南海北部甲烷水合物潜在区浅表层沉积物和孔隙水元素地球化学特征及其指示意义
作者单位：厦门大学
学位级别：硕士
导师姓名：雷怀彦
授予年度：2022年
学科分类：070902[理学-地球化学] 081803[工学-地质工程] 0709[理学-地质学] 07[理学] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程]
摘 要：甲烷渗漏是海洋中常见的地质现象,通常与天然气水合物储层动态演化过程密切相关。例如海平面的变化、火山岩浆或构造活动等均能引起地层温压条件的改变,将会导致天然气水合物储层失稳,释放的甲烷流体沿沉积层向上逸散。硫酸盐驱动甲烷厌氧氧化作用(SD-AOM)是伴随甲烷渗漏活动最典型的地球化学过程,超过90%的甲烷在硫酸盐-甲烷转换带(SMTZ)中被消耗,有效减少了温室气体甲烷向海洋及大气释放。SD-AOM反应能够引起海底沉积物微环境发生变化,通过促进沉积物中自生碳酸盐矿物及含硫矿物的生成来改变沉积物原始元素组成,从而影响孔隙水和沉积物中的元素迁移和再分配。因此,利用孔隙水和沉积物地球化学信息追踪甲烷渗漏活动,对天然气水合物相关研究具有重要的理论指导意义。我国在南海成功地进行了天然气水合物试开采,再次证明了南海北部是我国天然气水合物资源的重要储库,本论文选取南海北部甲烷水合物潜在区神狐海域和东沙海域沉积物和孔隙水样品作为研究对象,样品采自2018年基金委共享KK1804航次,本论文对采集到的孔隙水和沉积物样品进行了元素地球化学综合分析,结合课题组相关研究成果,探讨沉积物元素循环特征及其对甲烷渗漏活动进行指示。主要获得以下结果及认识:1、根据孔隙水硫酸根和氯离子浓度以及氧化还原电位变化,发现A27和SH1站位的硫酸根剖面随深度线性下降,指示较强的硫酸盐还原过程;其余站位硫酸盐还原速率低,可能与水深耦联的有机质含量有关,另外JL1站位沉积物孔隙水受到了海水稀释的影响;A27、SH1以及A21站位浅表层沉积物孔隙水中较高的微量元素Co、Ni、Cu、Zn、Cd指示铁锰异化还原以及有机质硫酸盐还原(OSR)过程的影响;同时结合孔隙水溶解Mo以及Ba2+变化模式,结果发现A27和SH1站位底部沉积层随深度升高的Ba2+以及降低的溶解Mo共同指示甲烷渗漏活动促进的硫酸盐还原,而A21站位主要受OSR作用的控制;基于PROFILE模型计算,结果发现A27和SH1站位受SD-AOM影响而导致的净硫酸盐还原速率分别为0.0881 nmol cm-3 d-1和0.104 nmol cm-3 d-1,明显高于浅表层OSR过程引起的硫酸盐还原速率。2、根据外推法计算得到A27和SH1硫酸盐梯度分别为4.07 mmol L-1 m-1和3.08 mmol L-1 m-1,SMI深度分别为9.90 mbsf和8.76 mbsf,硫酸盐通量分别为26.35 mmol m-2 a-1和34.83 mmol m-2 a-1,利用硫酸盐甲烷经验比值1.4:1估算的上逸甲烷通量为18.82 mmol m-2 a-1和24.88 mmol m-2a-1;基于Egger建立的沉积速率和SMI经验方程,结合南海北部131个站位孔隙水数据建立的硫酸盐通量和SMI之间的经验方程,计算结果发现A27和SH1来自于深部的甲烷通量分别为 11.67 mmol m-2 a-1 和 20.15 mmol m-2 a-1,局部产甲烷通量为 7.15 mmol m-2a-1和4.73mmolm-2a-1,结合研究站位甲烷碳同位素组成,指示A27和SH1站位下方极有可能存在天然气水合物藏。3、基于克里金法,利用Surfer软件分析了南海北部台西南盆地43个站位、琼东南盆地20个站位、神狐海域的93个站位SMI数据获得南海北部SMI深度空间分布,琼东南盆地和台西南盆地SMI深度整体较浅,神狐海域SMI深度呈北东-南西走向,相比其它两个区域SMI埋藏较深,结合各区域水合物饱和度,SMI深度的空间变化能够指示甲烷通量及深层天然气水合物藏的演化特征。4、根据测年结果和沉积物粒度结果表明研究区沉积过程较为稳定,沉积物自生矿物和元素分析表明A27站位425-465 cmbsf以及SH1站位415-475 cmbsf区间内具有显著升高的TS/TOC比值以及微量元素As、Mo和U的不同程度富集,指示SD-AOM反应促进了自生矿物在沉积物中发生富集,同时引起元素的迁移转化,相应沉积物记录着地质历史时期甲烷异常渗漏活动,判定其为古SMTZ位置;本研究发现沉积物MoEF/UEF比值是指示甲烷渗漏活动的潜力指标,基于此来重建A21站位古成岩环境,结果发现A21站位285 cmbsf和445 cmbsf沉积区间具有较高的Mo含量以及MoEF/UEF比,极有可能代表着古SMTZ位置。5、沉积物Sr/Ca和Mg/Ca比值结果显示研究区以高镁方解石沉淀为主,反映本区发生的甲烷渗漏活动相对于冷泉渗漏区偏弱,低甲烷通量使得SMTZ处于沉积层中。结合沉积物和孔隙水多参数分析,认为A27和SH1站位至少发育两次甲烷渗漏活动,即古甲烷渗漏和现今甲烷扩散;A21站位很可能发生两次古甲烷渗漏活动,而孔隙水地球化学证据并未指示该站位受到现今甲烷渗漏活动
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