海底冷泉标志与主要冷泉区的分布和比较

席世川; 张鑫; 王冰; 栾振东; 陈长安; 阎军

doi:10.16028/j.1009-2722.2017.02002

海底冷泉标志与主要冷泉区的分布和比较

1.
中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室，青岛 266071

2.
中国科学院大学，北京 101400

基金项目:
中国科学院“热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响”战略性先导科技专项(XDA11040301, XDA11030301)

详细信息

作者简介: 席世川(1992—), 男，在读硕士，主要从事海底热液/冷泉研究工作. E-mail:15501265293@163.com

通讯作者: 张鑫(1981—), 男，博士，研究员，主要从事深海探测若干关键技术方法、热液/冷泉地球化学方面的研究工作. E-mail:xzhang@qdio.ac.cn

中图分类号: P736.12

收稿日期: 2016-10-26

刊出日期: 2017-02-28

THE INDICATORS OF SEABED COLD SEEP AND COMPARISON AMONG MAIN DISTRIBUTION AREAS

1.
Key Laboratory of Marine Geology and Environment, The Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China

2.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101400, China

More Information

Corresponding author: Zhang Xin, xzhang@qdio.ac.cn

Received Date: 26 October 2016

Publish Date: 28 February 2017

摘要

摘要:
海底冷泉从发现到现在已经近40年，主要发生在大陆边缘及边缘海盆地。海底冷泉的地球物理探测、地球化学研究、地质现象等提供了冷泉的寻找标志。在研究海底冷泉的过程中，一般从地球物理探测、海洋原位探测、生物地球化学和生物标志化合物等角度去研究冷泉的形成过程及环境，这些研究巩固并扩展了冷泉的寻找标志。对于沉积物中的元素，采用主成分因子分析法判断物质来源和分布，为分析冷泉的产物时提供了一个宏观背景。重点比较了我国近海的7个冷泉区域，并从冷泉碳酸盐岩和生物群落两方面对全球3种代表性的地质背景下的冷泉区域做了比较。通过比较指出了冷泉研究存在的问题和未来的研究方向。
- 冷泉 /
- 甲烷 /
- 生物群落 /
- 冷泉碳酸盐岩 /
- 原位探测
Abstract:
It is almost 40 years since the first seabed cold seep was discovered. Cold seeps mainly occur on the edge of continental margins and marginal-sea basins. The geophysical, geochemical and geological characteristics of submarine cold seeps are of great significance to the understanding of cold seeps. Geophysical and biogeochemical indicators, biomarker compounds and in-situ monitoring are important to the study of the forming mechanism and environments of cold seeps. As far as the elements of sediments are concerned, major component may contribute to the discrimination of source materials and provide a background for study of cold seeps. A total of 7 cold seep areas from China and 3 areas abroad are selected for comparison of authigenic carbonates and their biocenosis. Discussion is made on future tasks in cold seep studies.
- cold seep /
- methane /
- biocenosis /
- authigenic carbonates /
- in-situ monitoring

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图 1 全球冷泉分布

Figure 1.

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图 2 海底冷泉碳酸盐岩

Figure 2.

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图 3 冷泉生物群落

Figure 3.

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表 1 海底冷泉主要特征简表

Table 1. The main characteristics of seabed seeps

类别	特征
地质现象	冷泉碳酸盐岩：冷泉渗漏的产物，通常结壳状、结核状、烟囱状、角砾状、块状等, 主要主要为镁方解石、白云石和文石，但常是以单一矿物为主；
	泥底辟：深部气源向上运移的良好通道，使气体能在合适的温压下成矿，例如天然气水合物；
	泥火山：泥底辟顶部直接挤出海底，流体沿底辟体向上运移形成的地质体，在冷泉区域较常见；
	麻坑：流体排放形成的海底凹陷，往往与深部气体逸散有关；
	生物礁：与浅层气或冷泉存在有关的似珊瑚的岩群^[2]
	海底滑坡：一些是因为冷泉渗漏或天然气水合物分解造成陆坡失稳，进而滑坡，造成较大的空间；
	深水珊瑚礁：石化冷泉口, 经常与碳酸盐丘共存^[2]
	水合物脊：冷泉渗漏区，在该区域广泛发育天然气水合物。
地球物理	BSR：判断天然气水合物的重要标志，但是可以作为冷泉的气源的一个参考；
	空白带：数字地震数据反映的大幅度负相带；
	声学噪音指示气体存在的不规则地震反射结构；
	地球物理测井：气测异常、电阻率增高、低自然电位、密度降低、声波时差降低、中字孔隙度增大、介电常差异、自然伽马曲线降低或者无明显变化、地层微电阻率扫描所反映的一些地质异常等都可以作为参考；
	多波束回声探测深度和背散射数据:指示冷泉区动物群^[27]。
地球化学	冷泉碳酸盐岩：δ¹³C一般在－60‰~－5‰之间，而δ¹⁸O范围是-2‰~7‰，但通常表现为正值；
	孔隙水中Cl^-、SO₄^2-的浓度异常低，孔隙水中δ¹⁸O异常和沉积物CH₄异常，可以作为辅助判断；
	自生黄铁矿、菱铁矿、石膏、重晶石等都是冷泉碳酸盐岩常见矿物；其中黄铁矿常以长管状和草莓状集合体出现，具有极低δ¹³C值，重晶石呈多孔或烟囱状产出。
冷泉生物	初级生产者：甲烷氧化菌、硫酸盐还原菌和共生的甲烷氧化菌、硫酸盐还原菌；
	一级消费者：主要包括菌席(橘黄色，生活在富氧水体沉积物界面附近)和深海双壳类(贻贝类和蛤类)及蠕虫(管状群蠕虫和冰蠕虫)多毛类动物以及海星、海胆、海虾等，其中管状蠕虫只出现在冷泉流速较低的环境；
	二级消费者：鱼、螃蟹、扁形虫、冷水珊瑚等；
	底栖有孔虫：其碳酸盐壳体碳同位素可作为指示冷泉甲烷通量变化的潜在指标^[28]。

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表 2 我国海底冷泉区域特征

Table 2. The regional characteristics of seabed cold seep in China

分布海域	冷泉碳酸盐岩	生物特征	其他描述	区域代表性岩石和矿物	资料来源
神狐海域	灰色烟囱状、锥柱状或富含生物屑的块状，自生矿物主要为铁白云石、高镁方解石、文石少量菱铁矿，δ¹³C值-40.4‰~-38.7‰，δ¹⁸O值3.8‰~4.3‰	双壳类、珊瑚、管状蠕虫	浅层具备较厚的水合物稳定域，深部发育较厚的优质烃源岩；神狐海区同时存在甲烷缺氧氧化古细菌相关和硫酸盐还原细菌相关的两大类生物标志化合物，化合物具有强烈亏损的δ¹³C值和冷泉碳酸盐中极负的δ¹³C值表明其碳源为甲烷的生物成因以及该区曾发生过强烈持续的富甲烷流体释放活动；冷泉具有多期多次活动特征		葛璐等^[59] 陆红锋等^[60] 佟宏鹏等^[61]
西沙海槽	碳酸盐结壳具有多孔结构，冷泉矿物为文石和重晶石，文石呈针状，重晶石呈矮柱状；δ¹³C值为-13.30 ‰~-29.59‰, δ¹⁸ O值为2. 32‰~3.74‰。	菌席、双壳类	冷泉碳酸盐岩的δ¹³C值表明其碳源主要为甲烷的热解成因，但也存在少量浅部生物成因；沉积物烃类气体(甲烷和乙烷)来源比南沙丰富；SMI界面相对较浅		佟宏鹏等^[61] 孙春岩等^{[62, 63]}
南沙海槽	冷泉碳酸盐岩主要伴生矿物为草莓状的黄铁矿，多孔状石膏；	无资料	海底下数米内甲烷浓度增加上千倍；沉积物中的甲烷含量异常；陡的SO₄^2-梯度、SM I较浅和甲烷含量快速增加		陈忠等^[64] 陈忠等^[65]
冲绳海槽	矿物主要是文石、白云石和高镁方解石.大多数样品只含单一碳酸盐矿物。主要发现自生黄铁矿，其硫同位素呈现正异常。δ¹³C值为-36.19 ‰~-53.74‰, δ¹⁸O值为0.63‰~3.41‰	无资料	发育泥火山、泥底辟，为地层中超高压气体及低密度流体向上迁移的有效通道，随着深度增加急剧亏损的硫酸盐浓度、强烈增加的甲烷浓度、显著增加的TA浓度和硫化氢浓度，以及孔隙水异常所指示的甲烷渗漏		栾锡武等^[66] 李清等^[67] 王蒙等^[68] 朱志敏等^[69] Sun等^[70]
台西南海域	烟囱，结壳状，灰白色—灰黑色，主要由方解石、文石，黄铁矿，少量白云石，δ¹³C值-57.6‰~-35.7‰，δ¹⁸O值2.4‰~7. 5‰	菌席、贻贝类、蛤类、管状虫、多毛蟹和虾等	泥火山、泥底辟、麻坑较发育，已在5个站位发现冷泉碳酸盐岩，主要是高镁方解石，其碳源主要为甲烷的生物成因，并且流体富含¹⁸O，沉积物中烃类气体以甲烷为主，个别出现少量乙烷		陈忠等^[2] 佟宏鹏等^[61]
东沙群岛东北海域	半固结的不规则结壳状、多孔状、烟囱状，主要以高镁方解石，文石为主，少量铁白云石、白云石、菱铁矿；δ¹³C均值-61.4‰~-33‰，δ¹⁸O值1.4‰~5.3‰	菌席、管状蠕虫、双壳类腹足、珊瑚	已在19个站位采集到冷泉碳酸盐岩样品分布在九龙甲烷礁及其附近海域、深水区和一些零散分布的站位；发育巨大面积的冷泉碳酸盐岩，泥底辟发育；含有碳酸盐岩中含丰富的AOM生物标志化合物和强烈的¹³C亏损；碳酸盐岩发育区曾发生过强烈、持续的CH₄流体活动，碳酸盐岩的碳源主要为甲烷的生物成因		于晓果等^[11] 陆红锋等^[60] 佟宏鹏等^[61] Han等^[71]
东沙群岛西南海域	角砾状、球状、椭球状、烟囱状、胶结块。含铁白云石、菱铁矿，少量文石、方解石等, δ¹³C均值-36.1‰~-18.2‰，δ¹⁸O值0.4‰~3.6‰	冷水珊瑚，管状蠕虫	冷泉碳酸盐岩大致在水深470~650 m海底表层，附生底栖有孔虫D.semiungulata在东沙西南区域大量出现，并且其活体底栖有孔虫的碳同位素与相同水深控制站位相比明显负偏，指示该地区可能存在冷泉活动；冷泉碳酸盐岩进一步研究表明其碳源为甲烷的生物成因的可能性大，但也有部分是热解成因的，该海域存在至少3次较大的冷泉流体活动, 形成了不同期次的碳酸盐沉积；∑REE值高于其他海域		Wang等^[72] 向荣等^[55] Tryon等佟宏鹏等^[61] 陈忠等^[73]

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表 3 典型地质背景下冷泉区域的特征

Table 3. The regional characteristics of cold seep from typical geological background

分布区域	地址背景	沉积产物	其他特征	区域代表性岩石和矿物	资料来源
墨西哥湾布什海山	被动大陆边缘	冷泉碳酸盐岩呈固结或半固结的结壳，几乎全部由文石组成，仅含少量的方解石和白云石；草莓状黄铁矿	生物碎屑主要由双壳类、管状蠕虫和有孔虫组成，生物碎屑保存较好，表明其为原地生长；Ce负异常或正异常，无异常表明其形成为氧化或还原环境；碳酸盐岩碳的来源主要是非甲烷的碳烃化合物		邸鹏飞等^[79]
中国南海	边缘海盆地	冷泉碳酸盐岩普遍发育烟囱状、结壳状，还会出现球状、多孔状；以文石、方解石为主，主要伴生矿物有黄铁矿、菱铁矿	冷泉生物有菌席、贻贝类、蛤类、双壳类，冷水珊瑚等；碳酸盐岩碳的来源主要是甲烷的生物成因；部分地区是热解成因或者混合成因		于晓果^[11] 陆红锋^[60] 佟宏鹏等^[61] Han等^[71]

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