论文部分内容阅读
在大陆边缘海洋沉积物的早期成岩作用过程中,向上运移的甲烷与向下运移的硫酸盐在硫酸盐-甲烷过渡带(SMTZ)内被甲烷厌氧氧化(AOM)共同消耗,并且伴随产出明显富集重硫同位素(34S)的含铁硫化物(主要是黄铁矿)。考虑到含铁硫化物在孔隙水硫酸盐贫乏的晚期成岩作用阶段通常保持稳定状态,在岩芯沉积记录中发现的硫同位素偏重的黄铁矿可以用于指示地质历史时期曾经出现的SMTZ,即原始SMTZ(paleo-SMTZ)。但是,这一判别标准既没有明确规定代表原始SMTZ的黄铁矿的硫同位素组成的下限值,也没有对黄铁矿的粒径和形态进行约束。更为关键的是,根据这一判别标准仅能得到原始SMTZ曾经出现过的层位,但是对其出现时的深度信息却一无所知。另一方面,非蒸发成因的深海自生石膏仅在全球范围内为数不多的海洋区域有所发现,并且对这些石膏的研究程度始终处于较低的水平,甚至对于其自生成因仍然存在着疑问。此外,迄今为止,石膏仅在个别冷泉和、或天然气水合物沉积区域有所发现,并且其产出与甲烷-天然气水合物体系之间的关系尚未完全清楚。 为了解决上述科学问题,本研究选取位于东太平洋水合物海岭(Hydrate Ridge)的大洋钻研计划(ODP)第204航次1245、1252站位和位于台湾西南海域高坪斜坡(Kaoping Slope)的海研一号研究船(R/V-ORI)第860航次14、17、23、25站位的岩芯沉积物作为主要研究对象,基于对铁、硫组分实验和分析方法的改进、建立和对早期成岩作用运移-反应模型的构建,并且结合常规分析和测试手段的运用,对沉积物中的铁、硫组分和自生黄铁矿、石膏进行一系列矿物形态学和地球化学方面的分析和讨论,主要包括: (1)将修正后的活性铁顺序提取法和黄铁矿的选择性提取法相结合,基于对参考矿物的提取有效性检验,改进铁组分的化学提取方法,实现对沉积物中几乎全部含铁矿物的顺序提取,分别为:(a)醋酸钠缓冲溶液可提取铁(FeA),包括碳酸盐相关铁(Fecarb)和酸可挥发性硫化物(AVS)铁(FeAVS);(b)连二亚硫酸钠缓冲溶液可提取铁(FeD),主要为含铁(氢)氧化物铁(Feox1+2);(c)草酸铵缓冲溶液可提取铁(Feo),即磁铁矿铁(Femag);(d)氢氟酸(HF)可提取铁(FeHF),主要来自硅酸盐;(e)硝酸(HNO3)可提取铁(FeHNO3),即黄铁矿铁(Fepy)。 (2)采用已报道的硫组分化学提取方法,实现对沉积物中几乎全部含硫矿物的顺序提取,分别为:(a)AVS硫(SAVS),来自硫化氢、马基诺矿、胶黄铁矿和磁黄铁矿;(b)铬可还原硫(SCRS),来自黄铁矿和元素硫;(c)酸可溶硫酸盐硫(SADS),来自孔隙水硫酸盐和石膏;(d)水可溶硫酸盐硫(SWDS),近似等同于SADS。基于对参考矿物的提取有效性检验,考虑到水溶解法在实际操作方面的简易性和快捷性,加之可以修正(Srevised WDS)并且除去其中曾经属于孔隙水硫酸盐硫的含量部分,本研究认为,针对现代海洋沉积物,水溶解法可以完全替代酸溶解法成为提取石膏硫的最有效方法。 (3)对于提取SWDS得到的水溶液,为了避免传统硫同位素测试方法所需的复杂的预处理流程,本研究尝试并且实现对其稀释后采用多接收电感耦合等离子体质谱法(MC-ICP-MS)直接进行硫同位素测试的方法建立。在这一过程中,以钙作为基体元素为例,对其在采用MC-ICP-MS进行硫同位素测试过程中所产生的基体效应进行了深入研究。 (4)基于铁、硫组分提取结果的对比分析,对水合物海岭和高坪斜坡沉积物中各种铁、硫组分所包括的矿物组合进行识别和检验。其中,值得一提的是,对比分析同一层位FeD马Srevised WDS之间的含量相关关系可以为样品保存和干燥期间含铁硫化物是否发生人为氧化丢失提供判别依据,并且这一方法同样可以用于判别深海沉积物样品中发现的石膏是否属于自生成因。在此之前,这一疑问始终没有得到令人信服的解决方案,并且根据矿物形态和硫同位素组成亦无法对这些石膏的成因进行区分。在这之后,根据水合物海岭和高坪斜坡所处的地质背景,本研究对采用高活性铁与总量铁的含量比值(FeHR/FeT)作为氧化还原沉积条件判别指标的有效性和适用性进行探讨,并且进一步对这一判别指标失效的原因作出解释。 (5)借鉴古海洋学研究中分选有孔虫的方法,本研究对从水合物海岭和高坪斜坡沉积物中定量分选出的粗粒级黄铁矿和石膏进行矿物形态学和硫同位素地球化学分析。结合代表总量黄铁矿硫的SCRS提取结果,对比分析不同形态的黄铁矿之间的苺球粒径和硫同位素组成,总结和提出不同粒径和形态的自生黄铁矿在早期成岩作用过程中的成因,并且分别对充填、交代有孔虫壳体、实心杆状、空心管状/烟囱状、颗粒状和火山锥状的黄铁矿对原始SMTZ的指示意义进行了深入探讨。在确定来自水合物海岭沉积物中的石膏属于自生成因之后,对比分析不同形态的石膏与分别代表总量黄铁矿硫的SCRS和代表总量硫酸盐硫的SWDS之间的硫同位素组成,总结和提出不同形态的自生石膏的成因,并且结合不同形态的石膏与天然气水合物在沉积物中的产出层位之间的关系,探讨花瓣簇状石膏与天然气水合物结晶过程之间的相关关系。 (6)基于本研究构建的早期成岩作用运移-反应模型,以位于布莱克海岭(Blake Ridge)的ODP第164航次994和995站位作为应用实例,探寻含铁硫化物的含量和硫同位素组成与SMTZ深度之间的定量相关关系。根据这一相关关系,首次提出采用以含铁硫化物硫含量(X轴)和硫同位素组成(Y轴)分别为自变量的SMTZ深度(Z值)等值线图插值法定量重建沉积物中曾经出现的原始SMTZ的深度。在成功验证994和995站位的原始SMTZ在过去的100ka内未曾抬升至15mbsf之后,本研究进一步采用运移-反应模型对ODP第204航次1245和1252站位硫酸盐、甲烷、硫化氢和含铁硫化物浓度/含量和硫同位素组成进行数值模拟,并且以模拟得到的参数作为约束条件,实现对水合物海岭原始SMTZ深度的定量重建。结合生物地层学年龄、区域构造演化和海洋同位素分期,本研究进一步对水合物海岭地质历史时期内沉积环境的稳定性和甲烷-天然气水合物体系的动态演化进行恢复和讨论。