卞友艷, 陳多福

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墨西哥灣北部上陸坡Green Canyon 140冷泉活動(dòng)在自生碳酸鹽巖中的地球化學(xué)記錄

卞友艷1,2, 陳多福1*

(1. 中國(guó)科學(xué)院 邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州地球化學(xué)研究所, 廣東 廣州?510640; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京?100049)

墨西哥灣北部上陸坡Green Canyon 140產(chǎn)出的冷泉碳酸鹽巖可以分為結(jié)核結(jié)殼、生物碎屑結(jié)殼和塊狀結(jié)殼三類(lèi)。三類(lèi)結(jié)殼均以高鎂方解石和文石為主要礦物, 另外, 結(jié)核結(jié)殼含少量白云石, 生物碎屑結(jié)殼含少量低鎂方解石。團(tuán)粒、凝塊、草莓狀黃鐵礦和生物鉆孔等生物成因沉積組構(gòu)發(fā)育, 且含有以有孔蟲(chóng)和雙殼類(lèi)為主的生物碎屑。三類(lèi)結(jié)殼的碳同位素值變化較大,13C值為－36.1‰～5.1‰, 指示了產(chǎn)甲烷殘余CO2、海水源碳或熱成因甲烷的混合碳源特征。結(jié)核結(jié)殼膠結(jié)的生物殼14C年齡為46.5～25.8 ka BP, 生物碎屑結(jié)殼為17.6～11.7 ka BP, 塊狀結(jié)殼為~1.2 ka BP, 顯示了該地區(qū)冷泉活動(dòng)的間歇性特征。

冷泉碳酸鹽巖; 碳同位素; 氧同位素;14C定年; 冷泉活動(dòng); 墨西哥灣

0 引 言

冷泉是指分布于大陸邊緣海底來(lái)自沉積界面以下, 以水、碳?xì)浠衔?、硫化氫和?xì)粒沉積物為主要成分的流體以噴涌或滲漏方式進(jìn)入上覆水體的活動(dòng)[1–2]。冷泉活動(dòng)廣泛發(fā)育于全球大陸邊緣斷層和泥火山發(fā)育的海域[3–4]。在冷泉系統(tǒng)中, 富甲烷流體從深部向上滲漏過(guò)程中, 在海底附近經(jīng)甲烷氧化古菌和硫酸鹽還原細(xì)菌共同新陳代謝作用, 增加環(huán)境的堿度而形成冷泉碳酸鹽巖[5]。因此, 冷泉碳酸鹽巖可以記錄沉積流體活動(dòng)的特征、生物地球化學(xué)過(guò)程以及冷泉流體與周?chē)h(huán)境間的相互作用[6–8]。

已有的關(guān)于冷泉的研究大多報(bào)道各個(gè)地區(qū)冷泉碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)、礦物和地球化學(xué)特征, 很少有專(zhuān)門(mén)針對(duì)某個(gè)特定冷泉系統(tǒng)流體活動(dòng)演化的研究, 尤其是缺乏冷泉活動(dòng)在自生碳酸鹽巖中的記錄研究, 這在很大程度上限制了對(duì)冷泉的形成與演化、深部生物地球化學(xué)過(guò)程和演變的認(rèn)識(shí)。本文以墨西哥灣北部上陸坡Green Canyon 140 (GC140) 海底冷泉活動(dòng)形成的自生碳酸鹽巖為研究對(duì)象, 分析其礦物、巖石和地球化學(xué)特征, 結(jié)合年代學(xué)研究, 探討冷泉碳酸鹽巖所記錄的多期次冷泉間歇活動(dòng)特征。

1?地質(zhì)背景與樣品采集

墨西哥灣是一個(gè)油氣大量聚集的盆地, 盆地中鹽層和鹽丘十分發(fā)育。鹽層的變形引起斷層活動(dòng), 為流體從盆地深部油氣系統(tǒng)向海底運(yùn)移提供了有效通道, 在海底形成幾百個(gè)冷泉, 并發(fā)育有冷泉生物、冷泉碳酸鹽巖和天然氣水合物[30–33]。本文研究的GC140區(qū)塊位于墨西哥灣北部上陸坡(圖1a)。地震剖面資料顯示該區(qū)塊淺部鹽丘之上較薄的沉積層被斷層破壞, 冷泉碳酸鹽巖丘因受到鹽丘活動(dòng)的影響也發(fā)生斷裂(圖1b)。多個(gè)航次的測(cè)深、側(cè)掃聲納、三維地震資料及海底實(shí)地觀察和采樣顯示, GC140正在進(jìn)行慢速的滲漏活動(dòng), 冷泉流體主要來(lái)源于深部的熱成因氣[2,31]。在海底發(fā)育有受斷層控制呈線(xiàn)性分布的自生碳酸鹽巖丘(圖1b), 丘體直徑20～100 m, 高度從幾米到20 m以上不等, 周?chē)练e物中含有大量的碳酸鹽巖巖屑和生物碎屑[2,31,34]。本研究的冷泉碳酸鹽巖樣品于1989年10月利用Johnson-Sea Link載人深潛器在海底淺表層(小于50 cm)采集, 水深260 m, 海底溫度12.87 ℃, 該區(qū)域發(fā)育有少量管狀蠕蟲(chóng)和海綿等生物。

圖1 墨西哥灣大陸坡Green Canyon 140位置示意圖(a)及GC140與鄰近地區(qū)地質(zhì)剖面示意圖(b)

(a)據(jù)Aharon.[26]修改。圖中的陰影區(qū)為Green Canyon區(qū), 140區(qū)塊位于該區(qū)的左上側(cè)。(b)圖顯示了海底表面以下的鹽丘、鹽底劈引起的斷層及其與冷泉碳酸鹽巖丘的關(guān)系(據(jù)Aharon[26]修改)。樣品采集于GC140區(qū)海底的冷泉碳酸鹽巖丘。

In Fig.1a, the shade area is the Green Canyon and the GC140 block is located in the top-left corner. In Fig.1b, the samples were collected from the carbonates chermoherm at seafloor.

2 分析方法

本文所研究的冷泉碳酸鹽巖樣品在采集后用淡水清洗, 自然風(fēng)干, 室溫保存于路易斯安那州立大學(xué)實(shí)驗(yàn)室。通過(guò)手標(biāo)本觀察選取典型結(jié)構(gòu)制成薄片, 應(yīng)用LEICA-DMRX光學(xué)顯微鏡結(jié)合Leica Qwin軟件觀察沉積結(jié)構(gòu), 通過(guò)高清晰數(shù)碼相機(jī)LEICA DC500拍攝顯微圖像。巖石學(xué)和礦物學(xué)分析工作在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所完成。碳酸鹽巖破裂的新鮮斷面微結(jié)構(gòu)在中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所完成, 表面經(jīng)過(guò)噴鉑金(20 s)處理后的樣品用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡HITACHI S-4800觀察并照相, 工作電壓為2.0 kV, 工作距離為7~13 mm, 元素成分通過(guò)能譜儀HORIBA EX-250確定。

碳酸鹽巖物相分析(XRD)在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所完成。測(cè)試樣品用瑪瑙研缽研磨至200目以下, 使用Rigaku DXR 3000進(jìn)行X射線(xiàn)衍射分析, 工作參數(shù)為Cu靶Kα射線(xiàn), 石墨單色器, 測(cè)試電壓40 kV, 電流40 mA, 掃描角度5～65°(2), 步進(jìn)掃描, 步寬0.02°(2), 每5 s完成一個(gè)步寬, 發(fā)散狹縫為0.5°, 接受狹縫為0.15 mm, 防散射狹縫為0.5°。礦物百分含量以[104]峰作為校準(zhǔn)曲線(xiàn)計(jì)算方解石、鎂方解石和白云石的比例, 以[111]峰高計(jì)算文石的相對(duì)含量[9]。通過(guò)[104]峰高計(jì)算碳酸鹽礦物中鎂的含量[35–36]。方解石中MgCO3＜5 mol%為低鎂方解石, MgCO35～20 mol%為高鎂方解石[37]。MgCO330～50 mol%的碳酸鹽相為白云石[38]。

碳酸鹽的碳、氧同位素測(cè)定采用磷酸法, 在中國(guó)科學(xué)院同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。利用微鉆在拋光的樣品剖面上鉆取獲得分析樣品, 樣品與100%的磷酸在90 ℃下反應(yīng)獲得CO2氣體, 純化的CO2氣體通過(guò)GV IsoPrime II型穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測(cè)定。測(cè)定結(jié)果13C和18O值均相對(duì)于V-PDB標(biāo)準(zhǔn), 分析精度前者優(yōu)于0.1‰, 后者優(yōu)于0.2‰。

冷泉碳酸鹽巖中保存的生物殼14C年齡測(cè)定前處理在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所14C-AMS樣品制備實(shí)驗(yàn)室完成, 用微鉆去掉膠結(jié)在生物殼周?chē)奶妓猁}后, 用蒸餾水浸泡、震蕩, 并滴加0.5 mol/L HCl去除表面可能殘留的膠結(jié)碳酸鹽, 隨后用蒸餾水反復(fù)洗滌直至中性, 然后放入冷凍干燥儀中干燥24 h。真空狀態(tài)下, 將干燥的生物殼與100%的磷酸在常溫下反應(yīng)48 h收集CO2, 利用“密封鋅還原法”將CO2氣體還原成石墨[39]。制備好的石墨靶送往北京大學(xué)核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室加速器質(zhì)譜(AMS)中心進(jìn)行14C年代測(cè)定。儀器型號(hào)為NEC 0.5 MeV14C專(zhuān)用加速器質(zhì)譜儀, 測(cè)定精度優(yōu)于3‰。

3 結(jié)果與討論

3.1 沉積巖石學(xué)特征與生物活動(dòng)

GC140冷泉碳酸鹽巖主要以結(jié)殼狀產(chǎn)出, 沒(méi)有明顯的層理, 依據(jù)其形貌特征(圖2)和沉積巖石學(xué)特征(圖3)可將其分為三類(lèi)。

(1)結(jié)核結(jié)殼??該類(lèi)結(jié)殼的結(jié)構(gòu)組分有結(jié)核和基質(zhì), 結(jié)核呈灰褐色、大小不等、形態(tài)不規(guī)則, 基質(zhì)為灰色或灰白色(圖2中的B-10)。有些泥晶結(jié)核單獨(dú)產(chǎn)出(圖2中的B-9)。薄片觀察顯示結(jié)核為泥晶結(jié)構(gòu), 而基質(zhì)中含有少量的生物碎屑, 以完整的有孔蟲(chóng)為主, 還有少量雙殼類(lèi)殼體(圖3a)。文石結(jié)晶扇(圖3b)、團(tuán)粒以及圍繞團(tuán)粒生長(zhǎng)的放射狀文石(圖3c)等沉積組構(gòu)在基質(zhì)中也很發(fā)育。掃描電鏡下觀察到有微生物結(jié)構(gòu)體(圖3d)。

(2)生物碎屑結(jié)殼??該類(lèi)結(jié)殼為生屑結(jié)構(gòu)(圖2中的B-12), 生物碎屑含量高達(dá)30%以上, 以破碎的雙殼類(lèi)生物殼體為主, 還有少量有孔蟲(chóng)和苔蘚蟲(chóng)等?；|(zhì)中發(fā)育有大量卵形或橢圓形團(tuán)粒, 大小均勻, 分選較好, 團(tuán)粒之間充填有亮晶文石(圖3e)。掃描電鏡下觀察到遺跡化石-微米級(jí)的生物鉆孔(圖3f)和結(jié)晶完好的氯化鈉晶體(圖3g)。

(3)塊狀結(jié)殼??該類(lèi)結(jié)殼為泥晶結(jié)構(gòu)(圖2中的F-2), 一些毫米級(jí)的縫隙中生長(zhǎng)有放射狀文石。結(jié)殼邊緣有大量較規(guī)則、大小相近的遺跡化石-海綿鉆孔。薄片顯示該結(jié)殼中基本不含生物碎屑, 而各種文石結(jié)構(gòu)非常發(fā)育, 如放射狀文石、桿狀文石、文石脈以及凝塊之間充填的亮晶文石(圖3h)。

另外, 三類(lèi)結(jié)殼樣品中均發(fā)育有草莓狀黃鐵礦集合體(圖3i)。

冷泉碳酸鹽巖中保存的特殊沉積組構(gòu)對(duì)其成因有很好的指示作用, 例如團(tuán)粒、葡萄狀文石、凝塊和草莓狀黃鐵礦集合體可以指示滲漏系統(tǒng)中的微生物活動(dòng)[7,17,40]。GC140不同碳酸鹽結(jié)殼中發(fā)育的團(tuán)粒、凝塊和草莓狀黃鐵礦集合體均表明該滲漏系統(tǒng)中存在有微生物活動(dòng), 保存完好的微生物體和微米級(jí)生物鉆孔證明是微生物活動(dòng)引起化學(xué)環(huán)境的微小變化而形成的特殊生物成因沉積組構(gòu)。

圖2 GC140冷泉碳酸鹽巖結(jié)殼的形貌特征

結(jié)核結(jié)殼B-10主要由灰褐色致密的結(jié)核和灰白色的基質(zhì)組成; B-9中含有多個(gè)單獨(dú)產(chǎn)出的灰白色致密結(jié)核; 生物碎屑結(jié)殼B-12含有豐富的生物碎屑; 塊狀結(jié)殼F-2的剖面顯示了邊緣豐富的遺跡化石-海綿鉆孔, 青灰色基質(zhì)中有些毫米級(jí)的孔洞被針狀文石充填。圖中標(biāo)尺為2 cm。

Nodule-rich carbonate B-10 is mainly composed of brown dense nodules and grey matrix. Nodule-rich carbonate B-9 is composed of multiple scattered nodules. Bioclast-rich carbonate B-12 is composed of high content of bioclasts cemented by matrix. Massive carbonate F-2 contains abundant entobia in the edge without little other organism traces.Inthe grey matrix,mm-sizedporeswerefillingwitharagonite. All scale bars are 2 cm.

3.2?礦物組成與沉積環(huán)境

GC140冷泉碳酸鹽巖全巖樣品的XRD分析顯示碳酸鹽礦物含量為74%～97%, 且多數(shù)大于90%, 以不同比例的文石(74.5%～18.3%)和高鎂方解石(15.0%～53.8%)為主(表1)。此外, 結(jié)核結(jié)殼含有2.0%～2.3%的白云石, 生物碎屑結(jié)殼含有11.0%～12.5%的低鎂方解石。結(jié)核結(jié)殼B-10也含有9.8%的低鎂方解石。除B-12只有3.1%的石英之外, 其余所有樣品均含有少量的長(zhǎng)英質(zhì)碎屑和粘土礦物(表1)。

3.3 碳、氧同位素與流體來(lái)源

GC140冷泉碳酸鹽巖的碳同位素值變化范圍較大, 結(jié)核結(jié)殼13C值為－23.2‰～5.1‰, 生物碎屑結(jié)殼13C值為－22.2‰～－8.8‰, 而塊狀結(jié)殼的碳同位素值最負(fù),13C值為－36.1‰～－26.8‰。三類(lèi)結(jié)殼之間的氧同位素值變化較小, 結(jié)核結(jié)殼和生物碎屑結(jié)殼的18O值比較類(lèi)似, 分別為2.2‰～3.4‰和2.0‰～3.5‰, 而塊狀結(jié)殼18O值相對(duì)較低, 為1.9‰～2.7‰ (圖4)。

圖3 GC140冷泉碳酸鹽巖的巖石學(xué)特征

(a)結(jié)核結(jié)殼中的泥晶結(jié)核與含少量生物碎屑的基質(zhì), 樣品B-10, 單偏光; (b)結(jié)核結(jié)殼中的生物殼內(nèi)壁上生長(zhǎng)的文石結(jié)晶扇, 樣品B-10, 單偏光; (c)結(jié)核結(jié)殼的基質(zhì)中的團(tuán)粒及圍繞泥晶基質(zhì)生長(zhǎng)的放射狀文石, 樣品B-9, 單偏光; (d)結(jié)核結(jié)殼中的微生物體, 樣品4-a, SEM圖像; (e)生物碎屑結(jié)殼中高含量的生物碎屑, 達(dá)30%, 以雙殼類(lèi)殼體為主, 其中還發(fā)育有團(tuán)粒, 樣品B-11, 單偏光; (f)生物碎屑結(jié)殼中的微米級(jí)生物鉆孔, 樣品B-3, SEM圖像; (g)生物碎屑結(jié)殼中結(jié)晶良好的氯化鈉(NaCl)晶體, 樣品B-12, SEM圖像; (h)塊狀結(jié)殼中發(fā)育的凝塊, 邊界模糊的凝塊被亮晶文石膠結(jié), 樣品F-2, 單偏光; (i)結(jié)核結(jié)殼中的草莓狀黃鐵礦集合體, 直徑達(dá)20 μm, 樣品B-10, 反光。

(a) Nodule-rich carbonate is composed of microcrystalline nodules and matrix with a low content of bioclasts, sample B-10, plane polarized light; (b) Fan-shaped aragonite originated from a shell wall, nodule-rich carbonate B-10, plane polarized light; (c) Circumgranular sparite aragonite cement around spheric or elliptical, micritic peloids, bioclast-rich carbonate B-9, plane polarized light; (d) Microbial structures in nodule-rich carbonate 4-a, SEM image; (e)Bioclast-rich carbonate contain a high content of fragmentized bivalve shells (up to 30%), sample B-11, plane polarized light; (f) Micron-sized boring pores in bioclast-rich carbonate B-3, SEM image; (g) Well developed crystals of NaCl in bioclast-rich carbonate B-12, SEM image; (h) Clotted microfabric preserved in a massive carbonate has anirregular shape and unclear margin, cemented by sparite aragonite, sample F-2, plane polarized light; (i) Framboidal pyrites approximately 20 μm in diameter dispersed in the matrix of nodule-rich carbonate B-10, reflected light.

表1 墨西哥灣GC140冷泉碳酸鹽巖的礦物組成(%)

注: LMC為低鎂方解石; HMC為高鎂方解石; “–”代表沒(méi)有該礦物。

冷泉碳酸鹽巖的碳同位素組成可以有效地指示其沉積時(shí)的孔隙流體成分, 并進(jìn)一步揭示冷泉滲漏流體的來(lái)源[2,17]。冷泉系統(tǒng)孔隙水中溶解無(wú)機(jī)碳的可能來(lái)源: (1)甲烷來(lái)源, 包括生物成因甲烷(13C值小于－65‰)[44–45]和熱成因甲烷(13C值為－50‰～ －30‰)[46–47]; (2)原油等重?zé)N類(lèi)組分(13C值為 －35‰～－25‰)[2]; (3)正常海水的溶解碳(13C約為(0±3)‰)[47]; (4)深部產(chǎn)甲烷作用殘余CO2(13C值高達(dá)26‰)[10]。

GC140冷泉碳酸鹽巖中, 結(jié)核結(jié)殼碳同位素變化范圍最大, 顯示了混合碳源的特征。大部分位于0附近的碳同位素值說(shuō)明碳源以正常海水的溶解碳為主, 基質(zhì)低至－23.2‰的13C值表明形成基質(zhì)的碳可能來(lái)自油氣藏滲漏的熱成因氣, 而結(jié)核高達(dá)5.1‰的碳同位素值可能記錄了產(chǎn)甲烷殘余CO2的信號(hào), 這與墨西哥灣Alaminos Canyon 601區(qū)塊碳同位素值高達(dá)14‰的碳源相似[21]。生物碎屑結(jié)殼輕度虧損的碳同位素值指示碳源主要來(lái)自深部油氣藏滲漏的熱成因氣, 同時(shí)可能還混入有少量海水源的碳, 這與該類(lèi)結(jié)殼含有豐富的海洋生物碎屑的沉積巖石學(xué)特征相符。塊狀結(jié)殼低的碳同位素值與墨西哥灣Alaminos Canyon 818冷泉碳酸鹽巖13C值 (－37.4‰～－26.1‰)類(lèi)似[21], 表明它們具有相同的碳來(lái)源, 均以熱成因甲烷為主要碳源, 說(shuō)明冷泉流體以深部油氣藏的滲漏流體為主, 可能混入有少許的生物成因甲烷。

圖4 GC140冷泉碳酸鹽巖碳、氧穩(wěn)定同位素組成

3.4?14C年齡與冷泉間歇活動(dòng)

保存在GC140冷泉碳酸鹽巖中的生物殼的14C年齡跨度較大(表2)。結(jié)核結(jié)殼14C年齡為46.5～25.8 ka BP, 生物碎屑結(jié)殼14C年齡為17.6～11.7 ka BP, 塊狀結(jié)殼14C年齡為1.2 ka BP。其中, 結(jié)核結(jié)殼B-10的年齡為41.3～5.0 ka BP, 持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。測(cè)定14C年齡的生物殼13C值與海水值(0±3)‰相近, 為 －2.9‰～3.8‰, 說(shuō)明該生物殼的14C年齡可以反應(yīng)冷泉活動(dòng)的真實(shí)年齡[23]。

近年, 越來(lái)越多的學(xué)者通過(guò)冷泉碳酸鹽巖的年代學(xué)分析, 并結(jié)合礦物巖石學(xué)、同位素及元素地球化學(xué)特征來(lái)探索冷泉活動(dòng)演化的歷史[26–29]。Aharon.[26]通過(guò)14C法和U系法報(bào)道了墨西哥灣冷泉碳酸鹽巖的年齡, 指出自晚更新世以來(lái), 墨西哥灣冷泉活動(dòng)一直在進(jìn)行, 而鹽底辟的活動(dòng)似乎增加了滲漏強(qiáng)度。Roberts[34]則認(rèn)為由于斷層在墨西哥灣陸坡普遍發(fā)育, 推測(cè)斷層控制的冷泉不是持續(xù)活動(dòng)的。本文分析的碳酸鹽巖的14C年齡顯示GC140區(qū)域冷泉活動(dòng)具有間歇性特征, 三類(lèi)結(jié)殼形成于不同的時(shí)期, 結(jié)核結(jié)殼為46.5～25.8 ka BP, 生物碎屑結(jié)殼為17.6 ~11.7 ka BP, 塊狀結(jié)殼為1.2 ka BP(表2)。其中, 結(jié)核結(jié)殼B-10的14C年齡為41.3～5.0 ka BP,可能經(jīng)歷了多個(gè)階段。

表2?墨西哥灣GC140冷泉碳酸鹽巖生物殼14C年齡

注: 1) BP= before present, 1950年往前算起; 2)年齡數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)同位素分餾校正。

墨西哥灣北部盆地中的鹽層和鹽丘十分發(fā) 育[30,33]。自晚白堊紀(jì)至更新世以來(lái), 墨西哥灣經(jīng)歷了由北美江河帶來(lái)的大規(guī)模三角洲沉積, 在沉積物不斷加載下, 下伏侏羅紀(jì)鹽層開(kāi)始變形, 逐漸在沉積層淺部形成次一級(jí)的各種鹽構(gòu)造, 并導(dǎo)致上覆沉積物發(fā)育斷裂構(gòu)造[48]。本文研究的Green Canyon區(qū)域覆蓋在一個(gè)新近紀(jì)的鹽丘之上[49]?，F(xiàn)代海底原位觀測(cè)發(fā)現(xiàn)墨西哥灣不同地區(qū)冷泉滲漏速度是不同的,地震資料顯示GC140海底沉積層受構(gòu)造活動(dòng)的影響而發(fā)育斷層[31,34], 說(shuō)明該地區(qū)鹽丘一直處于活動(dòng)狀態(tài)。Roberts[32]發(fā)現(xiàn)GC140碳酸鹽巖結(jié)殼中發(fā)育有方向變化的示頂?shù)讟?gòu)造, 可能指示了鹽丘的多次活動(dòng), GC140的冷泉活動(dòng)可能與海底鹽丘活動(dòng)引起的鹵水及深部熱成因氣的滲漏有關(guān)。因此, GC140冷泉活動(dòng)可能受海平面變化和鹽丘活動(dòng)兩種因素的控制。

GC140冷泉碳酸鹽巖的巖石礦物學(xué)、碳同位素以及生物殼14C年齡特征表現(xiàn)出系統(tǒng)性差異, 指示了三個(gè)時(shí)期的冷泉活動(dòng)。年齡最大的結(jié)核結(jié)殼形成于第一階段, 慢速滲漏的冷泉流體與海水發(fā)生均一化作用, 形成以海水源為主的碳同位素值特征。生物碎屑結(jié)殼形成于第二階段, 滲漏速度的增加, 導(dǎo)致流體帶來(lái)更多的熱成因氣, 使得碳同位素值降低, 同時(shí)增強(qiáng)的鹽丘活動(dòng)帶來(lái)低Mg/Ca比的鹵水, 從而沉淀低鎂方解石。年齡最小的塊狀結(jié)殼形成于第三階段, 滲漏活動(dòng)進(jìn)一步加劇, 使得深部來(lái)源的熱成因氣成為該區(qū)冷泉活動(dòng)的主要碳源。

4 結(jié)?論

(1)GC140冷泉碳酸鹽巖主要有結(jié)核結(jié)殼、生物碎屑結(jié)殼和塊狀結(jié)殼三類(lèi)。三類(lèi)結(jié)殼中團(tuán)粒、凝塊和草莓狀黃鐵礦等與滲漏系統(tǒng)微生物活動(dòng)有關(guān)的沉積組構(gòu)發(fā)育。另外, 海綿鉆孔等遺跡化石也很發(fā)育。

(2)三類(lèi)結(jié)殼的礦物均以文石和高鎂方解石為主, 另外, 結(jié)核結(jié)殼含少量白云石, 生物碎屑結(jié)殼含少量低鎂方解石。

(3)冷泉碳酸鹽巖的碳同位素值變化范圍較大, 結(jié)核結(jié)殼13C值為－23.2‰～5.1‰, 指示了海水溶解碳為主、同時(shí)混入有少量熱成因甲烷和產(chǎn)甲烷殘余CO2的碳源特征; 半固結(jié)的生物碎屑結(jié)殼13C值為－22.2‰～－8.8‰, 說(shuō)明熱成因甲烷比例增加, 而致密塊狀結(jié)殼13C值為－36.1‰～－26.8‰指示了熱成因甲烷為主要碳源。

(4)三類(lèi)結(jié)殼的14C年齡各不相同, 結(jié)核結(jié)殼為46.5～25.8 ka BP, 生物碎屑結(jié)殼為17.6～11.7 ka BP, 塊狀結(jié)殼只有1.2 ka BP左右, 指示了冷泉間歇性活動(dòng)特征。

中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所沈承德研究員和王輔亞老師分別幫助完成了14C測(cè)年和XRD實(shí)驗(yàn)分析; 路易斯安那州立大學(xué)Harry Roberts教授提供了冷泉碳酸鹽巖樣品, 在此一并深表謝意。

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Cold seep activities recorded by geochemical characteristics of authigenic carbonates from Green Canyon 140, Gulf of Mexico

BIAN You-yan1,2and CHEN Duo-fu1*

1. CAS Key Laboratory of Marginal Sea Geology, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou?510640, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing?100049, China

Seep carbonates collected from Green Canyon block 140, Gulf of Mexico, could be divided into three types: nodule-rich carbonates, bioclast-rich carbonates and massive carbonates. XRD investigation shows that high Mg-calcite and aragonite are the dominate minerals. Additionally, nodule-rich carbonates contain minor amounts of dolomite and bioclast-rich carbonates include some low Mg-calcite. Peloids, clotted microfabric and pyrite framboids are developed in carbonates and suggest a genesis linked with bacterial activities. The carbonates exhibit a large variation in13C values (-36.1‰ to 5.1‰), suggesting multiple carbon sources that include thermogenic methane, seawater and residual CO2from methanogenesis. Shells cemented in nodule-rich carbonates show14C ages between 46.5 ka and 25.8 ka BP, bioclast-rich carbonates formed from 17.6 ka to 11.7 ka BP, and massive carbonates have14C ages of 1.2 ka BP, suggesting that seep activity was discontinuous.

seep carbonates; carbon isotope; oxygen isotope;14C aging; cold seep; Gulf of Mexico

P593; P597; P736.2

A

0379-1726(2013)03-0212-09

2013-01-22;

2013-02-26;

2013-03-20

中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目(KZCX2-YW-GJ03);國(guó)家自然科學(xué)基金(91228206, 91028012);中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所135項(xiàng)目(Y234021001);廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011A080403021)

卞友艷(1986–), 女, 博士研究生, 從事冷泉碳酸鹽巖的相關(guān)研究。E-mail: bianyouyan@gig.ac.cn

CHEN Duo-fu, E-mail: cdf@gig.ac.cn, Tel: +86-20-85290286