论文部分内容阅读
富甲烷流体广泛分布于海底冷泉区和天然气水合物发育区。这些富甲烷流体的地球化学特征能记录冷泉活动状态、水合物发育状况和正在发生的生物地球化学过程，如有机质硫酸盐还原作用(OSR)和甲烷缺氧氧化作用(AOM)等，是认识和了解海底冷泉和天然气水合物系统的重要渠道。因此，本文对采集自南海天然气水合物钻探区东沙海域（D17-15和D08-13）和神狐海域(SH-W01和SH-W02)的重力柱状沉积物的孔隙水样品进行了阴阳离子(SO42-、Cl-、PO43-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+)、微量元素(Sr2+、Ba2+)、溶解无机碳(DIC)及δ13CDIC等地球化学参数分析，通过一维反应-运移模型进行了数值模拟，用来确定海底浅表层沉积物中甲烷的运移转化过程及其反应速率，计算研究区海底甲烷的渗漏通量，为评估南海天然气水合物发育区的资源潜力提供参考。 南海东沙海域水合物钻探区的D17-15和D08-13柱样孔隙水地球化学特征显示早期成岩过程中硫酸根的还原过程是通过不同的生物地球化学作用完成。D17-15站位的硫酸盐-甲烷转换带(SMTZ)位于离海底约6.6 m。D17-15浅的SMTZ界面、硫酸盐浓度-深度剖面呈直线衰减、紧邻SMTZ界面之下Ba离子浓度突然增加及13CDIC极端亏损等特征说明此站位存在强烈的AOM。 D08-13站位硫酸盐浓度随深度变化不明显，Mg2+、Ca2+和DIC及其δ13CDIC值表明该站位以OSR为主。数值模拟结果显示D17-15和D08-13总的硫酸根向下扩散通量分别为35.3 mmol m-2yr-1和16.6 mmol m-2yr-1，甲烷向上的扩散通量分别为30 mmolm-2yr-1和0.1 mmol m-2yr-1。根据模型计算的反应速率，D17-15和D08-13站位AOM消耗的硫酸盐占总硫酸盐消耗量的比例分别约为85％和0.5％。虽然孔隙水的(ΔDIC+ΔCa2++ΔMg2+)/ΔSO42-图解显示D08-13站位硫酸盐还原过程主要是通过OSR进行，但D17-15站位依然显示硫酸盐消耗由OSR主导，与上述该站位孔隙水特征和数值模拟结果不符。 神狐海域的SH-W01和SH-W02的硫酸盐-甲烷转换带(SMTZ)分别位于离海底约7.0 m和约15.5 m。这两个站位浅的SMTZ界面、硫酸盐浓度-深度剖面呈直线衰减、DIC和磷酸根的异常高值等特征说明SH-W01和SH-W02存在AOM作用。孔隙水的(ΔDIC+ΔCa2++ΔMg2+)/ΔSO42-图解表明SH-W01和SH-W02硫酸盐还原过程由OSR和AOM作用共同参与进行。这一初步判断符合孔隙水剖面的数值模拟结果。模拟结果显示SH-W01和SH-W02站位总的硫酸根向下扩散通量分别为28.4 mmol m-2yr-1和18.4 mmol m-2yr-1。这两个站位甲烷向上的扩散通量分别为21 mmol m-2yr-1和12.7 mmol m-2yr-1。相比于OSR消耗硫酸盐，AOM消耗的硫酸盐占总的消耗量比例是SH-W01站位为74％、SH-W02站位为69％。 通过孔隙水特征和模拟结果与孔隙水(ΔDIC+ΔCa2++ΔMg2+)/ΔSO42-图解结果对比分析发现，图解只适用于初步判断东沙海域D08-13和神狐海域SH-W01、SH-W02站位的OSR和AOM消耗硫酸根的相对比例，但并能适用于东沙海域的D17-15站位。这是由于D17-15站位SMTZ界面之下产甲烷作用贡献了大量DIC的结果。事实上，D17-15站位SMTZ界面下产甲烷作用非常强烈，产甲烷速率达到了3.8 mmol m-2yr-1，远高于D08-13和SH-W02站位。对D17-15和SH-W01、SH-W02的SMTZ深度与甲烷通量进行相关分析(R2=0.77)，显示较好的相关性，表明D17-15和SH-W01、SH-W02的SMTZ深度主要是由向海底运移的甲烷通量所控制。此外，通过与相邻海区和同海区的SMTZ深度对比分析，D17-15和SH-W01、SH-W02站位的SMTZ深度与前人研究相接近。本文中东沙和神狐海域水合物钻探区海域各个站位较浅的SMTZ深度和较大的甲烷通量可能与本区下伏沉积层广泛发育的天然气水合物有关。通过我国目前两个典型的水合物钻探区孔隙水特征和模拟研究，本文揭示的浅表层沉积物孔隙水消耗硫酸盐的路径和比例、AOM和SR速率以及甲烷的向上运移通量对于了解海底浅部与深部水合物的关系及其发育状态具有重要的指示意义。