南海北部西沙和东沙海区浅表层沉积物孔隙水地球化学特征及对天然气水合物成矿的指示意义

【摘要】：本文选取了2012年10月广州海洋地质调查局天然气水合物航次所采的西沙(XS-2012)和东沙(DS-2012-A, DS-2012-B)三个站位浅表层沉积物孔隙水作为研究对象,开展了一系列的地球化学指标的分析测试,包括元素浓度、阴阳离子浓度、溶解无机碳(DIC)碳同位素值以及溶解硫酸盐硫同位素值。并试图通过研究沉积物孔隙水的地球化学异常特征来揭示研究区可能存在的生物地球化学过程,甲烷厌氧氧化反应(AOM)和沉积有机质的氧化作用(SOM),指示该区的微生物活动强弱及流体运移过程,为我国南海的天然气水合物的勘探开发提供技术支持。西沙海槽XS-2012站位沉积物孔隙水Cl-、Na+、K+等盐度元素浓度随深度基本不变,未发现明显异常,其值与海水基本一致,表明该站位所在区域浅表层沉积物孔隙水盐度特征主要还是继承了海水的基本特征,并没有受到其他外来流体(如生物甲烷气或天然气水合物形成所改造过的流体)的干扰。孔隙水溶解无机碳(DIC)碳同位素δ13c值总体来讲稳定在-20‰附近,只有0-1.5m由于受到海水扩散作用的扰动,存在-15--20%o的波动。这一特征表明该站位溶解无机碳的来源主要为原地有机质的氧化分解作用(SOM),该站位所在区域主要受到SOM作用控制。Ca2+、Mg2+、Sr2+浓度随沉积物埋藏深度增加而表现出减小的趋势,尤其是Mg2+和Sr2+,这与自生碳酸盐的形成有关,说明该站位所在区域具有有机质分解并提供碳源(HCO3-或C032-)。该站位的碘通量计算值为13.09×10-3μmol·cm-2a-1,要明显高于布莱克海台997站位的碘通量值(7.2×10-3μmol·cm-2a-1),说明该区域具有强烈的有机质分解作用,并释放出生物碘。硫酸盐浓度曲线拟合计算得到XS-2012站位SMI深度为14.5m,但从其他浅表层地球化学数据来看,该区域不存在甲烷厌氧氧化(AOM)作用,造成硫酸根消耗的主要因素是原地有机质的氧化(SOM)作用。计算所得的该站位孔隙水较高的硫酸盐还原速率(2.53×10-11μmol·m-3s-1)似乎说明该区域具有异常强烈的微生物活动,导致原地有机质大量地消耗硫酸根。另外,该站位具有较低的硫同位素富集因子(s=21.3‰),较低的硫同位素分馏系数(α=1.021),同前人获得的西沙地区的硫同位素数据相比,进一步印证了该区域存在高活性的有机质,微生物活动强烈,SOM特征明显。东沙海域DS-2012-A和DS-2012-B站位的沉积物孔隙水Cl-、Na+、K+等盐度元素随深度变化未见明显异常,说明这两个站位孔隙水也继承了海水的盐度特征,没有受到其他外来流体的干扰。对比两个站位Ca2+、Mg2+、Sr2+特征,DS-2012-B站位比DS-2012-A站位显示更加强烈的梯度负异常。DS-2012-A站位碘通量为4.60×10-3 μmol·cm-2a-1,DS-2012-B站位为11.50×10-3μmol·cm-2a-1,前者明显低于布莱克海台碘通量值,后者则要明显高于布莱克海台。DS-2012-A站位孔隙水溶解无机碳(DIC)碳同位素δ13c值随埋藏深度增加而减小(-5-25‰),底部δ13C值略低于沉积有机质(-21‰),说明该站位DIC来源主要为对流海水和一定程度的有机质分解(SOM)作用释放,以及伴随有不明显的AOM作用。DS-2012-B站位碳同位素δ13C值随深度具有剧烈的梯度负异常(0～42‰),底部δ13C值接近生物甲烷气碳同位素值(-50%0),表明该站位DIC来源主要为生物甲烷气厌氧氧化作用(AOM)。通过线性拟合计算得到两个站位的SMI深度分别为18.6m和8.4m。两个站位距离相近,DS-2012-A站位存在一定程度的SOM和不明显的AOM作用,我们可以将该站位假定为能够代表整个区域初始沉积环境的参考站位。通过对两个站位硫酸根还原速率的对比,可以定性-半定量地计算出DS-2012-B站位所在区域AOM过程所带来的影响占据了整个硫酸根消耗的91.3%,说明在DS-2012-B站位存在剧烈的甲烷厌氧氧化作用。相同的沉积环境表现出了完全不同的硫同位素分馏特征,因此,抛开温压条件和酸碱度条件,微生物活动是影响两个站位发生不同程度硫同位素分馏的主要因素,而具体一点来讲主要是AOM过程导致。另外,DS-2012-A和DS-2012-B站位硫同位素富集因子分别为27.2%0和16.7%o(对应硫同位素分馏系数为1.027和1.017),说明后者具有更高的硫酸盐还原速率,这也与我们计算所得的两个站位的硫酸盐还原速率相吻合(分别为0.66×10-11 mol m-3s-1和7.63×10-11molm-3s-1),进一步说明了DS-2012-B站位所在区域具备天然气水合物成矿的地球化学条件。 【关键词】：南海 天然气水合物 沉积物孔隙水 地球化学 硫同位素
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P618.13;P744.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 与天然气水合物有关的浅表层沉积物孔隙水研究10-14
• 1.1.1 排盐效应和孔隙水盐度异常11-12
• 1.1.2 与微生物活动有关的元素异常12-13
• 1.1.3 硫酸根和SMI13-14
• 1.2 南海天然气水合物赋存区沉积物孔隙水研究14-15
• 1.3 存在的问题15-17
• 第二章 地质背景17-19
• 2.2 西沙海槽17
• 2.3 东沙海域17-19
• 第三章 样品采集和分析方法19-23
• 3.1 样品采集和处理19-22
• 3.1.1 站位信息19-20
• 3.1.2 岩心特征20-21
• 3.1.3 孔隙水样品提取和处理21-22
• 3.2 孔隙水样品常规测定分析方法22-23
• 第四章 硫同位素分析方法研究23-30
• 4.1 测定原理23-24
• 4.2 测试方法24-27
• 4.2.1 样品准备24-25
• 4.2.2 仪器参数配置25-26
• 4.2.3 数据处理26-27
• 4.3 结果和讨论27-29
• 4.3.1 长期稳定性和精度27
• 4.3.2 基质效应及其校正27-28
• 4.3.3 测定孔隙水样品28-29
• 4.4 小结29-30
• 第五章 西沙海槽XS-2012站位沉积物孔隙水地球化学特征30-39
• 5.1 元素基本特征30-33
• 5.1.1 盐度特征30
• 5.1.2 微生物地球化学作用相关元素特征30-31
• 5.1.3 碘离子特征31-33
• 5.2 溶解无机碳(DIC)碳同位素特征33-34
• 5.3 溶解硫酸盐及其硫同位素特征34-37
• 5.3.1 硫酸根浓度和SMI35
• 5.3.2 硫酸根还原速率35-36
• 5.3.3 硫同位素分馏特征36-37
• 5.4 小结37-39
• 第六章 东沙海域DS-2012-A和DS-2012-B站位沉积物孔隙水地球化学特征39-52
• 6.1 元素基本特征39-43
• 6.1.1 氯离子浓度特征39-40
• 6.1.2 微生物地球化学作用相关元素特征40-42
• 6.1.3 碘离子特征42-43
• 6.2 溶解无机碳(DIC)碳同位素特征43-44
• 6.3 溶解硫酸盐及其硫同位素特征44-50
• 6.3.1 硫酸根浓度和SMI44-46
• 6.3.2 硫酸根还原速率46
• 6.3.3 硫同位素分馏特征46-50
• 1. 基本特征46-48
• 2. 硫同位素分馏原理讨论48-49
• 3. 硫同位素分馏的控制因素49-50
• 6.4 小结50-52
• 第七章 结论52-54
• 参考文献54-67
• 致谢67-68
• 个人简历68-69

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