南海北部甲烷水合物潜在区沉积物早期成岩过程中的碳硫相互作用

【摘要】：天然气水合物作为21世纪理想的替代能源,成为了全球科学界的研究热点。天然气水合物在地层中能否稳定存在主要受温度、压力、自身结构以及成份组成的影响。海平面升降、底层水温变化、沉积速率的改变等自然环境的变化及海底滑坡、地震和火山爆发等地质灾害的发生都会引起天然气水合物的突发性分解释放。我国南海北部作为天然气水合物的潜在赋存区,在地质历史中也曾多次发生天然气水合物的分解释放。天然气水合物所分解释放的甲烷向上逸散,与沉积物中的硫酸盐发生氧化还原反应,甲烷厌氧氧化-硫酸盐还原反应(AOM-SR)是沉积物早期成岩过程中最重要的反应之一,其反应过程不仅受到沉积物中的有机质和向上逸散的甲烷等碳源的影响,沉积物孔隙水中的硫酸盐也对反应有一定的控制作用。因此开展对我国南海北部甲烷水合物潜在区沉积物中碳硫作用的研究,不仅可以了解天然气水合物成藏过程,还可以了解天然气水合物在突发条件下的分解释放机理,更重要的是对我国寻找和勘探开发天然气水合物藏具有重要的科学意义。本论文依托国家"973"计划子课题“南海北部天然气水合物成藏的气源条件研究”(项目编号：2009CB21951)、国家自然科学基金项目“南海北部海底沉积层硫酸盐-甲烷体系产消机制及其界面(SMI)特征研究”(项目编号：40976035)和“天然气水合物成藏体系中产甲烷与甲烷厌氧氧化作用生物标志物和分子生物学研究”(项目编号：41276046)等项目,对台西南海域钻获的973-4沉积物柱状样进行了地球化学特征测定、自生黄铁矿镜下观察以及沉积环境分析,并结合区域地质特征、南海北部其他甲烷水合物潜在区的孔隙水特征等相关资料进行综合分析研究,获得以下主要认识： (1)南海北部台西南海域973-4柱的有机碳含量为0.39-1.26%,TS含量为0.2-0.7%,AVS在898cm深度激增至9315μmol/g,黄铁矿δ34S含量在17.9‰～-44.4‰之间。利用973-4柱的地球化学特征综合判断：973-4柱存在有机质缺氧氧化硫酸盐还原与甲烷厌氧氧化还原硫酸盐两种硫酸盐还原路径,对应深度分别为360-440cm、580-900cm。其中甲烷厌氧氧化硫酸盐还原带可分为上下两部,对应深度分别为580-700cm、700-900cm,上部以甲烷含量作为AOM反应的限制条件,下部则受到硫酸盐含量的限制。甲烷厌氧氧化硫酸盐还原带上下部的分界以硫酸盐梯度的突变为标志,此外,黄铁矿δ348含量接近0‰及黄铁矿晶型出现二次生长也可作为辅助判断指标。 (2)973-4柱SMI界面深度为900cm,结合碳同位素结果和测年资料综合分析,认为973-4柱较浅的SMI界面深度预示着台西南海域可能存在有天然气水合物藏。 (3)通过分析南海北部多个站位的硫酸盐浓度随深度的变化情况,总结出南海北部硫酸盐含量随深度的变化可分为：表层有机硫氧化带、有机质缺氧氧化硫酸盐还原带、中部过渡带及甲烷厌氧氧化硫酸盐还原带。表层有机硫氧化带的出现与沉积物中有机质的含量与类型、局部地质构造及洋流有关,这种现象的发生常常集中出现。中部过渡带的出现与否不但取决于上部有机质缺氧氧化硫酸盐还原作用,而且与下部向上渗漏的甲烷通量相关。 (4)SMI界面的深浅常常与下部是否赋存甲烷水合物藏关系密切,影响南海北部甲烷水合物潜在区SMI界面深度计算结果的因素复杂多样,本文首次提出了干扰数据的过滤方法,计算了南海北部多个站位的SMI界面深度,获得了新的合理的SMI界面。 (5)973-4柱中黄铁矿以其形成机制可划分为两种：充填于生物碎屑及沉积物颗粒间的I型充填和交代充填于生物壳体碎屑中的II型充填。宏观上,黄铁矿可分为管状、块状及莓球状三种。黄铁矿集合体上部多为管状,中部为块状,深部为莓球状,充填型黄铁矿各个层位均有分布。黄铁矿集合体形态取决于形成时期沉积物颗粒间空隙大小及生物碎屑类型。 (6)973-4柱中黄铁矿单晶可见截角立方体、立方体、八面体、五角十二面体及立方体与五角十二面体形成的聚型。八面体作为黄铁矿存在的主要晶型分布于各个层位中,其它几种晶型出现在700cm深度的沉积物中,此深度恰为SMTZ上下部的分界线,多晶型的存在代表着局部微环境的改变,而这种改变是AOM反应限制条件的变化造成的。这种限制条件的变化,可能是由于下伏甲烷水合物的分解偶发且不稳定,使得局部甲烷通量变化较大,最终导致在SMTZ中AOM反应的限制因素在SO42-与CH4之间随时发生改变,这种改变进而影响到黄铁矿的形成环境及路径。 (7)研究区沉积物早期成岩过程中,沉积物有机质中有较高活性有机质首先通过氧化有机质的途径还原硫酸盐。随着高活性有机质的消耗,沉积物埋藏深度的增加,有机质缺氧氧化硫酸盐还原的过程受到抑制,低活性有机质在产甲烷带被产甲烷菌利用,生成甲烷,并在合适的条件下形成甲烷水合物。由于甲烷水合物赋存条件的改变,其分解释放的甲烷向上逸散,又为甲烷厌氧氧化硫酸盐还原作用提供甲烷,从而完成了整个早期成岩过程中碳硫相互作用。