海底冷泉沉积的硫同位素地球化学特征及其指示意义
文献类型：学位论文
| 作者 | 宫尚桂 |
| 答辩日期 | 2019 |
| 授予单位 | 南海海洋研究所 |
| 导师 | 冯东 |
| 关键词 | 冷泉 硫酸盐还原作用，多硫同位素，黄铁矿，重晶石 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 海洋地质 |
| 其他题名 | Sulfur isotope characteristics of seep deposits and its geochemical implications |
| 英文摘要 | 沉积记录中的硫同位素组成可以揭示硫的生物地球化学过程，硫酸盐还原速率，海水硫酸根浓度，硫的循环过程等重要信息，进而可以反演地质历史时期地球表层氧化还原环境，联系碳、硫循环过程。以甲烷及有机质为电子供体的硫酸盐还原过程是控制全球碳硫循环最重要的生物地球化学过程。因此，近几十年来，国际上开展了大量硫酸盐还原细菌厌氧培养实验，促进了对微生物硫酸盐还原过程中硫同位素分馏的认识，近年来特别关注了多硫同位素。然而，沉积记录中含硫化合物的硫同位素组成并非单一受到硫酸盐还原过程影响，还受到硫化物氧化歧化反应、反应物和产物的扩散对流、埋藏累积效应等成岩过程的影响。同时，微生物硫酸盐还原过程中硫同位素分馏程度在实验室和自然环境中是否存在很大差异仍然未知。这一关键问题的回答是硫同位素地球化学在地质运用中的先决条件。因此，有必要针对冷泉沉积开展深入的硫同位素研究，确定沉积记录的硫同位素与沉积环境的关系，不同沉积环境中硫同位素分馏程度及其与实验室细菌培养结果的差异性。本文以冷泉系统发育的重晶石、自生碳酸盐岩和沉积物孔隙水为对象，研究其硫同位素特征，重点围绕以下三个具体的科学问题展开：（1）如何识别地质历史时期甲烷渗漏强度; （2）如何识别地质历史时期富甲烷沉积环境；（3）甲烷渗漏较弱的环境中，硫酸盐还原过程中多硫同位素组成特征与指示意义。与甲烷厌氧氧化过程（AOM）耦合的硫酸盐还原过程（MSR）是限制海底向上渗漏的甲烷向地球表层释放的重要过程，同时在全球碳硫循环及表层环境演化中扮演重要角色。甲烷渗漏强度关系到对下覆天然气和水合物的埋藏通量、稳定性及快速渗漏对局部乃至整个海水甚至大气环境影响的评估。现代海洋沉积物中甲烷渗漏强度可以通过海底观测确定，但对地质历史时期甲烷渗漏强度的识别一直以来缺乏有效的手段。冷泉环境中AOM-SR过程释放的硫化物可以有效记录硫化氢的同位素组成，并且其同位素组成与沉积环境密切相关。根据前人的研究成果本文猜想在渗漏弱时，黄铁矿沉积环境相对封闭，硫化氢硫同位素偏正；渗漏强时，AOM-SR可利用的硫酸根同位素相对负，产生的硫化氢同位素相对偏负。为了检验这一猜想，以南海北部F站位及“海马”冷泉站位采集的冷泉碳酸盐岩为研究对象，分析了其主微量元素组成，黄铁矿硫含量及其硫同位素（δ34SPy）。研究结果显示，Mg/Ca比高、Sr/Ca比低的冷泉碳酸盐岩中δ34SPy相对偏正；相反，Mg/Ca比低、Sr/Ca比高的冷泉碳酸盐岩中δ34SPy相对偏负。前者主要以高镁方解石为主，Mo/Py的含量比相对低，指示相对开放渗漏较强的沉积环境；后者主要以文石为主，Mo/Py的含量比值相对高，指示相对封闭渗漏较弱的沉积环境。因此，冷泉碳酸盐岩黄铁矿及主微量元素的结合可以有效指示甲烷释放强度。以甲烷为电子供体的硫酸盐还原作用在全球海洋沉积环境中普遍发生，是控制海底向上渗漏甲烷通量的关键生物地球化学作用。而早期地球富含甲烷的海水环境及地质历史时期甲烷大规模释放事件中，与甲烷厌氧氧化耦合的硫酸盐还原作用（AOM-SR）更加显著。因此，AOM-SR的识别是研究全球硫循循环，地质历史时期特殊事件，早期地球环境演化研究的重要前提工作。相对有机质厌氧氧化驱动的硫酸盐还原作用（OSR）, AOM-SR利用使得残余的硫酸根中δ18O vs. δ34S呈现出低斜率的线性关系，因此保存残余硫酸根的地质载体（重晶石，碳酸岩晶格中硫酸根）可以有效识别AOM-SR作用。但由于沉积环境中海水及硫酸根的氧同位素和成岩过程都会对地质记录载体中硫酸根的δ18O vs. δ34S造成影响，因此该方法具有一定的局限性。根据硫氧同位素分馏在AOM-SR与OSR过程中的不同表现，猜想多硫同位素分馏在两个不同过程中也具有显著差异。通过墨西哥湾冷泉重晶石的多硫同位素测试，建立反应运移模型模型，首次获得AOM-SR过程中多硫同位素分馏系数（34α=0.970~0.990; 33θ=0.5095~0.5117）。该多硫分馏系数使得重晶石多硫同位素组成（Δ33S vs.δ34S 负相关）与现代海洋沉积环境中OSR作用下的孔隙水硫酸根（Δ33S vs.δ34S正相关）表现出相反规律。由此建立了利用重晶石多硫同位素识别地质历史时期AOM-SR的新方法。硫酸根细菌培养实验表明多硫同位素分馏系数1000ln34α和33θ（ln33α/ ln34α）具有负相关性。这一多硫同位素分馏特征被广泛运用到现代沉积环境硫的生物地球化学过程，古海洋硫循环及地球表层海洋环境演化等科学问题的探究。然而，细菌群落、电子供体种类等控制硫同位素分馏程度因素在实验室和自然环境中存在明显差异，因此实验室培养获得微生物硫酸盐还原过程中多硫同位素分馏规律的认识能否真实反映自然环境的情况不得而知，即现代海洋沉积环境中的微生物硫酸盐还原过程1000ln34α和33θ并不一定存在负相关关系。测试了南海北部重力活塞柱孔隙水硫酸根多硫同位素，通过反应-运移模型计算了现代海洋沉积环境中微生物硫酸盐还原过程中多硫同位素分馏系数。结果显示1000ln34α和33θ分别为32.5±1.5‰和0.5182±0.0006。而前人实验室细菌培养数据显示，当1000ln34α在32‰时，33θ值应该在0.5110~0.5125之间。同时，33θ值大于0.5150的沉积环境通常被认为是由于中间价态硫歧化反应所贡献的。而在本研究中孔隙水的Δ(DIC+Ca2++Mg2+)/ΔSO42-接近2:1，表明硫酸根的消耗主要以有机质降解为主，因此并不支持硫化物氧化再歧化的硫循环过程。微生物硫酸盐还原过程中33θ大于0.5150可能是由于细胞内中间价态硫循环导致的。综上，多硫同位素在地质问题的应用中需要被重新审视。研究初步表明了硫同位素地球化学是解决冷泉系统生物地球化学过程和沉积记录等领域关键科学问题最重要的手段之一。特别是多硫同位素等新概念的提出和成功应用能够从更高的一个维度反映更具体的过程。但冷泉系统硫同位素地球化学有其自身的复杂性，成功搭建甲烷释放有关的现代生物地球化学过程和沉积记录的桥梁还需要开展理论模型研究，实验室培养实验和自然界样品的对比研究，地质微生物学、生物地质学和同位素地球化学等多学科交叉等进一步的工作。 |
| 源URL | [http://ir.scsio.ac.cn/handle/344004/18132]  |
| 专题 | 南海海洋研究所_学位论文（博士） |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 宫尚桂. 海底冷泉沉积的硫同位素地球化学特征及其指示意义[D]. 南海海洋研究所. 2019. |
入库方式： OAI收割
来源：南海海洋研究所
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