陳芳中國地質大學武漢
① 南海神狐海域含水合物層粒度變化與水合物飽和度關系
陳芳1,劉廣虎1,蘇新2,周洋1,陸紅鋒1,劉堅1,王金蓮1
陳芳(1966—),女,教授級高級工程師,主要從事微體古生物學和海洋地質研究。
1.廣州海洋地質調查局,廣州510760
2.中國地質大學海洋學院,北京100083
摘要:為探討沉積物粒度與水合物飽和度的關系,對南海神狐海域水合物鑽探區的2個獲取水合物的鑽孔岩心沉積物進行了粒度分析及粒度與水合物飽和度對比分析。結果表明:水合物主要賦存於粉砂中,含水合物沉積物具有φ(粉砂)為>70%,φ(黏土)小於介於15%~30%之間,φ(砂)一般小於10%的基本特徵,其中粉砂中以8~32μm和32~63μm粒級的中細-粗粉砂占優勢;含水合物層中砂、粗粉砂含量高的層位與水合物飽和度高的層位呈良好的對應關系,說明粗粒沉積物更有利於水合物的形成和發育。
關鍵詞:沉積物粒度;含水合物層;神狐海域;南海
Variation in Grain Size of Gas Hydrate-Bearing Sediments and the Correlation of Gas Hydrate Saturation from Shenhu Area in the Northern South China Sea
Chen Fang1,Liu Guanghu1,Su Xin2,Zhou Yang1,Lu Hongfeng1,Liu Jian1,Wang Jinlian1
1.Guangzhou Marine Geologic Survey,Guangzhou 510760,China
2.School of Ocean sciences,China University of Geosciences,Beijing 100083,China
Abstract:Grain size of sediments from two drill holes of Shenhu gas hydrate drilling-area from northern South China Sea are analyzed to understand the relationship between the variation in grain-size of sediments and the saturations of gas hydrates.The results suggest that the siltfraction is the dominant component of gas-hydrate-bearing sediments,fealuned by with> 70‰f silt.The second component is clay,in a range of 15%~30%,whereas the sandfraction is less than 10%.The Grain size of gas-hydrate-bearing sediments is similar to the one of no gas-hydrate-bearing sediments.The contents of coarse-grains silt(0.063~0.032mm) and sand(0.063~0.5mm) can be correlated with sediment layers where gas hydrates saturations were high.It further suggests that the occurrence of gas hydrates in Shenhu aera is mainly correlated with coarse-grams sized sediments.
Key words:sedimentary grain size;gas-hydrate-bearing sediments; Shenhu Area;South China Sea
0 引言
水合物的形成與分布除了需要特定的溫壓條件外,更需要合適的沉積條件,以提供充足的氣體來源和良好的儲集條件。作為水合物存在載體之一的海洋沉積物,其岩性是除溫壓條件外控制水合物成藏的重要因素。岩性的差異影響著水合物的產狀與飽和度,一般地,沉積物越粗,飽和度越高。各海域已發現水合物的水合物穩定帶沉積物的岩性各有差異,但相同的是水合物穩定帶內沉積物粒度總體相對較粗[1-5]。筆者以我國在南海神狐海域成功鑽取水合物鑽孔岩心為材料,分析研究南海北部水合物穩定帶沉積物的粒度特徵及其與水合物飽和度的關系,探討沉積物粒度對水合物的制約機制。
1 取樣與方法
所研究的2個含水合物鑽孔SH2B和SH7B沉積物樣品,由廣州海洋地質調查局於2007年在南海北部陸坡神狐海域實施「我國海域天然氣水合物鑽探」航次調查所獲得。含水合物層岩心取樣主要採用非保壓、保壓的FC、FRPC和FPC方式。鑒於該鑽探航次的實際需要等原因,鑽探只在關鍵和部分控制層段鑽取岩心。因此,粒度分析樣品取樣間隔差異較大,介於20~68 m之間,兩鑽孔共取樣176個。鑽孔取樣位置見參考文獻[6]。沉積物粒度分析方法遵照中華人民共和國國家標准《GB/T 12763.8.6.3-2007海洋調查規范第八部分:海洋地質地球物理調查》執行,粒級標准採用尤登-溫德華氏等比制φ值粒級標准,粒度參數計算採用福克和沃德公式。分析方法採用Mastersizer2000型激光粒度儀:取沉積物樣品數克置於玻璃杯中,加純凈水適量使樣品充分浸泡,浸泡12 h使樣品充分分散;加5 m L的0.5 mol/dm3的六偏磷酸鈉(〔Na PO3〕),再浸泡12 h,將浸泡充分分散的樣品攪拌均勻,取適量加入激光樣品槽中,加超聲振動和高速離心,使樣品再次充分分散,測定各級粒級質量分數。激光粒度分析誤差相同粒級差小於3%,均符合國家標准要求,可以滿足本次研究的需要。沉積物粒度分類和命名採用謝帕德的沉積物三角圖解法分類方案。樣品的處理和測試工作是在廣州海洋地質調查局測試所完成。
沉積物原位結構掃描電鏡分析在廣州海洋地質調查局測試所完成,儀器型號為捷克產的VegaⅡ LUM。
2 結果
2.1 水合物儲層的地層分布
南海水合物鑽探航次應用目前世界水合物勘查中多種新的測試方法和手段來探查水合物的存在和分布。如測井獲得的異常電阻率記錄、紅外線圖像(IR images)分析得到的溫度差值記錄、孔隙水低氯離子濃度的記錄等。對沉積物岩心的IR掃描、樣品在水中的分解過程觀察及X射線掃描均提供了SH2B孔和SH7B孔地層中水合物存在的直接證據。取心後證實水合物呈分散狀分布在黏土質粉砂和粉砂的孔隙中,肉眼難以觀察到,水合物分解後沉積物呈粥狀。通過對測井資料、取心資料以及地震資料的詳細分析,確定出水合物層的分布區間;其中SH2B孔水合物分布的區間約在海底以下191~225 m之間,SH7B孔水合物分布的區間大體在海底以下155~177 m之間。根據生物地層的分析,水合物分布在上中新統—下上新統含鈣質生物的黏土質粉砂和含鈣質粉砂中,硅質生物放射蟲和硅藻缺失(圖1)[6]。
圖1 神狐海域水合物儲層的地層分布[6]
2.2 含水合物層粒組類型含量變化
沉積物粒度按照大小劃分為3個粒組類型:>0.063 mm的顆粒統稱為砂,0.04~0.063 mm的顆粒稱為粉砂,<0.04 mm的顆粒則統稱為黏土。兩鑽孔沉積物中最主要的粒組類型均是粉砂,粉砂平均體積分數介於72.89%~74.75%之間。含水合物層沉積物粒組類型平均體積分數與其上下層位沉積物的差別不大,但粒組類型體積分數的范圍值有差異(表1)。以SH2B孔粉砂體積分數為例,該孔不含水合物層的粉砂體積分數介於53.74%~81.35%之間,而含水合物層的介於72.02%~77.09%之間。含水合物層沉積物具有粉砂大於70%,黏土量介於15%~30%之間,砂一般小於10%的基本特徵。
表1 神狐海域含水合物層及其相鄰層位沉積物粒組類型體積分數φB/%
2.3 含水合物層粒級組分分布
採用尤登-溫德華氏等比制φ值粒級標准細分法將兩鑽孔沉積物粒級劃分為以下10個粒級:粗砂>0.5 mm,中砂0.5~0.25 mm,細砂0.25~0.125 mm,極細砂0.125~0.063 mm,粗粉砂0.063~0.032 mm,中粉砂0.032~0.016 mm,細粉砂0.016~0.008 mm,極細粉砂0.008~0.004 mm,粗黏土0.004~0.001 mm和細黏土<0.001 mm,以便進行更細致地討論。
SH2B孔含水合物層粒級組分以中粉砂、細粉砂和極細粉砂粒級為主,平均體積分數分別為20.55%、24.74%和19.07%;粗粉砂佔9.57%;砂含量偏低,細砂—粗砂未見,僅見極細砂,平均體積分數1.39%;黏土以粗黏土為主,為12.39%。SH2B孔水合物主要分布在中粉砂、極細粉砂和細粉砂沉積物中,總體上,與含水合物層上下層位相比粒級組分體積分數差別不大(圖2)。
SH7B孔含水合物層的沉積物較SH2B孔含水合物沉積物要粗,以粗粉砂、中粉砂和細粉砂粒級為主,體積分數分別為18.08%、26.46%和20.10%;各粒級的砂均有出現,以中砂和極細砂為主,分別為3.22%和3.88%;黏土以粗黏土為主,佔8.86%。與含水合物層上下層位相比,粗粉砂、中粉砂粒級沉積物明顯增加,粗粉砂、中粉砂和細粉砂是SH7B鑽孔含水合物沉積物組成的最主要顆粒組分(圖3)。但總的來說,在含水合物層的粉砂粒級中,以8~32 mm和32~63 mm這兩個粒級占優勢。
圖2 SH2B孔各粒級組分體積分數分布(%)(陰影部分為含水合物層,下同)
圖3 SH7B孔各粒級組分體積分數分布
2.4 含水合物層粒度與水合物飽和度的關系
圖4 SH2B孔含水合物層粒度體積分數與水合物飽和度的對比
根據測井參數(LWD)推算出來的水合物飽和度值,理論上代表了沉積物中孔隙被水合物充填的程度。利用測井電阻率(LWD-RAB)和測井沉積物孔隙度值,根據Archie方程可以從理論上推算水合物飽和度值(Sh)[7-8]。這一方法在ODP 164航次和ODP 204航次得到充分實踐和驗證[9-10]。同樣的,利用該方法計算出神狐海域水合物飽和度值。神狐海域含水合物層飽和度值變化范圍較大,介於0.6%~47.3%之間,不同層位水合物飽和度差異明顯。這種差異與沉積物粒度差異相關性較強。SH2B、SH7B孔水合物層沉積物砂、粗粉砂含量高的層位與水合物飽和度高層位有良好地對應關系(圖4,圖5A,B),即沉積物中砂、粗粉砂含量高,水合物飽和度也高,反之亦然。這種特徵在SH7B孔表現得尤其明顯,如在1 594~16 663 cm層段,砂含量5.15%~10.06%,飽和度為20%~44%,平均32%; 16 840~17 120 cm層段,砂含量下降,為1.31%~1.48%,飽和度隨之下降,為2%~7%,平均4%; 17 160~17 585 cm層段,砂含量上升為1.75%~3.94%,飽和度隨之也上升,為8%~23%,平均17%;粗粉砂與水合物飽和度的關系與砂和飽和度的關系相似(圖5A,B)。這種粗粉砂粒徑與水合物飽和度關系在3個單層中顯示更為明顯(圖5B)。
圖5 SH7B孔含水合物層粒度體積分數與水合物飽和度的對比
3 討論
對南海神狐水合物鑽探區鑽井含水合物層岩性特徵的研究發現,含水合物層岩性與上下不含水合物層位的差異不大。因此,只要溫壓、氣源等條件滿足,在南海海底以下任何深度都可能形成水合物。但就南海神狐海域含水合物層而言,粗粒沉積物砂、粗粉砂含量高的層位與水合物飽和度高的層位呈良好地對應關系,說明沉積物的顆粒粒徑是影響水合物形成的控制因素。推測粗粒沉積物可以增加沉積物的孔隙度,為水合物的形成提供更大的孔隙空間,這一點在對含水合物層沉積物原位結構研究中得到證實。根據掃描電鏡的觀察,沉積物中的砂、粉砂和黏土顆粒隨機分布,黏土充填在砂、粉砂顆粒間;砂主要由有孔蟲和條狀形黃鐵礦組成,而粉砂主要由不規則的石英和長石組成,黏土主要充填於顆粒間孔隙中(圖6),其含量的高低影響孔隙度的發育程度。換言之,粗粒沉積物含量高,黏土含量相對降低,有利於孔隙的發育,黏土由於其黏性和密實性不利於孔隙的發育。而且粗粒沉積物滲透性好,有利於氣體的運移和儲存。但水合物飽和度與沉積物的孔隙度並未完全呈正相關關系,含水合物層沉積物為鬆散未固結沉積物,實測的沉積物孔隙度自下而上逐漸增加,而水合物飽和度表現為時高時低,說明孔隙度只是控制水合物飽和度的因素之一;水合物飽和度還受氣體通量、孔隙類型和大小、沉積物滲漏性等因素的影響。初步研究發現,南海神狐水合物鑽探區鑽井含水合物層沉積物的孔隙主要有粒間孔隙和粒中孔隙2種類型,實測的沉積物孔隙度主要由粒間孔隙組成,而粒中孔隙主要存在於沉積物中的有孔蟲房室中。由於實測的沉積物孔隙度無法測得粒中孔隙,因此,水合物飽和度表現為時高時低,除了受粒間孔隙影響外,很大程度受粒中孔隙的影響。關於這方面的深入研究結果另有文章介紹。
圖6 SH7B孔16835-16860cm原位沉積物顆粒的分布結構
4 結論
對南海神狐海域鑽取的含水合物的2個鑽孔岩心進行沉積物粒度分析及其與水合物飽和度的對比分析,結果表明:
1)含水合物層沉積物相對較粗,其基本特徵為以(含)鈣質生物粉砂為主,粉砂含量為>70%,黏土含量介於15%~30%之間,砂一般小於10%。
2)含水合物層沉積物的粉砂粒級,以8~32 μm和32~63μm粒級的中、細—粗粉砂占優勢。粗粒沉積物砂、粗粉砂含量高的層位與水合物飽和度高的層位呈良好地對應關系,說明沉積物的粒度是水合物形成的重要控制因素之一。粗粒沉積物有利於孔隙的發育和水合物的形成。
參考文獻
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② 南海北部陸坡神狐海域HS-岩心表層沉積物古菌多樣性
張勇1,蘇新1,陳芳2,蔣宏忱1,陸紅峰2,周洋2,王媛媛1
張勇(1981-),男,博士研究生,主要從事海洋地質微生物研究。
1.中國地質大學地質微生物實驗室,北京100083
2.廣州海洋地質調查局,廣州510760
摘要:利用分子生物學技術,分析南海北部神狐海域天然氣水合物潛力區HS-373PC岩心表層沉積物中古菌多樣性,從沉積物中提取總DNA並擴增古菌16S rRNA基因序列,對克隆文庫進行系統發育分析。結果顯示:所有古菌序列均屬於泉古菌(Crenarchaeota)和廣古菌(Euryarchaeota)。其中泉古菌以C3為主要類群,另有少量序列屬於marine benthic group (MBG)-B,MBG-C、marine crenarchaeotic group I (MGI)、marine hydrothermal vent group (MHVG)和novel group of crenarchaea(NGC);廣古菌以MBG-D為主,其他序列分別屬於Unclassified Euryarchaeotic Clusters-1/2 (UEC-1/2)。
關鍵詞:古菌多樣性;16S rRNA;海洋沉積物;天然氣水合物調查區;神狐海域;南海北部陸坡
Archaea Diversity in Surface Marine Sediments from Shenhu Area,Northern South China Sea
Zhang Yong1,Su Xin1,Chen Fang2,Jiang Hongchen1,Lu Hongfeng2,Zhou Yang2,Wang Yuanyuan1
1.Geomicrobiology Laboratory,School of Ocean Sciences,China University of Geosciences,Beijing 100083,China
2.Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China
Abstract:Archaeal diversity in the surface sediments from Shenhu Area in South China Sea was studied with the use of 16S rRNA gene phylogenetic analysis.All the retrieved archaeal clone sequences could be grouped into Marine Benthic Group(MBG)-B,-C and-D,Novel Group of Crenarchaea,C3,Marine Hydrothermal Vent Group,Marine Crenarchaeotic Group I,and unclassified euryarhaeotic group,among which MBG-D and C3 were the most predominant groups in the Euryarchaeota and Crenarchaeota,respectively.The results indicated that archaea were abundant and diverse in surface sediments from the northern South China Sea.
Key words:archaeal diversity; 16S rRNA; marine sediments; gas hydrate exploration area; shenhu area;northern south China Sea
0 引言
海洋生態環境獨特,具有高鹽、高壓、低溫、寡營養和光照強度變化大等特點。生活在這一復雜環境中的微生物為適應獨特環境條件,在物種類型、代謝類型、功能基因組成和生態功能上形成豐富的多樣性[1],其中原核微生物主要為古菌和細菌兩大類群[2]。早期有關古菌存在及多樣性的研究僅局限於溫度、p H和鹽度比較極端與厭氧的環境下,在這些極端環境中發現了超嗜熱菌、極端嗜酸菌、極端嗜鹽菌和產甲烷菌。目前已經從熱泉、熱液噴孔、硫質噴孔、鹽湖、高鹼湖、下水道消化池和瘤胃這些典型的環境中分離出了古菌[2]。隨著分子生物學技術的發展,古菌研究的范圍逐漸擴大,常見的環境比如海水[3]、鹽湖水[4]和土壤[5-6]中,都發現有大量的古菌存在。隨著研究領域的擴大,對古菌的分布、新陳代謝的多樣性、從極端環境到普通環境的垂向變化以及在生態系統中所起作用的研究顯得愈加重要。海洋深部生物圈內的古菌群落已經作為特定地質微生物標志,被用來指示過去和現代海洋的地球化學變化和地質環境的變遷[7]。
南海神狐海域天然氣水合物調查研究區位於南海北部陸坡中段神狐暗沙東南海域附近,即西沙海槽與東沙群島之間海域。根據野外地溫梯度測量和室內沉積物樣品的熱導率測量結果以及鑽探站位溫度原位測量結果表明,神狐海域研究區的地溫梯度為45~67.7℃/km,其熱流和地溫梯度處於中—低范圍,該區域流體相對活躍,斷層發育,有利於天然氣水合物的發育[8]。2006年我國在該區實施鑽探,已經成功獲取了天然氣水合物樣品[8]。筆者對神狐海域天然氣水合物調查區HS-373PC樣品岩心表層5~20 cm深度沉積物開展了古菌多樣性的調查,並初步探討它們與沉積物中地質環境的相互作用。
1 材料方法
1.1 樣品採集
2006年夏, 「 海洋四號」調查船在南海北部神狐海域(19°51.2803 ' N,115°12.0888 ' E)水深1 402 m處獲得重力活塞岩心HS-373PC樣品,岩心全長928 cm。本文通信作者隨船考察,並採取微生物樣。微生物取樣間隔為50 cm,取樣後在無菌箱中切除表面沉積物,內部樣品置於無菌袋保存於液氮中,航次結束後用乾冰運至實驗室於-20℃保存。實驗室操作時,切除表面沉積物以防止污染。
用於微生物計數的樣品採集參考國際大洋鑽探(ODP:ocean drilling program)201和204航次中所應用的微生物樣品處理方法[9-10],在無菌操作箱中進行:用滅菌手術刀切除岩心外部沉積物,滅菌注射器取約1 cm3樣品,加入9 m L高溫滅菌並過濾除菌(0.2 mm)的海水,加入終濃度為4%的甲醛固定,置於4℃保存。航次結束後低溫運到實驗室4℃保存。
1.2 微生物計數(acridine orange direct count,AODC)
樣品細胞計數參照吖啶橙直接染色計數法[11]改進。樣品漩渦震盪10 min,取1 m L加入9 m LPBS(0.145 mol/L Na Cl,0.0045 mol/L KH2PO4,0.0055 mol/L K2HPO4,滅菌)緩沖液,震盪5min,400r/min離心5 min,靜置1 h充分沉澱,取上清液加入1%的吖啶橙5m L,黑暗中染色15 mm,過濾到孔徑0.22μm的聚碳酸酯膜(Whatman,UK)上,用10 m L PBS緩沖液沖洗濾膜,置於載玻片上,於熒光鏡下觀察計數。
1.3 DNA提取與16Sr DNA的擴增
稱取約1 g樣品,使用Ultra Clean soil DNAkit (Mo Bio,Solana Beach,Calif.,US)試劑盒提取總DNA,溶於滅菌的純水中。
古菌擴增引物為:Arch21F(5』-TTC YGG TTGATC CYG CCRGA-3』,Y=A,C or G;R=A or G)和Arch958R(5』-YCC GGC GTT GAM TCCATTT-3』,M=Aor C)[3]。PCR反應條件:95℃變性7min,然後94℃變性30 s,54℃退火30 s,72℃延伸1.5min,45個循環,最後72℃延伸10 min。產物經1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測後切膠回收。
1.4 克隆文庫的構建與5序列分析
純化回收後的PCR產物連接到p GEM-T Easy Vector(Promega,US)上,轉化Escherichiacoli.JM109感受態細胞。取適量轉化後培養的細胞塗到含氨苄青黴素、X-Gal和IPTG的LB平板上, 37℃培養過夜,12~16 h後取出,置於4℃冰箱。
隨機挑選部分白色轉化子,接種到上述LB平板上,37℃培養後,使用引物M13-RV (5'-CAG GAA ACA GCT ATG AC-3')和M13-47(5'-GTT TTC CCA GTC ACG AC-3')做菌落PCR。反應條件如下:95℃變性10min,加入1.25U Taq酶,然後94℃變性30 s,54℃退火30 s,72℃延伸2min,35個循環,最後72℃延伸10min。擴增產物經1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測後,挑選部分樣品進行測序。
所得序列用Sequencer 4.8(Gene Codes Corporation,US)軟體進行分析,經Bio Edit軟體編輯後,以97%的序列相似性作為劃分標准[12],使用DOTUR軟體(http://www.plantpath.wisc.e/fac/joh/DOTUR.html)選出運算分類單位(operational taxonomic unit,或OTU),用a Rarefact Win軟體(http://www.uga.e/~strata/software.html.)得出飽和曲線。所得OTU對應序列輸入NCBI資料庫,在線使用BLAST (basic local alignment search tool)對比序列,採用Neighbor-Joining建樹方法構建系統發育樹。
本研究中所得到的古菌16Sr DNA序列在Gen Bank核酸資料庫里的接受序列號為HS373A1-HS373A98(FJ896063-FJ896103); HS373A107-HS373A16(GU181294-GU181316)。
2 結果與分析
2.1 沉積物微生物計數
表層沉積物中的總微生物計數使用吖啶橙染色直接計數法,計數結果顯示微生物的數量約為1.69×107cells/g沉積物(濕重)。
2.2 古菌多樣性分析
所測序列經篩選後得到132個有效序列,共分為64個OTU。文庫覆蓋率C=1-(n/N) (其中n為OTU中只出現一個克隆子的數目,N為總序列數)為68.2%。使用a Rarefact Win軟體分析得到克隆文庫的飽和曲線(圖1)。
圖1 南海北部HS-373PC岩心表層沉積物中古菌16SrRNA基因序列飽和曲線
該132個序列均屬於未培養類型,同源序列大多數來自海洋沉積物,分別屬於泉古菌(Crenarchaeota)和廣古菌(Euryarchaeota)兩大類(圖2)。其中泉古菌以C3[13]為主(占總序列的24%),其他序列屬於marine benthic group (MBG)-B[14],MBG-C[15],marine crenarchaeotic group Ⅰ(MGI)[16],marine hydrothermal vent group (MHVG)[17]和novel group ofcrenarchaea(NGC)[15]。廣古菌以MBG-D[13]為主(占總序列的16%),其他序列屬於unclassified euryarchaeotic clusters (UEC)-1/2。各類群所佔比例見圖3。
泉古菌中包含92個克隆序列(占總序列的70%)。其中以C3為主要類群,包含32個克隆,同源序列來源廣泛,其中大多數來自南海沉積物中,相似性在97%~99%之間。其他同源性最高的序列來自太平洋秘魯邊緣海(ODP Leg 201)和喀斯喀特邊緣海(ODP Leg 204)含有水合物的沉積物[13]、墨西哥灣沉積物(AB448792)和維多利亞港沉積物(EF203609)。MBG-B(也稱為Deep-Sea Archaeal Group,DSAG)[17-19]類群最先發現於深海沉積物和熱液口,該類群廣泛存在於多種深海環境中[20],文庫中有2個克隆屬於該類群,同源序列來自鄂霍次克海冷泉沉積物[15]、墨西哥灣沉積物(IODP Site 1230)和Juan de Fuca海嶺沉積物[15],相似性為98%~99%,這幾個地區沉積物均發現水合物存在。20個克隆屬於MBG-C,同源序列(相似性為95%~99%)來自深海沉積物和紅樹林土壤。12個克隆屬於MGI,同源序列源自南海沉積物[16,21]和北冰洋沉積物(FJ571813),相似性在97%~99%之間。有4個克隆屬於MHVG,與來自墨西哥灣沉積物的克隆(AB432999)相似性最高(99%)。NGC類群有20個克隆,其中相似性最高(相似性98%)的序列(EU713901)來自鄂霍次克海[15],其他克隆相似性最高的序列(DQ984855)和(AB433026)分別來自南海沉積物和墨西哥灣深海沉積物,相似性僅為89%和92%。
廣古菌包含40個(占總序列的30%)克隆序列。其中MBG-D是優勢類群,有21個克隆屬於該類群,分為13個OTU。其中大部分克隆同源序列來源於南海[16,21]、智利瓦斯科湖、Skan灣[22]、墨西哥灣、日本南海海槽[23]、鄂霍次克海[15]和秘魯邊緣(ODP Leg 201)有機含量豐富不含水合物的深海沉積物[13]。另2個克隆相似性最高的序列(AF068817)來自大西洋中脊熱壓噴口[24],同源性只有86%。19個克隆組成UEC類群,9個克隆屬於UEC-1,同源序列來源於南海沉積物、Baby Bare海灣熱液噴口[25]和Skan灣[22]。10個克隆屬於UEC-2,相似性最高的序列來源於南海[26]和Santa Barbara海盆[27],相似性在96%~99%之間。
3 討論
海底沉積物表層有機質含量相對比較豐富,為微生物的生長繁殖提供充足的物質能量。據統計太平洋表層沉積物中微生物(包括細菌和古菌)豐度為108~109cells/cm3沉積物[28],有活性的微生物豐度為108cells/cm3沉積物[29]。本文HS-373PC岩心表層沉積物使用吖啶橙染色計數獲得的微生物的數量,與南海南沙盆底陸坡沉積物中使用熒光原位雜交計數的結果[16]相比數量偏低。
圖2 南海北部HS-373PC岩心表層沉積物中古菌16SrRNA基因序列系統發育樹
圖3 南海北部HS-373PC岩心表層沉積物古菌文庫中各類群所佔的比例
(其中「Un」為未分類的類別)
HS-373PC岩心的表層沉積物中古菌多樣性雖然比較高,但從序列類別來說,大部分所在的類群在其他海區沉積物中都有發現[13,15,17-20,22-24]。尤其是大多數序列與南海其他地區沉積物中所報道的古菌類群[16,21,26]具有很高的相似性。而且在群落組成結構等方面比較起來還是有所不同。
與南海其他地區古菌類群相比,如在西沙海槽表層沉積物中古菌以MGI為主要類群(49.2%),其他包括TMEG(terrestrial miscel1aneous euryarch-aeotic group)、MBG-A/B/D、C3和NEG(novel euryarchaeotic group)類群以及17%的UEC克隆[21]。南海瓊東南沉積物中古菌以MCG和MBG-B(DSAG)為主要類群(各佔27%),其他還存在MBG-D、SAGMEG、TMEG和3個克隆的甲烷八疊球菌(Methanosarcinales)以及29%的UEC克隆[26]。MGI類群常發現於海洋和陸地環境,在海洋環境中,廣泛分布於表層和次表層沉積物中,該類群可能兼性自養或者代謝類型多樣[30]。本文神狐海域水合物潛力區的表層沉積物中的古菌,也有MGI類群出現,該類群所佔比例僅為9%。MBG-B類群最先發現於熱液口深海沉積物,目前在深海海底沉積物中均發現此類群[20],該類群在底部甲烷上涌流的上層硫酸鹽還原帶沉積物中含量豐富,可能在硫酸鹽還原和甲烷氧化中起重要作用[31];此類群在南海瓊東南盆地表層沉積物中所佔比例較高,在神狐海域表層沉積物中,只有2個克隆出現,測試表明該深度甲烷體積分數較低(約40×10-6),而硫酸根質量濃度較高(2 655 mg/L),說明該深度甲烷氧化與硫酸鹽還原程度還比較低。
與上述南海所報道2個地區古菌多樣性相比,神狐海域HS-373PC表層沉積物中古菌C3類群的克隆明顯占優。該類群尚未有培養種類,具體代謝類型還不清楚。類群中相似性最高的序列來自太平洋秘魯邊緣(ODP Leg 201)和喀斯喀特邊緣海(ODP Leg 204)含有水合物的沉積物。
西太平洋日本南海海槽含有天然氣水合物的沉積物中,古菌多樣性很低,只發現有3種類群的古菌類群,分別與脫硫球菌、熱網菌和熱球菌相似,沒有發現其他類群[32]。東太平洋美國俄勒岡州外海水合物海嶺的ODP 204航次1244、1245和1251站位有水合物存在的表層沉積物岩心中,古菌以MBG-B(DSAG)類群為主[13](約佔50%~100%)。而位於東太平洋赤道海域ODP 201航次幾個地質環境不同鑽探站位的表層沉積物中古菌群落結構不同,其中1230站位(含天然氣水合物)古菌以MBG-B(DSAG)類群為主[13];1227站位(不含水合物但有機質含量豐富)古菌以MCG和SAGMEG為主要類群,不含MBG-B(DSAG)類群[13];而1225站位(不含天然氣水合物且有機含量低)古菌以MGI和MBG-A為主要類群,但含少量MBG-B(DSAG)類群[13]。由此可見,即使是在發現了天然氣水合物的地區,表層樣中古菌的類型和群落結構也隨海域或同海域不同站位地質環境而變化。神狐海域HS-373PC表層沉積物古菌的優勢類群和上述地區明顯不同。前人對南海表層沉積物有機質含量的總結表明,神狐地區屬於有機質含量較低的地區[33]。因此,如果就HS-373PC表層沉積物中有機質含量低而古菌群落含少量MBG-B類群這2點來看,和東太平洋赤道海域ODP 201航次1225站位具有一定的相似性。
該岩心採集的區域屬於已確定的天然氣水合物潛力區,一系列的數據強烈暗示該區沉積物深部存在著天然氣水合物[8]。但對該岩心表層沉積物中古菌多樣性分析後發現,古菌中沒有明顯指示天然氣水合物存在的類群出現,可能是本文所取的樣品處於沉積物表層,各種參數變化不明顯,在古菌多樣性上沒有明顯的顯示。對於HS-373PC岩心中微生物多樣性和地質環境的關系進一步的探討,還有待於建立在未來獲得更多微生物和地質環境分析的基礎上。
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③ 建築學考研,西安建築科技大學怎麼樣
還可以吧。 建大是著名的建築「老八校」之一,現在也是「老八校」中最好考的。內
最好容的專業是建築學,城市規劃,建大學生在國際大學生設計競賽和論文評比中先後 7 次名列前茅,獲得 10 余項獎勵。學校有六大王牌專業:包括建築學,城市規劃,給水排水工程,建築環境與設備工程,土木工程,運輸工程(總圖工程),冶金工程,所以你考這個學校是相當好的。。就業也相當的好,不過這個專業比較難考。努力吧。
④ 南海北部DSH-1C柱狀樣晚更新世以來沉積物磁性特徵及其環境意義
羅禕1,蘇新,陳芳2,黃永樣2
羅禕(1982-),女,博士研究生,主要從事海洋地質方面研究,E-mail:[email protected]。
1.中國地質大學海洋學院,北京100083
2.廣州海洋地質調查局,廣州510760
摘要:對取自南海北部陸坡「海洋四號沉積體」DSH-1C柱狀樣進行了沉積學和磁學分析,結合相關資料探討了該柱狀樣沉積物磁性特徵其縱向變化,及其與該區沉積環境變化的關系。結果表明:DSH-1C柱狀樣自上而下共劃分3個岩性單元,表層沉積物為全新世MIS1期以黏土質粉砂為主的深海-半深海沉積;中部含數層重力流沉積夾層,為晚更新世MIS2期沉積;底部為晚更新世MIS3期黏土質粉砂。該柱狀樣x值平均值為1.72×10-7m3/kg。所有樣品的IRM 均已達到SIRM的80%以上,S300的最小值為0.605。該柱狀樣沉積物中的磁性礦物極少,以低矯頑力礦物為主;該柱狀樣磁性特徵在陸源物質輸入較多的間冰期(MIS1和MIS3期),磁性參數值較高;反之,在MIS2磁性參數值較低,可能與冰期該區陸源物質減少有關。此外,該岩心柱中富含有孔蟲殼體或雙殼碎屑的重力流層沉積物的磁性參數值低,與這些逆磁性碳酸鹽組分的增加有關。
關鍵詞:磁性特徵;粒度分析;晚更新世;東沙;南海
The Magnetic Properties of Late Pleistocene Sediments in Core DSH-1 C from Northern South China Sea and Their Environment Significance
Luo Yi1,Su Xin1,Chen Fang2,H uan Yongyang2
1.School of Ocean Sciences,China University of Geosciences,Beijing 100083,China
2.Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China
Abstract:A study of magnetic properties of sediments at the piston core DSH-1C from deep sea area of Dongsha,the South China Sea was carried out.The 626cm-core were subdivided into three lithologic units:Holocene clayey silt (Unit I,MISl) at the top interval of the core; late Pleistocene turbidity sequences characterized by 3 to 4 major sand layers in the middle interval(Unit Ⅱ,MIS2) ; and then the lowest sequences composed by clayey silt interbedded with thin silty sand or silt layers (Unit Ⅲ,MIS 3)..The average value of the Xfor the sediments is 1.72×10-7m3/kg,and all samples show high values of IRM,over 80‰f sediment SIRM,while the minimum of S300for all samples is 0.605.According to magnetic properties obtained,it was inferred that sediments from the core contained very rare magnetic minerals.Lowest values of magnetic properties (X,NRM and SIRM) were observed in the intervals of Unit Ⅱ,where turbidity layers containing abundant calcareous foraminifera shells occurred,indicating the dilution of carbonate in these sediment layers.On the other hand,higher values those parameters were seen in the interglacial period (MIS l and MIS3) ,probably e to more terrigenous debris input ring warm periods in this area.
Key word:magnetic properties ; grain size;late Pleistocene; Dongsha area; South China Sea
0 引言
環境磁學自20世紀80年代確立至今逐漸形成了一門以磁性測量為核心手段,磁性礦物為載體,利用磁學的方法去研究環境作用、環境過程和環境問題的新興交叉學科[1-3]。海洋沉積物的環境磁學研究亦已成為近年來研究的熱點。在這一領域國內外學者通過對深海岩心沉積物或淺表沉積物磁學特徵的研究,結合年代學、沉積學和地球化學等資料,研究沉積物的來源及沉積環境的變化,去重建古氣候和古環境[1-6]。
當前,在對海洋沉積物的磁學特徵的研究中,沉積物磁化率的變化可以反映物源和環境的改變已經得到普遍的認同及應用。其他磁性參數(如:天然剩磁、等溫剩磁、非磁滯剩磁等)也逐漸被引入到海洋沉積物的礦物學、古地磁學、次生變化及成岩過程等的研究中[4-12]。不僅如此,近年來國外學者在對海洋天然氣水合物的研究中,探討了水合物賦存區沉積物的磁性參數(主要以磁化率為代表)及其與自生礦物(主要以黃鐵礦為代表)的關系[13-15]。
本文為首次在南海水合物賦存區進行柱狀岩心沉積物的磁性研究。將利用環境磁學和沉積學方法,通過對來自南海北部水合物賦存區獲得的DSH-1C重力柱狀樣沉積物的磁性特徵及其沉積環境的對比研究,來探討該研究區表層沉積物的磁性參數變化的因素及其與沉積環境變化的關系,希望通過以上研究獲得該研究區表層沉積物的磁性特徵及其環境意義。
1 樣品與方法
1.1 樣品來源
DSH-1C保壓重力活塞柱狀樣全柱長626 cm,由2006年「海洋四號」科考船取自南海北部陸坡,東沙海域「海洋四號沉積體」氣體水合物調查區,水深3 000 m。該區冷泉活動的證據首先由「海洋四號」科考船發現,2004年中德合作SO177航次「太陽號」科考船對「南海北部陸坡甲烷和天然氣氣體水合物分布、形成及其對環境的影響研究」的調查獲得更多證據,並命名為「海洋四號」沉積體[16-17]。
該區位於南海北部陸坡東部,台灣海峽北岸,構造上屬於被動大陸邊緣,毗鄰台灣島西南的外濱增生楔。水深在1 500~3 000 m之間,平均水深大於2 500 m[16](圖1)。
研究區海底具有強似海底反射層(BSR)的地震反射特徵。在海底電視對海底的調查中,發現該區有深水冷泉雙殼類、菌席。對SO177航次GC10站位[16](圖1)的岩心描述中提到該區沉積物中有因甲烷氣體脹氣形成的裂隙結構。其孔隙水地球化學分析結果也在一些深度表現出孔隙水氯離子異常等地球化學特徵,並由甲烷通量推測該站位深部存在甲烷源。
圖1 南海北部陸坡「海洋四號沉積體」水深圖及DSH-1C、SO177-GC10站位示意圖
1.2 研究方法
對DSH-1C柱狀樣描述其岩性特徵、照相後,按10 cm間隔取樣,取樣厚度為2 cm,得到共計63份沉積物樣品,對其進行了磁學、粒度和碳酸鹽含量測試。
1.2.1 岩石磁學方法
對DSH-1C柱狀樣的磁學參數進行了磁化率(X)、天然剩磁(NRM)、非磁滯剩磁(ARM)、等溫剩磁(IRM)及飽和等溫剩磁(SIRM)的測試。
所鄰近的SO177-GC10柱狀樣已有對有孔蟲AMS14C年齡的測試結果[16],其底部年齡為50~60 ka,屬於布容正極性期,因此未對DSH-1C柱狀樣的磁傾角方向進行考慮。環境磁學樣品直接用無磁性立方盒封裝,並對所有樣品進行低溫烘乾(小於40℃)。
(1)磁化率測量在中國地質大學(北京)地學實驗中心進行,利用KLY-4S卡帕橋磁化率儀測得全部樣品的質量磁化率。
(2)樣品剩磁及退磁參數測量均在中國科學院地質與地球物理研究所古地磁實驗室進行。2G-755R岩石超導磁力儀上完成,對所有樣品進行天然剩磁測量,然後進行退磁。儀器測量范圍2.0×10-12~2.0×10-4Am2;靈敏度1.0×10-12 Am2。除490cm處樣品測量值為2.37×10-4Am2超出量程僅作參考,320cm處由於電腦故障測量值未被保存外,其餘61份樣品測量值最小值為1.36×10-6Am2,最大值為1.18×10-4Am2,為可信值。一般的海洋沉積物樣品經過15~25 m T的交變退磁,即可獲得特徵剩磁,故選擇0、5、10、15、20、25、30、40、50、60、70m T的退磁步驟。240 cm和320 cm處由於電腦故障測量值未被保存外,獲得61份樣品的特徵剩磁。
(3)應用2G-760超導磁力儀,在外加90 m T交變場疊置0.1 m T的直流場下測定樣品的非磁滯剩磁。儀器測量范圍1.0×10-7~1.0×10-2Am2;靈敏度2.0×10-12Am2。全部樣品測量值最小值為3.96×10-5Am2,最大值為2.68×10-3Am2,為可信值。
(4)為保證對樣品飽和等溫剩磁的測量值在2G-760超導磁力儀量程范圍內,對測量樣品質量進行縮減。用Model660 Pulse Magnetizer在1.7 T磁場下進行磁化,後在2G-760超導磁力儀上測量飽和等溫剩磁。全部樣品測量值最小值為1.38× 10-4Am2,最大值為9.08×10-3Am2,為可信值。將樣品置於100、300 m T的反向磁場中磁化得到全部樣品的等溫剩磁(IRM-100、IRM-300)。
定義S300=(-IRM-300)/SIRM,計算得到S300。
1.2.2 粒度分析
粒度測試在中國地質大學(北京)海洋學院利用英國馬爾文公司Mastersize2000型激光粒度儀進行測試。本文樣品沒有進行有機質和鈣質組分的去除,希望得到沉積物全部碎屑的粒度特徵,所以進行了全粒級的粒度分析。方法為:取2 g左右待測樣品放入20 m L的燒杯中加入適量蒸餾水浸泡,使其在自然狀態下分散。測試前加入0.5 mol/L的六偏磷酸鈉溶液進行化學分散,測試中未進行超聲處理。
1.2.3 碳酸鹽含量測試
碳酸鹽含量測試也在中國地質大學(北京)海洋學院利用容量法測試。因部分樣品含有較多鈣質生物殼體,為保證樣品測定的准確性,每份樣品至少取3份進行平行測定。
2 結果與討論
2.1 岩性及粒度特徵
DSH-1C柱狀樣沉積物的主要岩性為灰綠色黏土質粉砂,中間夾有數層富含有孔蟲及生物碎屑的粗粒粉砂質夾層,部分層位夾有灰黃色或灰黑色細層,黏性較大,下部有皸裂現象和氣脹孔結構。根據岩性和粒度變化可將該岩心自上而下分為3個岩性單元(Ⅰ-Ⅲ) ( 圖2)。
圖2 DSH-1C柱狀樣沉積物粒度分析結果
岩性單元I(0~約152 cm)為含有孔蟲粉砂,砂粒組分中含有較多的有孔蟲,因此與碳酸鹽含量變化對應。岩性單元Ⅱ(約152~470 cm)以富含大量生物碎屑(雙殼、腹足等殼體)及有孔蟲砂黏土質粉砂為主要特徵。砂層及黏土質粉砂層交替。岩性單元Ⅲ(約470~620 cm)為含深灰黑色粉砂質夾層的黏土質粉砂。沉積物中鈣質組分相對較低,也較穩定。
2.2 年代確定
表1 SO177-GC10浮游有孔蟲AMS14C年齡數據[16-17]
圖3 DSH-1C與SO177-GC10柱狀樣岩性、粒度分析、對比曲線圖(左圖據文獻[17])
採用SO177航次在「海洋四號」沉積體獲得的GC10表層柱狀沉積物樣浮游有孔蟲AMS14C年齡數據(表1)[16-17]。據Zhang等[17]研究,GC10柱狀樣的3個岩性單元(圖3左圖),上部為全新統沉積,中部和下部為更新統頂部沉積。兩者分界以富含有孔蟲和生物碎屑層末次出現為標志。通過與GC10進行對比可以得出:DSH-1C柱狀樣沉積物在約152 cm深度下部富含有孔蟲和生物碎屑砂的首次出現為標志。152 cm之上為全新統沉積,之下為更新統頂部沉積(圖3)。其中岩性單元Ⅱ為末次冰期MIS2時期的沉積,而岩性單元Ⅲ為MIS3時期的沉積。
2.3 磁學結果
圖4為DSH-1C柱狀樣磁學參數測試結果隨深度變化的曲線圖,其中X、NRM、ARM和SIRM記錄天然物質的磁性變化與沉積物中磁性礦物的含量、種類、粒度等相關。一般來說,通過計算得到S300的大小與沉積物中中低矯頑力磁性礦物和高矯頑力磁性礦物的相對含量呈正比例關系[18]。本文主要探討DSH-1C柱狀樣沉積物中磁性礦物的含量變化。
根據測試結果,結合其岩性特徵,可將DSH-1C柱狀樣的磁學參數特徵分為Ⅰ(0~152 cm)、Ⅱ(152~470 cm)、Ⅲ(470~626 cm)3段。
圖4 DSH-1C柱狀樣磁學參數(X、NRM、ARM、SIRM和S300)隨深度變化圖
Ⅰ段(0~152 cm):該深度段X的變化范圍為(2.37~4.84)×10-7m3/kg,波動幅度較大且隨深度的增加而降低。NRM、ARM和SIRM數值曲線特徵與X變化趨勢相一致。此深度段樣品的S300在0.925~1.00變化。
Ⅱ段(152~470cm):該深度段X、NRM、ARM和SIRM平均值明顯降低,整體數值趨於平穩。X平均值為1.10×10-7m3/kg。ARM平均值在1.17×10-7Am2/kg,比上一段減少87.6%。SIRM平均值為6.54×10-6Am2/kg,比上一段平均值減少57.5%。此段S300波動幅度大,全柱最小值0.605出現在330cm。
Ⅲ段(470~626cm):X、NRM、ARM 和SIRM 數值相對上一段升高,有明顯波動。全柱最大值出現在490 cm處,其X、NRM、ARM 及SIRM 均顯示為最大值。S300與上兩段明顯不同,變化幅度很小,呈穩定趨勢。
由於天然物質的磁化率主要取決於其中磁性礦物的含量,如果亞鐵磁性礦物含量很少,磁化率則非常弱。主要是順磁性礦物乃至逆磁性礦物對磁化率做出的實際貢獻[1-2]。綜合3個深度段, DSH-1C柱狀樣X值最大值僅為6.02×10-7m3/kg,平均值為1.72×10-7m3/kg。可見該柱狀樣沉積物中磁性礦物含量極少。
天然樣品S300,低矯頑力磁性礦物(如磁鐵礦)其值接近於1,高矯頑力磁性礦物(如赤鐵礦)其值則低於0.5[9,18]。DSH-1C柱狀樣S300的最小值為0.605,並且所有樣品在300 T外加磁場下獲得的IRM均已達到SIRM的80%以上。由此該柱狀樣沉積物中以低矯頑力的軟磁性礦物為主。
此外,該柱狀樣沉積物X、NRM、ARM 和SIRM隨深度具有相同的變化趨勢,以上這些特徵表明磁性礦物的含量是該研究區沉積物磁性特徵的主要影響因素。
2.4 磁性特徵及其環境意義
本文選取磁性參數X和S300,結合已得到的沉積特徵和古海洋學結果進行對比分析(圖5)。
圖5 DSH-1C柱狀樣x、S300、黏土體積分數和碳酸鹽體積分數隨深度變化圖
2.4.1 磁性參數的變化
磁化率為代表的海洋沉積物的磁性參數受多種因素的影響。已經得知本文研究區沉積物磁性特徵主要受到磁性礦物含量的影響。總體趨勢來看,岩性單元Ⅰ和Ⅲ區間內沉積物的磁性礦物含量要高於岩性單元Ⅱ內沉積物。並且,在沉積物黏土粒級(體積)百分含量較高的層段沉積物磁化率數值相對較高。這一變化趨勢與南海南部NS93-5孔[19]、東帝汶海MD98-2172岩心[12]和東海內陸架EC2005孔的部分層段[20]沉積物磁化率和粒度的相關關系的研究結果相似。在對台灣海峽西部外海表層沉積物[21]和墨西哥灣陸坡表層沉積物[15]的磁化率的研究中,也發現沉積物粒度越細,其磁化率數值越高。
在同一岩性單元內沉積物的磁性主要受到碳酸鹽含量和碎屑礦物含量2個因素的影響。以岩性單元Ⅱ內沉積物為例:首先,在碳酸鹽含量高的層段區間,X值相對較低(圖5中陰影部分),這是由於碳酸鹽是逆磁性礦物,對磁化率等磁性參數的貢獻極小,並且碳酸鹽含量的大幅增加稀釋了沉積物中黏土粒級含量,使得相應層段的沉積物磁性相對較低。其次,在黏土粒級含量相對較低的層段,X值卻相對較高(圖5中虛線框部分)。具有這一特徵的深度區間,通過對沉積物岩性觀察、沉積物圖片觀察和粒度分析結果得出這些深度區間內粉砂含量高,含有相對大量碎屑礦物。可認為該深度區間碎屑礦物含量對沉積物磁性參數有重要的貢獻。
該柱狀樣S300比值在碳酸鹽含量較高的重力流沉積層段比值較小,在碎屑礦物含量較高的層段比值較大。這一特徵仍然顯示了磁性參數與碎屑礦物含量的關系。
2.4.2 磁性參數變化與沉積環境
通過與SO177航次GC10站位沉積學和古海洋學結果[16-17]相對比,可以得到DSH-1C柱狀樣3個岩性單元從下到上分別為MIS3期到MIS1期的沉積記錄。在該沉積期間內,據前人研究[17,22-23],MIS1期(冰後期)為全新世高海面暖時期,MIS2期為末次冰期,MIS3期為末次間冰期。從圖5可見,氣候最暖時磁性參數值最高,末次冰期磁性參數最低,而末次間冰期較高。
在海洋沉積物中磁性礦物來源除海底火山和熱液成岩作用帶來的磁性礦物之外,其中主要是通過風、河流、冰川的搬運作用以及海岸的侵蝕作用,將陸源碎屑搬運至海洋沉積物中的磁性礦物;其他也有生物作用、成岩作用形成的自生磁性礦物。目前研究認為,陸坡海洋沉積物中磁性礦物主要來自於陸源,而其磁性參數(如磁化率)與沉積物中陸源物質豐度相關[1-2,4,9,19]。前人在對黃土磁性礦物揭示古氣候變化的研究中[24]提出,溫暖潮濕的氣候促進黃土的化學風化形成磁性較強的古土壤,而寒冷時期的黃土磁性較弱。
由此可推知,物源區碎屑礦物自身的風化過程因氣候冷暖改變而產生的磁性差異,輸入海洋中也可能導致溫暖時期的海洋沉積物磁性較強,反之在寒冷時期較弱。
因此,研究區內,氣候溫暖間冰期河流的淡水輸入量較大,帶來較多的陸源物質[23],表現為磁性參數的相對高值。這一特徵在碎屑礦物含量較高的層段(如490 cm深度區間)有明顯的表現:沉積物中除含有較多碎屑礦物之外還含有少量木屑,具有陸源碎屑的特徵相應其磁性也表現為高值。在寒冷的MIS2期間,淡水輸入減少,同時海平面的降低,也增加了離開陸地的距離,整體陸源輸入的不足導致沉積物中磁性礦物含量小,該岩心中此期的磁性參數值最低。此外,該地史時期內海平面為最低,有數層來自陸架的重力流沉積層[16-17,23,25-28],這些重力流層中含有大量的有孔蟲和生物碎屑[26-27]。它們的存在使得這些層中沉積物中碳酸鹽含量增加,同時也是導致這些重力流層中磁性最低的原因。
3 結論
通過對南海北部陸坡DSH-1C柱狀樣沉積物的粒度分析結果、磁學分析結果、碳酸鹽含量的分析,通過與相鄰站位SO177-GC10站位沉積物岩心的對比,得到以下認識:
1)DSH-1C柱狀樣為晚更新世到全新世的深海—半深海沉積,主要岩性為黏土質粉砂,中間夾有數層重力流沉積物。
2)DSH-1C柱狀樣沉積物的磁性特徵隨深度變化的特徵,顯示其主要受沉積物中磁性礦物含量影響;沉積物中磁性礦物含量十分稀少,以低矯頑力軟磁性礦物為主;沉積物磁性垂直變化與黏土粒級含量變化相似,並且受到碳酸鹽稀釋作用和碎屑礦物含量的影響。
3)DSH-1C柱狀樣在氣候溫暖的MISl冰後期(0~約152 cm),海平面最高,陸源輸入量最大,沉積物磁性參數值最高;MIS2末次冰期(約152~470 cm深度區間),海平面最低,陸源輸入不足,磁性參數最低;MIS3末次間冰期(約470~626 cm深度區間),氣候相對較暖,海平面較高,磁性參數較高。
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⑤ 南海北部神狐海域天然氣水合物成藏動力學模擬
蘇丕波,梁金強,沙志彬,付少英,龔躍華
蘇丕波(1981-),男,博士,主要從事天然氣水合物的氣源條件與成藏模擬研究,E-mail:[email protected]。
註:本文曾發表於《石油學報》2011年第2期,本次出版有修改。
廣州海洋地質調查局,廣州510760
摘要:為了了解南海北部神狐海域天然氣水合物的成藏匹配條件,針對神狐海域水合物研究區典型二維地震剖面,構建了該區的地質模型,並對其進行了天然氣水合物成藏動力學的模擬。研究結果表明:神狐海域具備有利於天然氣水合物成藏的溫度、壓力條件;微生物氣和熱解氣的資源潛力巨大,滿足水合物形成的氣源條件;運移條件優越,有利於天然氣水合物的聚集成藏。針對上述結果,提出了該區天然氣水合物的成藏模式,並初步預測該區天然氣水合物資源潛力巨大,是進一步勘探水合物的遠景區。
關鍵詞:南海;神狐海域;天然氣水合物;成藏模式;生物氣;熱解氣
Gas Hydrate Reservoir Simulation of Shenhu Area in the South China Sea
Su Pibo,Liang Jinqiang,Sha Zhibin,Fu Shaoying,G ong Yuehua
Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760
Abstract:In order to understand the natural condition of gas hydrate formation,a geological model of gas hydrate reservoir,which based on the typical seismic image obtained from Shenhu area,was studied by basin modeling.The studies indicated: 1) The temperature and pressure of Shenhu study area are appropriate for gas hydrate reservoir; 2)These gas source rocks have huge gas-generating potential,thus provide abundant gas sourcefor gas hydrate formation; 3)The hydrocarbon migration conditions are favorable for accumulation of gas hydrate.A forecasting model of gas hydrate formation was given after basin analysis.The conclusion is drawn that Shenhu area is a better hydrate prospecting area because of its favorable conditionsfor gas hydrate formation.
Key words:South China Sea ; Shenhu area;gas hydrate;reservoir model;biogases ; thermolytical gases
0 引言
天然氣水合物是在低溫、高壓環境下由水和天然氣組成的類冰結晶化合物,主要賦存在陸地永久凍土帶和水深超過300 m的海洋沉積物中。目前發現的海底天然氣水合物主要分布於世界各大洋邊緣海域的大陸斜坡、陸隆海台和盆地以及一些內陸海區的大洋沉積物中,水深一般為300~4 000 m ,賦存沉積物一般為海底以下0~1 500m[1]。
控制海洋天然氣水合物成藏的關鍵因素包括溫度、壓力、氣體組分和飽和度及孔隙水組成,水合物的結晶和生長還取決於沉積物顆粒大小、形狀和組成[2],但是這些因素受到海洋中一系列構造和沉積作用的影響,在不同的時間尺度上可能導致多種天然氣水合物成藏的動力學反映[3-5]。目前,國內外對天然氣水合物賦存及分布的主控因素的研究仍局限於對影響水合物成藏的個別因素探討上,如全球氣溫變化、構造活動與地熱史、沉積作用效應、地溫梯度和冰川性海平面相對移位等[6],這些因素均可改變天然氣水合物形成所需要的溫壓條件與沉積物的物性特徵,從而影響天然氣水合物系統的穩定性。除溫壓條件外,是否有充足的氣體供應是控制天然氣水合物的形成的另外一個重要的控制因素;從動態過程來考慮,除了烴類氣體的供應外,還涉及烴類氣體到達天然氣水合物穩定帶的運移通道,天然氣水合物形成的構造環境等。
南海北部陸坡含油氣盆地發育,氣源豐富,類型眾多,深部熱解氣、淺層微生物氣均有可能形成天然氣水合物,雖然部分學者分別就烴類氣體供應問題、烴類運移條件、岩層和構造對天然氣水合物產狀與分布影響或控製做過單方面的研究[7-9],但還沒有將它們作為一個有機整體在時空尺度上開展水合物的成藏系統研究。本文選取南海北部神狐海域研究區的典型地震剖面,圍繞天然氣水合物「成藏」這一核心問題,通過水合物成藏動力學模擬,結合地震剖面解釋成果,對南海北部神狐海域天然氣水合物成藏模式進行了初步的探討。
1 研究區地質概況
圖1 研究區位置及范圍
神狐海域水合物研究區地理上位於南海北部陸緣陸坡區的中段神狐暗沙東南海域附近,即西沙海槽與東沙全島之間海域,構造上位於珠江口盆地珠二坳陷白雲凹陷(圖1)。白雲凹陷水深200~2 000 m,面積約為20 000 km2,新生代最大沉積厚度約為12 000 m,地史上經歷多次地殼運動和多階段的構造演化,地質構造復雜,斷層-褶皺體系非常發育[10-13]。神狐海域研究區晚期斷層極其發育[14],新生代斷層大致可分為晚中新世和上新世以來2個主要時期,晚中新世斷層以NW為主,斷層大部分切割上中新統,部分切割上新統,是研究區最主要的斷層活動時期;上新世以來活動斷層以NEE向為主,斷層活動下,部分斷層切穿較新的沉積層延伸至海底附近,深部斷層為天然氣向淺部水合物穩定帶運移創造了有利條件,而褶皺構造易於捕獲天然氣,促使水合物的形成。同時,神狐海域海底滑塌作用非常強烈,有分析認為可能與水合物的形成和分解有關[15]。此外,根據沉積相分析[16-17] 於興河,蘇新,陳芳,等.南海天然氣水合物成礦的沉積條件初步研究.北京:中國地質大學,廣州:廣州海洋地質調查局,2002.
2 模型選擇及參數的選取
由於神狐海域探井缺乏,本次模擬剖面選取既考慮選擇神狐海域水合物研究區具有代表性的典型剖面,同時兼顧該區及鄰區是否有可以借鑒的模擬參數資料。結合這兩點,本次模擬研究選取神狐海域水合物研究區的二維地震測線Line A,該測線處水深介於400~1 700 m,地層自下而上發育有始新世文昌組、漸新世恩平組、中新世珠海組、珠江組、韓江組、粵海組、上新世萬山組和第四系8套地層,在水深500~1 000 m之間的萬山組內識別了指示水合物存在的BSR特徵標志(圖2)。
本次研究採用IES軟體中的Petro Mod 2D模塊,主要對研究區新生界的溫壓場、有機質熱演化指數R。和流體運移進行了模擬。地層壓力的演化基於2個假設應用有限元模擬方法來模擬孔壓發育史:首先假設岩石和孔隙流體在壓縮和變形過程中保持質量平衡;其次壓實過程中,流體排出極其緩慢,能夠以達西流法則來描述牛頓流。熱史恢復則採用地球熱力學和地球化學結合方法,即將正演技術與反演技術、地史恢復與熱史恢復結合起來,利用已知的地層信息和古溫標資料作為約束條件,對研究區的熱演化史進行模擬。有機成熟度的計算採用Sweeney和Burnham 提出的EASY% Ro模型[18-19],它是目前用於成熟度計算最為完善的一種模型,它不僅考慮了眾多一級平行化學反應及其相應反應的活化能,而且還考慮了加熱速率,適用范圍廣,能比較精確的模擬地質過程中有機質成熟度演化。
圖2 神狐海域研究區模擬測線A原始解釋剖面及地質模型
a.測線A原始地震剖面(時間域);b.測線A模擬地質模型(深度域)
模擬中主要需要岩石性質、地質界面、烴源岩地球化學和斷層活動性等參數,對這些模擬參數的選取,綜合借鑒了研究區各方面的研究成果。其中,模擬所需的岩性參數來源於中海油鑽探資料[20];地質界面參數中古水深來源於高紅芳等[21]在該區的研究結果;熱流來源於ODP184航次調查成果[22-23];古地溫由IES系統根據剖面所在的全球位置和緯度,利用全球平均地表溫度窗口以及古水深變化計算不同時期的溫度曲線;對於烴源岩地球化學參數,綜合目前研究資料及地質分析,認為該區主要烴源岩層為文昌組和恩平組,其中恩平組w(TOC)平均值為2.19%,HI平均值為157.4 mg/g,由於白雲凹陷尚未鑽遇文昌組烴源岩,文昌組烴源岩層TOC、HI數據根據珠江口盆地珠一坳陷與珠三坳陷的資料結合該區地質條件類比分析認為:研究區文昌組為中深湖相泥岩, w(TOC)平均值為2.94%,HI平均值為483.4 mg/g[24];而斷層活動性的分析主要是基於斷層在地震剖面上斷過的層位以及研究區構造活動的時間來判斷和估算。本次模擬研究中,斷層根據其活動期次劃分為始新世中期神狐運動及之前形成的活動斷層,中中新世東沙運動形成的活動斷層以及上新世以後的活動斷層;對剖面經過的每一條斷層均進行了屬性定義,在模擬過程中,各斷層活動性自構造活動時間開始均設為完全開啟狀態。
3 模擬結果分析
模擬結果是否可靠需要通過模擬結果與鑽井實測值進行對比來進行檢驗。研究區番禺低隆起有部分探井,其中井B有實測的地溫和鏡質體反射率[25],且該井與測線剖面較近,兩者的演化環境與受熱歷史相差不大。可以利用該井的實測值對模擬結果進行檢驗,從與該井最近的剖面點模擬結果與實際井資料的對比圖(圖3)可以看出,測線點模擬曲線與井測試值趨勢比較一致,說明模擬結果比較准確,可以用模擬結果來進行相關解釋。
圖3 神狐研究區井B地溫和Ro實測值與模擬值對比
3.1 溫壓場模擬
天然氣水合物的形成與成藏需要特定的溫壓條件,低溫和高壓有利於水合物的形成和穩定賦存[26]。測線A通過地震剖面解釋,在水深500~1 000 m之間的萬山組內識別了指示水合物存在的BSR特徵標志。通過模擬得到該區現今的溫度場(圖4)與壓力場(圖5),在剖面上BSR所處溫度在16℃左右,壓力在15 MPa左右,對比世界上已知天然氣水合物區,結合甲烷在海水中形成水合物的相平衡曲線[27],表明該測線剖面BSR區域處於天然氣水合物穩定存在的溫壓場范圍內,符合天然氣水合物的成藏要求。
圖4 神狐海域A測線現今溫度場模擬
圖5 神狐海域A測線現今壓力場模擬
3.2 有機質成熟度模擬
對神狐海域地質調查站位資料的分析[28] 郭依群,梁勁,龔躍華,等.南海北部神狐海區天然氣水合物資源概查報告.廣州:廣州海洋地質調查局,2004.
Ro值是反映烴源岩成熟度的重要指標。通常,生物氣的烴源岩應處於未熟—低成熟的生烴門限以下,其Ro< 0.7%,有機質熱演化Ro模擬結果顯示(圖6):淺部地層上新世萬山組、中新世粵海組、韓江組Ro位於0.2%~0.6%,均未進入生油門限,由於其厚度大,且有機質豐度較高;其中,第四系w(TOC)平均為0.22%~0.28%,萬山組w(TOC)平均為0.30%~0.39%,粵海組w(TOC)平均為0.49%;粵海組—第四系海相泥岩生烴潛力w(Sl+S2)平均為0.13~0.32 mg/g,均已達到了作為生物氣烴源岩的有機質豐度和生烴潛力的標准和條件 郭依群,梁勁,龔躍華,等.南海北部神狐海區天然氣水合物資源概查報告.廣州:廣州海洋地質調查局,2004.
圖6 神狐海域A測線有機質成熟度模擬
同時,模擬結果也表明了凹陷內的「熱解烴源岩」文昌組和恩平組有機質的演化程度普遍較高。其中,文昌組Ro值在2%以上,最大值超過3%,處於過成熟生干氣階段,已產生大量熱解氣。而恩平組Ro為1.3%~2.6%,處於高演化階段,現階段以生氣為主。高解析度地震資料解釋結果顯示 梁金強,郭依群,沙志彬,等.天然氣水合物資源量評價方法及成礦遠景研究.廣州:廣州海洋地質調查局,2002.
3.3 流體運移模擬
通過前面有機質成熟度的模擬分析可以知道,處於測線A深部的文昌組和恩平組有機質成熟度已處於高演化階段,均以產氣為主。從測線剖面所在區域的文昌組和恩平組烴源岩產生的油氣流體運移模擬結果可以看到(圖7),深部的文昌組和恩平組烴源岩已經開始產生大量的熱解氣,並且產生的熱解氣通過斷層或上部滲透率高的岩層,可以運移至淺部水合物穩定帶,為水合物成藏提供一定的熱解氣。同時也應注意到,雖然深部烴源岩層能夠大量產氣,但是大部分氣體在運移至珠海組和珠江組時,在有利構造部位集聚成藏,這些成藏的氣體然後以斷裂為主要運移通道向上運移至淺部水合物穩定帶;同時,也可以看到,當斷層斷裂至海底時,氣體將沿著斷層逸散至海面,造成氣體的散失,不利於水合物的成藏。另外,深部熱解氣也可以隨超壓孔隙流體向上運移,與淺部生物氣混合形成水合物。而在淺部,由於斷裂構造不發育,受流體勢控制,淺部生物氣以則向運移為主運移至水合物穩定帶區域。
圖7 神狐海域A測線油氣運移模擬
4 水合物成藏模式的構建
天然氣水合物成藏是一個復雜的過程。其成藏系統包括烴類生成體系、流體運移體系、成藏富集體系,它們彼此之間在時間和空間上的有效匹配將共同決定著天然氣水合物的成藏特徵。白雲凹陷於始新世—早漸新世在潮濕的氣候環境、全封閉的深窪陷及高的沉積速率下形成了巨厚的文昌組、恩平組烴源岩,隨後,這2組烴源岩在裂後相對構造平靜期大量生烴,而以高沉積速率的深水細粒為主的充填作用導致白雲凹陷形成超壓;隨後的東沙運動使白雲凹陷發育大型底辟構造和大量NW 向張扭斷裂,壓力隨之得到釋放,逐步形成今天趨於正常地層壓力的狀態[30]。超壓存在說明油氣運移曾經不暢,現今白雲凹陷趨於正常壓力,則表明超壓得到了有效釋放、油氣運移通暢,大量油氣已經運移出來。因此,可以認為晚期底辟和斷裂產生的垂向通道為油氣垂向輸導的有效通道。油氣勘探也顯示白雲凹陷北坡天然氣藏具有晚期斷裂控製成藏的特點,同時由於白雲凹陷深水區同樣存在大量具有底辟構造和斷裂相關的淺層亮點氣異常反射,也證明了凹陷深部的油氣被垂直輸導到淺部地層;顯然,白雲凹陷存在晚期活動的斷裂和底辟帶的垂向輸導系統,可以大大改善天然氣的垂向運移條件。代一丁等[31]通過盆地模擬表明:文昌組和恩平組兩套烴源岩層在開平凹陷現在處在生、排烴高峰期,在白雲凹陷已處在產生裂解氣的階段。這與本次模擬吻合。另外,離該測線不遠處,有我國第一口深水鑽井LW3-1-1井,該井在上漸新統珠海組和下中新統珠江組鑽遇了大量天然氣,累計天然氣地質儲量約為800億~1 100億m3[32-33]。據此推測,該區域深部烴源岩在一定程度上可以產生大量熱解氣,這些熱解氣通過合適的斷層與底辟為天然氣水合物的成藏提供一定的熱解氣源。
同時,近海油氣勘探表明[34],南海北部邊緣盆地生物氣的烴源岩分布相當廣泛,縱向上從上中新統至第四系,甚至在局部區域的中中新統的不同層段均有分布;區域上盆地內均有大套淺海相和半深海相的泥質烴源岩展布,其有機質豐度相對較高,已達到了作為生物氣烴源岩的標准,且具有一定的生烴潛力。並且已在珠江口盆地東部白雲凹陷北斜坡PY34-1和PY30-1構造的淺層已發現生物氣氣藏。
圖8 神狐海域天然氣水合物成藏模式
綜上所述,構建了該區的水合物成藏模式圖(圖8)。該成藏模式認為神狐海域水合物氣源為通過深海平原生物氣橫向遷移和深部熱解氣的垂向運移混合成因,深度熱解烴源岩具有良好的生烴能力,生成的大量氣體以活動斷裂為主要運移通道向上運移,並在合適的條件下在源岩上部有利構造部位形成一定規模的天然氣氣藏。同時,這些深源高成熟氣體持續以斷裂為主要運移通道或者隨超壓孔隙流體向上運移,這些氣體運移至淺部與淺部生物成因氣混合在一起,在合適的溫壓域內形成水合物。
5 結論
1)神狐海域具備有利於天然氣水合物成藏的水深、溫度、壓力條件及其地質條件。
2)神狐海域氣源條件充足,白雲凹陷深部發育文昌組和恩平組兩套主要的烴源岩,其有機碳含量和鏡質體反射率值均較高,以產氣為主,部分氣體通過斷裂構造運移至水合物穩定帶,為天然氣水合物成藏提供一定的熱解氣氣源;神狐海域淺部韓江組,粵海組,萬山組及第四系鏡質體反射率在0.2%~0.6%之間,熱成熟低、厚度大、泥岩及有機質含量高,是良好的生物氣氣源岩;生物氣資源潛力巨大,可為天然氣水合物的形成提供生物成因氣氣源。
3)神狐海域運移條件優越,發育溝通氣源岩層的斷裂與底辟構造,為水合物的成藏提供氣體的垂向運移通道;而在淺部,氣體則通過側向運移為主運移至水合物穩定帶。
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