南海北部东沙海区11.3 ka BP以来甲烷渗漏的沉积记录及其环境意义

王正波, 梁前勇, 廖伟森, 胡建芳

南海北部东沙海区11.3 ka BP以来甲烷渗漏的沉积记录及其环境意义

王正波1, 2, 4, 梁前勇3, 廖伟森1, 2, 4, 胡建芳1, 2*

(1. 中国科学院 广州地球化学研究所, 有机地球化学国家重点实验室, 广东 广州 510640; 2. 中国科学院 深地科学卓越创新中心, 广东 广州 510640; 3. 广州海洋地质调查局, 广东 广州 510760; 4. 中国科学院大学, 北京 100049)

南海北部东沙海区是天然气水合物有利远景区, 关于其甲烷厌氧氧化作用(AOM)的沉积记录研究相对较少, 不利于探讨东沙海区甲烷渗漏与该海区气候环境演化的耦合关系。本研究通过对南海北部东沙海区D7和DSF两根沉积柱的总硫含量(TS)、硫碳比值(S/C)、正构烷烃、甘油二烷基甘油四醚(GDGTs)类化合物的分析, 重建了东沙海区自11.3 ka BP以来甲烷厌氧氧化作用的沉积记录和海水表层温度(SST)。两根沉积柱的TS、S/C值、GDGT-0、古菌醇和甲烷指数值(MI)的剖面变化表明东沙海区在6.4～7.5 ka BP和0.75～1.3 ka BP时发生了AOM作用, 在4.0～4.2 ka BP 时可能发生了AOM作用, 存在甲烷渗漏现象。由TEXH 86重建的SST显示该海区早全新世SST持续上升, 晚全新世SST呈下降趋势, 推测自11.3 ka BP以来东沙海区存在小范围的甲烷渗漏, 但释放的甲烷并没有导致该海区表层水体温度显著升高。

正构烷烃; 总硫含量; 硫碳比值; 甘油二烷基甘油四醚; 甲烷厌氧氧化; 海水表层温度

0 引 言

CH4是重要的温室气体, 在百年时间尺度上, 其造成的温室效应是CO2的20～30倍(Sowers, 2006)。据估计以CH4形式储存在天然气水合物中的碳总量为5000～10000 Gt, 是地球表层环境中最大的不稳定碳库(Hesterand Brewer, 2009)。即使影响储层的边界条件(如温度和压力)微小变动也可能引起大量CH4释放到海洋和大气中, 导致全球碳循环被严重扰动和气候变化(Dickens, 2003)。然而,海洋沉积物生态系统中每年约产生75～320 t CH4, 大概只有5～20 t CH4从沉积物中逃逸, 因为渗漏的CH4气体在进入水体或大气的过程中被甲烷氧化古菌与硫酸盐还原菌介导的甲烷厌氧氧化作用(anaerobic oxidation of methane, AOM)消耗掉, 只有小部分CH4可以释放到大气中(Boetius et al., 2000)。AOM作用是海洋沉积物中CH4消耗的主要途径, 甲烷厌氧氧化古菌将 CH4氧化为 HCO3−, 通过硫酸盐还原细菌将 SO2− 4还原为 HS−(Holler et al., 2009)。

甘油二烷基甘油四醚(glycerol dialkyl glycerol tetraethers, GDGTs)是甲烷氧化古菌生物膜结构中的主要化合物(Koga and Nakano, 2008)。该类化合物非常稳定, 可抵御成岩和生物降解作用, 是良好的生物标志物(Kuypers et al., 2001)。甲烷指数(methane index, MI)是基于海洋沉积物中GDGTs 类化合物的不同生物来源定义的, 可作为地质历史时期天然气水合物分解的替代性指标(Zhang et al., 2011)。

海洋沉积物中有机质的硫酸盐还原作用和与AOM耦合的硫酸盐还原作用均能够使沉积物积累硫化物。一般正常海洋沉积物中TS和TOC具有较好的正相关关系(Berner, 1984)。但在贫有机质、富甲烷的海洋沉积物中, 与AOM耦合的硫酸盐还原作用会加速硫化物的形成, 导致S/C值升高(Sato et al., 2012; 吴自军等, 2013)。

南海北部东沙海区是天然气水合物的有利远景区域, 前人关于其天然气水合物的研究主要集中在地球物理和地球化学异常的识别上(陈多福等, 2004; 于晓果等, 2008; 邬黛黛等, 2009; 吴能友等, 2009), 与全球其他海区相比, 关于沉积记录的AOM作用过程研究则相对较少, 关于东沙海域沉积记录的气候环境演化和水合物分解释放CH4的关系的研究几乎没有。本研究以东沙海域天然气水合物远景区D7和DSF柱状沉积物为研究对象, 通过S/C比值、古菌醇(Archaeol)、GDGTs化合物组成及MI指标判断本海域发生AOM作用的具体层位或时间, 同时进行海水表层温度(sea surface temperature, SST)的定量重建, 以判断地质历史时期该海域SST变化与AOM的关系, 进而评估东沙海区沉积记录的气候环境演化与渗漏CH4可能存在的关系。

1 研究材料与方法

1.1 样 品

柱状沉积物样品由广州海洋地质调查局“海洋四号”于2013年10月份的航次通过重力采样器获得。采样站位位于南海北部陆坡东沙海域东北部、九龙甲烷礁和水合物钻探点附近。沉积柱D7柱长350 cm, 水深766 m, DSF柱长445 cm, 水深1485 m。采集的柱状沉积物在实验室以10 cm间隔进行分样, 获得样品总数为69个(本研究的样品数为64个), 分完的样品立即保存在−20 ℃的冰箱中。具体岩心描述如下:

D7沉积柱样品呈青灰色, 岩性以黏土质粉砂为主, 岩性变化较大。肉眼可以观察到在1 m附近出现有孔虫壳体且含量缓慢增加, 1.7 m附近含量达到最大值, 2.5 m附近开始缓慢降低。D7柱状样1～2.5 m间主要构成是有孔虫壳体和含量较多的砂和粉砂; 1.5～2.1 m 间发现多处育有直径1～3 cm的自生碳酸盐岩结核(滴酸后冒泡), 在0.3 m处也发现了小的碳酸盐岩结核。

柱状样DSF中沉积物比较均一, 呈现青灰色, 岩性以黏土质粉砂或者粉质黏土为主, 岩性变化不大。

1.2 TOC、TS和δ13Corg 分析

沉积物样品经冷冻干燥后, 研磨至200目待用。称取150 mg研磨均匀的样品于聚四氟乙烯离心管中, 加入6 mol/L的过量盐酸, 反应24 h, 加去离子水洗样品以除去碳酸盐。洗至中性的样品冷冻干燥后恒重并磨匀。处理后的每个样品一部分进行C元素和δ13Corg测试分析, 一部分用于TS测试分析。元素分析使用Vario El-Elemental Analyzer III元素分析仪, 每个样品至少测定2次, 样品得到的最终结果为多次所测数据的平均值, C元素分析的标准偏差σ为±0.02%。稳定碳同位素在CE Flash EA1112-Finnigan DeltaplusXL元素分析仪–同位素质谱联用仪上完成, 每个样品至少测试2次, 数据结果表达为千分数(VPDB标准), 分析误差小于0.5‰。沉积物TS含量测试使用ELTAR-CS 800碳硫分析仪, 每个样品至少测2次, 分析误差小于0.5%。

样品总有机碳的前处理流程如下: 将样品用1 mol/L盐酸处理后, 用去离子水反复冲洗直至pH值呈中性, 并冷冻干燥; 用锡舟包裹适量处理的样品后, 在Ionplus AG生产的AGE3全自动石墨化系统上合成石墨样品, 压靶后在CAMS-500加速器质谱仪上测试。

1.3 GDGTs化合物的提取与分析

称取适量研磨均匀的沉积物加适量C46-GDGT标样, 通过加速溶剂萃取仪(accelerated solvent extractor, DIONEX ASE 150)进行萃取。用二氯甲烷和甲醇混合试剂(体积比为9∶1)萃取3次, 每次5 min (=100 ℃,=5.0×106Pa)。为去除样品中可能存在的S元素, 萃取后的总抽提物放置于底部加入适量经活化处理铜片的平底烧瓶内静置过夜。去除S元素的总抽提液经浓缩后, 加入5%的氢氧化钾/甲醇溶液, 在60 ℃条件下水解反应4 h。以正己烷萃取中性组分后, 再经硅胶层析柱分离烷烃组分和极性组分。获得的各组分浓缩后于样品瓶中低温储存, GDGTs化合物存在于极性组分中。

将极性组分在缓和的氮气流下吹干, 重新溶于正己烷和乙酸乙酯(体积比为84∶16)混合试剂中, 后用0.45 μm微孔滤膜过滤, 过滤后的极性组分以高效液相色谱–质谱(HPLC/ACPI-MS)进行GDGTs类化合物测试。GDGTs化合物的分析在安捷伦6410 QQQ HPLC/MS/MS仪器上完成, 具体操作条件如下。

色谱条件: 色谱柱为正相硅胶柱(2.1 mm×150 mm× 3 μm), 柱温30 ℃; 流动相: A相为正己烷, B相为乙酸乙酯, 流速为0.2 mL/min; 在分析初始0～5 min时, 流动相比例保持A∶B=4∶1; 在5～25 min时, 流动相比例线性变化为A∶B=37∶13; 在25～50 min时, 流动相比例线性变化为A∶B=1∶1; 在50～55 min时, 流动相比例线性变化为A∶B=0∶100; 在55～56 min时, 流动相比例线性变化为A∶B=4∶1; 在56～70 min时, 流动相比例保持A∶B=4∶1。

质谱条件: 选用大气压化学电离源APCI作为离子源，检测在正离子模式下进行; 检测模式为选择性单离子检测(SIM); 古菌醇和GDGTs化合物扫描质荷比为/653、/1292、/1294、/1296、/1298、/1300、/1302、/1022、/1020、/1018、/1036、/1034、/1032、/1050、/1048、/1046和/744, 雾化气压力为60 psi, 干燥气N2的流速为5 L/min, 温度为200 ℃, 毛细管电压为2500 V, 雾化温度为300 ℃, 电晕针电流为5 μA。

2 结果与分析

2.1 沉积柱年代框架

沉积柱D7的年代框架是利用浮游有孔虫14C-AMS数据建立的(Hu et al., 2017)。沉积柱DSF的年代框架是利用总有机碳的14C-AMS数据建立的,14C-AMS测试在中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室完成。本次测试一共获得5个有效测年数据(表1、2)。利用校正后的日历年龄进行线性内插, 建立两根沉积柱的年代标尺(图1)。其中D7沉积柱的年龄范围为0.18～11.3 ka BP, DSF沉积柱的年龄范围为3.0～7.4 ka BP。

表1 D7沉积柱浮游有孔虫14C-AMS测年数据(Hu et al., 2017)

表2 DSF沉积柱14C-AMS测年数据

2.2 TS和S/C比值

沉积柱D7的TS变化范围为0.02%～0.23%, S/C值变化范围为0.07～0.73; 沉积柱DSF的TS变化范围为0.02%～0.11%, S/C值变化范围为0.05～0.25 (图2)。

虽然沉积柱D7和DSF的TS、S/C值剖面变化比较大, 但相似的是两根沉积柱TS、S/C值在7.0～7.3 ka BP时都出现了高值(图2)。此外, D7沉积柱在1.0 ka BP时, TS、S/C值也出现了一个相对高值(图2a)。

2.3 正构烷烃的分布

沉积柱D7正构烷烃的碳数分布范围为C13～C33, 正构烷烃的分布模式主要为前峰型, 以C16、C18为主峰碳, 且几乎所有样品的色谱图上不可溶复杂混合物(unresolved complex mixture, UCM)明显(图3a)。沉积柱DSF正构烷烃的碳数分布范围为C14～C33, 正构烷烃的分布模式为前峰型, 低碳数以C16,C18为主峰碳, 部分样品的色谱图上出现UCM, UCM的峰高相对D7不是那么明显(图3b)。

2.4 GDGTs和古菌醇分子标志化合物

D7和DSF沉积柱中检测到的与AOM作用相关的分子标志化合物主要为具类异戊二烯结构的GDGTs和古菌醇。沉积柱中GDGTs和古菌醇含量变化特征如下。

2.4.1 GDGTs

DSF和D7沉积柱中GDGTs含量丰富, 同时检测出了类异戊二烯-GDGTs(iso-GDGTs)和支链- GDGTs(br-GDGTs), 其中iso-GDGTs占总GDGTs含量的90%以上。检测到的iso-GDGTs化合物包括 GDGT-0、GDGT-1、GDGT-2、GDGT-3、Crenarchaeol和Cren’。

D7沉积柱iso-GDGTs化合物含量见图2a和表3。其中Crenarchaeol和GDGT-0含量最高, Crenarchaeol和Cren’的总量为 78.8～660.65 ng/g, 占iso-GDGTs百分比为52.5%～78.3%。GDGT-0含量次之, 其含量为34.6～209.9 ng/g, 占iso-GDGTs的百分比为10.0%～31.5%。沉积柱中GDGT-0/Crenarchaeol比值为0.14～0.65。除少数样品外,该比值都介于0.2～2。在0.75 ka BP和6.5～7.0 ka BP时, GDGT-0的百分含量明显升高, 但对应的GDGT-0/Crenarchaeol比值却分别为0.65和0.24～0.55。GDGT-1、GDGT-2的百分含量较低(<10%), GDGT-3的百分含量最低。

DSF沉积柱iso-GDGTs化合物含量见图2b和表3。其中Crenarchaeol和Cren’总量最高, 为37.8～897.5 ng/g, 占 iso-GDGTs的百分比为 52.5%～79.2%。GDGT-1含量次之, 为14.8～222.9 ng/g, 占总iso-GDGTs的百分比为9.8%～27.4%。沉积柱中GDGT-0/Crenarchaeol比值为0.14～0.50。除少数样品外, 该比值也都介于0.2～2。在4.0 ka BP、6.4 ka BP、7.0 ka BP和7.5 ka BP时, GDGT-0的百分含量出现升高趋势, 但对应的GDGT-0/Crenarchaeol比值为0.47～0.55。如图2b所示, DSF沉积柱iso-GDGTs化合物的剖面变化和D7沉积柱基本一致, GDGT-1、GDGT-2和GDGT-3的百分含量较低(<10%, 表3)。

图1 沉积柱D7和DSF基于14C-AMS校正年龄建立的深度–年龄模式

图2 D7(a)和DSF(b)沉积柱中TS、S/C、GDGT-0、Cren + Cren’、古菌醇、MI和SST的变化(Cren为Crenarchaeol的简写)

2.4.2 古菌醇

D7和DSF沉积柱中大部分样品都检测出了古菌醇, 其剖面变化特征如下: D7沉积柱古菌醇含量为0.2～4.4 ng/g。整体上看, 该沉积柱古菌醇含量变化较大, 其中在0.75～1.3 ka BP时古菌醇含量最高, 在6.5～7.0 ka BP时, 古菌醇含量较高(图2a)。DSF沉积柱古菌醇含量为0.1～3.9 ng/g。在4.0 ka BP时, 古菌醇含量达到最高值; 在6.4～7.5 ka BP时期, 古菌醇含量较高(图2b)。

2.5 MI和SST

MI可以作为甲烷渗漏的替代性指标, 其计算式如下:

由于本海区SST普遍高于15 ℃, 因此本研究采用TEXH 86指标重建东沙海域地质历史的SST, TEXH 86和SST计算公式如下:

图3 D7(a)和DSF(b)沉积柱烷烃中典型的UCM分布

表3 沉积柱D7和DSF古菌醇、类异戊二烯GDGTs含量、相关比值和TEXH 86重建表层海水温度

续表3:

注：Cren为Crenarchaeol的简写。

SST = TEXH 86×64.8 +38.6 (3)

D7柱状样的MI值为0.12～0.24, 均小于0.3; 7.2 ka BP时MI最高, 为0.24。SST为26.2～31.4 ℃, 平均值为28.3 ℃; 11.3～8.2 ka BP时SST逐渐增高; 8.2～3.8 ka BP时SST先降低后增高, 6.0～5.4 ka BP达到最高; 3.8～0.18 ka BP阶段SST逐渐降低(图2a)。

DSF沉积柱MI值除了在7.4 ka BP时为0.34外, 其他值均在0.11～0.27之间, 小于0.3。SST变化范围为25.3～30.6 ℃, 平均值28.5 ℃。7.5～3.8 ka BP时, DSF钻孔SST呈波动变化, SST在3.7 ka BP时达到最高; 3.8～3.0 ka BP时, SST呈波动下降(图2b)。

3 讨 论

3.1 TS和S/C值指标记录的AOM作用

海洋环境中, 孔隙水中SO2− 4离子主要有两种去向, 在正常海洋环境下, 硫酸根主要参与有机质硫酸盐还原作用(organic sulfate reduction, OSR)而被消耗(式4); 在甲烷富集的海洋环境中, 则发生AOM驱动的硫酸盐还原反应(Reeburgh, 1976) (式5)。

CH2O+SO2− 4 → HCO− 3+HS−+ H2O (4)

CH4+SO2− 4→ HS−+HCO− 3+H2O(5)

OSR和AOM驱动的硫酸盐还原反应生成的硫化氢都会与沉积物中活性铁组分进一步反应生成自生铁硫化物等矿物, 其中单硫化物(FeS)、多硫化物(Fe3S4)以及单质硫等通常不稳定, 在沉积环境中可以通过“多种途径”最终转化为稳定的黄铁矿(Borowski et al., 2013)。

海洋环境中, 有机质的供应是海洋沉积物中硫酸盐还原产生黄铁矿的主要控制因素(Lin and Morse, 1991; 孙治雷等, 2012), 当有机质控制OSR反应时, TOC和TS具有良好的相关性(Berner, 1984)。TOC和TS缺乏良好相关性的原因可能是硫酸盐还原过程中产生的H2S作为可溶组分被去除了(Jørgensen et al., 2004), 或者有机物不是控制硫酸盐还原的因素。在本研究中, D7和DSF两个站位的TOC和TS相关性不明显(图4), 推测D7和DSF沉积柱中硫化物的形成可能不是通过氧化有机质还原硫酸盐的途径, 而是通过AOM还原硫酸盐的途径形成的。此外, 天然气水合物分解产生的甲烷可能会为硫酸盐还原菌提供额外的碳源, 加速沉积物中黄铁矿的形成速率(Orcutt et al., 2004)。AOM作用产生的硫化氢, 也可以促进沉积物中黄铁矿的形成。

沉积柱D7中TS、S/C值变化较大, S/C值在7.0 ka BP时出现了一个峰值(高达0.73, 图2a), 远高于正常海洋沉积物中的S/C值。DSF沉积柱在7.3 ka BP时TS、S/C值达到最大, TS、S/C值分别为0.11%、0.25(图2b), 两根沉积柱的TS和S/C值表明, 东沙海区在7.0～7.3 ka BP可能发生了AOM作用, 指示该海区存在过甲烷渗漏现象。

3.2 D7和DSF沉积柱烷烃UCM的指示意义

研究认为, 色谱图中低平的基线代表有机质没有受到深部油气藏有机质或烃渗漏的污染, 如果沉积物中有外源有机质的输入, 则基线抬高(Sassen et al., 1999)。通常情况下, 色谱图中出现较强的UCM时, 表明烃类存在微生物降解(Sassen et al., 1994; Zhang et al., 2003; Pancost et al., 2005)。沉积柱D7和DSF烷烃组份的色谱图中都存在明显UCM, 反映其烃类都存在明显的生物降解。

东沙海域发育了多种与天然气水合物密切相关的地质体, 包括海底滑塌体、泥底劈、多边形断层、气烟囱和流体管道等, 可以作为天然气和石油向上运移的通道(姚伯初, 2001)。在典型的和长期渗流历史中, 石油和甲烷的渗流可能使用相同的流体管道(Guan et al., 2018)。来自冷泉碳酸岩的地球化学数据表明, 与以甲烷为主的渗漏相比, 以石油为主的渗漏碳酸盐岩富含稀土元素和U(Smrzka et al., 2016)。D7沉积柱在0.34 m(0.75～1.0 ka BP)和1.6～2.1 m (6.0～7.5 ka BP)处发育了大量自生碳酸盐岩结壳, 其对应的U含量分别为3.0 μg/g和2.1～2.6 μg/g (胡钰, 2015), 并没有出现U元素的富集, 表明东沙海域在0.75～1.0 ka BP和6.0～7.5 ka BP时期存在以CH4为主的油气渗漏, 这也是导致其烃类存在显著生物降解的原因。

3.3 东沙海域DSF和D7沉积柱沉积记录的甲烷厌氧氧化作用

3.3.1 iso-GDGTs的来源

东沙海域D7和DSF柱状沉积物样品中iso-GDGTs均以Crenarchaeol和GDGT-0为主要组成化合物。Crenarchaeol主要由奇古菌产生。尽管GDGT-0能够被其他类型的广古菌和奇古菌合成, 但它是产甲烷古菌最主要的细胞膜脂(Schouten et al., 2000)。因此, 沉积记录中的GDGT-0常被用来指示产甲烷作用。

图4 D7(a)和DSF(b)沉积柱TOC和TS的线性关系图

D7柱状沉积物样品iso-GDGTs在 0.75 ka BP 和6.5～7.0 ka BP时期, GDGT-0相对含量增加, 6.5～7.0 ka BP 时期连续3个样品占iso-GDGTs的百分比高于21%, 最高值为27.8%; 在0.75 ka BP 时, GDGT-0占总iso-GDGTs的百分比为31.5%(图2a)。DSF沉积柱GDGT-0的百分含量在4.0 ka BP和6.4 ka BP时出现了相对高值, GDGT-0占总iso-GDGTs的百分比分别为27.4%、26.9%(图2b)。和南海北部其他站位GDGT-0含量相比, 以上几个时期D7和DSF沉积柱中GDGT-0含量较高(Jia et al., 2012; Ge et al., 2013; Zhou et al., 2014)。D7和DSF柱状沉积物在0.75 ka BP、4.0 ka BP和6.5～7.0 ka BP时期, GDGT-0含量都显著增加, 而Crenarchaeol含量降低, 表明在这些时间段内东沙海区产甲烷古菌相对发育, 可能伴随AOM作用的发生。

3.3.2 古菌醇

古菌醇是甲烷厌氧氧化古菌的特征分子标志化合物(Rosa and Gambacorta, 1988; Koga and Morii, 2005), 在墨西哥湾、黑海、东地中海和坦桑尼亚等水合物产出区海底沉积物中都被广泛检测到(Heijs et al., 2006)。D7和DSF沉积柱中也都检测出古菌醇化合物, 其中D7沉积柱的古菌醇在0.75～1.3 ka BP时含量最高, 7.0 ka BP时, 古菌醇含量较高(图2a), 表明D7沉积柱在这些时间段发生过AOM作用。而DSF沉积柱的古菌醇在4.0 ka BP、6.4 ka BP和7.3～7.5 ka BP时含量升高(图2b), 表明在这些时段内发生过AOM作用。可以看出两根沉积柱中古菌醇含量高值出现的时间不完全吻合, 这可能是由沉积柱的定年存在一定的不确定性造成的, 特别是DSF沉积柱, 其定年来自总有机碳的AMS14C数据, 存在一定的偏差。结合两根沉积柱的记录, 可以推测东沙海区在0.75～1.3 ka BP和6.4～7.5 ka BP时期发生过AOM作用, 指示该海区存在过甲烷渗漏现象。

3.4 AOM与SST

虽然两根沉积柱记录的地球化学指标都指示东沙海区存在甲烷渗漏现象, 但特征分子标志化合物指标如GDGT-0/Crenarchaeol值和MI值都显示两根沉积柱中iso-GDGTs化合物主要还是来自正常的海洋古菌, 因此, 可以利用TEXH 86指标进行SST重建。D7沉积柱TEXH 86-SST重建结果显示, 自11.3 ka BP以来, 其SST总体呈现上升趋势, 但在不同时间上升的幅度不同(图2a)。早全新世SST持续上升, 与前人研究的南海北部大多柱状样沉积记录的早全新世SST持续上升趋势一致(Wang et al., 1990; Huang et al., 1997), 不同的是温度的变化幅度与时间略有差异。在5.5～6.1 ka BP时, SST达到最高值, 表现为全新世大暖期特征。DSF沉积柱SST(7.5～3.8 ka BP)呈波动变化(图2b), 该结果与施雅风(1992)对全新世大暖期气候波动研究结果较为一致, 不同的是两根沉积柱记录的全新世大暖期鼎盛时期存在一定的差异。D7沉积柱在6.0～5.4 ka BP 时SST最高, 而DSF沉积柱则在7.3 ka BP时达到高值(图2), 这可能是由于DSF沉积柱的定年存在一定的偏差导致的。在3.8～0.18 ka BP时, D7沉积柱SST 逐渐降低(图2a), DSF沉积柱SST在3.8～3.0 ka BP呈波动变化, 但总体呈下降趋势(图2b)。前人对南海北部其他深海柱状样高分辨率古温度重建结果也普遍显示自4.0 ka BP以来其SST都出现下降趋势, 但幅度不一致(Pflaumann and Jian, 1999; Lin et al., 2006)。因此, 可以看出东沙海区自11.3 ka BP以来, 其SST的变化与南海北部的SST变化基本一致。

东沙海区在6.4～7.5 ka BP时发生AOM作用, 但对应的SST并未明显升高(图2a), 平均温度与南海北部MD97-2146站位(20°07.08′N, 117°23.02′E)TEXH 86-SST基本一致(Shintani et al., 2011)。在4.0～ 4.2 ka BP 时期, DSF柱的沉积记录显示东沙海区可能发生了AOM作用, 其对应的SST相对较低(图2b)。东沙海区0.75～1.3 ka BP时也发生了AOM作用, D7沉积柱重建的SST却呈降低趋势(图2a)。可以看出该海区发生的几次AOM事件并没有导致该海区SST的显著升高。因此, 自11.3 ka BP以来东沙海区小范围的甲烷渗漏并没有导致其表层水体温度的升高, 其SST变化主要还是受控于全球气候变化。

4 结 论

(1)两根沉积柱的TS和S/C值、特征分子标志化合物以及MI值的剖面变化表明东沙海区在6.4～7.5 ka BP和0.75～1.3 ka BP时发生了AOM作用, 该海区存在不同规模的甲烷渗漏现象。在4.0～4.2 ka BP时, 东沙海区也可能发生了AOM作用, 尚需更多的沉积记录证据。

(2)利用TEXH 86重建的该海区自11.3 ka BP以来的SST显示, 该海区早全新世SST持续上升, 晚全新世SST呈下降趋势。

(3) AOM发生层位与SST的对比表明, 东沙海区自11.3 ka BP以来发生的AOM作用并没有导致该海区SST的显著升高。因此, 认为地质历史时期东沙海区小范围的甲烷渗漏并不会导致整个海区表层水体温度的显著升高。

致谢:三位匿名审稿专家对本文提出了建设性修改意见, 在此致以特别感谢。

陈多福, 李绪宣, 夏斌. 2004. 南海琼东南盆地天然气水合物稳定域分布特征及资源预测. 地球物理学报, 47(3): 483–489.

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Sedimentary records and the significance of methane leakage since the last 11.3 ka BP in Dongsha in the northern South China Sea

WANG Zhengbo1, 2, 4, LIANG Qianyong3, LIAO Weisen1, 2, 4, HU Jianfang1, 2*

(1. State Key Laboratory of Organic Geochemistry, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2. CAS Center for Excellence in Deep Earth Science, Guangzhou510640, Guangdong, China; 3. Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510760, Guangdong, China; 4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The Dongsha area in the north of the South China Sea is a favorable area for gas hydrate; however, research on sedimentary records of Anaerobic Oxidation of Methane (AOM) in this area is lacking, hampering the exploration of the coupling relationship between methane leakage and climate/environmental evolution in the Dongsha area. To reveal the sedimentary records of AOM since the last 11.3 ka BP, total sulphur, sulphur/carbon ratios, n-alkanes, and glycerol dialkyl glycerol tetraethers (GDGTs) and the Archaeol in the D7 and DSF Core, collected from Dongsha area in the northern South China Sea, were analyzed. In addition, sea surface temperature (SST) was reconstructed using the TEXH 86. The results indicated that AOM occurred at 6.4–7.5 ka BP and 0.75–1.3 ka BP in the Dongsha Area. AOM might have also occurred at 4.0–4.2 ka BP. The AOM result indicated some methane leakage in the seabed. The variation in the reconstructed SST increased in the Early Holocene and decreased in the Late Holocene. The reconstructed SST corresponding to the AOM stratigraphy did not increase significantly, suggesting that the methane leakage was in a small scale and did not cause the increase in the SST in the Dongsha Area since the last 11.3 ka BP.

-alkanes; total sulfur; S/C ratio; glycerol dialkyl glycerol tetraethers; anaerobic oxidation of methane; sea surface temperature

P593

A

0379-1726(2022)03-0333-11

10.19700/j.0379-1726.2022.03.007

2020-09-27;

2020-10-16

南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0308)和国家自然科学基金项目(41876058, 41576053)联合资助。

王正波(1994–), 男, 硕士研究生, 海洋地质专业。E-mail: 18770919204@163.com

胡建芳(1972–), 女, 研究员, 主要从事生物有机地球化学工作。E-mail: hujf@gig.ac.cn