近日，青岛海洋地质研究所深海极端环境探测研究团队在东海冲绳海槽冷泉沉积物铁、锰、硫、碳元素循环耦合研究方面取得新进展，研究成果发表在地球科学领域国际权威期刊Global and Planetary Change。

作为典型的弧后盆地，冲绳海槽广泛发育海底热液和冷泉系统，这对该区域的碳循环具有重要影响。以往冷泉碳酸盐岩的记录显示，热液来源的金属驱动了冷泉区甲烷的厌氧氧化作用，从而降低了冷泉碳泄漏强度。然而，由于缺乏现代孔隙水地球化学数据，导致对研究区域内铁、锰、硫和碳循环之间动态相互作用的认识仍不清晰。

针对上述问题，该研究利用冲绳海槽中段的海底浅钻和重力柱沉积物样品，开展了孔隙水地球化学研究，研究数据首次记录到了热液锰供应对有机质矿化的增强作用，从而降低了弧后盆地中有机碳的埋藏效率。

研究证实：通过厌氧氧化作用可显著改变孔隙水碱度，并促进碳酸盐岩沉淀，从而实现冷泉碳泄漏的截留。此外，该研究还提出了一种新的海底白云石形成机制，认为其与产甲烷带内厌氧氧化作用有关，而非前人认为的沉积物风化、逆风化控制的白云岩化作用。

上述研究对理解弧后盆地中铁、锰、硫和碳的循环具有重要意义，也为认识甲烷丰富但硫酸盐贫乏的太古代海洋提供了科学依据。该研究由青岛海洋地质研究所和崂山实验室共同完成。

 冲绳海槽冷泉沉积物铁、锰、硫、碳元素循环耦合模式

南海是我国海域天然气水合物赋存的主要区域，学术界关于南海近期连续水合物演化史及其分解触发机制仍存有较大争议，甲烷渗漏引起的海洋环境和生物效应也尚不清晰。近年来，中国地质调查局广州海洋地质调查局实验测试研究所教授级高级工程师陈芳牵头团队通过对南海天然气水合物钻探岩心沉积物开展系统研究，在水合物分解的地球化学记录、水合物演化、触发机制及生物环境方面取得系列新的研究进展。相关成果已陆续发表在《Geophysical Research Letters》（地球物理研究通讯）、《Ore Geology Reviews》（矿产地质论评）、《Chemical Geology》（化学地质）、《Minerals》（矿物）和《Science China Earth Sciences》（中国科学：地球科学）等国内外著名地学期刊。

一是开展天然气水合物分解的触发机制研究，证实了南海北部冷泉碳酸盐岩确实与水合物有关，提出温度对水合物稳定性影响更大等新认识，并首次提供高海平期存在强烈甲烷渗漏活动的证据。天然气水合物在海洋沉积物中处于动态的平衡状态，极易受到温度和压力变化引起分解，释放大量的甲烷至海水甚至大气中，因而了解其触发机制对于资源和环境调查都显得尤为重要，也是目前水合物研究最受关注的热点问题之一。

广州海洋局陈芳及团队邓义楠、庄畅等，联合上海海洋大学、中国科学院南海海洋研究所等相关人员组成课题组，通过测试东沙海域含水合物钻孔岩心中发育的自生碳酸盐岩U-Th（铀-钍）年龄，收集迄今为止已公开发表的全球冷泉自生碳酸盐岩测年数据，并投放在全球20万年来海平面-年龄变化曲线进行研究，获得水合物分解释放及冷泉活动发生在高海平面，甲烷渗漏在高海平面暖期活动强度最大，其诱因可能与底层海水变暖有关，与压力相比，温度对水合物的稳定性影响更大等新认识，与过去普遍认为的压力是影响南海水合物动态的主要因素这一传统认识大相径庭。研究成果证实了南海北部冷泉碳酸盐岩确实与水合物有关，并首次提供了高海平期存在强烈甲烷渗漏活动的证据。

图1全球海平面变化与甲烷释放关系图解

二是揭示了南海东北部二十万年以来较为完整的水合物分解演化历史。研究人员通过对含水合物钻孔岩心所获连续沉积冷泉碳酸盐岩样品进行了系统地球化学分析，结合前期测年结果，揭示出南海东北部二十万年共发生了三大期的甲烷渗漏事件。通过开展多种微量元素特征研究显示，第一期和第三期的甲烷渗漏强度较小，主要局限于沉积物中，对海洋环境影响微乎其微。而第二期规模极大，形成于13.3-11.3万年之间，大量的甲烷向上渗漏至海水中，极大的影响了海洋环境。研究首次提出了天然气水合物分解可能导致海底局部的硫化环境。

图2南海北部近二十万年以来水合物释放历史

三是建立起新的水合物分解事件识别指标。识别天然气水合物分解事件对于了解水合物成藏模式及地质历史时期甲烷在全球碳循环中的作用具有重要意义。研究人员在含水合物钻孔岩心的沉积物和碳酸盐岩样品中发现了多层微量元素钼（Mo）的强烈富集，最高富集系数达到273（富集系数＞10属于强烈富集），而正常半深海沉积物中Mo的含量偏低，一般富集系数≤1。Mo元素的富集是高度还原硫化环境的指示，推断其富集与天然气水合物分解释放的甲烷厌氧氧化作用有关。由于Mo在地质样品中所赋存的硫化物易于保存，因此，Mo作为有效的地球化学指示剂，能够更好地用于示踪地质历史时期中甲烷渗漏的强度和大规模的水合物分解事件。

图3水合物甲烷渗漏区Mo元素富集机制

四是对天然气水合物释放与海底生物关系取得新认识。水合物分解伴随着大量的甲烷渗漏至海水中，从而养育了冷泉生物群。然而，冷泉区生物众多，甲烷渗漏与各类生物存在何种联系目前尚未十分清晰。研究团队对南海北部深水洋流途经海域的天然气水合物异常区钻探站位采集到的冷水珊瑚、冷泉碳酸盐岩进行了鉴定，对其矿物、元素、稳定同位素进行测试和研究。鉴定出3个种的冷水珊瑚，发现南海冷水珊瑚的成因是在洋流作用下多种因素作用的结果。

研究指出，以甲烷为主的冷泉流体形成冷泉碳酸盐岩，为珊瑚生长提供了硬质基地。渗漏最终停止后，来自西太平洋的深水洋流携带“富营”物质维持冷水珊瑚的生长和堆积。甲烷不仅可以直接为海底生物提供能量，也可间接的支撑珊瑚等生物生长。研究拓展了南海北部海底洋流、冷泉流体的环境效应研究视域。同时，研究团队首次发现在晚第四纪沉积中底栖和浮游有孔虫碳同位素值同时出现极低值事件，对解释陆坡甲烷气释放能否贯穿上层海水及有孔虫碳同位素负偏因素有很好的研究意义。对资源勘探及古海洋环境研究具有重要意义。

以上研究成果得到国家自然科学项目基金（No. 41372012、41776066和41803026）和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（GML2019ZD0506）的共同资助。

论文信息如下：

Chen, F., Wang, X. D., Li, N., et al., 2019. Gas hydrate dissociation during sea-level highstand inferred from U/Th dating of seep carbonate from the South China Sea. Geophysical Research Letters, 46, 13,928–13,938.

Deng, Y., Chen, F., Hu, Y.,et al., 2020. Methane seepage patterns during the middle Pleistocene inferred from molybdenum enrichments of seep carbonates in the South China Sea. Ore Geology Reviews, 125, 103701.

Chen, F., Hu, Y., Feng, D., et al., 2016. Evidence of intense methane seepages from molybdenum enrichments in gas hydrate-bearing sediments of the northern South China Sea. Chemical Geology, 443, 173–181.

Deng, Y., Chen, F., Li, N., et al., 2019. Cold-Water Corals in Gas Hydrate Drilling Cores from the South China Sea: Occurrences, Geochemical Characteristics and Their Relationship to Methane Seepages. Minerals, 9, 742.

Zhuang, C., Chen, F., Cheng, S., 2016. Light carbon isotope events of foraminifera attributed to methane release from gas hydrates on the continental slope, northeastern South China Sea. Science China Earth Sciences, 59, 1981–1995.

地球深部上地幔的氧化还原状态控制着岩石的部分熔融，同时影响变价元素、亲铜元素的价态和挥发分的形成，其与岩浆起源、成矿作用乃至大气圈的演化密切相关。例如青藏高原发育大量后碰撞斑岩铜矿床，其形成被认为与幔源超钾质岩浆有直接或间接的关系。当前，多数构造环境下的上地幔氧化还原状态已经得到了较好的约束，如俯冲带的楔形地幔通常是相对氧化的（ΔFMQ = 0 to +3），而克拉通地幔（ΔFMQ = −4 to −2）和大洋地幔（ΔFMQ = −1.2 to −0.4）是相对还原。相比之下，造山带之下的上地幔氧氧化还原状态研究程度较弱，有关造山带之下的上地幔逸度（fO2）数据较少，且变化范围较大（ΔFMQ = –4.5 to +2.6），影响造山带上地幔fO2变化的机制也尚未得到很好的限定。

针对上述科学问题，自然资源部中国地质调查局地质研究所杨志明研究组选择青藏高原南部后碰撞（~25-8 Ma）超钾质岩中的二辉橄榄岩包体开展详细研究，首次报道了喜马拉雅造山带之下的上地幔fO2，以及超钾质岩浆从地幔源区到浅部地壳上升过程中的fO2变化。本次研究结果进一步暗示，后碰撞时青藏高原岩石圈地幔高fO2，有利于Cu、S等成矿物质从深部到浅部地壳的迁移，这可能是青藏高原大量发育后碰撞斑岩铜矿的关键。

图1. 藏南后碰撞超钾质岩及其内地幔包体的ΔFMQ vs. T (A)、P (B)和全岩Mg# (C) 图解

　　研究表明，二辉橄榄岩包体的fO2范围为ΔFMQ = +0.5 to +1.2（图1A，B），指示藏南~25-8 Ma时岩石圈地幔相比克拉通和大洋地幔更加氧化，大致落在俯冲带楔形地幔的fO2范围内。矿物学证据显示，源自俯冲于藏南陆壳之下的新特提斯洋壳和印度陆壳的富水流体和/或熔体对藏南岩石圈地幔的交代作用，很可能导致了其fO2的升高。此外，超钾质岩浆在从56km的古深度上升到15km的过程中，ΔFMQ从+0.8升高至+3.0（图1C）。这一fO2从深部到浅部过程的升高规律，与深部粗面安山质岩浆至浅部粗面质岩浆结晶分异过程中钛铁矿、硫化物和橄榄石含量降低等规律一致。因此，结晶分异作用，这一壳内岩浆演化过程，很可能导致了幔源岩浆fO2的变化，幔源岩浆fO2不能简单用来代表其源区氧化还原状态。

本研究得到国家自然科学基金委、科技部重点研发计划项目资助，研究成果近期在线发表在著名地学期刊《Geology》上（Li, W.K., Yang, Z.M., Chiaradia, M., Lai, Y., Yu, C., and Zhang, J.Y., 2020. Redox state of southern Tibetan upper mantle and ultrapotassic magmas, Geology, doi: 10.1130/G47411.1）。原文链接：https://doi.org/10.1130/G47411.1