海洋天然气水合物地质系统的底栖有孔虫稳定同位素响应

【摘要】： 海洋天然气水合物地质系统为一长期处于动态稳定状态的地质系统,其中赋存的天然气水合物在其长期的演化过程中会因多种影响机制(海平面升降、构造作用、海洋过渡带水变暖等)的触发而形成多幕次的甲烷渗漏作用,该甲烷渗漏作用对气候变化、全球的碳收支以及大气中的甲烷含量有重大的贡献作用,尤其是其形成的富硫化氢气体、富甲烷和缺氧的极端环境,对于研究极端环境下环境对生物的影响作用,以及很有可能的早期生命演化研究具有重要的意义。但是天然气水合物地质系统中甲烷渗漏作用的强度、持续周期的长短、渗漏作用的幕次以及甲烷渗漏作用的触发机制等问题仍然是天然气水合物地质系统研究中尚未解决的关键问题,这些问题的解决对于探索天然气水合物的动态演化、水合物地质系统对于全球气候变化影响以及海底微环境的响应等具有至关重要的意义。 现代海洋中底栖有孔虫以其较高的丰度、对不同环境的高灵敏度反应以及较好的化石保存记录而作为一个重要的信息记录媒介在古环境和古海洋重建中发挥了重要的作用。以底栖有孔虫壳体同位素特征为研究载体探索天然气水合物地质系统的甲烷渗漏作用进行的研究具有广泛的研究背景和坚实的研究基础。国内外多位学者已对南中国海；东南太平洋秘鲁；墨西哥湾；东北太平洋加利福尼亚；东北太平洋水合物脊；东北太平洋Cascadia边缘；巴伦支海；亚得里亚海；东北阿拉伯海；新西兰东部；巴布亚湾和西北太平洋北海道等多个海域的天然气水合物地质系统中甲烷渗漏作用影响下底栖有孔虫进行了壳体碳氧同位素方面的研究,提出天然气水合物地质系统的甲烷渗漏作用能够间接影响底栖有孔虫壳体碳氧同位素特征。本文通过总结分析以上发表的研究成果中甲烷渗漏作用背景下底栖有孔虫(Uvigerina peregrina和Bulimina mexicana)的壳体同位素特征,发现在甲烷渗漏背景下底栖有孔虫壳体碳同位素存在一定程度的负偏(0‰～-6‰PDB),最低值可达-15.58‰PDB；而当天然气水合物处于稳定状态或者甲烷渗漏作用很微弱的时候,有孔虫壳体记录的则为正常海洋背景下的孔隙水地球化学特征,碳同位素位于0‰～-1.75‰PDB范围内。其原理可能是由于海水温度升高、海平面下降以及构造活动等因素影响导致的水合物不稳定分解,释放出的甲烷气体与孔隙水中的硫酸根离子发生甲烷厌氧氧化作用(AOM),对于孔隙水中溶解的无机碳(DIC)产生了重要影响,生存于此环境中的底栖有孔虫可以通过其钙质壳体很好地记录这一地球化学特征。依据此原理,可以很好地识别天然气水合物地质系统的甲烷渗漏作用,并根据底栖有孔虫壳体的碳同位素负偏程度可以在一定程度上指示甲烷渗漏作用的强度,同时通过对沉积物岩心连续取样进行的高分辨率底栖有孔虫同位素地球化学研究可以较好地识别水合物地质系统的多幕次甲烷渗漏作用；幕次甲烷渗漏作用的持续时间；以及强度等,同时可以对水合物地质系统的动态演化历史具有较好的揭不。 本文系统地开展了综合大洋钻探计划IODP 311航次所获得的5个站位岩心沉积物样品中的底栖有孔虫种属(Uvigerina peregrina和Bulimina mexicana)的壳体同位素特征研究,得到了以下几点认识： 1.通过体视镜和扫描电镜观察发现：两个种属U. peregrina和B. mexicana的壳体保存完整,壳体表面微孔敞开,未受到自生碳酸盐岩的胶结和充填,后期的成岩改造作用微弱； 2.两个种属的壳体碳、氧同位素存在较大的变化范围,负偏的碳同位素和正偏的氧同位素特征反映了甲烷渗漏作用形成的甲烷厌氧演化作用以及天然气水合物分解释放出富含H218O对孔隙水的影响； 3.沉积物岩心中底栖有孔虫壳体碳、氧同位素研究表明：天然气水合物地质系统在演化过程中存在多幕次的甲烷渗漏作用,底栖有孔虫可以很好地记录这一过程,并在其壳体中呈现较典型的多幕次碳同位素负偏； 4.更新世以来,底栖有孔虫壳体记录的天然气水合物地质系统的多幕次甲烷渗漏作用与10万年尺度的全球海平面升降变化相一致,很好的印证了间冰期、冰期的交替导致的海平面升降变化对于水合物地质系统的稳定性有重要的影响作用； 5.主动大陆边缘背景下天然气水合物地质系统的演化对于天然气水合物稳定性的影响有着最本质的决定作用,在主动大陆边缘背景下,天然气水合物地质系统的演化必然经历水合物的初始形成阶段、成熟稳定阶段和分解消亡阶段,这一演化特征在不同站位背景下底栖有孔虫壳体同位素特征上有很好地反映。 该研究成果率先对天然气水合物地质系统在第四纪以来长尺度(2Ma)演化过程中的多幕次甲烷渗漏作用进行较完整的揭示,限于研究样品的分辨率,本研究中所揭示的甲烷渗漏作用主要为十万年尺度,但是即便如此,本研究仍为首次对该时间尺度该分辨率背景下水合物地质系统的甲烷渗漏作用进行的较完整的研究。 【关键词】：天然气水合物地质系统 多幕次甲烷渗漏 底栖有孔虫 碳、氧稳定同位素
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：P744.4
【目录】：

• 作者简介5-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-13
• 第一章 绪论13-17
• §1.1 选题目的和意义14
• §1.2 选题研究方案14-15
• §1.3 完成主要工作15-17
• 第二章 现代海洋天然气水合物地质系统17-29
• §2.1 海洋天然气水合物简介17-21
• 2.1.1 天然气水合物的分布和储量17-18
• 2.1.2 天然气水合物的性质与形成18-20
• 2.1.3 天然气水合物的分解20-21
• §2.2 现代海洋天然气水合物地质系统21-29
• 2.2.1 地球物理特征21-22
• 2.2.2 自生矿物特征22-25
• 2.2.3 孔隙水地球化学特征25-26
• 2.2.4 生态学特征26-29
• 第三章 底栖有孔虫的生物地球化学特征29-35
• §3.1 底栖有孔虫生态29-30
• §3.2 底栖有孔虫的壳体碳同位素特征30-35
• 第四章 底栖有孔虫碳稳定同位素特征对天然气水合物地质系统的指示35-55
• §4.1 IODP 311航次简介35-41
• 4.1.1 孔隙水地球化学特征39-40
• 4.1.2 生物地层学特征40-41
• §4.2 样品处理和分析方法41
• §4.3 底栖有孔虫碳氧稳定同位素特征41-44
• 4.3.1 底栖有孔虫壳体形貌特征41
• 4.3.2 底栖有孔虫碳氧稳定同位素特征41-42
• 4.3.3 底栖有孔虫同位素特征成因探讨42-44
• §4.4 底栖有孔虫稳定同位素特征对甲烷渗漏作用的指示44-46
• §4.5 底栖有孔虫碳氧稳定同位素特征对天然气水合物地质系统的指示46-55
• Site U132547
• Site U132647-48
• Site U132748-49
• Site U132849-50
• Site U132950-55
• 第五章 结论与存在问题55-57
• 致谢57-59
• 参考文献59-67
• 图版 底栖有孔虫壳体显微形貌特征分析67-68

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