Geochemical characteristics of the sediments at site G16 of the Makran accretionary wedge, the northern Arabian Sea, and their implications for gas hydrates
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摘要: 阿拉伯海马克兰海域是具有天然气水合物勘查潜力的重要区域之一。对该海域G16站位沉积物样品的碎屑矿物、钼、有机碳和顶空气甲烷含量以及孔隙水总碱度和阴阳离子等地球化学特征进行综合分析。结果表明：Mg2+和Ca2+的浓度随深度明显降低，总碱度、Mg2+/Ca2+随深度显著增加；在硫酸盐-甲烷界面（SMI），SO42−的浓度线性降低至0.31 mmol/L，甲烷含量急剧增加至784 µmol/L，黄铁矿含量达到最大值并形成一个Mo峰。研究区硫酸根浓度线性降低和强烈亏损梯度以及Mg2+、Ca2+、总碱度和有机碳含量的变化特征，指示研究区存在强烈的甲烷厌氧氧化反应（AOM），并形成浅的SMI（估算深度4.62 mbsf）。孔隙水样品的地球化学异常与沉积物自生黄铁矿和Mo含量存在耦合现象，表明本站位深部沉积物中可能赋存有天然气水合物藏。Abstract: The Makran accretionary wedge in the northern Arabian Sea is one of the important areas with large gas hydrate potential. Sediment, headspace gas and pore water samples were collected from the sediment core at site G16 PC of the area. Comprehensive studies are conducted on organic carbon, molybdenum, methane concentrations in headspace gas, and total alkalinity, anions and cations in pore water and detrital sediments. It is revealed that concentrations of Mg2+ and Ca2+ decrease clearly with the increasing in depth, while the total alkalinity and the Mg2+/Ca2+ ratio increases sharply. Around the sulfate methane interface (SMI), the concentration of dissolved sulfate (SO42−) decreases linearly to 0.31 mmol/L, with a sharp increase in methane to 784 µmol/L. At the same time, the content of pyrite in sediments reaches its maximum together with a Mo peak. Combined with changing characteristics of total alkalinity and concentrations of Mg2+, Ca2+ and organic carbon, the concentration of sulfate decreased linearly and the high sulfate gradients suggest that there is strong anaerobic methane oxidation (AOM) occurred at the SMI, which is estimated in a depth of 4.62 mbsf. A coupling phenomenon exists between geochemical anomaly characteristics of sediment samples and pore water samples from the sediment core and the content of authigenic pyrite, which strongly indicate that gas hydrate reservoirs may occur in the deeper layer of the study area.
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Keywords:
- geochemistry /
- gas hydrate /
- Makran accretionary wedge /
- northern Arabian Sea
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1968年由Dan McKenzie，Jason Morgan与Xavier Le Pichon共同提出的板块构造理论是地球科学领域的一场革命，它从全球统一的角度，在一定程度上具备了定量和预测的性质，第一次以总领全球的气魄和高度的概括能力，成功地解释了地球运动和演化的许多重大问题，因此与相对论、量子力学和DNA双螺旋结构一起被称为20世纪自然科学四大进展。俯冲带是地表物质返回地球深部的主要通道，其俯冲动力与循环对流模式是板块构造理论的基石和经典。在全球三大类板块边界中，俯冲带一直是人类探索地球深部的重要目标，不仅动力机制复杂，对人类影响直接，也是火山带、地震带、矿产带和能源带的交汇[1-4]。
没有俯冲带就没有板块构造，俯冲带成因是理解板块构造的关键。然而，长期以来俯冲带的起始俯冲机制一直是板块构造理论中最为薄弱的部分。俯冲带如何从最初的非稳态破裂、下伏板块开始俯冲，到地幔对流逐步形成使岩石圈板块连续、稳态地俯冲，并又最终诱发小地幔楔内的地幔对流，进而形成岛弧和弧后构造活动，对这些过程的研究存在诸多争议[5]。与被动大陆边缘的初始扩张相比，起始俯冲的研究刚刚起步。
1. 板块俯冲起始机制进展与现状
在地质历史中俯冲带如何产生是板块构造理论中最为重要的部分。地学界通过对于俯冲起始机制的研究认为大洋岩石圈由于挤压作用而发生破坏，从而产生俯冲带[6]，并由此形成了诱发被动型俯冲起始机制模型：板块的持续汇聚产生区域性挤压应力场，在特定区域，板块的隆升和下插形成了新的俯冲带。诱发性俯冲机制又分为两个亚类：迁移型和极性反转型。迁移型机制认为新的俯冲带会在老的俯冲带的外侧产生：由于印藏碰撞而导致的Mussau海沟以及印度西北板块边界的持续发展是迁移性机制的典型例子[7]。极性反转机制也与汇聚作用相关，在该机制中持续的汇聚在岩浆岛弧后侧形成新的俯冲带，该机制的典型案例之一就是翁通-爪哇海台汇聚而形成的所罗门汇聚陆缘[8]。
从20世纪90年代开始，对于板块起始机制开始有了新的观点，认为俯冲的起始更多的可能与大洋岩石圈的薄弱带，比如转换断层或断裂带相关。在薄弱带两侧老的大洋岩石圈的重力作用[5,9-11]，或者说岩石圈内部物质成分差异导致的密度差[12]，提供了俯冲作用和板块构造活动的主要驱动力，并进而提出了自发性俯冲机制的观点[10]（图1）。该观点基于古太平洋向西菲律宾海盆俯冲的研究，对于俯冲体系的地球动力学解释表明俯冲沿着先存断裂带自发形成[13]，也即始新世期间太平洋板块西侧新俯冲带的产生受控于转换断层坍塌而导致的自主诱发机制，该种类型的自主型俯冲以古太平洋冷而重的俯冲板片开始向下运动为标志[14-15]。
![图 1 俯冲起始成因机制汇编]()
对板块俯冲起始机制理解，在地质与地球物理观测基础上离不开数值模拟对俯冲起始和过程的反演，尤其是近十几年计算机运算速度的飞速发展使得数值模拟的手段更为方便，地质与地球物理学家和构造动力学家们共同工作，使得不同的板块俯冲起始的假说得以验证。Gerya等[16]，Gerya[17], Duretz等[18]模拟了单向俯冲和双向俯冲对俯冲过程的影响，包括不同的俯冲角度，不同的相对运动速度，俯冲与上覆块体的不同岩石学、流变学特征等，俯冲板片年龄的变化等，对弧后发生伸展、挤压，以及俯冲体系的对称型变化的控制作用。不同的研究者均验证了全球板块运动绝大多数受到俯冲区较重的大洋岩石圈重力作用下沉的驱动，同时扩张作用的退积以及地幔对流的拖曳也是运动的重要因素[19]。这些模拟工作既包括二维的软流圈尺度的数值模拟[16]，也包括三维全地幔尺度的数值模拟[20]。但对于“传统”或者“新”的俯冲起始机制在数值模拟和实际观测中仍然有很多矛盾的问题尚未解决，比如自发性俯冲机制中岩浆、流体作用如何？是什么导致俯冲板片下沉和真正俯冲之间的转换过程？被动陆缘的崩塌是否会导致俯冲作用[21]？而且对全球其他区域的研究依旧不能否认在有些区域的确存在诱发被动型的俯冲起始作用，比如区域挤压应力场[22-25]，俯冲极性反转[8,10,26]，或者俯冲带迁移也会诱发俯冲带的产生[27]（图1）。
2. 为什么选择九州-帕劳海脊？
九州-帕劳海脊位于菲律宾海的中部，北至南海海槽俯冲带，南至帕劳群岛的北部，纵贯南北约2 600 km。该脊曾经与现代IBM岛弧连为一体，在约30 Ma的海底扩张形成四国和帕尔西维拉盆地之前一起组成了古IBM岛弧[15]，是古太平洋板块向菲律宾海板块俯冲的产物。九州-帕劳海脊与东部火山岛弧带（现代伊豆-小笠原海脊和马里亚纳海脊），以及发育期间的多个边缘海盆，包括四国盆地、帕尔西维拉盆地、小笠原海槽、马里亚纳海槽等共同组成了作为地球汇聚边界的典型代表的伊豆-小笠原-马里亚纳（Izu-Bonin-Marina arc，以下简称IBM）俯冲体系（图2）。强烈的岩石圈变形和岩浆活动、典型沟-弧-盆体系、俯冲板块后撤形成的弧后扩张东向跃迁使得该区成为研究“俯冲工厂”（Subduction Factory）和震源带的典型海区[14-15,28-29]。
![图 2 菲律宾海板块及邻区主要构造单元图]()
图 2 菲律宾海板块及邻区主要构造单元图黄色圆圈为IODP 351航次钻探井位；红色圆圈为IODP 352航次钻探井位；红色方框内为本次研究区Figure 2. Major tectonic units of the Philippine Sea plate and adjacent areaRed circles are the drilling sites of IODP Exp. 351, and yellow for IODP Exp. 352. Red square indicates the study area九州-帕劳海脊及周缘记录了俯冲如何起始的信息，是了解板块如何起始俯冲的关键场所。Stern[10]认为九州-帕劳海脊是自主俯冲机制的典型代表：相对冷而重的太平洋岩石圈沿着转换断层/破裂带开始下沉，从而诱发了俯冲作用。数值模拟实验也表明板块的密度是控制俯冲起始的关键要素[5,17]。国际大洋发现计划（International Ocean Discovery Program，简称IODP）在该区先后开展了两个钻探航次—IODP 351和352，其中IODP 351航次目标为九州-帕劳海脊附近西菲律宾海盆的基底和沉积，IODP 352航次的目标是伊豆前弧区的火山岩。钻探为揭示板块的初始俯冲机制和模型提供了重要的证据，表明俯冲起始之后先形成弧前的海底扩张作用，形成弧前玄武岩，而古IBM弧是在弧前海底扩张形成的小洋盆中形成[30-32]。然而，对于初始俯冲如何发生，在何处发生，依然疑云重重。Hall等[33]认为印度-澳大利亚板块与欧亚板块碰撞导致的挤压应力场是触发古太平洋板块向菲律宾海板块俯冲的机制，Stern和Gerya[5]也指出不能完全忽略远程挤压应力的效应。Taylor和Goodliffe[34]同样对古IBM岛弧起始沿着老的断裂带发育存疑，因为九州-帕劳海脊和西侧西菲律宾海盆地构造展布近乎正交，同时岩石圈的弯曲和剪切阻力会限制，甚至会阻碍俯冲作用的形成。Leng和Gurnis[28]通过数值模拟认为与板块边界并置的残留岛弧的重新活动是俯冲起始的关键因素，而非转换断层。由此可以看出，对于俯冲起始机制的研究，尤其是作为俯冲起始机制研究经典的九州-帕劳海脊区依旧是板块构造学理论体系中的一个重点和难点。
3. 九州-帕劳海脊南段的深部结构探测及意义
对于地球内部结构的认识，主要来自于地震观测，包括针对沉积层的多道地震探测，以及针对岩石圈的深反射/折射地震探测。在海域，后者主要依靠海底地震仪（Ocean Bottom Seismometer，简称OBS）实现，可以通过人工源地震或者天然地震获取地壳深部和地幔结构。地质学研究中最重要的一个思想是“将今论古”，现今九州-帕劳海脊及周缘区域深部结构，包含了不同地质历史时期形成的不同记录，比如九州-帕劳海脊西侧的西菲律宾海盆，代表了俯冲起始之前的结构；九州-帕劳海脊及周缘，则保留了俯冲起始阶段的结构信息；而九州帕劳海脊西侧的四国盆地-帕尔西维拉盆地则是俯冲后续发展进入弧后扩张阶段的结构。当然，现今的深部结构会受到后期构造-岩浆作用的改造。包括IODP 351&352航次钻探在内的最新研究表明，太平洋板块向古菲律宾海的起始俯冲会首先沿着转换断层发生弧前海底扩张作用，形成弧前洋盆，而之后随着后续俯冲作用弧前玄武岩中形成火山岛弧。对以上不同区域，不同地质历史时期形成的深部结构的解读，可以获知不同的构造单元相互之间的差异，以及弧前洋盆是否真的存在等关键信息，这对于解答板块俯冲的起始机制至关重要。
在九州-帕劳海脊开展的深反射/折射地震探测工作主要由日本科学家完成，尤其是在2004—2008年，日本开始在九州-帕劳海脊进行了一系列地震实验来了解其结构变化，并与共轭的伊豆-小笠原-马里亚纳海脊进行对比。这些地震实验都是为日本外大陆架划界项目服务。相关的成果在2007年之后开始发表，对九州-帕劳海脊北侧区域海脊本身由北向南的岩石圈结构进行了刻画[35-36]。但是相关的OBS测线，尤其是九州-帕劳海脊南段的OBS测线均比较短，仅针对海脊本身，很少有区域性的结构断面将与海脊密切相关的西菲律宾海盆和四国-帕尔西维拉海盆统一进行考虑。对九州-帕劳海脊地壳结构相关工作也仅是将海脊的南北进行对比，对海脊本身与“前世”—西菲律宾海、“今生”—新形成的弧间盆地的结构的对比工作相对很少。
因此，受国家自然科学基金重大研究计划“西太平洋地球系统多圈层相互作用”的资助，自然资源部第二海洋研究所将在九州帕劳海脊南段及邻区开展综合地球物理剖面观测，该剖面西起西菲律宾海盆，穿越九州-帕劳海脊，东至帕尔西维拉海盆，剖面长度为1 260 km（图3）。探测手段包括利用主动源OBS的深反射/折射地震实验以及船载拖曳式多道地震实验，构建从海底表面，沉积与基底，到地壳上地幔结构不同尺度、高分辨率的岩石圈固体结构特征，比较代表俯冲前的西菲律宾海，代表起始俯冲的九州-帕劳海脊，以及俯冲后弧后扩张区的帕尔西维拉海盆深部结构特征的特点与差异。航次将于2019年9月份开始实施。
![图 3 九州-帕劳海脊南段及邻区地质与地球物理观测方案]()
图 3 九州-帕劳海脊南段及邻区地质与地球物理观测方案黄色方框代表研究区， 黑色实线为计划布设的多道地震测线， 黑色圆点为OBS投放点， 黄色三角为拖网取样点Figure 3. Map of geological and geophysical surveys in the southern Kyushu-Palau Ridge and adjacent regionYellow square indicates the survey area. Black line is planned multi-channel seismic profile. Black dots are the deploy positions of OBS. Yellow triangles are the dredged positions4. 结论与展望
九州-帕劳海脊是研究板块俯冲起始机制的关键场所。以往几十年的研究主要集中在九州-帕劳海脊的北段（20°N以北），对于南段（20°N以南）的研究，尤其是15°N附近作为西菲律宾海盆地残留扩张脊的中央盆地断裂与九州-帕劳海脊的交汇区依旧存在大量的科学问题（Robert Stern, 2018, 私人通信），比如俯冲的起始位置与岩石圈结构、强度和内部变形有何联系？板块薄弱带（如转换断层、断裂带）如何转变为俯冲带？俯冲过程如何从初期的非稳态过程过渡到其后稳态的过程？俯冲系统形成及后续岛弧分裂-海底扩张的过程中壳幔如何相互作用？地幔对流模式如何变化？
国际大洋发现计划（IODP）在设定未来十年（2013—2023）的科学目标中尤其指出：地球的深部过程及对地球表面环境的影响是其中非常关键的一部分，而俯冲带的形成、物质循环以及陆壳的初始形成是其中重要的挑战之一。九州-帕劳海脊在菲律宾海盆中扮演着关键的角色，对于它的深部结构及动力学机制的研究是认识整个菲律宾海板块动力学演化的关键，对解决太平洋向西菲律宾海板块俯冲如何发生和发展的科学问题具有重要意义。前文所述的诸多存在争议的科学问题给中国科学家提供了机遇和舞台，能否在新的俯冲起始、沟弧盆体系形成的这一国际前沿理论，取得属于中国科学家的突破，是中国科学家面临的重大挑战。
因此，以西太平洋地球系统多圈层相互作用为视野，以九州-帕劳海脊南端及邻近区域为重点，以前期地球物理探测和后续动力学模拟为手段，深入探索各构造现象和构造阶段的结构、变形、物质循环特点，将有利于系统认识西太俯冲体系从初始俯冲-岛弧裂离-弧后伸展的完整演化历史，并在反复实验和对比的基础上，揭示板块俯冲作用的起始机制、动力学过程及其控制因素。该研究将会提升我们寻找资源、规避大的地质灾害的能力，也是完善全球动力学理论不可缺少的重要环节，将会对海洋科学的许多前沿领域产生巨大的推动作用。
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图 2 G16站位沉积物孔隙水中总碱度、Cl-和SO42−以及阳离子含量变化特征
a.Na+、K+、Mg2+和SO42−，b.Ca2+、Mg2+/Ca2+、Cl-和TA。
Figure 2. Variation of TA, Cl−, SO42− and cation concentrations with depth in pore water from the sediments at site G16
a.Na+, K+, Mg2+ and SO42−, b. Ca2+, Mg2+/Ca2+, Cl− and TA.
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图 3 G16站位沉积物中甲烷和孔隙水中硫酸根含量变化特征及SMI
Figure 3. Characteristics of methane content in sediments and SO42− concentration in pore water and their relation to SMI at site G16
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图 4 G16站位沉积物黄铁矿、Mo和有机碳含量变化特征
Figure 4. Characteristics of pyrite, Mo and organic carbon concentrations in the sediments at site G16
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