南海海马冷泉渗漏区的甲烷碳循环: 来自孔隙水和数值模拟的约束

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单位深海圈层与地球系统教育部前沿科学中心海底科学与探测技术教育部重点实验室中国海洋大学海洋地球科学学院;广州海洋地质调查局中国地质调查局;崂山实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室;
来源地球化学
摘要
在海底冷泉系统中, 甲烷主要被甲烷厌氧氧化古菌和硫酸盐还原菌耦合的甲烷厌氧氧化作用(AOM)所消耗。孔隙水研究对于准确识别硫酸盐–甲烷转换带(SMT)、判断甲烷成因和量化甲烷通量至关重要。本次研究, 我们对南海海马冷泉渗漏中心两个代表性站位(ROV2A、ROV2Y)的孔隙水样品进行了详尽的地球化学分析, 包括离子浓度(SO42–、Na+、Cl、Ca2+、Mg2+)、溶解无机碳(DIC)含量及其碳同位素(δ13CDIC)的测定。研究结果表明, 两个站位的SMT普遍较浅, 分别在离海底0.3 m和0.2 m附近。进一步分析发现, 在SMT处, 两个站位的硫酸盐还原主要由AOM驱动, 浅层沉积物中由AOM和有机物氧化共同驱动。为了更深入地量化这些过程, 我们采用一维反应运输模型对两个站位的离子浓度和DIC含量进行了数值模拟。模拟结果表明, 两个站位的SMT下底界甲烷通量均较大, 分别为112.72 mmol/(m2·a)和83.11 mmol/(m2·a), 对AOM作用的贡献为99%。此外, 结合DIC及其δ13CDIC的四端员混合模型分析, 我们发现两个站位的甲烷成因主要为生物成因和热成因的混合, 而各个生物地球化学过程对DIC的贡献则主要来源于AOM作用。孔隙水的数值模拟和四端员混合模型为追踪冷泉环境下甲烷的来源、揭示冷泉系统中碳循环的动态变化, 以及重建深海冷泉渗流模式提供了重要的参考依据。

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