墨西哥湾北部上陆坡Green Canyon 140冷泉活动在自生碳酸盐岩中的地球化学记录

2013-06-26卞友艳陈多福

地球化学 2013年3期

卞友艳, 陈多福

卞友艳1,2, 陈多福1*

(1. 中国科学院边缘海地质重点实验室, 广州地球化学研究所, 广东广州 510640; 2. 中国科学院大学, 北京 100049)

墨西哥湾北部上陆坡Green Canyon 140产出的冷泉碳酸盐岩可以分为结核结壳、生物碎屑结壳和块状结壳三类。三类结壳均以高镁方解石和文石为主要矿物, 另外, 结核结壳含少量白云石, 生物碎屑结壳含少量低镁方解石。团粒、凝块、草莓状黄铁矿和生物钻孔等生物成因沉积组构发育, 且含有以有孔虫和双壳类为主的生物碎屑。三类结壳的碳同位素值变化较大,13C值为－36.1‰～5.1‰, 指示了产甲烷残余CO2、海水源碳或热成因甲烷的混合碳源特征。结核结壳胶结的生物壳14C年龄为46.5～25.8 ka BP, 生物碎屑结壳为17.6～11.7 ka BP, 块状结壳为~1.2 ka BP, 显示了该地区冷泉活动的间歇性特征。

冷泉碳酸盐岩; 碳同位素; 氧同位素;14C定年; 冷泉活动; 墨西哥湾

0 引言

冷泉是指分布于大陆边缘海底来自沉积界面以下, 以水、碳氢化合物、硫化氢和细粒沉积物为主要成分的流体以喷涌或渗漏方式进入上覆水体的活动[1–2]。冷泉活动广泛发育于全球大陆边缘断层和泥火山发育的海域[3–4]。在冷泉系统中, 富甲烷流体从深部向上渗漏过程中, 在海底附近经甲烷氧化古菌和硫酸盐还原细菌共同新陈代谢作用, 增加环境的碱度而形成冷泉碳酸盐岩[5]。因此, 冷泉碳酸盐岩可以记录沉积流体活动的特征、生物地球化学过程以及冷泉流体与周围环境间的相互作用[6–8]。

已有的关于冷泉的研究大多报道各个地区冷泉碳酸盐岩的结构、矿物和地球化学特征, 很少有专门针对某个特定冷泉系统流体活动演化的研究, 尤其是缺乏冷泉活动在自生碳酸盐岩中的记录研究, 这在很大程度上限制了对冷泉的形成与演化、深部生物地球化学过程和演变的认识。本文以墨西哥湾北部上陆坡Green Canyon 140 (GC140) 海底冷泉活动形成的自生碳酸盐岩为研究对象, 分析其矿物、岩石和地球化学特征, 结合年代学研究, 探讨冷泉碳酸盐岩所记录的多期次冷泉间歇活动特征。

1 地质背景与样品采集

墨西哥湾是一个油气大量聚集的盆地, 盆地中盐层和盐丘十分发育。盐层的变形引起断层活动, 为流体从盆地深部油气系统向海底运移提供了有效通道, 在海底形成几百个冷泉, 并发育有冷泉生物、冷泉碳酸盐岩和天然气水合物[30–33]。本文研究的GC140区块位于墨西哥湾北部上陆坡(图1a)。地震剖面资料显示该区块浅部盐丘之上较薄的沉积层被断层破坏, 冷泉碳酸盐岩丘因受到盐丘活动的影响也发生断裂(图1b)。多个航次的测深、侧扫声纳、三维地震资料及海底实地观察和采样显示, GC140正在进行慢速的渗漏活动, 冷泉流体主要来源于深部的热成因气[2,31]。在海底发育有受断层控制呈线性分布的自生碳酸盐岩丘(图1b), 丘体直径20～100 m, 高度从几米到20 m以上不等, 周围沉积物中含有大量的碳酸盐岩岩屑和生物碎屑[2,31,34]。本研究的冷泉碳酸盐岩样品于1989年10月利用Johnson-Sea Link载人深潜器在海底浅表层(小于50 cm)采集, 水深260 m, 海底温度12.87 ℃, 该区域发育有少量管状蠕虫和海绵等生物。

图1 墨西哥湾大陆坡Green Canyon 140位置示意图(a)及GC140与邻近地区地质剖面示意图(b)

(a)据Aharon.[26]修改。图中的阴影区为Green Canyon区, 140区块位于该区的左上侧。(b)图显示了海底表面以下的盐丘、盐底劈引起的断层及其与冷泉碳酸盐岩丘的关系(据Aharon[26]修改)。样品采集于GC140区海底的冷泉碳酸盐岩丘。

In Fig.1a, the shade area is the Green Canyon and the GC140 block is located in the top-left corner. In Fig.1b, the samples were collected from the carbonates chermoherm at seafloor.

2 分析方法

本文所研究的冷泉碳酸盐岩样品在采集后用淡水清洗, 自然风干, 室温保存于路易斯安那州立大学实验室。通过手标本观察选取典型结构制成薄片, 应用LEICA-DMRX光学显微镜结合Leica Qwin软件观察沉积结构, 通过高清晰数码相机LEICA DC500拍摄显微图像。岩石学和矿物学分析工作在中国科学院广州地球化学研究所完成。碳酸盐岩破裂的新鲜断面微结构在中国科学院广州能源研究所完成, 表面经过喷铂金(20 s)处理后的样品用场发射扫描电子显微镜HITACHI S-4800观察并照相, 工作电压为2.0 kV, 工作距离为7~13 mm, 元素成分通过能谱仪HORIBA EX-250确定。

碳酸盐岩物相分析(XRD)在中国科学院广州地球化学研究所完成。测试样品用玛瑙研钵研磨至200目以下, 使用Rigaku DXR 3000进行X射线衍射分析, 工作参数为Cu靶Kα射线, 石墨单色器, 测试电压40 kV, 电流40 mA, 扫描角度5～65°(2), 步进扫描, 步宽0.02°(2), 每5 s完成一个步宽, 发散狭缝为0.5°, 接受狭缝为0.15 mm, 防散射狭缝为0.5°。矿物百分含量以[104]峰作为校准曲线计算方解石、镁方解石和白云石的比例, 以[111]峰高计算文石的相对含量[9]。通过[104]峰高计算碳酸盐矿物中镁的含量[35–36]。方解石中MgCO3＜5 mol%为低镁方解石, MgCO35～20 mol%为高镁方解石[37]。MgCO330～50 mol%的碳酸盐相为白云石[38]。

碳酸盐的碳、氧同位素测定采用磷酸法, 在中国科学院同位素地球化学国家重点实验室完成。利用微钻在抛光的样品剖面上钻取获得分析样品, 样品与100%的磷酸在90 ℃下反应获得CO2气体, 纯化的CO2气体通过GV IsoPrime II型稳定同位素质谱仪测定。测定结果13C和18O值均相对于V-PDB标准, 分析精度前者优于0.1‰, 后者优于0.2‰。

冷泉碳酸盐岩中保存的生物壳14C年龄测定前处理在中国科学院广州地球化学研究所14C-AMS样品制备实验室完成, 用微钻去掉胶结在生物壳周围的碳酸盐后, 用蒸馏水浸泡、震荡, 并滴加0.5 mol/L HCl去除表面可能残留的胶结碳酸盐, 随后用蒸馏水反复洗涤直至中性, 然后放入冷冻干燥仪中干燥24 h。真空状态下, 将干燥的生物壳与100%的磷酸在常温下反应48 h收集CO2, 利用“密封锌还原法”将CO2气体还原成石墨[39]。制备好的石墨靶送往北京大学核物理与核技术国家重点实验室加速器质谱(AMS)中心进行14C年代测定。仪器型号为NEC 0.5 MeV14C专用加速器质谱仪, 测定精度优于3‰。

3 结果与讨论

3.1 沉积岩石学特征与生物活动

GC140冷泉碳酸盐岩主要以结壳状产出, 没有明显的层理, 依据其形貌特征(图2)和沉积岩石学特征(图3)可将其分为三类。

(1)结核结壳该类结壳的结构组分有结核和基质, 结核呈灰褐色、大小不等、形态不规则, 基质为灰色或灰白色(图2中的B-10)。有些泥晶结核单独产出(图2中的B-9)。薄片观察显示结核为泥晶结构, 而基质中含有少量的生物碎屑, 以完整的有孔虫为主, 还有少量双壳类壳体(图3a)。文石结晶扇(图3b)、团粒以及围绕团粒生长的放射状文石(图3c)等沉积组构在基质中也很发育。扫描电镜下观察到有微生物结构体(图3d)。

(2)生物碎屑结壳该类结壳为生屑结构(图2中的B-12), 生物碎屑含量高达30%以上, 以破碎的双壳类生物壳体为主, 还有少量有孔虫和苔藓虫等。基质中发育有大量卵形或椭圆形团粒, 大小均匀, 分选较好, 团粒之间充填有亮晶文石(图3e)。扫描电镜下观察到遗迹化石-微米级的生物钻孔(图3f)和结晶完好的氯化钠晶体(图3g)。

(3)块状结壳该类结壳为泥晶结构(图2中的F-2), 一些毫米级的缝隙中生长有放射状文石。结壳边缘有大量较规则、大小相近的遗迹化石-海绵钻孔。薄片显示该结壳中基本不含生物碎屑, 而各种文石结构非常发育, 如放射状文石、杆状文石、文石脉以及凝块之间充填的亮晶文石(图3h)。

另外, 三类结壳样品中均发育有草莓状黄铁矿集合体(图3i)。

冷泉碳酸盐岩中保存的特殊沉积组构对其成因有很好的指示作用, 例如团粒、葡萄状文石、凝块和草莓状黄铁矿集合体可以指示渗漏系统中的微生物活动[7,17,40]。GC140不同碳酸盐结壳中发育的团粒、凝块和草莓状黄铁矿集合体均表明该渗漏系统中存在有微生物活动, 保存完好的微生物体和微米级生物钻孔证明是微生物活动引起化学环境的微小变化而形成的特殊生物成因沉积组构。

图2 GC140冷泉碳酸盐岩结壳的形貌特征

结核结壳B-10主要由灰褐色致密的结核和灰白色的基质组成; B-9中含有多个单独产出的灰白色致密结核; 生物碎屑结壳B-12含有丰富的生物碎屑; 块状结壳F-2的剖面显示了边缘丰富的遗迹化石-海绵钻孔, 青灰色基质中有些毫米级的孔洞被针状文石充填。图中标尺为2 cm。

Nodule-rich carbonate B-10 is mainly composed of brown dense nodules and grey matrix. Nodule-rich carbonate B-9 is composed of multiple scattered nodules. Bioclast-rich carbonate B-12 is composed of high content of bioclasts cemented by matrix. Massive carbonate F-2 contains abundant entobia in the edge without little other organism traces.Inthe grey matrix,mm-sizedporeswerefillingwitharagonite. All scale bars are 2 cm.

3.2 矿物组成与沉积环境

GC140冷泉碳酸盐岩全岩样品的XRD分析显示碳酸盐矿物含量为74%～97%, 且多数大于90%, 以不同比例的文石(74.5%～18.3%)和高镁方解石(15.0%～53.8%)为主(表1)。此外, 结核结壳含有2.0%～2.3%的白云石, 生物碎屑结壳含有11.0%～12.5%的低镁方解石。结核结壳B-10也含有9.8%的低镁方解石。除B-12只有3.1%的石英之外, 其余所有样品均含有少量的长英质碎屑和粘土矿物(表1)。

3.3 碳、氧同位素与流体来源

GC140冷泉碳酸盐岩的碳同位素值变化范围较大, 结核结壳13C值为－23.2‰～5.1‰, 生物碎屑结壳13C值为－22.2‰～－8.8‰, 而块状结壳的碳同位素值最负,13C值为－36.1‰～－26.8‰。三类结壳之间的氧同位素值变化较小, 结核结壳和生物碎屑结壳的18O值比较类似, 分别为2.2‰～3.4‰和2.0‰～3.5‰, 而块状结壳18O值相对较低, 为1.9‰～2.7‰ (图4)。

图3 GC140冷泉碳酸盐岩的岩石学特征

(a)结核结壳中的泥晶结核与含少量生物碎屑的基质, 样品B-10, 单偏光; (b)结核结壳中的生物壳内壁上生长的文石结晶扇, 样品B-10, 单偏光; (c)结核结壳的基质中的团粒及围绕泥晶基质生长的放射状文石, 样品B-9, 单偏光; (d)结核结壳中的微生物体, 样品4-a, SEM图像; (e)生物碎屑结壳中高含量的生物碎屑, 达30%, 以双壳类壳体为主, 其中还发育有团粒, 样品B-11, 单偏光; (f)生物碎屑结壳中的微米级生物钻孔, 样品B-3, SEM图像; (g)生物碎屑结壳中结晶良好的氯化钠(NaCl)晶体, 样品B-12, SEM图像; (h)块状结壳中发育的凝块, 边界模糊的凝块被亮晶文石胶结, 样品F-2, 单偏光; (i)结核结壳中的草莓状黄铁矿集合体, 直径达20 μm, 样品B-10, 反光。

(a) Nodule-rich carbonate is composed of microcrystalline nodules and matrix with a low content of bioclasts, sample B-10, plane polarized light; (b) Fan-shaped aragonite originated from a shell wall, nodule-rich carbonate B-10, plane polarized light; (c) Circumgranular sparite aragonite cement around spheric or elliptical, micritic peloids, bioclast-rich carbonate B-9, plane polarized light; (d) Microbial structures in nodule-rich carbonate 4-a, SEM image; (e)Bioclast-rich carbonate contain a high content of fragmentized bivalve shells (up to 30%), sample B-11, plane polarized light; (f) Micron-sized boring pores in bioclast-rich carbonate B-3, SEM image; (g) Well developed crystals of NaCl in bioclast-rich carbonate B-12, SEM image; (h) Clotted microfabric preserved in a massive carbonate has anirregular shape and unclear margin, cemented by sparite aragonite, sample F-2, plane polarized light; (i) Framboidal pyrites approximately 20 μm in diameter dispersed in the matrix of nodule-rich carbonate B-10, reflected light.

表1 墨西哥湾GC140冷泉碳酸盐岩的矿物组成(%)

注: LMC为低镁方解石; HMC为高镁方解石; “–”代表没有该矿物。

冷泉碳酸盐岩的碳同位素组成可以有效地指示其沉积时的孔隙流体成分, 并进一步揭示冷泉渗漏流体的来源[2,17]。冷泉系统孔隙水中溶解无机碳的可能来源: (1)甲烷来源, 包括生物成因甲烷(13C值小于－65‰)[44–45]和热成因甲烷(13C值为－50‰～－30‰)[46–47]; (2)原油等重烃类组分(13C值为－35‰～－25‰)[2]; (3)正常海水的溶解碳(13C约为(0±3)‰)[47]; (4)深部产甲烷作用残余CO2(13C值高达26‰)[10]。

GC140冷泉碳酸盐岩中, 结核结壳碳同位素变化范围最大, 显示了混合碳源的特征。大部分位于0附近的碳同位素值说明碳源以正常海水的溶解碳为主, 基质低至－23.2‰的13C值表明形成基质的碳可能来自油气藏渗漏的热成因气, 而结核高达5.1‰的碳同位素值可能记录了产甲烷残余CO2的信号, 这与墨西哥湾Alaminos Canyon 601区块碳同位素值高达14‰的碳源相似[21]。生物碎屑结壳轻度亏损的碳同位素值指示碳源主要来自深部油气藏渗漏的热成因气, 同时可能还混入有少量海水源的碳, 这与该类结壳含有丰富的海洋生物碎屑的沉积岩石学特征相符。块状结壳低的碳同位素值与墨西哥湾Alaminos Canyon 818冷泉碳酸盐岩13C值 (－37.4‰～－26.1‰)类似[21], 表明它们具有相同的碳来源, 均以热成因甲烷为主要碳源, 说明冷泉流体以深部油气藏的渗漏流体为主, 可能混入有少许的生物成因甲烷。

图4 GC140冷泉碳酸盐岩碳、氧稳定同位素组成

3.4 14C年龄与冷泉间歇活动

保存在GC140冷泉碳酸盐岩中的生物壳的14C年龄跨度较大(表2)。结核结壳14C年龄为46.5～25.8 ka BP, 生物碎屑结壳14C年龄为17.6～11.7 ka BP, 块状结壳14C年龄为1.2 ka BP。其中, 结核结壳B-10的年龄为41.3～5.0 ka BP, 持续时间最长。测定14C年龄的生物壳13C值与海水值(0±3)‰相近, 为－2.9‰～3.8‰, 说明该生物壳的14C年龄可以反应冷泉活动的真实年龄[23]。

近年, 越来越多的学者通过冷泉碳酸盐岩的年代学分析, 并结合矿物岩石学、同位素及元素地球化学特征来探索冷泉活动演化的历史[26–29]。Aharon.[26]通过14C法和U系法报道了墨西哥湾冷泉碳酸盐岩的年龄, 指出自晚更新世以来, 墨西哥湾冷泉活动一直在进行, 而盐底辟的活动似乎增加了渗漏强度。Roberts[34]则认为由于断层在墨西哥湾陆坡普遍发育, 推测断层控制的冷泉不是持续活动的。本文分析的碳酸盐岩的14C年龄显示GC140区域冷泉活动具有间歇性特征, 三类结壳形成于不同的时期, 结核结壳为46.5～25.8 ka BP, 生物碎屑结壳为17.6 ~11.7 ka BP, 块状结壳为1.2 ka BP(表2)。其中, 结核结壳B-10的14C年龄为41.3～5.0 ka BP,可能经历了多个阶段。

表2 墨西哥湾GC140冷泉碳酸盐岩生物壳14C年龄

注: 1) BP= before present, 1950年往前算起; 2)年龄数据已经过同位素分馏校正。

墨西哥湾北部盆地中的盐层和盐丘十分发育[30,33]。自晚白垩纪至更新世以来, 墨西哥湾经历了由北美江河带来的大规模三角洲沉积, 在沉积物不断加载下, 下伏侏罗纪盐层开始变形, 逐渐在沉积层浅部形成次一级的各种盐构造, 并导致上覆沉积物发育断裂构造[48]。本文研究的Green Canyon区域覆盖在一个新近纪的盐丘之上[49]。现代海底原位观测发现墨西哥湾不同地区冷泉渗漏速度是不同的,地震资料显示GC140海底沉积层受构造活动的影响而发育断层[31,34], 说明该地区盐丘一直处于活动状态。Roberts[32]发现GC140碳酸盐岩结壳中发育有方向变化的示顶底构造, 可能指示了盐丘的多次活动, GC140的冷泉活动可能与海底盐丘活动引起的卤水及深部热成因气的渗漏有关。因此, GC140冷泉活动可能受海平面变化和盐丘活动两种因素的控制。

GC140冷泉碳酸盐岩的岩石矿物学、碳同位素以及生物壳14C年龄特征表现出系统性差异, 指示了三个时期的冷泉活动。年龄最大的结核结壳形成于第一阶段, 慢速渗漏的冷泉流体与海水发生均一化作用, 形成以海水源为主的碳同位素值特征。生物碎屑结壳形成于第二阶段, 渗漏速度的增加, 导致流体带来更多的热成因气, 使得碳同位素值降低, 同时增强的盐丘活动带来低Mg/Ca比的卤水, 从而沉淀低镁方解石。年龄最小的块状结壳形成于第三阶段, 渗漏活动进一步加剧, 使得深部来源的热成因气成为该区冷泉活动的主要碳源。

4 结论

(1)GC140冷泉碳酸盐岩主要有结核结壳、生物碎屑结壳和块状结壳三类。三类结壳中团粒、凝块和草莓状黄铁矿等与渗漏系统微生物活动有关的沉积组构发育。另外, 海绵钻孔等遗迹化石也很发育。

(2)三类结壳的矿物均以文石和高镁方解石为主, 另外, 结核结壳含少量白云石, 生物碎屑结壳含少量低镁方解石。

(3)冷泉碳酸盐岩的碳同位素值变化范围较大, 结核结壳13C值为－23.2‰～5.1‰, 指示了海水溶解碳为主、同时混入有少量热成因甲烷和产甲烷残余CO2的碳源特征; 半固结的生物碎屑结壳13C值为－22.2‰～－8.8‰, 说明热成因甲烷比例增加, 而致密块状结壳13C值为－36.1‰～－26.8‰指示了热成因甲烷为主要碳源。

(4)三类结壳的14C年龄各不相同, 结核结壳为46.5～25.8 ka BP, 生物碎屑结壳为17.6～11.7 ka BP, 块状结壳只有1.2 ka BP左右, 指示了冷泉间歇性活动特征。

中国科学院广州地球化学研究所沈承德研究员和王辅亚老师分别帮助完成了14C测年和XRD实验分析; 路易斯安那州立大学Harry Roberts教授提供了冷泉碳酸盐岩样品, 在此一并深表谢意。

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Cold seep activities recorded by geochemical characteristics of authigenic carbonates from Green Canyon 140, Gulf of Mexico

BIAN You-yan1,2and CHEN Duo-fu1*

1. CAS Key Laboratory of Marginal Sea Geology, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Seep carbonates collected from Green Canyon block 140, Gulf of Mexico, could be divided into three types: nodule-rich carbonates, bioclast-rich carbonates and massive carbonates. XRD investigation shows that high Mg-calcite and aragonite are the dominate minerals. Additionally, nodule-rich carbonates contain minor amounts of dolomite and bioclast-rich carbonates include some low Mg-calcite. Peloids, clotted microfabric and pyrite framboids are developed in carbonates and suggest a genesis linked with bacterial activities. The carbonates exhibit a large variation in13C values (-36.1‰ to 5.1‰), suggesting multiple carbon sources that include thermogenic methane, seawater and residual CO2from methanogenesis. Shells cemented in nodule-rich carbonates show14C ages between 46.5 ka and 25.8 ka BP, bioclast-rich carbonates formed from 17.6 ka to 11.7 ka BP, and massive carbonates have14C ages of 1.2 ka BP, suggesting that seep activity was discontinuous.

seep carbonates; carbon isotope; oxygen isotope;14C aging; cold seep; Gulf of Mexico

P593; P597; P736.2

0379-1726(2013)03-0212-09

2013-01-22;

2013-02-26;

2013-03-20

中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-YW-GJ03);国家自然科学基金(91228206, 91028012);中国科学院广州地球化学研究所135项目(Y234021001);广东省科技计划项目(2011A080403021)

卞友艳(1986–), 女, 博士研究生, 从事冷泉碳酸盐岩的相关研究。E-mail: bianyouyan@gig.ac.cn

CHEN Duo-fu, E-mail: cdf@gig.ac.cn, Tel: +86-20-85290286