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《沉积黄铁矿中的微量元素特征对甲烷渗漏的指示》

  • 来源专题：深海资源开发
  • 编译者： 徐冰烨
  • 发布时间：2025-04-13

  • 大陆边缘的海底甲烷渗漏广泛存在。大量微生物介导的生物地球化学过程与海洋甲烷渗漏密切相关，并在近海底环境中对碳循环和硫循环产生重要影响。在这些过程中，硫酸盐驱动的甲烷厌氧氧化（SD-AOM）是甲烷消耗的主要机制，能够去除超过90%近海底的甲烷。这一过程对调控水体和大气中的甲烷排放具有重要意义。对甲烷渗漏相关过程的广泛研究已有多种地球化学指标，可用于识别现代和古代的SD-AOM作用，并重建甲烷渗漏在地质历史时期的变化。在这些指标中，甲烷驱动的自生碳酸盐（MDAC）被广泛研究，包括其矿物学特征、碳氧稳定同位素、主量与微量元素及稀土元素组成。

    尽管MDACs在冷泉区十分常见，但在以扩散为主的甲烷运移环境中常常缺失，这可能会限制对甲烷渗漏活动的准确重建。相比之下，黄铁矿是一种在地质记录中广泛存在的自生矿物，在不同甲烷渗漏环境中亦较为常见。这使得黄铁矿成为记录SD-AOM过程和甲烷渗漏活动的理想矿物载体。已有研究表明，黄铁矿的丰度、形貌以及其铁、硫同位素等特征是识别甲烷渗漏的可靠指标。

    早期研究中，黄铁矿组分通常通过湿化学方法从沉积物中提取，但这类方法容易受到所在沉积物中元素的污染影响。近年来，激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）原位分析技术有效地克服了这一问题，成为研究黄铁矿微量元素含量的有力工具。中国科学技术大学、中国海洋大学联合多家科研机构的研究人员，利用原位LA-ICP-MS技术分析了南海海马冷泉区沉积物中黄铁矿的微量元素组成，以深入理解其循环过程，并揭示与甲烷渗漏相关的地球化学机制。

  • 原文来源：https://mp.weixin.qq.com/s/c6pELbPIUZ1hK1ni6e-urg
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    • 在海洋中，几乎不間接的粒子级联——其中大部分是由生物过程产生的——从阳光照射的表面沉入深渊的黑暗中。这个过程被称为海洋的生物泵，将化学能量和生命所需的元素传递到深海，有助于控制地球的气候，并为深海生态系统提供燃料1。在《自然》杂志上写道，Du等人2通过报告一个生物地球化学框架，其中海洋中的多种元素来自海底，有效地颠覆了这种对海洋的看法。 不断从海洋表面下沉的颗粒物通常使用降水类比来描述：它由微观藻类的软组织和硬组织尸体的“雨”组成；以及由更大、更蓬松的有机和无机颗粒组成的“雪”组成。这个字面上自上而下的过程成功地解释了碳、氮、硅和磷的海洋分布——这些元素是支持海洋生物所需的大量“宏观营养素”元素。这些宏量营养素具有高度的可溶性，其海洋停留时间比全球海洋环流的1000年时间尺度长。 然而，海洋中稀有“痕迹”元素的分布也引起了极大的兴趣。生物活性微量元素，如铁、锌和钴，也是生命所必需的，与宏量营养素一起，对海洋生产力（海洋产生的有机物数量）和生态系统结构产生强烈影响。宏量营养素和微量元素的分布对于了解海洋生态系统3,4至关重要——可以说，温度和降水率对于了解陆地生物群落一样重要。 海洋常留时间相对较短（数百年或更短）的微量元素就像一杯混合不良的咖啡中的奶油粉：它们往往在来源附近的海洋中富集，因此它们的分布通常受到当地输入和去除过程的影响比宏量营养素的影响更大。因此，许多与生物和科学相关的微量元素的分布，包括Du等人研究的微量元素的分布，都逃避了仅依赖自上而下机制的简明解释。 过去几十年来，对微量元素分布和过程的调查催生了许多令人兴奋的发现和提出的生物地球化学机制。其中包括通过特定颗粒类型5,6选择性去除微量元素；涉及微量元素与有机分子7,8的复杂相互作用的过程；来自热液喷口和海底沉积物9,10的输入；从大陆边缘9（标志着大陆和海洋地壳之间过渡的海底区域）的横向运输微量元素11,12的微量元素从大气中沉积。 Du和同事们现在提供了自下而上的过程也会影响微量元素的海洋分布的证据。作者重点关注几种停留时间相对较短的元素，包括钕和其他稀土元素。他们在深海太平洋（深度低于5000米）测量了这些元素的数量，对海底沉积物、孔隙水（被困在沉积物颗粒中的海水）和沉积物颗粒本身取样。测量结果表明，深海孔隙水为海洋提供了这些元素的微妙通量。根据科学家目前对水如何在深海中混合的理解，这些通量在太平洋的巨大宽度和水深测量（海底的三维形状）上扩展到海洋的生物地球化学方面做出了关键贡献。 Du等人利用国际GEOTRACES计划13,14收集的海洋盆地规模颗粒和溶解微量元素调查的高精度全球数据，表明氧化锰（海洋颗粒雨的次要无机成分）对钕有很高的亲和力。作者得出结论，因此，下沉的氧化锰颗粒缓慢且不可逆转地从海洋的水柱中积累了钕——可能还有许多其他稀土元素——并将其带回海底。与这一观点一致，作者观察到钕和稀土元素主要被困在几种沉积物类型的无机锰氧化物中。 深海沉积物中有机物的分解推动了缓慢的化学变化，导致沉积物中微量元素持续释放回深海。Duet al.使用数值模型的组合来表明，除了以这种方式释放的“回收”钕通量外，太平洋沉积物还必须从当地硅酸盐矿物的海底风化中释放少量的“新”铌，以解释GEOTRACES绘制的同位素分布。这些结果对海洋停留时间相对较短的其他微量元素——如铁，一种关键营养素——如何分布在全球海洋中，有影响。研究结果还表明，对硅酸盐风化规模的估计，硅酸盐风化是一个影响数百万年时间尺度的气候的过程15，需要重新考虑深海沉积过程的贡献规模。 对孔隙水和沉积物中微量元素和稀土元素的测量非常具有挑战性，因此很少，这限制了将Du和同事的结果与其他海洋环境的数据进行比较并验证发现的机会。此外，太平洋比其他海洋更安静——这一特征有利于本研究，但很难知道这些发现与其他地区的相关性。 与此相关的是，仍然很难衡量深海沉积物投入、自上而下的过程和来源（如大陆边缘）对其他微量元素分布和其他地区的相对贡献。根据他们的模型，Du等人认为，深海沉积物和边缘沉积物的化学差异解释了他们研究中提出的深海通量。未来对全球微量元素分布理论和拟议的深海沉积源的修订无疑将需要考虑其他设置，以及微量元素和同位素的套件。 尽管如此，从杜和同事的分析中得出的图景对于许多微量元素来说，比人们普遍认为的要“自下而上”得多。海洋沉积物甚至可能是海洋内部大片地的微量元素的主要输入。沉积物中拟议的微量元素通量由从深渊中回收的成分以及通过风化当地矿物释放的新鲜输入组成（图。1）。组合的通量扩散并混合到海洋内部，在那里，它被来自地表的颗粒雨缓慢但持续地从水柱中重新清除。 因此，重要的是，作者提供了一个可测试的框架，用于评估许多其他元素的参与过程的规模，包括铜、钴、镍和铁等生物活性元素。进一步测量作者援引的通量、海洋颗粒的成分和各种微量元素的亲和力，将有助于确定哪些元素遵循这一生物地球化学规则集，以及在多大程度上。自然642，575-576（2025） doi：https://doi.org/10.1038/d41586-025-01681-0
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  • 《南海冷泉沉积物中钼同位素特征：揭示甲烷渗漏与钼富集机制》
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    • 编译者：熊萍
    • 发布时间：2024-12-27
    • 近日，中国科学院南海海洋研究所冷泉与水合物研究团队在冷泉活动强度示踪和元素富集机制研究领域取得重要进展。该团队利用在南海东沙海域的水合物钻孔岩芯，通过沉积物中钼同位素（δ98Mo）的研究，揭示了冷泉沉积物中钼的富集机制，并指出钼同位素具有示踪冷泉活动强度的潜力。相关研究成果已发表在Geochimica et Cosmochimica Acta上，中国科学院南海海洋研究所博士金梦（现广州海洋地质调查局）为论文第一作者，中国科学院南海海洋研究所副研究员李牛为论文通讯作者，合作者还包括广州海洋地质调查局教授陈芳、德国汉堡大学教授J?rn Peckmann、美国朱尼亚塔学院教授Ryan Mathur、美国罗格斯大学教授Linda Godfrey，以及上海海洋大学教授陈多福。 海洋沉积物释放的甲烷对海底生态环境乃至地球气候系统可能产生显著影响。在海底冷泉沉积物中，钼（Mo）的富集与甲烷释放事件密切相关，这些沉积物可能是海洋中潜在的钼汇。然而，冷泉沉积物中钼富集的具体机制尚未完全明确。 本研究对南海天然气水合物区域的钻孔沉积物（GMGS2-8、GMGS2-16）进行了钼同位素分析。分析结果显示，冷泉沉积物中的自生钼同位素组成（δ98Moauth=0.18‰~3.31‰，NIST SRM 3134）与现代富含铁、贫硫化氢的沉积物以及弱缺氧沉积物相似。 其中较高的自生钼同位素（δ98Moauth>1.5‰）反映了较低甲烷渗漏情况下，海水中的钼通过扩散作用进入沉积物孔隙水中，并在硫化环境中转变成硫代钼酸盐，导致钼同位素分馏。而自生钼同位素值的降低与沉积物Fe/Al和Mn/Al的升高则表明，在甲烷渗漏强烈的情况下（存在甲烷气泡），铁锰氧化物和氢氧化物颗粒的穿梭过程更为活跃。 研究认为，在甲烷渗漏通量较低时，沉积物中的钼主要来源于海水中钼的向下扩散。而在甲烷渗漏强度较高时，向上的甲烷气泡和羽状流促进了大量铁和锰从沉积物深部释放到上层水体，这些释放出的铁和锰遇到氧化的底层水后形成氧化物和氢氧化物颗粒。这些颗粒从海水中吸附钼，随后又回到沉积物中，在缺氧条件下分解释放出钼。释放出的钼被沉积物孔隙水中的硫化氢固定，最终导致冷泉沉积物中钼的富集。 本研究揭示了铁锰颗粒穿梭过程在甲烷渗漏区域钼封存中的重要作用，并指出冷泉沉积物中的钼同位素组成有潜力作为限定甲烷渗漏强度的地球化学指标。 该工作受到国家自然科学基金、中国科学院南海海洋研究所自主部署项目和广东省基础与应用研究研究重大项目共同资助。 论文信息：Jin,M.,F. Chen,N. Li*,J. Peckmann,R. Mathur,L. Godfrey,and D. F. Chen (2024),Isotope evidence for the enrichment mechanism of molybdenum in methane-seep sediments: Implications for past seepage intensity,Geochim Cosmochim Ac,373,282-291 论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703724001728?via%3Dihub
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