杭州湾沉积物中硫酸盐—甲烷转换带内的碳循环

杭州湾海底沉积物中蕴藏着大量的浅层生物气,作为温室气体CH4的重要载体,研究其甲烷厌氧氧化（AOM）及相关碳循环过程,对正确评估浅层生物气的生态环境效应具有重要的科学意义。通过对YS6孔柱状沉积物孔隙水、顶空气等地球化学参数的测试分析,基于质量平衡和碳同位素质量平衡原理,利用“箱式模型”定量研究了硫酸盐—甲烷转换带（SMTZ）内的碳循环过程。结果表明：SMTZ位于海底约6～8 mbsf沉积层,其内部碳循环过程除了包含有机质的硫酸盐还原（OSR）、AOM和碳酸盐沉淀（CP）反应外,还隐藏存在“AOM生成的溶解无机碳（DIC）”产甲烷反应（CR）,反应速率分别为9.14、7.42、4.36、2.72 mmol·m−2·a−1,而有机质降解产甲烷反应（ME）未发生。各反应对SMTZ内孔隙水DIC的补充贡献率为OSR＞AOM＞ME,而对DIC的消耗贡献率CP＞CR。深部含甲烷沉积层向上扩散而来的CH4并不是驱动SMTZ内部SO42−还原的唯一电子供体,CR和OSR反应亦是导致进入SMTZ内硫酸盐扩散通量大于甲烷的重要因素,且SMTZ下边缘沉积层出现明显的13CH4亏损亦与CR反应有关。本研究认为,定量评估海底沉积物中AOM作用的相对强弱时,SMTZ内可能存在的“隐藏的”产甲烷作用（如CR、ME等）不能忽视。     

硫酸盐-甲烷界面与甲烷通量及下伏天然气水合物赋存的关系

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,而其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,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。     

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.     

南海北部神狐海域水合物钻探区沉积物地球化学特征

海底水合物形成分解/甲烷渗漏的甲烷以及相关的生物地球化学过程可能对海底的沉积环境产生影响,因此识别水合物的形成分解/甲烷渗漏对海洋沉积环境改造有助于了解水合物成藏特征及其形成分解过程。选取南海北部神狐海域2007年水合物钻探区的SH3钻孔沉积物为研究对象,对SH3钻孔岩心的碳硫数据、主微量元素,尤其是氧化还原敏感元素(U、Mo、U/Mo、V/Sr)进行分析测试,同时结合SH3钻孔孔隙水数据和前人对神狐水合物钻探区的研究成果等进行对比研究。结果表明南海北部神狐海域沉积物来源除河流沉积物以外,同时还有少量中国黄土以及大陆岛弧的长英质岩浆岩沉积物;通过对U、Mo、U/Mo以及碳硫数据分析,发现SH3钻孔在10~25 mbsf(meter below the seafloor)层位为硫酸盐驱动的甲烷厌氧氧化作用(Anaerobic oxidation of methane, AOM)造成的还原沉积环境,AOM作用导致了在这一层位发生了LREE/HREE、MREE/HREE的分馏;SH3钻孔沉积物在约180~215 mbsf的含水合物层位出现了浊流沉积的次氧化的沉积环境,同时其赋存的细粒沉积环境也导致了轻重稀土元素的分馏,与水合物饱和度存在一定的相关性。     

海洋钻探对甲烷渗漏的影响:以南海北部天然气水合物钻探GMGS2-16站位为例

目前世界上许多国家对海洋天然气水合物开展了调查和试开采,但是对水合物开发与海底甲烷渗漏之间的关系缺乏了解。本文依托我国第二次天然气水合物钻探航次(GMGS2),对GMGS2-16钻孔开展了两次钻后甲烷渗漏调查。第一次使用水下机器人(ROV)在该孔开钻之前、钻探过程中及完钻67天内进行了4次海底观察,其中开钻之前未发现海底甲烷渗漏,而在完钻后的两次海底观察中,发现大量气泡从废弃井口冒出。第二次使用船载多波束在该孔完钻18个月后开展水体调查,发现水体中存在火焰状的高回波强度,表明水体中存在气体羽状流,指示海底发生了甲烷渗漏。地震剖面显示该站位水合物赋存层下伏游离气,甲烷渗漏可能是由于钻探打通了海底与该游离气层,形成了甲烷气体运移的优势通道,造成海底甲烷渗漏。多波束水体数据显示甲烷气泡从海底溢出,在海面以下约650m处消失,表明甲烷气体在通过水体的过程中被完全溶解,因此,钻探导致的甲烷渗漏对大气的影响较小。未来随着井壁的坍塌以及水合物在井内的形成,气体运移的优势通道将会完全关闭,甲烷渗漏终止。     

布莱克海岭中天然气水合物赋存层碳酸盐矿物、硫化物的矿物学和同位素组成特征

ODP164航次期间，在布莱克海岭发现了天然气水合物，主要赋存在海底200mbsf至450mbsf海底似反射层（BSR）之间。在横跨BSR的深度里，没有出现沉积间断。只是BSR层受到了Cape Fear盐底辟（一种刺穿构造）的干扰。在该地区，自生碳酸盐矿物（白云石、菱铁矿）少量的出现在沉积物中，仅占几个百分含量。     

北美洲东南近海布莱克海岭中气体水合物赋存沉积区域内自生碳酸盐矿物的分带特点

自生碳酸盐矿物的分布特点，是体现孔隙水地球化学特征的一个侧面。在布莱克海岭气体水合物赋存的沉积区域里(ODP994#、995#、997#)就利用这点来评价成岩作用。碳酸盐矿物的分布特点揭示了三个独特的成岩分带：(1)在上部20mbsf (bsf：below seafloor，海底以下深度)处的碳酸盐矿物主要是生物成因的，没有显示成岩作用的存在。这个区域的方解石FOC和8180值(PDB)反映了海相碳酸盐的特点，是与海水平衡的条件下沉淀形成的；(2)在20mbsf和100mbsf深度，方解石的FOC值明显呈现负数(低至-7．0‰)，自生白云石较普遍可见(2—40wt％)，δ^13C值在3．6‰～13．7‰之间；(3)在，100mbsf以下，白云石从含量丰富减低至微量分布，而分散状的菱铁矿成为主要出现的矿物。菱铁矿的δ^1C和δ^18O值分别在5．0‰～10．9‰、2．9‰～7．6‰之间变化。把溶解无机碳(DIC)的δ^1C剖面分布特点和孔隙水的浓集梯度趋势与自生碳酸盐矿物的δ^13C和δ^18O值对比，我们发现，自生碳酸盐矿物在一个独特的深度区域里形成，呈带状分布。在20mbsf深度及以下，无机碳的δ^13C DIC出现最小负值(≤-38‰)、方解石白云石出现δ^13C负值，这种现象的出现是伴随着孔隙水碱度的增加、硫酸盐的亏损和孔隙间Ca^ 2 、Mg^ 2 离子的减少一起发生的，这表明自生方解石和自生白云石的形成是在硫酸盐还原带的底部开始(21mbsf左右)而在100mbsf附近深处大量出现。菱铁矿的形成很显然是在120～450mbsf之间发生，这个区间在气体水合物赋存的沉积物区域内和上部(赋存区域200—450mbsf)。菱铁矿的δ^13C和δ^18O值从它们出现的薄层一直到沉积物底部都几乎一致。然而，现在孔隙水中的δ^13C DIC仅仅与120～450mbsf间的菱铁矿的δ^13C值相似。此外，从菱铁矿中计算出来的与之平衡的δ^18O值与120～450mbsf区段处菱铁矿的δ^18O测量值很好地匹配起来。该区段以高碱度(40-120mm)、低Ca^ 2 、Mg^ 2 浓集度为特征，这符合菱铁矿的形成条件。     

应用改进的Biot-Gassmann模型估算天然气水合物的饱和度

针对南海神狐海区含天然气水合物的高孔隙度、以粉砂质黏土为主的未固结的深水沉积地层,采用Lee提出的改进的Biot-Gassmann (BGTL)模型,利用纵波速度数据估算了A井天然气水合物的饱和度。BGTL模型假设非固结沉积地层的横波速度与纵波速度比与地层骨架的横波速度与纵波速度比与地层孔隙度有关。模型中参数的选择与天然气水合物在沉积物中的赋存方式、沉积物的矿物组成、地层压差、孔隙度及微观孔隙结构等参数密切相关。A井中天然气水合物在沉积物中赋存模式接近于颗粒骨架支撑模式。根据岩心分析资料将A井的矿物骨架简化为黏土矿物、碳酸盐、陆源碎屑3类,根据各矿物组分的理论弹性参数和体积百分比可以计算得到地层骨架的弹性模量和密度。应用BGTL理论估算得到的A井天然气水合物主要赋存于海底以下195~220 mbsf井段,饱和度多数为20%~40%,最大饱和度为47%左右,与实测结果吻合。     

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。     

大洋蛇纹岩化无机成因甲烷水合物稳定带底界模拟

随着深海调查研究的不断深入,发现大洋基性和超基性岩与水相互作用可发生蛇纹岩化作用产生无机成因甲烷等烃类气体,可能在大洋区海底形成水合物。为评估大洋蛇纹岩化无机成因甲烷水合物生成热力学条件及水合物稳定带分布特征,本文利用实测的原位温度、水深等条件,结合甲烷水合物-水-游离气三相平衡温压条件,计算了马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山、北大西洋Fram海峡超慢速扩张脊和Lost City慢速扩张脊3个不同地质构造环境的蛇纹岩化发育的大洋区海底环境甲烷水合物稳定带底界,并对其水合物发育潜力进行了评估。研究表明马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山和北大西洋Fram海峡超慢速扩张脊满足天然气水合物发育的热力学条件,可能发育有甲烷水合物,相应的水合物稳定带底界深度分别约为858～2 515和153～232 mbsf。大西洋Lost City喷口附近发育甲烷水合物可能性较小。     

含水合物沉积物电阻率演化规律实验研究进展

电阻率对沉积物组成和微观结构具有极高敏感性,是反映水合物生成分解过程物性演化的重要参数。然而由于影响因素复杂,人们对电阻率随CH4水合物生成分解的演化规律仍不清楚。对含CH4水合物沉积物的电阻率实验研究进展进行了梳理,分析了电阻率的主要影响因素,总结了纯水、盐水、非饱和水等不同体系中水合物生成分解过程电阻率演化规律。研究认为,在纯水沉积物中,电阻率随着水合物的生成不断增大;在盐水沉积物中,成核阶段的排盐效应以及生长阶段的重结晶或Ostwald熟化现象都会导致沉积物电阻率的降低;对非饱和水沉积物,气体和水在重力、毛细管力作用下、孔隙溶液离子在渗透和扩散作用下,都对沉积物电阻率造成影响。基于上述分析,提出了水合物生成过程模型,探讨了电学特性实验研究未来发展方向,对水合物电学研究具有一定的参考意义。     

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8 m左右。     

气体水合物储集层中原地甲烷含量的直接测定

气体水合物储集层中原地甲烷含量的直接测定ＧｅｒａｌｄＲ．Ｄｉｃｋｅｎｓ等某些气体能与水结合形成在高压和低温条件下稳定的固体—气体水合物。许多有甲烷来源的海洋沉积物中存在着适合气体水合物形成的条件。大陆边缘的地震反射剖面表明，在海底沉积物上部几百米中，...     

南海神狐海域含水合物层粒度变化及与水合物饱和度的关系

为探讨沉积物粒度与水合物饱和度的关系,对南海神狐海域水合物钻探区2个获取水合物的钻孔岩心沉积物进行了粒度分析及粒度与水合物饱和度对比分析.结果表明,含水合物沉积物具有粉砂含量72％～82％、黏土含量小于30％、砂含量一般小于10％的基本特征,其中粉砂中以8～32和32～63 μm粒级的中细一粗粉砂占优势;该特征与上下不...     

墨西哥湾和Blake洋脊气体水合物区的经济地质状况

墨西哥湾和 Blake洋脊气体水合物区储藏有近似相同体积水合化的碳氢气体化合物 (在标准温压条件下它们分别是 ( 1 0～ 1 3 .7)× 1 0 18m3和 3 0× 1 0 18m3。气体水合物在两地的储集成因是不同的。在墨西哥湾 ,气体水合物主要储藏在厚厚的、构造集中的稳定盖层内 ,这样大量的烃类气体就可以从海底深部的油气层中运移到气体水合物稳定带。在 Blake洋脊内 ,气体水合物是分散的 ,它们是在细菌成因甲烷生成处形成的 ,而在该处从底部运移上来的甲烷数量很少。诸如气体水合物易于赋存的浅海底地层和在裂隙中气体水合物的高赋集率等有利地质因素…     

南海东部海域表层沉积物类型的研究

南海东部海域表层沉积物可被分为11种类型:含岩块砾石黏土质粉砂、贝壳珊瑚砂、黏土质粉砂、钙质黏土、钙质软泥、有孔虫砂、深海黏土、含铁锰微粒粉砂质黏土、硅质黏土、含火山灰硅质黏土、含火山灰粉砂质黏土.这些类型按物源和成因可被分为陆源碎屑、钙质碎屑和硅质碎屑、火山碎屑3大类型,其中陆源碎屑分布面积约占50%,钙质碎屑占20%,硅质碎屑和火山碎屑各占15%.在物质来源、海底地形、火山作用、生物作用、水动力条件等因素影响和控制下,由于沉积环境的差异,故区内褐色类沉积物最多(60.68%),灰色类沉积物次之(38.20%),黄色类沉积物最少(1.12%).台湾省以南到17°N以北海区沉积物以陆源沉积物分布为主;巴士海峡以西海区沉积物较粗,常含砂岩块和砾石;东沙群岛以东海区钙质生物碎屑沉积丰富;中、西部海区以含铁锰微粒沉积物为主;中、南部海区水深大,主要分布硅质沉积物;南部海区、礼乐滩北缘沉积物受礼乐滩珊瑚碎屑影响大,沉积物类型为钙质软泥.     

神狐海域天然气水合物的特征及其气源

我国天然气水合物首钻的钻探结果显示,南海北部陆坡神狐海域的天然气水合物呈分散浸染状分布在以粗粉砂、中粉砂、细粉砂和极细粉砂为主要组分的松散沉积物中。沉积物顶空气组成分析显示,神狐钻探区沉积物中的游离气体主要是烃类气体,另外也有微量的CO2,其中,甲烷含量界于62.11%~99.91%之间,平均含量达到了98.04%。而天然气水合物的气体同位素组成显示,神狐海域形成天然气水合物的烃类气体主要是微生物通过CO2还原的形式生成。在此基础上,进一步分析了神狐海域研究区上中新统上部和上新统微生物成因甲烷的生产力,认为神狐海域具备良好的适合微生物成因甲烷大量生成的地质条件。     

南海北部神狐海域沉积物中烃类气体的地球化学特征

烃类气体是形成天然气水合物的物质基础,浅表层沉积物顶空气中烃类气体的异常特征可用来探测深部是否存在天然气水合物藏.对南海北部神狐海域浅表层沉积物以及钻探采获的含或不含天然气水合物的沉积物的顶空气样品中烃类气体组分和同位素组成进行了测试分析,结果表明:291个1 mbsf(bsf,below sea floor)沉积物顶...     

南海中南部表层沉积物黏土矿物分布及控制因素

利用南海中南部表层沉积物151个样品中黏土矿物的测试数据,计算了主要黏土矿物含量的平均值并编制分布图,据此分析黏土矿物的分布特征及其控制因素。南海中南部表层沉积物中的黏土矿物组合类型为伊利石-蒙脱石-高岭石-绿泥石,含量平均值依次为47%、19%、17%和16%。高岭石含量分布具有北部低、南部高的特点,与之对应的是蒙脱石矿物含量呈现北部高、南部低的趋势。伊利石和绿泥石含量分布规律不甚明显。前者呈现北部略高、南部稍低的分布趋势,含量变化起伏较大;后者的含量变化呈西北陆坡区稍偏低,其他部位含量分布均匀的趋势。伊利石/高岭石含量的比值变化与高岭石含量变化呈明显的负相关关系。从黏土矿物含量的分布规律来看,控制本区黏土矿物分布的主要因素有物源的搬运和输送、水动力条件变化、海底火山活动、地球化学环境影响等。     

气体水合物的地质远景及全球变化

天然气水合物赋存在极地的广义地区,通常与近岸和近海的冻土层以及大陆和岛屿外缘的沉积物相伴生。气体水合物中甲烷所含碳量可能超过１０＾１９克。气体水合物在三个方面尤为重要,即：化石燃料储藏潜能,海底地质灾害以及对全球气候变化的影响,由于气体水合物代表地球表层２０００ｍ范围内的大量甲烷,故将其作为一种非常规的、未查验的化石燃料来源,因为气体水合物处于亚稳定状态,故温压变化影响其稳定性,海底之下未稳定的气