Simulation of bottom boundaries of abiotic methane hydrate stability zone in some marine serpentinization areas
-
摘要: 随着深海调查研究的不断深入，发现大洋基性和超基性岩与水相互作用可发生蛇纹岩化作用产生无机成因甲烷等烃类气体，可能在大洋区海底形成水合物。为评估大洋蛇纹岩化无机成因甲烷水合物生成热力学条件及水合物稳定带分布特征，本文利用实测的原位温度、水深等条件，结合甲烷水合物-水-游离气三相平衡温压条件，计算了马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山、北大西洋Fram海峡超慢速扩张脊和Lost City慢速扩张脊3个不同地质构造环境的蛇纹岩化发育的大洋区海底环境甲烷水合物稳定带底界，并对其水合物发育潜力进行了评估。研究表明马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山和北大西洋Fram海峡超慢速扩张脊满足天然气水合物发育的热力学条件，可能发育有甲烷水合物，相应的水合物稳定带底界深度分别约为858～2 515和153～232 mbsf。大西洋Lost City喷口附近发育甲烷水合物可能性较小。Abstract: Fluids circulating through active serpentinization systems are often highly enriched in methane. When the fluid enriched in abiotic methane migrates upward, gas hydrate could form if there occur suitable thermodynamic conditions. In order to investigate the thermodynamic conditions of the stability zone of abiotic methane hydrate in marine serpentinization areas, we calculated the depth of the bottom boundaries of gas hydrate stability zone in three distinctive serpentinization areas, i.e. the Mariana forearc serpentinized mud volcanos, the Fram strait (an ultraslow- spreading ridge) and the Lost City (a slow spreading ridge). Our results show that the thermodynamic conditions are satisfied for forming the hydrate stability zone in the areas of Mariana forearc serpentinite mud volcanos and the ultraslow-spreading ridge at the Fram Strait. Calculation shows the depth of the bottom boundaries of gas hydrate stability zone is around 858～2515 mbsf at Mariana forearc mud volcano area and 153～232 mbsf at the Fram Strait. However, the temperature of vent fluids found at the Lost City is relative higher than needed for the formation of gas hydrate stability zone.
-
长江远端三角洲是东海内陆架泥质沉积体的重要组成部分，位于台湾海峡北部出口处，黑潮支流、台湾暖流和闽浙沿岸流等不同性质和来源的水系汇集，强烈的季风交替以及复杂的地形等条件加剧了近岸海域的水文变化[1]，使潮汐、上升流、锋面等现象聚集[2]。因此，了解和掌握该海域的水团分布及其变化，不仅对不同物质来源的沉积物输运和沉积分布具有重要影响，而且对深刻认识东海沿岸水文环境状况、合理开发及保护福建沿海海洋资源等方面都具有重要意义[3]。
关于东海水文环境变化的研究方法除了通过传统的水文理化性质（盐度、温度、溶解氧）数据分析外，近年来随着技术的发展，一些研究通过对沉积物本身及其中的稀土元素、重金属和石英等矿物指标进行分析讨论[4-6]，以及利用生物指标对水文环境进行间接指示，如硅藻、浮游动物、有孔虫等[7-9]。海洋生物对海洋水体环境敏感，底栖有孔虫作为一种常见的海洋微体生物，由于其群落组合及分布主要受控于底层水体环境，因此可为研究海域水文特征和海洋沉积环境的演化提供可靠证据[10-11]。特别是对于沿岸浅海环境来说，有孔虫的属种特征、数量分布，群落组合能够反映不同的水文环境，对水团分布、海流状况等均有指示意义[12]。过去我国对东海海域及其近海进行了大量的地质调查研究，其中针对浙江沿岸、台湾海峡等地区的海域表层沉积物有孔虫调查，为第四纪海洋研究提供了大量的古生物证据[13-14]。以往的有孔虫研究虽然涉及过本文研究区，但主要位于台湾海峡中南区域和长江口附近，而长江远端三角洲及其沿岸的研究工作较薄弱，零星研究也仅限于对台湾海峡平潭岛附近小区域表层沉积物有孔虫分析与水团环境研究[15]。显然，目前的研究资料难以全面反映长江远端三角洲海域不同水团展布的复杂水文信息。因此，本文以1∶25万比例尺的海洋地质调查精度，对取自福建霞浦县20 km2海域分布的145件表层沉积物样品进行了底栖有孔虫定量分析,探讨了福建近岸底栖有孔虫组合的分布规律及其与水团分布之间的对应关系。
1. 区域水文特征
研究区位于福建北部海域，是东海内陆架泥质沉积区南部，主要受到冬季以东北季风和夏季以东南季风的季节性交替为特征的东亚季风环流影响。海底近岸地形复杂，整体由近岸向外海倾斜，等深线走向为NE-SW，基本平行于海岸线[16]。
近岸港湾岛屿众多，海岸线曲折。研究区西部靠近闽江口，有大量闽江水和三沙湾水注入，其东部海域主要受台湾暖流（北向的黑潮分支及南海水）和闽浙沿岸流两种水团控制。台湾暖流终年向北，其底层水体几乎影响整个海域，以高温高盐为特征。闽浙沿岸流起源于长江口和杭州湾一带，由沿途入海径流加入靠近闽浙近岸的一支海流，受季风变化明显，具低温、低盐、高溶解氧特征[17]。夏季，受西南季风影响，闽浙沿岸流减弱，除闽江口有明显的东北向低盐水舌外，研究海域基本受台湾暖流水所控制，高盐水基本覆盖西侧沿岸20 m等深线以东区域[18]。冬季，闽浙沿岸流影响范围较大，在冬季强盛东北季风下，扩展范围可影响至广东南澳岛附近海域[17]（图1a）。
![]()
福建北部海域处于近岸浅水的细粒沉积带，主要为粉砂质泥和泥质粉砂沉积[19]，是东海内陆架泥质区的南端，沉积物大部分属于泥质粉砂沉积，呈带状沿海岸线分布，只有小部分为粉砂区[20-21]（图1b）。
2. 材料与方法
本研究材料取自于福建北部海域26°～27°N、120°～121.2°E，研究区域内基本按等间距设计了145个研究站位，对沉积物开展底栖有孔虫化石种群相关分析研究。所有样品按照微体古生物研究的常规实验方法处理：首先将样品置于培养皿内，在45 ℃恒温下烘干，称量20～50 g干样置于500 mL烧杯中，加入浓度为10%的H2O2溶液浸泡24 h，使样品充分分散。然后将分散好的样品用250目的标准铜筛进行冲洗，直至样品中泥质碎屑被冲尽为止。收集筛上部分置于45 ℃恒温烘干箱，最后取烘干样品备于体视镜下鉴定。原则上每个样品统计不低于200枚壳体。鉴定过程中，若样品中所含有孔虫壳体数目很大，统计过于费时，预先对样品进行缩分处理。底栖有孔虫属种鉴定和分类主要依据附近研究区域参考文献[19, 22]。
利用国际上广泛适用于生物群落结构分析的PAST软件处理分析数据。首先把部分具有相似生态环境意义的同属不同种底栖有孔虫合并到属，剔除稀有种（只在个别样品中出现的种），并选择至少在3个样品中含量大于2%的属种，最后得到32个种（属）的百分含量数据，同时对其进行因子分析；综合划分底栖有孔虫生态组合；最后分析各个底栖有孔虫组合的分布环境，深入了解控制底栖有孔虫组合分布的水团环境。
3. 结果
3.1 底栖有孔虫分布
本研究共鉴定统计底栖有孔虫37属52种（图2—3）。底栖有孔虫全群中占2%以上的优势种共14个，分别是Ammonia beccarii vars.（11.69%）、Elphidium advenum （11.52%）、Bolivina robusta（8.52%）、Elphidium hispidulum （6.19%）、Rotalinoides compressiuscula （5.02%）、Ammonia pauciloculata （5.51%）、Fursenkoina schreibersiana （4.80%）、Bulimina marginata （4.42%）、Bolivina spathulata （3.77%）、Hanzawaia nipponica （3.76%）、Rotalidium annectens （2.86%）、Heterolepa dutemplei （2.52%）、Bulimina sp.（2.39%）、Florilus cf. atlanticus （2.01%）。
![]()
图 2 研究区部分有孔虫（图版1）（比例尺=100 μm。 1Textularia sagittula（Defrance）, 2 Martinottiella communis（d' Orbigny）, 3 Martinottiella sp., 4 Sigmoilopsis asperula（Karrer）, 5 Quinqueloculina seminula（Linné）, 6-7 Quinqueloculina akneriana rotunda（Gerke）, 8-10 Quinqueloculina lamarckiana d'Orbigny, 11 Lagena doveyensis Haynes, 12 Lagena spicata Cushman et McCulloch,13 Dentalina decepta（Bagg）, 14 Fissurina marginata（Montagu）, 15-16 Bolivina robusta Brady, 17-18 Bulimina marginata d' Orbigny,19 Virgulopsis orientalis Ho et Hu, 20 Uvigerina asperula Czjek, 21 Uvigerina aculeata d' Orbigny, 22 Rosalina sp., 23 Pseudorotalia indopacifica（Thalmann）, 24-25 Rotalinoides compressiuscula（Brady））Figure 2. Some foraminifera species in the research area（Plate 1）![]()
图 3 研究区部分有孔虫（图版2）（比例尺=100 μm。1-4 Ammonia beccarii（Linné）vars., 5-8 Rotalidium annectens（Parker & Jones）, 9 Cancris sp.,10 Cribrinonion porisuturalis S.Y.Zheng, 11-12 Elphidium advenum（Cushman）,13-14 Fursenkoina schreibersiana（Czjzek）, 15-16 Florilus cf. atlanticus（Cushman）, 17-18 Hanzawaia nipponica Asano, 19 Gyroidina sp.,20 Heterolepa dutemplei（d' Orbigny））Figure 3. Some foraminifera species in the research area（Plate 2）研究区底栖有孔虫丰度一定程度上符合随着离岸距离增大而增加的一般规律[19]，总分布趋势呈现从西北到东南，从近岸到外海递增的趋势。研究区内145个站位样品间的底栖有孔虫丰度（每克干样中的个体数）变化较大，每克干样中底栖有孔虫最高可达1626枚，平均每个样丰度为110枚/g，丰度高于100枚/g的站位有28个，在50～100枚/g范围的有20个，小于50枚/g的站位占绝大多数，共97个（图4a）。
![]()
图 4 底栖有孔虫丰度（a）及简单分异度图（b）Figure 4. Abundance （a） and simple diversity （b） of benthic foraminifera of the study area研究区底栖有孔虫的简单分异度为4—34种，其分布与丰度格局基本相似，自西北到东南递增，其分布的控制因素主要以水深为主，另外分异度在研究区出现两个高值区，一个是在研究区的中部区域，第2个是在研究区的西南部区域（图4b）。
本研究区位于东海内陆架泥质沉积区，主要以玻璃壳体类型为主，最多占100%，最少占44.9%，其平均含量占底栖有孔虫总量的90.6%。其次是瓷质壳类型也较为常见，最多占29.3%，平均7.7%；胶结壳质底栖有孔虫极少出现，在101个站位中缺失。在145个站位中共发现玻璃质壳底栖有孔虫30属42种，其中143个站位玻璃质壳含量在50%以上，玻璃质壳体百分含量在研究区分布较平稳。水深小于40 m区域，玻璃质壳体含量变化较大，绝大多数站位含量在75%以上，部分站位达85%～100%。研究区水深40～60 m海域玻璃质壳体含量基本大于85%，而水深大于60 m的深水区域玻璃质壳体含量变化不大，基本在90%以上。研究区共发现瓷质壳类底栖有孔虫4属7种，平均占底栖有孔虫总量的7.7%。其中134个站位瓷质壳类含量在20%以下，11个站位含量可达20%以上，主要分布于水深小于40 m的近岸浅海；在东南部水深大于40 m的海域瓷质壳含量急剧减少（图5）。
3.2 底栖有孔虫优势种分布
大量研究表明，底栖有孔虫优势种和特征种可以用来指示环境[19]。研究区共选取了6类底栖有孔虫优势种和特征种，它们各自的分布特征显著。A. beccarii vars.是研究区内占全群比例最大的种，主要分布在研究区西部，对滨岸浅海具有优越的指示作用[19]；E. advenum作为近岸浅水种[19]，在研究区中部大量分布；B. robusta为典型的中陆架水团代表种[19]，在研究区中东部具有较高丰度；E. hispidulum主要分布在研究区中部，为内陆架沿岸水常见分子[19]；A. pauciloculata为浙江沿岸水代表种[24]，主要分布在研究区中西部；B. marginata同样在中陆架深水区丰富，其丰度可以作为高有机质通量的指标[25]，,其分布高值与B. robusta分布较一致；H. nipponica属于典型的喜暖水种[24]，一定程度上可以反映海峡暖流的影响程度，其分布范围与暖水种Hetero. dutemplei较为一致（图6）。
3.3 底栖有孔虫组合
为了更准确地查明研究区底栖有孔虫分布与海洋环境之间的关系，利用国际上广泛适用于生物群落结构分析的PAST软件，对筛选后的底栖有孔虫属种数据进行因子分析（表1）。因子分析结果识别出4个对总方差值贡献大于2%的底栖有孔虫因子组合，它们总共解释了总方差的83.25%。
表 1 研究区底栖有孔虫因子分析结果Table 1. Factor analysis results of benthic foraminifera底栖有孔虫属种 因子1 因子2 因子3 因子4 Ammonia convexidorsa −0.006 −0.028 −0.627 −0.072 Ammonia ketienziensis 0.259 0.031 −0.616 −0.099 Ammonia maruhasii 0.023 0.013 −0.636 0.042 Ammonia pauciloculata 1.013 −0.070 −0.865 1.522 Ammonia beccarii vars. 4.400 0.891 0.038 −0.045 Bolivina robusta −0.924 4.003 0.009 −0.618 Bolivina spathulata −0.578 1.698 0.076 0.326 Bulimina marginata −0.276 1.774 0.314 0.754 Cancris sp. −0.027 0.048 −0.032 0.222 Cribrononion spp. 0.494 0.269 −0.144 −0.140 Elphidium advenum 0.529 0.919 −1.322 4.350 Elphidium hispidulum −0.358 −0.110 −3.372 −0.006 Fissurina sp. −0.012 0.027 −0.015 0.028 Florilus cf. atlanticus −0.084 0.517 −0.127 0.473 Fursenkoina schreibersiana −0.601 0.092 −3.303 −0.889 Hanzawaia spp. 0.645 1.708 0.051 −1.592 Heterolepa dutemplei 0.240 0.767 −0.272 −0.757 Hyalinea balthica −0.064 0.460 0.119 −0.208 Lagena spp. −0.039 0.075 −0.047 0.250 Martinottiella spp. 0.022 0.262 −0.113 0.138 Nonion sp. 0.121 0.960 0.209 −0.571 Pseudoeponides nakazatoensis 0.120 0.040 −0.055 0.577 Pseudorotalia sp. 0.098 0.025 −0.007 0.052 Quinqueloculina spp. 2.262 −0.348 −0.117 −0.008 Rosalina sp. 0.056 0.072 0.057 0.028 Rotalidium annectens 0.079 −0.298 −2.284 −1.295 Rotalinoides compressiuscula 1.564 0.605 −0.663 −1.517 Sigmoilina spp. 0.570 0.352 0.166 −0.409 Spiroloculina communis 0.415 0.192 0.122 0.314 Textularia sagittula 0.557 −0.187 −0.171 −0.028 Uvigerina spp. −0.597 1.533 −0.050 0.658 Virgulopsis orientalis −0.094 0.310 −0.033 0.181 主因子1解释了总方差的64.51%，该因子中具有高因子荷载正值的代表属种是A. beccarii vars.，Quinqueloculina spp.，其次是R. compressiuscula，A. pauciloculata。高值区主要分布在研究区西部水深小于40 m的近岸区域。主因子2解释了总方差的9.88%，在该因子中具有最高因子载荷正值的代表属种是B. robusta，其次是因子载荷绝对值大于1的属种，包括H. nipponica，H. mantaensis，B. spathulata，B. marginata，U. asperula，U. aculeata，U. schwageri，主要分布在研究区东南部水深大于50 m区域。主因子3解释了总方差的5.91%，在该因子中具有高因子载荷负值的代表属种E. hispidulum，F. schreibersiana，E. advenum，R. annectens，主要分布在研究区西部水深小于40 m区域，与主因子1分布区交错。主因子4解释了总方差的2.88%，E. advenum和A. pauciloculata为高因子载荷正值代表，而H. nipponica，H. mantaensis，R. compressiuscula为高因子载荷负值代表，其负值代表的环境与上述高因子载荷正值的属种所代表的环境呈负相关，高值区主要集中在主因子1和主因子3分布区之间的过渡区域（图7）。
![]()
图 7 研究区内底栖有孔虫4个主因子载荷的平面分布Figure 7. Distribution of four factor loadings of benthic foraminifera in the study area4. 讨论
4.1 底栖有孔虫分布的影响因素
底栖有孔虫的分布受多种环境变量（水深、温度、盐度、营养盐）共同控制[11]。其中水深因素导致的底栖有孔虫分带现象在东海非常明显[19]，滨岸指示种A. beccarii vars.、浅水种E. advenum、深水种Uvigerina spp.在研究区内依次沿30、40、60 m等深线分布，说明研究区内水深对底栖有孔虫种群的分布有明显的分异作用；除水深外，盐度对底栖有孔虫分布也有重要影响，东海海区作为盐度正常或接近正常的海域，平均盐度为33%，既不包括潮上带，又无碳酸盐补偿面以下的深海，三大类底栖有孔虫比例一般以玻璃质壳为主，其次是胶结壳质，而且胶结质壳一般在砂质沉积区含量较高，在泥质沉积区含量偏少，为0～5%[19]。研究区西部受闽江冲淡水影响，其底栖有孔虫分布以广温广盐种A. beccarii vars.和Quinqueloculina属为主，明显受到低盐水体的控制，其次为数不多的胶结壳质底栖有孔虫也在研究区西北区域分布，与前人在东海的研究分布符合，指示盐度对研究区内底栖有孔虫的分布有影响；其次，有机质通量也是制约底栖有孔虫分带的重要因素，Uvigerina spp.、B. marginata的丰度可以作为高有机质通量的指标[25].，研究区中部的泥质区沉积物主要来自于长江物质的影响，长江流域带来的巨大水沙通量及有机质可能是造成其丰度高的主要原因[25]；最后，调查区的沉积物类型主要为黏土和粉砂质黏土组成的泥，其分布面积约占研究区面积的一半，主要分布在研究区西北近岸区域，有粉砂零星分布在泥质区，另有一条带状泥分布在粉砂和砂质粉砂间[26]。底质类型对底栖有孔虫分布有一定影响，与底栖有孔虫分布关系具有一定的相关性。
4.2 底栖有孔虫组合特征对区域环境的指示
控制底栖有孔虫分布的种种因素归结到一点就是水团的综合特征决定，它决定了研究区沉积物输运与分布、沉积动力条件和有机质输运过程，从而决定了底栖有孔虫在海洋中的分布格局和组合特征，因此不同的有孔虫组合对水体环境具有重要指示意义[17]。本文通过因子分析结果，综合划分不同底栖有孔虫组合，讨论研究区不同水系的区域展布及规模。
组合Ⅰ（Ammonia beccarii vars.-Quinqueloculina spp.）对应主因子1，以滨岸浅海指示种A. beccarii vars.为代表，广泛分布于我国沿海近岸沉积，是典型的近岸浅水型底栖有孔虫类型，对滨岸浅海具有明显的指示作用[19, 23]。其次Quinqueloculina属主要出现于水深小于50 m、砂质底质以及水动力相对稳定的海域，一般认为在高盐环境中丰度较高，但也有一些研究认为其对低盐环境也有一定的忍耐性[27]。实验研究表明，温度对物种组成的影响大于盐度，Quinqueloculina属在适宜温度时，盐度与其含量有明显相关关系，与此同时研究中发现Ammonia对低温的忍耐力大于Quinqueloculina，两者在低温下呈现一定的竞争关系，盐度较高时，Quinqueloculina属明显占优势[28]。A. pauciloculata在水深20～30 m分布最多，为浙江沿岸水代表种。A. compressiuscula在东海40～120 m区间最多见，为典型的中陆架代表种[19]。组合Ⅰ（A. beccarii vars.-Quinqueloculina spp.）在黄渤海常见，作为近岸浅水环境代表，受控于水团、盐度、深度以及底质的共同作用[29-30]，并且在研究区A. beccarii vars.作为优势种百分含量明显大于Quinqueloculina属，指示了低温低盐的沿岸浅海环境。
组合Ⅰ主要位于研究区西部，该区域靠近闽江入海口，处于受低温低盐冲淡水注入的偏低盐度环境。这些研究指示的水体条件和闽浙沿岸流水团性质十分相似，因此，推测该区域为主要受闽浙沿岸流水团环境的影响。另外，在研究区西南部发现了少量在深水环境才能出现的Gyroidina sp.和Uvigerina spp.[14]，并聚集在闽江河口区出现分异度高值，在台湾海峡平潭岛附近的研究中，其浅海域出现了底流搬运的少量Gyroidina sp.、Globobulimina spp.和Uvigerina spp.[15]。因此，研究区浅水区出现的少量深水底栖有孔虫可能是受台湾暖流与闽浙沿岸流季节变化造成的上升流带来的深水种，同时闽江口作为强潮河口[30]，可能受潮流影响将一些有孔虫属种携入河口，形成外来分子较多的有孔虫群落。
组合Ⅱ（B. robusta-B. marginata-Hanzawaia spp.）（主因子2）以典型的中陆架水团代表种B. robusta为主，其在东海和台湾海峡多集中在中陆架40～120 m水深区[14, 19]，为低氧沉积中优势种[31]。H. nipponica在东海主要分布于中外陆架的现代沉积中，属于典型的喜暖水种，一定程度上可以反映海峡暖流的影响程度[19]。B. spathulata和B. marginata在东海常见于陆架区，Bulimina属在中陆架深水区丰富；Uvigerina属在中外陆架少量出现，是典型的深水种，在东海海槽常见[19]，并且研究发现列式壳Uvigerina和Bulimina属可指示底层水环境，当其含量高时，指示底层水低氧富营养环境；反之，则指示高氧高有机质通量环境[32]。因此组合Ⅱ为生活在中陆架水深约40～120 m的低氧富营养环境的底栖有孔虫组合，且该区域浮游有孔虫含量在10%以上，最高达45%。沉积物中底栖有孔虫以玻璃质壳为主，瓷质壳和胶结壳含量非常少。该组合中底栖有孔虫丰度、分异度较高，这些特征与内陆架到中陆架正常海相环境的底栖有孔虫分布特征相吻合，而台湾暖流在水深50 m左右形成切变锋[2]，阻碍了陆源碎屑沉积物及有机质向海输运的通道，起到“水障”作用[25]。综上所述，组合Ⅱ分布区域为受台湾暖流影响的中陆架较深水环境。
同样分布在研究区水深小于40 m区域的组合Ⅲ（Elphidium hispidulum-Fursenkoina schreibersiana）（主因子3），以E. hispidulum和F. schreibersiana为主，其因子仅解释总方差的5.91%，可能指示了研究区内短期的水文现象。E. hispidulum在东海分布于整个陆架，尤以内陆架居多，为内陆架沿岸水常见分子，也是适应高盐环境的暖水种[19]。Fursenkoina属在浅水50～60 m低氧区丰富，对最小含氧带（OMZ）的深度分布有显著的指示意义[33]。因此，该组合指示低氧高盐的底层沉积环境。
季节性缺氧在世界上许多封闭性海湾、河口和海岸普遍存在，通常认为低物理能、高径流量的海洋环境更容易发生低氧[34]。我国长江口外，珠江口附近的一些近岸海域及东海等海区多发季节性底层低氧现象[35]，并有研究发现夏季长江口缺氧区主要出现在有锋面和上升流现象的海域附近[36]。这些低氧区的出现是由于淡咸水形成强烈盐度锋而造成的水体层化底层缺氧，并且较高程度地受季节控制[37]。低温高盐的台湾暖流深层水在6—8月主要盘踞在海峡中、北部海域的底层，并靠近海峡中线偏西一侧北上[38]，受地形抬升和季风等因素影响，一年四季均存在上升流现象[2]，并在夏季出现特性明显不同的两种或几种水体之间的狭窄过渡带（锋面）[39]。浙江沿岸水和台湾暖流之间，台湾暖流上层水和深层水之间均能够形成峰面，它们的位置会随季节发生变动[40]。在夏季，受西南季风、大量闽江入海水及台湾暖流增强的影响，盐度差异较大的上下水体分层，阻碍了表层富氧水与底层水的混合，底层水供氧不及时，海底沉积物可能处于缺氧甚至厌氧环境。因此，推测研究区低氧区的存在可能与夏季闽江水和外海水混合发生水体层化有关，而Fursenkoina属的分布一定程度上可能反映了夏季增强的台湾暖流深层水在浅海的展布范围。组合III的特征指示了夏季闽浙沿岸受海峡暖流高盐水入侵的沿岸浅水环境。
组合Ⅳ（Elphidium advenum-Ammonia pauciloculata）（主因子4）处于组合Ⅰ和组合Ⅱ过渡区域。其中E. advenum作为近岸浅水种，可指示高氧环境[29]。A. pauciloculata主要分布于水深20～30 m处，为浙江沿岸水的代表种[19]。其正值代表的环境为低温低盐的较浅水内陆架环境。其负值代表的是高温高盐的较深水团环境。该组合指示混合水团过渡环境。该组合的分布区域主要集中于闽浙沿岸流影响较大的组合Ⅰ和明显受海峡暖流影响的组合Ⅱ之间的区域，且组合内底栖有孔虫类型有混合性质，其正值受闽浙沿岸流影响，其负值受海峡暖流影响，表明了该组合的过渡性质，其底栖丰度、分异度都比周边区域偏高，在东海、台湾海峡的水团分析中都曾识别到台湾暖流与沿岸冲淡水的季节性混合水团[41]。推测研究区内组合Ⅳ指示暂时性存在的季节性水团，且大部分时候台湾暖流与闽浙沿岸流的分界明显，可能与闽浙沿岸流和海峡暖流相遇形成混合水团有关。
以上研究表明，不同的底栖有孔虫的组合对应不同的水团环境，水团对其组合分布有明显的制约作用。其中，组合Ⅲ的分布明显反映了水团的溶解氧含量对底栖有孔虫组合分布的影响。以往对闽江的研究并未在其下游和河口发现明显缺氧现象，闽江作为强潮河流，夏季与外海水团混合较好，一般不会形成明显低氧区，但之前有研究报道Fursenkoina fusiformis对污染环境有很强的适应能力[42]，对沉积物中重金属调查也显示闽江河口有较多的人类活动污染[5]，推测人为活动对福建北部海域出现的相对低氧区有较大影响。研究区海域底栖生物组合复杂，可以指示其水团的消长变化，研究区主要受闽浙沿岸流、台湾暖流水团控制，这些水团的控制区域明显，对研究近岸水团变性、上升流现象和人类活动对环境影响等有重要意义。
5. 结论
（1）对福建北部海域网格式等间距表层样品底栖有孔虫分析结果表明，该区底栖有孔虫丰度和分异度变化较大。底栖有孔虫组成以玻璃质壳体为主，其平均含量占底栖有孔虫总量的90.6%。其次是瓷质壳类型，平均含量为7.7%；胶结质壳底栖有孔虫仅在少数站位出现。
（2）研究区底栖有孔虫丰度一定程度上符合随着离岸距离增大而增加的一般规律，总分布趋势呈现从西北到东南、从近岸到外海递增的趋势。
（3）研究区海域的底栖有孔虫组合明显受到水团制约，对底栖有孔虫类型进行因子分析表明，组合Ⅰ（A. beccarii vars.-Quinqueloculina spp.）指示受闽浙沿岸水团影响的环境；组合Ⅱ（B. robusta-B. marginata-Hanzawaia spp.）指示台湾暖流水团影响下的环境；组合Ⅲ（E. hispidulum-F. schreibersiana）可能与夏季闽江水与外海水混合发生水体层化有关；组合Ⅳ以E. advenum-A. pauciloculata为主，分布于组合Ⅱ与组合Ⅲ的过渡区域，指示受季节性闽浙沿岸水与台湾暖流混合水团共同影响的环境。
-
![]()
![]()
图 2 马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山温度（红线）和三相平衡温度（蓝线）
（蓝线表示相平衡温度，红线表示地温梯度，相交点深度为甲烷水合物稳定带底界深度）
Figure 2. The local temperature （red line） and calculated temperature in three-phase equilibrium （blue line） at Mariana forearc serpentinite mud volcano area
![]()
图 3 Fram海峡温度（红线）和三相平衡温度（蓝线）
Figure 3. The local temperature （red line） and calculated temperature in three-phase equilibrium （blue line） at Fram Strait
![]()
图 4 甲烷水合物形成的温压相图[2]及Lost City渗漏流体温度和压力分布图（图中长方形为Lost City的温度和压力分布范围）
Figure 4. The temperature - pressure phase diagram of methane hydrate （modified from reference [2]） showing the temperature, pressure of vent fluid at Lost City （The rectangle shows the range of temperature and pressure at Lost City）
![]()
图 5 马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山、Fram海峡和Lost City 蛇纹岩化产生的甲烷形成水合物的热力学条件
Figure 5. Thermodynamics conditions for the stability of abiotic methane hydrate at Mariana forearc serpentinite mud volcano area, Fram Strait and Lost City
![]()
图 6 IODP1492A浅层顶空气甲烷浓度[31]
Figure 6. The headspace CH4 concentration at site IODP 1492A
表 1 马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山的天然气水合物稳定带深度及参数
Table 1 The depth and parameters of gas hydrate stability zone at Mariana forearc serpentinite mud volcano area
站位 ODP1200 IODP1491 IODP1492 IODP1493 ,1494 ,1495 IODP1496 IODP1497 IODP1498 水深/m 2 910 4 492 3 666 3 358 1 243 2 018 3 396 海底温度/°C 1.67 1.55 1.56 1.73 3.99 2.29 3.905 地温梯度/（°C/km） 10 20 12 26.5 14.3 11.7 11.7 底界/mbsf 2 515 1 290 2 160 858 1 085 1 820 2 130 
下载: 导出CSV
表 2 Fram海峡天然气水合物稳定带深度及参数
Table 2 The depth and parameters of gas hydrate stability zone at Fram Strait
站位 ODP909C ODP910 ODP911 ODP912 水深/m 2 526 567 918 1 048 海底温度/°C 0.30 3.30 −0.277 −0.537 1 地温梯度/（°C/km） 88 37 67.8 64.8 底界/mbsf 232 153 196 210
下载: 导出CSV
-
[1] Johnson A H. Global resource potential of gas hydrate-a new calculation[C]//Proceedings of the 7th International Conference on Gas Hydrates. Edinburgh, Scotland, United Kingdom, 2011.
[2] Sloan E D, Koh C A. Clathrate Hydrates of Natural Gases[M]. 3rd ed. New York: CRC Press, 2008.
[3] Sloan E D Jr. Clathrate Hydrates of Natural Gases, Revised and Expanded[M]. 2nd ed. New York: CRC Press, 1998.
[4] Maslin M, Owen M, Betts R, et al. Gas hydrates: Past and future geohazard? [J]. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2010, 368(1919): 2369-2393. doi: 10.1098/rsta.2010.0065
[5] Kennett J P, Cannariato K G, Hendy I L, et al. The clathrate gun hypothesis[M]//Methane Hydrates in Quaternary Climate Change: The Clathrate Gun Hypothesis. Washington, DC: American Geophysical Union, 2003, 54: 105-107.
[6] Davie M K, Buffett B A. Sources of methane for marine gas hydrate: inferences from a comparison of observations and numerical models [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2003, 206(1-2): 51-63. doi: 10.1016/S0012-821X(02)01064-6
[7] 苏正, 陈多福. 海洋天然气水合物的类型及特征[J]. 大地构造与成矿学, 2006, 30(2):256-264. [SU Zheng, CHEN Duofu. Types of gas hydrates and their characteristics in marine environments [J]. Geotectonica et Metallogenia, 2006, 30(2): 256-264. doi: 10.3969/j.issn.1001-1552.2006.02.016 [8] Paull C K, Dillon W P. Natural Gas Hydrates: Occurrence, Distribution, and Detection[M]. Washington, D. C.: American Geophysical Union, 2001: 67-84.
[9] Mével C. Serpentinization of abyssal peridotites at mid-ocean ridges [J]. Comptes Rendus Geoscience, 2003, 335(10-11): 825-852. doi: 10.1016/j.crte.2003.08.006
[10] Evans B W, Hattori K, Barronet A. Serpentinite: What, why, where [J]. Elements, 2013, 9(2): 99-106. doi: 10.2113/gselements.9.2.99
[11] Charlou J L, Fouquet Y, Bougault H, et al. Intense CH<sub>4</sub> plumes generated by serpentinization of ultramafic rocks at the intersection of the 15°20'N fracture zone and the Mid-Atlantic Ridge [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1998, 62(13): 2323-2333. doi: 10.1016/S0016-7037(98)00138-0
[12] McCollom M T. Methanogenesis as a potential source of chemical energy for primary biomass production by autotrophic organisms in hydrothermal systems on Europa [J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 1999, 104(E12): 30729-30742. doi: 10.1029/1999JE001126
[13] Proskurowski G, Lilley M D, Seewald S J, et al. Abiogenic hydrocarbon production at Lost City Hydrothermal Field [J]. Science, 2008, 319(5863): 604-607. doi: 10.1126/science.1151194
[14] Bradley A S, Summons R E. Multiple origins of methane at the Lost City Hydrothermal Field [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2010, 297(1-2): 34-41. doi: 10.1016/j.jpgl.2010.05.034
[15] 汪小妹, 曾志刚, 欧阳荷根, 等. 大洋橄榄岩的蛇纹岩石化研究进展评述[J]. 地球科学进展, 2015, 25(6):605-616. [WANG Xiaomei, ZENG Zhigang, OUYANG Hegen, et al. Review of progress in serpentinization research of oceanic peridotites [J]. Advances in Earth Science, 2015, 25(6): 605-616. [16] 黄瑞芳, 孙卫东, 丁兴, 等. 橄榄岩蛇纹石化过程中氢气和烷烃的形成[J]. 岩石学报, 2015, 31(7):1901-1907. [HUANG Ruifang, SUN Weidong, DING Xing, et al. Formation of hydrogen gas and alkane during peridotite serpentinization [J]. Acta Petrologica Sinica, 2015, 31(7): 1901-1907. [17] McCollom T M, Bach W. Thermodynamic constraints on hydrogen generation during serpentinization of ultramafic rocks [J]. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 2009, 73(3): 856-875. doi: 10.1016/j.gca.2008.10.032
[18] Rajan A, Mienert J, Bünz S, et al. Potential serpentinization, degassing, and gas hydrate formation at a young (< 20 Ma) sedimented ocean crust of the Arctic Ocean ridge system [J]. Journal of Geophysical Research-Solid Earth, 2012, 117(B3): B03102.
[19] Johnson J E, Mienert J, Plaza-Faverola A, et al. Abiotic methane from ultraslow-spreading ridges can charge Arctic gas hydrates [J]. Geology, 2015, 43(5): 371-374. doi: 10.1130/G36440.1
[20] Kelley D S, Karson J A, Früh-Green G L, et al. A serpentinite-hosted ecosystem: The lost city hydrothermal field [J]. Science, 2005, 307(5714): 1428-1434. doi: 10.1126/science.1102556
[21] Ludwig K A, Kelley D S, Butterfield D A, et al. Formation and evolution of carbonate chimneys at the Lost City Hydrothermal Field [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2006, 70(14): 3625-3645. doi: 10.1016/j.gca.2006.04.016
[22] Schrenk M O, Brazelton W J, Lang S Q. Serpentinization, carbon, and deep life[M]//Carbon in Earth. Chantilly: Mineralogical Society of America, 2013, 75: 575-606.
[23] Fryer P, Pearce J A, Stokking L B, et al. Proceedings of the ocean drilling program: Initial Reports 125[R]. College Station, TX: Ocean Drilling Program, 1990.
[24] 王先彬, 欧阳自远, 卓胜广, 等. 蛇纹石化作用、非生物成因有机化合物与深部生命[J]. 中国科学: 地球科学, 2014, 57(5):878-887. [WANG Xianbin, OUYANG Ziyuan, ZHUO Shengguang, et al. Serpentinization, abiogenic organic compounds, and deep life [J]. Science China: Earth Sciences, 2014, 57(5): 878-887. doi: 10.1007/s11430-014-4821-8 [25] Dmitriev L V, Bazylev B A, Silantiev S A, et al. Hydrogen and methane formation with serpentization of mantle hyperbasite of the ocean and oil generation [J]. Russian Journal of Earth Sciences, 2000, 1(6): 511-519. doi: 10.2205/2000ES000030
[26] Lupton J, Butterfield D, Lilley M, et al. Submarine venting of liquid carbon dioxide on a Mariana Arc volcano [J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2006, 7(8): Q08007.
[27] Sun R, Duan Z H. An accurate model to predict the thermodynamic stability of methane hydrate and methane solubility in marine environments [J]. Chemical Geology, 2007, 244(1-2): 248-262. doi: 10.1016/j.chemgeo.2007.06.021
[28] Tishchenko P, Hensen C, Wallmann K, et al. Calculation of the stability and solubility of methane hydrate in seawater [J]. Chemical Geology, 2005, 219(1-4): 37-52. doi: 10.1016/j.chemgeo.2005.02.008
[29] Dickens G R, Quinby-Hunt M S. Methane hydrate stability in seawater [J]. Geophysical Research Letters, 1994, 21(19): 2115-2118. doi: 10.1029/94GL01858
[30] Brown K M, Bangs N L, Froelich P N, et al. The nature, distribution, and origin of gas hydrate in the Chile Triple Junction region [J]. Earth and Planetary Science Letters, 1996, 139(3-4): 471-483. doi: 10.1016/0012-821X(95)00243-6
[31] Fryer P, Wheat C G, Williams T, et al. Proceedings of the ocean internation drilling program: Initial Reports 366[R]. College Station, TX: Ocean Drilling Program, 2018.
[32] Myhre, A M, Thiede J, Firth J V. Proceedings of the ocean internation drilling program: Initial Reports 151[R]. College Station, TX, 1995.
[33] Früh-Green G L, Orcutt B N, Green S L, et al. Proceedings of the ocean drilling program: Initial Reports 357[R]. College Station, TX, 2017.
[34] Fryer P. Serpentinite mud volcanism: observations, processes, and implications[M]//Annual Review of Marine Science. Palo Alto: Annual Reviews, 2012, 4: 345-373.
[35] Wheat C G, Fryer P, Fisher A T, et al. Borehole observations of fluid flow from South Chamorro Seamount, an active serpentinite mud volcano in the Mariana forearc [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2008, 267(3-4): 401-409. doi: 10.1016/j.jpgl.2007.11.057
[36] Mottl M J, Wheat C G, Fryer P, et al. Chemistry of springs across the Mariana forearc shows progressive devolatilization of the subducting plate [J]. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 2004, 68(23): 4915-4933. doi: 10.1016/j.gca.2004.05.037
[37] Salisbury M H, Shinohara M, Richter C, et al. Proceedings of the ocean drilling program: Initial Reports 195[R]. College Station, TX: Ocean Drilling Program, 2002.
[38] 丁兴, 刘志锋, 黄瑞芳, 等. 大洋俯冲带的水岩作用——蛇纹石化[J]. 工程研究-跨学科视野中的工程, 2016, 8(3):258-268. [DING Xing, LIU Zhifeng, HUANG Ruifang, et al. Water-rock interaction in oceanic subduction zone: Serpentinzation [J]. Journal of Engineering Studies, 2016, 8(3): 258-268. [39] 张振国, 方念乔, 高莲凤, 等. 超慢速扩张洋脊: 海洋地学研究新领域[J]. 海洋地质动态, 2007, 23(4):17-20. [ZHANG Zhenguo, FANG Nianqiao, GAO Lianfeng, et al. The ultraslow-spreading ridge: new field of the marine geology [J]. Marine Geology Letters, 2007, 23(4): 17-20. doi: 10.3969/j.issn.1009-2722.2007.04.005 [40] Snow J E, Edmonds H N. Ultraslow-spreading ridges: rapid paradigm changes [J]. Oceanography, 2007, 20(1): 90-101. doi: 10.5670/oceanog.2007.83
[41] Klenke M, Schenke H W. A new bathymetric model for the central Fram Strait [J]. Marine Geophysical Researches, 2002, 23(4): 367-378. doi: 10.1023/A:1025764206736
[42] Westvig I M. Structural and stratigraphic setting and fluid flow features of the svyatogor ridge, a sediment drift south of the Molloy transform[D]. Master Dissertation of UiT The Arctic University of Norway, 2015.
[43] Kelley D S, Karson J A, Blackman D K, et al. An off-axis hydrothermal vent field near the Mid-Atlantic Ridge at 30°N [J]. Nature, 2001, 412(6843): 145-149. doi: 10.1038/35084000
[44] Früh-Green G L, Kelley D, Bernasconi M S, et al. 30, 000 years of hydrothermal activity at the Lost City vent field [J]. Science, 2003, 301(5632): 495-498. doi: 10.1126/science.1085582
[45] Lowell R P, Rona P A. Seafloor hydrothermal systems driven by the serpentinization of peridotite [J]. Geophysical Research Letters, 2002, 29(11): 26-1-26-4.
[46] Müller R D, Sdrolias M, Gaina C, et al. Age, spreading rates, and spreading asymmetry of the world's ocean crust [J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2008, 9(4): Q04006.
[47] 张继, 李海平, 陈青, 等. 俯冲带研究进展与问题[J]. 地质调查与研究, 2015, 38(1):18-27, 34. [ZHANG Ji, LI Haiping, CHEN Qing, et al. Review on the research of subduction zone [J]. Geological Survey and Research, 2015, 38(1): 18-27, 34. doi: 10.3969/j.issn.1672-4135.2015.01.003 [48] 郑永飞, 陈仁旭, 徐峥, 等. 俯冲带中的水迁移[J]. 中国科学: 地球科学, 2016, 59(4):651-681. [ZHENG Yongfei, CHEN Renxu, XU Zheng, et al. The transport of water in subduction zones [J]. Science China Earth Sciences, 2016, 59(4): 651-681. doi: 10.1007/s11430-015-5258-4 [49] 臧绍先, 宁杰远. 西太平洋俯冲带的研究及其动力学意义[J]. 地球物理学报, 1996, 39(2):188-202. [ZANG Shaoxian, NING Jieyuan. Study on the subduction zone in western Pacific and its implication for the geodynamics [J]. Acta Geophysica Sinica, 1996, 39(2): 188-202. doi: 10.3321/j.issn:0001-5733.1996.02.006 [50] Allen D E, Seyfried W E Jr. Serpentinization and heat generation: constraints from Lost City and Rainbow hydrothermal systems [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2004, 68(6): 1347-1354. doi: 10.1016/j.gca.2003.09.003
[51] Proskurowski G, Liley M D, Kelley D S, et al. Low temperature volatile production at the Lost City Hydrothermal Field, evidence from a hydrogen stable isotope geothermometer [J]. Chemical Geology, 2006, 229(4): 331-343. doi: 10.1016/j.chemgeo.2005.11.005
[52] Wei M, Sandwell D. Estimates of heat flow from Cenozoic seafloor using global depth and age data [J]. Tectonophysics, 2006, 417(3-4): 325-335. doi: 10.1016/j.tecto.2006.02.004
[53] Wallmann K, Pinero E, Burwicz E, et al. The global inventory of methane hydrate in marine sediments: a theoretical approach [J]. Energies, 2012, 5(7): 2449-2498. doi: 10.3390/en5072449
[54] Milkov A V. Global estimates of hydrate-bound gas in marine sediments: how much is really out there? [J]. Earth-Science Reviews, 2004, 66(3-4): 183-197. doi: 10.1016/j.earscirev.2003.11.002
[55] Xu W Y. Modeling dynamic marine gas hydrate systems [J]. American Mineralogist, 2004, 89(8-9): 1271-1279. doi: 10.2138/am-2004-8-916
[56] Chen D F, Su Z, Cathles L M. Types of gas hydrates in marine environments and their thermodynamic characteristics [J]. Terrestrial Atmospheric & Oceanic Sciences, 2006, 17(4): 723-737.
[57] Cao Y C, Chen D F, Cathles L M. A kinetic model for the methane hydrate precipitated from venting gas at cold seep sites at Hydrate Ridge, Cascadia margin, Oregon [J]. Journal of Geophysical Research-Solid Earth, 2013, 118(9): 4669-4681. doi: 10.1002/jgrb.50351
[58] Borowski W S, Paull C K, Ussler W Ⅲ. Marine pore-water sulfate profiles indicate in situ methane flux from underlying gas hydrate [J]. Geology, 1996, 24(7): 655-658. doi: 10.1130/0091-7613(1996)024<0655:MPWSPI>2.3.CO;2
[59] Bhatnagar G, Chatterjee S, Chapman W G, et al. Analytical theory relating the depth of the sulfate-methane transition to gas hydrate distribution and saturation [J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2011, 12(3): Q03003.
[60] Tréhu A M, Bohrmann G, Rack F R, et al. Proceedings of the ocean drilling program: Initial Reports 204[R]. College Station, TX: Ocean Drilling Program, 2003.
[61] Riedel M, Collett T S, Malone M J, et al. Proceedings of the integrated ocean drilling: Initial Reports 311[R]. College Station, TX: Ocean Drilling Program, 2006.
[62] Egeberg P K, Dickens G R. Thermodynamic and pore water halogen constraints on gas hydrate distribution at ODP Site 997 (Blake Ridge) [J]. Chemical Geology, 1999, 153(1-4): 53-79. doi: 10.1016/S0009-2541(98)00152-1
[63] 曹运诚, 陈多福. 海洋天然气水合物发育顶界的模拟计算[J]. 地球物理学报, 2014, 57(2):618-627. [CAO Yuncheng, CHEN Duofu. Modeling calculation of top occurrence of marine gas hydrates [J]. Chinese Journal of Geophysics, 2014, 57(2): 618-627. doi: 10.6038/cjg20140225 [64] Tréhu A M, Long P E, Torres M E, et al. Three-dimensional distribution of gas hydrate beneath southern Hydrate Ridge: constraints from ODP Leg 204 [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2004, 222(3-4): 845-862. doi: 10.1016/j.jpgl.2004.03.035
-
期刊类型引用(6)
1. 王超，姜胜辉，王世臣，李春川. 山东裕龙岛跨河道工程对沉积动力环境影响研究. 海洋地质与第四纪地质. 2024(01): 191-202 . 
本站查看
2. 喻丰华，方神光，何用，何青. 澳门东侧水域夏季余流及通量的时空变化特征. 华东师范大学学报(自然科学版). 2023(03): 147-157 . 百度学术
3. LIU Bo，HU Rijun，WANG Yonghong，LI Yi，ZHU Longhai，ZHANG Xiaodong，YUAN Xiaodong. Distribution Characteristics and Controlling Factors of Heavy Metals in Surface Sediments from the Bay-Island-Estuary System(BIES): A Case Study in Coastal Waters of Fujian Province, China. Journal of Ocean University of China. 2023(05): 1253-1268 . 必应学术
4. 甘双庆，朱龙海，张立奎，宋彦，胡日军，白杏，林超然，谢波. 蓬莱近岸海域夏季悬浮泥沙输运及控制因素. 海洋地质前沿. 2023(12): 12-25 . 百度学术
5. 李海，万凯，宋新，宋德海，王楠，鲍献文. 大风影响下的莱州湾西岸单站底层泥沙输运特征分析. 海洋学报. 2022(06): 68-79 . 百度学术
6. 伊兆晗，胡日军，李毅，陈晓磁，陈娟娟，孟令鹏，朱龙海，张晓东. 福宁湾海域夏季大潮期悬浮泥沙输运特征及控制因素. 海洋地质与第四纪地质. 2021(06): 53-66 . 本站查看
其他类型引用(2)
计量
- 文章访问数: 2412
- HTML全文浏览量: 499
- PDF下载量: 51
- 被引次数: 8
