋。北大西洋深层水和南极底层水形成增强,并且模拟的北大西洋深层水的深度加深,更符合观测结果。     

海洋碳汇对气候变化的响应与反馈

海洋碳汇对气候变化的响应与反馈是一个系统的科学命题,也是当前国际地球系统科学领域的前沿热点问题,需要通过微观与宏观结合、古今链接、多学科交叉融合进行深入研究。在我国科学家发起的海洋生物地球化学"戈登科学前沿论坛"(Gordon Research Conferences,GRC)首届论坛上,以海洋生物泵(Biological Pump,BP)、微型生物碳泵(Microbial Carbon Pump,MCP)以及碳酸盐泵(Carbonate Counter Pump,CCP)等海洋储碳机制为核心,深入研讨了海洋碳汇的过程与效应,起到了引领国际海洋学科发展方向的作用。国内学界也积极行动起来,在第四届地球系统科学大会上组织了海洋碳汇专题,从古海洋碳汇、现代海洋碳循环及海洋碳汇的生物海洋学过程3个方面开展研讨。海洋微型生物生态学过程与海洋碳汇以海洋浮游植物、细菌、古菌、病毒以及不同微型生物间的互作为切入点,探讨了微型生物的储碳和固碳作用的过程及其与全球气候变化的关系。古海洋碳汇方向的报告在时间尺度上跨越了从18~8亿年前的中元古代到距今2.5 Ma的第四纪,涵盖了包括古海洋碳汇形成的古海洋环境、古海洋碳汇的生态环境效应等前沿科学问题;古海洋碳汇的报告为现代海洋碳汇研究提供了有益的借鉴,并有助于本领域科学家对海洋碳汇的历史演化观的认识。现代海洋碳循环过程方面,专题报告结合时间梯度和空间梯度,以南海珊瑚礁碳循环源汇争议为代表,探讨了碳循环中的初级生产力、溶解有机碳的来源与有机碳的降解等过程,对现代海区和全球变化背景下海洋的源汇评估提出了新的想法与研究方向。     

晚新生代海洋磷循环模拟

理论分析表明,海水磷浓度控制了海洋自生磷沉积和热液磷沉积通量,并以此调节长尺度海洋磷循环的动态平衡.运用质量平衡原理,研究恢复了控制晚新生代海洋磷循环的各种通量,并据此模拟出海水磷浓度的演化.海水磷浓度演化与碳同位素分馏记录的浮游光合生物生长速度的变化一致,揭示在长时间尺度上,浮游光合生物的生长受海水磷含量控制.1500万年以来,大陆风化磷通量急剧增加,致使海洋磷浓度和磷沉积通量增加.海洋磷浓度增加促进了海洋生物生产力,导致海洋大气中生物气溶胶浓度升高,最终通过气溶胶的直接和间接辐射效应驱动晚新生代全球变冷.     

海洋水色卫星遥感研究与进展

系统介绍了目前海洋水色卫星遥感在海洋碳通量、生物海洋学及上层海洋过程研究,以及海岸带环境监测与管理中的主要应用方向;分析了上述应用对水色卫星传感器在时空分辨率、光谱波段设置和空间覆盖范围等方面的具体设计要求;概括了新一代水色卫星传感器的特点;指出了水色卫星遥感资料应用中的定标、大气校正及定量反演技术等关键问题;介绍了各国海洋水色卫星遥感的发展计划,提出了我国海洋水色卫星遥感研究的对策。     

俯冲带脱碳和固碳作用过程

俯冲带作为联系地表和地球深部系统的纽带,不仅是将地表碳带入地球深部的主要通道,也是地表物质和地球深部物质发生交换的重要场所。俯冲作用可以将地表碳以有机碳或无机碳酸盐矿物等形式带入地球深部,再通过火山作用或去气作用返回到地表系统。俯冲带深部碳循环控制着地表碳通量变化,对于研究全球气候变化和地球宜居环境具有重要意义。本文结合前人的相关研究成果,综合探讨了俯冲带的脱碳机制及固碳作用过程。俯冲带脱碳机制主要有变质反应脱碳、流体溶解脱碳和熔融作用脱碳。从俯冲板块释放的含碳流体不一定都会迁移返回地表,有一部分含碳流体在迁移演化过程中会和围岩发生反应,形成不易迁移的其他含碳相(碳酸盐、石墨或金刚石)而重新固存在俯冲板块以及上覆地幔楔中(固碳作用),进而影响碳在不同储库中的含量变化,在计算俯冲带释放碳通量时需要考虑这一过程的影响。     

海洋水色卫星遥感研究与进展

系统介绍了目前海洋水色卫星遥感在海洋碳通量、生物海洋学及上层海洋过程研究,以及海岸带环境监测与管理中的主要应用方向;分析了上述应用对水色卫星传感器在时空分辨率、光谱波段设置和空间覆盖范围等方面的具体设计要求;概括了新一代水色卫星传感器的特点;指出了水色卫星遥感资料应用中的定标、大气校正及定量反演技术等关键问题;介绍了各国海洋水色卫星遥感的发展计划,提出了我国海洋水色卫星遥感研究的对策.     

海洋碳酸盐沉积相模式

本文在评述国内外有关碳酸盐相模式研究基础上提出,海洋碳酸盐沉积相模式研究已摆脱了60—70年代的静态的束缚而进入了一种动态研究阶段并强调碳酸盐缓坡(ramp)的重要性。同时,文中还对台地和缓坡的定义重新进行了厘定,并提出碳酸盐相模式的端元类型概念及其分类。此外,建隆的形成、海平面变化和大地构造背景对其有着不可忽视的控制作用,而碳酸盐相模式又控制了储集层的分布型式。     

南大西洋渐新世初碳酸盐记录(ODP 1263站)

渐新世初期,南极大陆在短时间内出现永久性冰盖,地球由两极无冰进入到单极有冰的特殊时期。越来越多的研究表明,这一重大气候转型事件与大气CO2及大洋碳储库的变化密切相关。南大西洋ODP 1263站碳酸钙软泥的粒度分析揭示了在渐新世初期发生的强烈碳酸盐溶解事件,碳酸盐溶解超前于底栖有孔虫氧同位素重值约100 ka,显示碳酸盐溶解事件先于南极冰盖的形成。由于碳酸钙泵的作用,碳酸盐的溶解会消耗大量的大气CO2,从而可能驱动了气候的快速变冷,导致南极大陆永久性冰盖发育。     

赤道东经90°海岭3.5Ma以来远洋记录反映的重大环境事件

通过对东经90°海岭ODP758钻孔岩心3.5Ma以来的浮游有孔虫远洋记录的研究,结合岩性地层、稳定同位素地层、碳酸盐地层等资料,探讨了喜马拉雅山加速隆升、"中更新世气候转型"、"中布容溶解"事件等重大构造、环境事件在研究区的表现及相关机制。通过对各项指标的分析和对比,根据ODP758岩心的有孔虫组合面貌、古温度、古盐度和古温跃层的变化情况,推断研究区在1.4～0.7Ma期间的气候变化可能是在"中更新世气候转型"条件下发生的。碳酸钙、碳酸钙沉积通量和非碳酸钙沉积通量曲线在1.7Ma时快速增长,与现有资料显示的青藏高原的隆升历史相符,分别与青藏高原隆升过程中的青藏运动A幕、B幕、C幕(1.7Ma)和昆仑-黄河运动(1.2～0.6Ma)相当。碳酸钙含量、大于150μm的粗组分含量、浮游有孔虫沉积通量和浮游有孔虫生物地层揭示出在0.5～0.4Ma期间研究区深海碳酸盐遭受了强烈溶解。此事件与大西洋、太平洋、印度洋及南沙海区沉积记录中的"中布容溶解"事件一致。     

Induction of Calcium Carbonate by Pseudomonas Putida

The purpose of this research is to study how the bacteria Pseudomonas putida (DCB13) utilises calcium ions in a culture medium with carbon dioxide (CO2) to yield calcium carbonate (CaCO3). The bacteria strain P. putida is a dominant strain isolated from the dolomitic surfaces in areas of Karst topographies, Guizhou Province. The experimental method was as follows: a modified beef extract-peptone medium (beef extract 3.0 g, peptone 10 g, NaCl 5.0 g, CaCl2 2.0 g, glass powder 2.0 g, distilled water 1 L and a pH between 6.5 and 7.5) was inoculated with P. putida in order to attempt to induce the synthesis of CaCO3. The sample was then processed by centrifugation every 24 hours during the 7-day cultivation period. The pH, carbonic anhydrase (CA) activity, and the concentrations of both HCO3- and Ca2+ of the supernatant fluid were measured. Subsequently, precipitation in the culture medium was analyzed to confirm, or otherwise, the presence and if present, the formation of CaCO3. Methods used included X-ray diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscope (TEM), and Energy Dispersive Spectroscopy (EDS). Results showed that P. putida can improve its pH value in this culture medium; concentrations of HCO3- and Ca2+ showed a significant decline over the duration of the cultivation period. CA activity reached its maximum during the second day; XRD, SEM and TEM all revealed the presence of CaCO3 as a precipitate. Additionally, these results did not occur in an aseptic control group: no detectable level of CaCO3 was yielded therein. In conclusion: P. putida can metabolise active materials such as secretase by its own growth and metabolism, and can either utilise atmospheric CO2, or respire, to induce CaCO3 production.     

地下河水人工补给洞穴滴水、碳酸盐(钙)沉积特征及景观恢复探讨

岩溶旅游洞穴碳酸盐岩沉积物景观容易受到污染、风化,为了探讨受污损洞穴碳酸盐沉积物的修复方法以确保岩溶旅游洞穴的可持续发展,对广西桂林七星岩No.15支洞距洞口约150 m长洞段的滴水物化指标、现代碳酸盐岩沉积物进行了为期4年的监测分析。结果表明:（1）该洞段的滴水主要源于抽取地下河水的水柜渗漏及降水补给,地下河水和滴水的电导率、[Ca2＋] 、[HCO3-]在4个水文年中的变化趋势基本相同,雨季洞穴滴水电导率、[Ca2＋] 、[HCO3-]等显著降低,降雨稀释效应明显;（2）现代洞穴碳酸盐岩沉积具有明显的季节性变化,雨季洞穴滴水量/速率、碳酸钙沉积速率加快,最大沉积量达0.8 g／半月,洞穴入口约150 m长洞段快速滴水碳酸盐最大沉积量达2～4 g／半月,旱季碳酸盐沉积速率减少,最大沉积量仅为0.4 g／半月;（3）抽取岩溶地下水经由地表补给洞穴滴水可提高滴水的电导率、[Ca2＋] 、[HCO3-]及CaCO3饱和度,促使大量碳酸盐(CaCO3)快速沉积,实现对洞穴受风化、污染景观的修复,新沉积的碳酸钙(CaCO3)还可以将基岩裂隙和洞穴内破损、破裂的钟乳石重新“粘结”起来,利于洞穴的稳定性。      

四川盆地东北部三叠系飞仙关组硫酸盐还原作用对碳酸盐成岩作用的影响

四川盆地东北部三叠系飞仙关组存在广泛的硫酸盐还原作用,同时地层中也存在锶含量异常高的成岩流体。研究表明:热化学硫酸盐还原作用（TSR）和（或）细菌硫酸盐还原作用（BSR）造成的SO42-离子的消耗对成岩孔隙流体中SrSO4溶解度的改变是三叠系中高Sr成岩流体的形成机制之一,该机制使得孔隙流体从白云石化作用和碳酸盐矿物的新生变形作用中获得的Sr在流体中以高浓度的Sr2+形式存在,并使之在流体中极度富集,这也是四川盆地东北部三叠系中大型和超大型天青石矿床的形成机制之一。H2S和CO2是硫酸盐还原作用的重要产物,不同温度条件下溶于水中的H2S和CO2,与不溶于水的气体分子之间的平衡反应H2S（aq）H2S(g)和CO2(aq)CO2(g)的平衡常数和吉布斯自由能增量计算表明,当温度从25℃升高至220℃时,两个反应的平衡常数分别大致从10增至240和从20增至500,两个反应的平衡常数都始终大于1,说明H2S和CO2更趋向于以气体形式存在,同时温度越高,系统中以气体形式存在的H2S和CO2会越多,溶解于水中的H2S和CO2会越少,因而在深埋藏的高温条件下,H2S和CO2对碳酸盐矿物的溶解能力可能相对很小。相对低温的成岩环境、高温流体的向上和侧向运移、构造抬升、富氧流体与含有H2S流体的混合以及金属硫化物的沉淀是提高含H2S和（或）CO2流体对碳酸盐矿物溶解能力的五个途径。因此,与较早成岩阶段相对浅埋藏环境的碳酸盐溶解作用有关的H2S和CO2流体可能与细菌硫酸盐还原作用（BSR）关系更为密切;断层或其它流体运移通道是高温含有H2S和CO2流体向上运移的基础条件,具有原生孔隙度和渗透率的礁、滩相高能沉积物也是流体发生侧向运移的先决条件;大幅度的构造抬升造成的地层温度降低是提高含H2S和（或）CO2地层流体对碳酸盐矿物溶解能力的重要因素,地壳抬升至近地表造成的古喀斯特作用也可以为H2S的氧化提供良好的地质环境。在有关的勘探中应注意:在断层等流体运移通道造成高温含H2S和CO2流体向上运移的条件下,与之有关的构造低点应该是主要的勘探目标;在燕山运动导致的地层抬升并导致深部热流体降温的条件下,与之有关的构造高点应该是主要的勘探目标,应分别对待。     

天山东部冰川雪坑离子浓度特征的对比研究

对2004年获取的天山奎屯河哈希勒根51号冰川1个雪坑和哈密庙尔沟平顶冰川4个雪坑的离子浓度特征进行了研究,结果表明：Ca²⁺、NO^-3和SO₄^2-是哈密庙尔沟平顶冰川雪坑雪层和积累区雪坑底部冰中的主要离子（尤其是Ca²⁺ ）,其雪层中的主要阳离子关系可在底部冰中得以较好的反映,但雪层中各离子浓度与海拔的相关性不明显,可能与海拔的跨度较小和挖取的雪坑较疏有关;雪坑底部冰中的离子浓度与海拔间明显的相关性说明淋融作用随着海拔升高、气温降低而逐渐减弱。SO₄^2-和Ca²⁺是奎屯河哈希勒根51号冰川雪坑中的主要离子（尤其是SO₄^2-）,其雪坑离子化学特征与哈密庙尔沟平顶冰川差别较大,可能与哈密庙尔沟平顶冰川处于塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠和鄯善沙漠的下风向相关,还可能与雪层内淋融作用的强弱和沉积通量的高程效应有关。哈密庙尔沟平顶冰川积累区雪坑中NH₄⁺、NO₃^-和K⁺的Cs/Ci较Ca²⁺、Mg²⁺和Na⁺要大,奎屯河哈希勒根51号冰川Na⁺和NH4⁺的“雪冰比”较Cl-、SO₄^2-、Mg²⁺和Ca²⁺要大,说明这两条冰川雪坑中的Ca²⁺和Mg²⁺信号较其它离子可能更易于在冰芯记录中保存下来,为冰芯研究和古气候记录的恢复提供了保障。     

Distribution and Fluxes of Calcium Carbonatealong the Continental Margin in the Gulf of Biscay

Compositions of major components in suspended matter,collected by centrifugation, in situ pumping andsediment traps, in the Gulf of Biscay during the OMEXproject were determined and compared. The resultsshow a strong and rapid decrease in the concentrationof biogenic fraction in the upper 200 m of the watercolumn which may be attributed to the preferentialremoval of this component due to the production offaecal pellets and to the formation of marine snow. Concurrent decrease with depth of the organic andinorganic carbon contents demonstrate the importanceof the respiration of organic matter and thedissolution of calcium carbonate in the oceanic carboncycling. Lithogenic and carbonate fluxes across thecontinental slope in the Goban Spur area wereevaluated based on sediment trap records. The rate ofproduction of calcium carbonate in the surface waters(100 g CaCO3 m-2y-1), deduced from theprimary production measurements, is much largercompared to the fluxes of this component observed inthe sediment traps (5–21 g CaCO3 m-2y-1)and to its rate of burial (9–31 gCaCO3 m-2y-1). It strongly suggeststhe occurrence of carbonate dissolution, even inwaters oversaturated with respect to the mineral phaseconsidered. This is likely to be associated with therespiration of organic matter within the faecalpellets, or at the surface of biogenic calcite oraragonite     

塔里木盆地东部地区寒武纪海盆局限期深水准同生白云岩化作用研究

塔东地区寒武纪盆地相以及斜坡相发育泥晶白云岩及泥质泥晶白云岩,具有深水环境标志。通过样品岩石学特征研究、碳、氧同位素分析、有序度分析、锶同位素比值分析以及阴极发光特征分析,提出了塔东地区海盆局限期海水咸化深水准同生白云化机理。海盆局限阶段水体盐度变高,使得斜坡以及海底松软碳酸盐沉积物发生白云石化形成深水环境的泥粉晶白云...     

矿物在油气形成过程中的作用

模拟实验结果表明,矿物组成对煤岩样品的模拟实验结果具有很大的影响,不同的矿物以及同一种矿物在不同的有机质热演化阶段,对有机质形成石油和天然气的过程均具有非常明显的影响:高岭土矿物在高温热演化阶段对有机质形成气态烃的过程具有一定的催化能力;碳酸钙（CaCO3）在中—低热演化阶段能抑制气态物质的形成,而在较高的热演化阶段则对煤生成气态物质的过程具有一定的催化作用;四氧化三铁（Fe3O4）在主要的模拟实验阶段对煤生成气态物质的过程均具有一定的催化作用;硫化亚铁（FeS）在低温热演化阶段对天然气的形成具有一定的抑制作用,而在高温热演化阶段则对天然气的形成具有较明显的催化作用;元素硫（S）在不同的热演化阶段对天然气的形成过程均具有非常明显的催化作用。矿物介质不仅对气态产物的产率有比较明显的影响,而且对液态产物的产率也有较明显的影响。模拟实验结果表明:高岭土和四氧化三铁（Fe3O4）在中、低温模拟实验阶段对“氯仿沥青A”的形成具有较明显的催化作用;硫化亚铁（FeS）在整个模拟实验的全过程中对“氯仿沥青A”的形成均具有明显的催化作用;碳酸钙（CaCO3）矿物对“氯仿沥青A”的形成具有明显的抑制作用;元素硫（S）对“氯仿沥青A”的形成具有非常明显的催化作用。     

芙蓉洞次生碳酸盐沉积特征及与降水的关系研究

通过对重庆市芙蓉洞内两处滴水和两处池水长期定点观测,现场测试pH、温度和HCO-3浓度等指标,并采集适量水样带回实验室利用ICP—OES和离子色谱仪测试主要离子的浓度,计算CO2分压(PCO2)和方解石饱和指数(SIc),探讨了芙蓉洞内次生碳酸盐的沉积情况及与当地降水的关系。结果显示:四个观测点洞穴水在大部分时间相对于方解石为过饱和水,且正在沉积碳酸盐,可见芙蓉洞地区大部分时间具有洞穴碳酸盐沉积的温度和降水条件;不饱和出现在较大降水量之后的1~2个月内,是降水对岩溶水的稀释作用导致的。因此,降水量的变化是洞穴水呈现过饱和与不饱和交替的出现主要原因,最终导致碳酸盐沉积的季节变化,降水量过大时不利于碳酸盐的沉积。     

Calcium isotope evidence for suppression of carbonate dissolution in carbonate-bearing organic-rich sediments

Pore fluid calcium isotope, calcium concentration and strontium concentration data are used to measure the rates of diagenetic dissolution and precipitation of calcite in deep-sea sediments containing abundant clay and organic material. This type of study of deep-sea sediment diagenesis provides unique information about the ultra-slow chemical reactions that occur in natural marine sediments that affect global geochemical cycles and the preservation of paleo-environmental information in carbonate fossils. For this study, calcium isotope ratios (δ^44/40Ca) of pore fluid calcium from Ocean Drilling Program (ODP) Sites 984 (North Atlantic) and 1082 (off the coast of West Africa) were measured to augment available pore fluid measurements of calcium and strontium concentration. Both study sites have high sedimentation rates and support quantitative sulfate reduction, methanogenesis and anaerobic methane oxidation. The pattern of change of δ^44/40Ca of pore fluid calcium versus depth at Sites 984 and 1082 differs markedly from that of previously studied deep-sea Sites like 590B and 807, which are composed of nearly pure carbonate sediment. In the 984 and 1082 pore fluids, δ^44/40Ca remains elevated near seawater values deep in the sediments, rather than shifting rapidly toward the δ^44/40Ca of carbonate solids. This observation indicates that the rate of calcite dissolution is far lower than at previously studied carbonate-rich sites. The data are fit using a numerical model, as well as more approximate analytical models, to estimate the rates of carbonate dissolution and precipitation and the relationship of these rates to the abundance of clay and organic material. Our models give mutually consistent results and indicate that calcite dissolution rates at Sites 984 and 1082 are roughly two orders of magnitude lower than at previously studied carbonate-rich sites, and the rate correlates with the abundance of clay. Our calculated rates are conservative for these sites (the actual rates could be significantly slower) because other processes that impact the calcium isotope composition of sedimentary pore fluid have not been included. The results provide direct geochemical evidence for the anecdotal observation that the best-preserved carbonate fossils are often found in clay or organic-rich sedimentary horizons. The results also suggest that the presence of clay minerals has a strong passivating effect on the surfaces of biogenic carbonate minerals, slowing dissolution dramatically even in relation to the already-slow rates typical of carbonate-rich sediments.