Research progress and prospects of metal-dependent anaerobic methane oxidation in marine sediments
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摘要: 海洋沉积物中大部分甲烷会通过甲烷厌氧氧化作用（anaerobic oxidation of methane, AOM）而被消耗。早期研究表明，AOM可与硫酸盐、硝酸盐和亚硝酸盐的还原作用相耦合，从而有效减少甲烷向大气的排放。最近，金属依赖型AOM（metal-AOM，活性金属氧化物还原反应驱动的AOM）被证实存在于自然界沉积物和富集培养的样品中。但是，目前仍未从自然海洋环境中分离获得能够介导metal-AOM的微生物。对海洋沉积物中metal-AOM的研究大多聚焦于热液或冷泉等海洋特殊生境，一系列研究表明地质流体在这些海底化能自养生态系统的维持和演化方面起到了重要作用，并深刻影响全球地球化学循环，因此，该科学问题研究吸引了越来越多的注意力。本文讨论了可能参与海洋沉积物中metal-AOM的微生物类群及其地球化学证据，并在前人工作基础上，以冲绳海槽冷泉-热液共生区为例，提出一种新的metal-AOM作用机制。认为在全球冷泉-热液系统相互作用地区的调查有助于更好地探讨metal-AOM的发生机制及微生物在深海生境中分布的连通性问题。
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关键词:
- 海洋沉积物 /
- 金属依赖型甲烷厌氧氧化 /
- 冷泉-热液共生区 /
- 冲绳海槽
Abstract: A large fraction of methane is consumed by anaerobic oxidation (AOM) in marine sediments. Previous researches suggested that AOM is coupled to the reduction of sulfate, nitrate and nitrite, which may effectively reduce methane emission into the atmosphere. Recently, metal-dependent AOM (metal-AOM, AOM driven by active metal oxides reduction reaction) was demonstrated to occur in both the sediments in nature and enriched cultures. But the elusive microorganisms mediating metal-AOM process have not yet been isolated from natural marine environments, and most researches on metal-AOM in marine sediments focus on special marine habitats such as hydrothermal vents or cold seeps. However, a series of investigation shows that geological fluids play an important role in the maintenance and evolution of these submarine chemolithoautotrophy ecosystems, and profoundly affect the global geochemical cycle. Therefore, the research on this scientific problem has attracted more and more attention from marine scientists. In this review, the potential microbial communities and geochemical evidence of metal-AOM in marine sediments are summarized. On the basis of literature researches, taking the cold seeps and hydrothermal vents coexisted region, the Okinawa Trough, as an example, a new metal-AOM mechanism is proposed. The investigation in the global cold seeps and hydrothermal vents system interaction areas could be beneficial to better discuss the mechanism of metal-AOM and the connectivity of microbial distribution in deep-sea habitats. -
海岸带是指海洋与陆地的交界地带，是海岸线向陆、海两侧扩展一定宽度的带状区域[1]。海岸带地区的地质环境作为人类生存和城市发展的承载体，其质量的好坏对沿海城市经济和社会可持续发展起着巨大的决定性作用[2]。莱州湾海岸带地区是渤海南部经济发展的重要地带，该区具有丰富的自然资源，同时又是地质构造复杂、地质灾害频繁和工程地质条件较差的地区。大量的沿海工程建设如滨海新城、港口码头、海底电缆、管道及石油开采平台等都需要以海岸带地区地质环境为依托[3, 4]。然而，不同地段的工程地质环境特性和质量有着较大的差异。因此，对莱州湾海岸带地区进行工程地质环境质量评价和分区，预先查明其工程地质条件及各种不稳定因素就成为工程建设不可缺少的前期工作。
工程地质环境是与人类工程、经济活动密切相关的地质环境；工程地质环境质量评价，就是研究人类生活及工程经济活动对地质环境的适宜性，也就是评价工程地质环境的优劣程度[5]。工程地质工作不仅需要对工程地质条件中的各个要素的质量做出定量评价，而且还要求把工程地质条件和人类工程活动、社会效益、经济效益综合成一个系统一并考虑，由此选择最佳土地使用方案、最佳工程建设区，并指出不利的工程地质条件分布区，这对于沿海城市总体规划、建设布局以及拟建工程投资规模的确定和进行工程地质勘察均有十分重要的意义[6, 7]。本文采用层次分析法和模糊综合评价法[8, 9]，采用计算机编程进行运算，运用MAPGIS软件的空间分析功能，按照研究区工程地质环境稳定性评价标准对每个评价单元进行统计打分，分别对地壳稳定性、地面稳定性和地基稳定性进行分区评价，然后综合考虑各种评价因子后，最终对整个研究区的工程地质环境质量进行评价分区。
1. 材料与方法
1.1 资料来源
本研究所采用的资料主要源自青岛海洋地质研究所2015—2016年期间在莱州湾海岸带地区开展的《莱州湾海岸带海陆统筹综合地质调查(试点)》项目中获取的基础地质条件、岩土体条件与环境地质问题、地质灾害和海洋灾害等阶段性成果资料[10]。同时，搜集整理了前人关于该区域地震活动性与新构造活动等资料。在研究上述资料的基础上，参考前人应用层次分析法与模糊综合评价法的实例[11-18]对本研究区进行工程地质环境质量综合评价分区。
1.2 评价方法
1.2.1 层次分析法
层次分析法(简称AHP方法)是一种定性与定量分析相结合的决策分析方法，其基本原理是：把复杂的问题分解成若干个有序层次，并根据一定客观事实的判断，对每一层次的相对重要性给予定量表示；然后利用数学方法计算出表达每一层次的全部元素相对重要性的权重数值，据此对整个问题进行分析并提出问题的解决方案[8]。结合专家打分法定性分析的优点与层次分析法定量分析的优点，利用专家打分法来确定层次分析法所需要的判断矩阵。具体的工作程序如下：
(1) 递阶层次结构的建立。应用AHP分析决策问题时，首先要把问题条理化、层次化，构造出一个有层次的结构模型。在这个模型下，复杂问题被分解为若干元素，这些元素又按其属性及关系形成若干层次，上一层次的元素作为准则对下一层次有关元素起支配作用。
(2) 判断矩阵的建立。判断矩阵表示本层次元素与上一层次有关元素之间相对重要性的比较。用于两两比较的判断矩阵是AHP法的基础，也是进行相对重要度计算的重要依据。通过两两比较，可以得出高一级层次的某元素对低一级层次相关元素的相对重要性。这种比较结果可以通过引入适当的标度来表示(表 1)，即用数值直观地表达出来，并写成判断矩阵，如下：
表 1 标度及其含义Table 1. Scale and its meaning标度 含义 1 A1与A2同等重要 3 A1比A2稍微重要 5 A1比A2明显重要 7 A1比A2更为重要 9 A1比A2极端重要 2，4，6，8 上述两相邻判断之中值，表示重要性判断之间的过渡性 注：A1表示高一级层次的某因素；A2表示低一级层次的相关因素。 $$ $\begin{array}{l|c c c c c } C_k & A_1 & A_2 & \cdots & A_n \\ \hline A_1 & a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ A_2 & a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots & \cdots \\ A_n & a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nn} \\ \end{array}$ $$ 其中：aij＞0，aij=1/aji，aii=1。
(3) 建立判断矩阵后，利用“和积法”计算出各矩阵的最大特征根λ及其对应的特征向量W，从而求出各个元素的权重值；并用CR=CI/RI进行一致性检验。其中，CI为一致性指标，RI为判断矩阵的平均随机一致性指标，CR为一致性比例。计算步骤如下：
对矩阵A的每一列向量进行归一化，得到
$$ {{\overline{W}}_{ij}}={{a}_{ij}}/\sum\limits_{i=1}^{n}{{{a}_{ij}}(j=1, 2, \cdots , n)} $$ (1) 对${{\overline{W}}_{ij}}$按行求和，得到
$$ {{\overline{W}}_{ij}}=\sum\limits_{j=1}^{n}{{{\overline{W}}_{ij}}(i=1, 2, \cdots , n)} $$ (2) 对${{\overline{W}}_{i}}$归一化，得到
$$ {{W}_{i}}={{\overline{W}}_{i}}/\sum\limits_{i=1}^{n}{{{\overline{W}}_{i}}} $$ (3) 则
$$ W={{({{W}_{1}}, {{W}_{2}}, \cdots {{W}_{n}})}^{T}} $$ (4) 即为所求的特征向量，也就是对应各个因素的权重值。
计算判断矩阵A的最大特征根λ，即
$$ \lambda =\frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}{[{{(AW)}_{i}}/{{W}_{i}}]} $$ (5) 对判断矩阵进行一致性检验，先计算CI，即
$$ CI=(\lambda -n)/(n-1) $$ (6) 再计算CR，即
$$ CR=CI/RI $$ (7) 式中：CR为一致性指标；λmax为最大特征根；n为矩阵阶数；RI为平均随机一致性指标，由大量试验给出，取值见表 2；CR为随机一致性比率。只有当CR＜0.10时，判断矩阵才具有满意的一致性，所获取值才比较合理。
表 2 平均随机一致性指标值Table 2. Average value of random identity parameters阶数(n) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 RI 0.00 0.00 0.58 0.90 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45 1.2.2 模糊综合评价法
按照构造综合矩阵求得的各评价因子及其权重值，根据计算公式(8)对每个评价单元格按照评价标准表进行系统的统计打分得到各单元的地质环境质量评价结果，最后根据区内的实际调查结果进行必要的修正[3, 4, 13-18]。
$$ {{M}_{i}}=\sum\limits_{j=1}^{n}{{{a}_{j}}{{U}_{ij}}} $$ (8) 式中：Mi为第i个评价单元的区域稳定性评价总分值；aj为第j评价因子的权重系数(aj即为公式4中的Wi值)；Uij为第i个评价单元中第j个评价因子的评分值；n为评价因子数。
2. 地质环境质量综合评价分区
工程地质环境稳定性按其决定因素及表现形式大体可分为地壳稳定性、地面稳定性和地基稳定性3个方面[19]。地壳稳定性也称构造稳定性，指现代构造运动、地震活动以及岩浆活动影响下地壳及其表层的相对稳定程度[20]。地面稳定性或称地表稳定性则指地壳表面在地球内、外营力地质作用和人类工程—经济活动影响下的相对稳定程度[21]。地基稳定性指工程建筑物影响范围内地基岩土体或地下建筑围岩的稳定性[22]。
对工程地质环境质量进行评价，通常是按地质环境因素进行单项评价，而后再进行总的评价。如苏联φ.B.KOTJIOB教授，捷克M Matula教授等都曾进行过这方面的研究工作[23-25]。毛同夏研究员曾综合其评价内容和分级标准整理成表[26]。无疑，环境地质因素单项评价是环境评价的基础，但更有意义的应是对地质环境—工程设施系统的协调稳定性进行综合评价。为此，在实际工作中，可先分别研究地壳、地面和地基的稳定性，而后再综合评价总的稳定性。
2.1 区域地壳稳定性
根据研究区特定的地质环境条件，主要以地震动峰值加速度值为主要评价指标，结合区内新构造运动、历史地震发育分布情况及地壳形变速率等因素进行单元格评价，根据比较标度得到各要素的比较矩阵(表 3)，最终对研究区区域地壳稳定性进行综合评价分区。海域由于缺少地震动峰值加速度值等指标，因此，海域地壳稳定性主要根据区域大的断裂构造带活动性和历史地震的分布范围和强度进行粗略评价分区。
表 3 各评价要素的比较标度Table 3. Comparison scale of evaluation factors评价要素 地震动峰值
加速度值新构造活动性
及地壳形变速率历史地震 岩土体力学性质 地震动峰值加速度值 1 3 5 7 新构造活动性及地壳形变速率 1/3 1 3 5 历史地震 1/5 1/3 1 3 岩土体力学性质 1/7 1/5 1/3 1 经公式(1)-(4)计算求得：W= (0.5, 0.35, 0.1, 0.05) T，影响区域地壳稳定性各评价因子权重见表 4。由公式(5)得λ =4.25，由式(7)得到CR=CI/RI=0.094＜0.1，可知此矩阵具有满意的一致性，即各要素的权重可以满足评价的要求。
表 4 地壳稳定性评价因子权重Table 4. Evaluation factor weight for crust stability评价因子 地震动
峰值加速
度值(g)新构造活动
性及地壳
形变速率历史地震 岩土体力
学性质权重 0.5 0.35 0.1 0.05 将研究区划分为数百个单元网格，对每个单元格按照计算公式(8)和表 5[10]进行系统的统计打分。例如，在研究区潍北滨海平原，受燕山渤海断裂带及沂沭断裂带影响，新构造活动较强烈，构造地壳形变速率较大，大部分地段形变速率大于5mm/a，则U2取值范围为2.5~1，我们取U2=2参与计算；历史上区内及附近发生过多次大于4级的地震，地震动峰值加速度以0.10~0.15g为主，抗震设防烈度7度，我们取U1=6，U3=5参与计算；地形地貌为滨海平原，大面积分布软土及盐渍土，由于大量开采地下卤水，区内产生比较明显的地面沉降，全部受到海(咸)水入侵的影响，土体力学性质较差，因此，我们取U4=2参与计算。然后对该区每个单元格的这些参数与其对应权重值的乘积进行加权求和，得出每个单元格的地壳稳定性评价结果值，并据表 5判断其稳定性级别。本次评价采用计算机编程进行运算，运用MAPGIS软件的空间分析功能，得到各单元的地质环境质量评价结果(地面稳定性和地基稳定性的评价方法与此同理，后面不做具体说明)，最后根据研究区实际地质条件、历史地震活动性、新构造活动等因素进行必要的修正，最终将区域地壳稳定性主要分为2个区，即基本稳定区和较不稳定区(图 1)。
表 5 地壳稳定性评价标准Table 5. Evaluation criteria for crust stability评价因子 级别 稳定
(10~7.5)基本稳定
(7.5~5)较不稳定
(5~2.5)不稳定
(2.5~1)U1 地震动峰值
加速度值(g)≤0.05 0.05~0.15 0.15~0.30 ≥0.30 U2 新构造活动性及地
壳形变速率一般晚更新世和全新
世构造活动不明显；地
壳形变速率非常小一般全新世构造活动
不明显；地壳形变速率
较小一般晚更新世和全新
世构造活动较明显；地
壳形变速率较大一般晚更新世和全新
世构造活动明显；地壳
形变速率大。U3 历史地震 Ms≤5 5≤Ms＜6 6≤Ms＜7 Ms≥7 U4 岩土体力学性质 完整坚硬岩体，土体坚
硬、密实较完整较坚硬岩体，土
体可-硬塑、中-密实较破碎较软弱岩体，土
体可-软塑、稍密破碎软弱岩体，土体软
塑、松散注：Ms代表面波震级。 2.2 地面稳定性
对地面稳定性进行评价，就是要评价地壳表层在内、外地质营力作用和人类工程经济活动影响下的相对稳定程度。研究区影响地面稳定性因素主要包括砂土液化、软土地基变形、土壤盐渍化、地面沉降、崩塌、滑坡、泥石流、采空塌陷、海水入侵和风暴潮、海岸侵蚀等环境工程地质问题、地质灾害及海洋灾害等，海域内重点考虑海洋灾害、软土和砂土液化等因素。根据比较标度得到各要素的比较矩阵(表 6)，最终对研究区区域地面稳定性进行综合评价分区。
表 6 各评价要素的比较标度Table 6. Comparison scale of evaluation factors评价要素 砂土液化 软土地基
变形土壤盐
渍化地面
沉降崩、滑、流 采空
塌陷海(咸)
水入侵风暴潮、
海冰、海平
面上升海岸侵蚀 砂土液化 1 1/3 5 1/3 2 1/3 4 1/3 5 软土地基变形 3 1 7 1 3 1 5 1 7 土壤盐渍化 1/5 1/7 1 1/7 1/3 1/7 1/2 1/7 1 地面沉降 3 1 7 1 3 1 5 1 7 崩、滑、流 1/2 1/3 3 1/3 1 1/3 2 1/3 7 采空塌陷 3 1 7 1 3 1 5 1 7 海(咸)水入侵 1/4 1/5 2 1/5 1/2 1/5 1 1/5 2 风暴潮、海冰、
海平面上升3 1 7 1 3 1 5 1 7 海岸侵蚀 1/5 1/7 1 1/7 1/7 1/7 1/2 1/7 1 经公式(1)-公式(4)计算求得：W= (0.12, 0.15, 0.05, 0.15, 0.1, 0.15, 0.08, 0.15, 0.05)T，影响区域地壳稳定性各评价因子权重见表 7。由公式(5)得λ =10.06，由式(7)得到CR=CI/RI=0.091＜0.1，可知此矩阵具有满意的一致性，即各要素的权重可以满足评价的要求。
表 7 地面稳定性评价因子权重Table 7. Evaluation factor weight for surface stability评价因子 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 权重 0.12 0.15 0.05 0.15 0.10 0.15 0.08 0.15 0.05 对研究区划分的每个单元格按照计算公式(8)和表 8[10]进行系统的统计打分。根据研究区实际工程地质条件，考虑区内的环境地质问题、地质灾害和海洋灾害的分布范围、发育程度及危害强度等进行必要的修正，最终将地面稳定性主要分为4个区，即稳定区、基本稳定区、较不稳定区和不稳定区(图 2)。
表 8 地面稳定性评价标准Table 8. Evaluation criteria for surface stability评价因子 级别 稳定(10~7.5) 基本稳定(7.5~5) 较不稳定(5~2.5) 不稳定(2.5~1) 环境地质问题 砂土液化(U1) 不具备条件 危害较小 危害中等 危害性大 软土地基变形(U2) 不具备条件 变形程度小 变形程度中等 变形程度大 土壤盐渍化(U3) 无 轻微 中等 严重 地质灾害问题 地面沉降(m)(U4) ＜0.1 0.1~0.4 0.4~0.8 >0.8 崩、滑、流(U5) 不发育 微弱发育 中等发育 强烈发育 采空塌陷(U6) 无 轻微 中等 严重 海(咸)水入侵(U7) 无 轻微 中等 严重 海洋灾害 风暴潮、海冰、海平面上升(U8) 无 轻微 中等 严重 海岸侵蚀(U9) 无 轻微 中等 严重 2.3 地基稳定性
对地基稳定性进行评价，就是要评价工程建筑物影响深度范围内岩土体的相对稳定程度，主要有岩土体的物理力学性质、软弱结构面、承载力特征值及地下水作用等。本研究对地基稳定性评价主要选择地基承载力、土的干容重两个指标进行评价，并适当考虑影响地基稳定性的不良地质作用、地质灾害以及地下水位埋深等因素。区内地基土承载力在不同位置、不同岩性及不同埋置深度均有较大变化，本研究评价选用地基承载力特征值指标主要指地表开始的第一层或第二层地基土(当第一层厚度小于3m，且第二层地基土承载力高于第一层时，按第二层考虑)承载力特征值，当基岩顶板埋深＜3m时，直接以基岩稳定性评价。分级标准参照国标《1:5万区域水文地质工程地质环境地质综合勘查规范(GB/T14158-93)》，并结合研究区实际工程地质条件情况而制定相关评价标准(表 9[10])。
表 9 地基稳定性评价指标Table 9. Evaluation criteria for foundation stability级别指标 稳定
(10~7.5)基本稳定
(7.5~5)较不稳定
(5~2.5)不稳定
(2.5~1)承载力特
征值(kPa)＞400 150~400 80~150 ＜80 干容重
(t/m3)砂土 / ＞1.5 1.4~1.6 ＜1.4 黏性土 / ＞1.4 1.2~1.5 ＜1.2 对研究区划分的每个单元格按照表 9进行系统的统计打分。根据研究区实际工程地质条件，结合环境工程地质问题和地质灾害的分布范围、发育程度等进行必要的修正，最终将地基稳定性主要分为4个区，即稳定区、基本稳定区、较不稳定区和不稳定区(图 3)。
2.4 研究区的工程地质环境稳定性
工程地质环境稳定性评价是在前述地壳、地面、地基单项因素评价的基础上给定分值，再将各种因素综合起来进行总的评价，用以综合反映工程地质环境质量的优劣程度[27]。其评价结果可作为工程地质环境区划和城市土地利用规划的依据。其综合评价方法，即将三者叠加表示：
$$ {{S}_{E}}={{S}_{c}}+{{S}_{s}}+{{S}_{f}} $$ (9) 式中：SE为工程地质环境稳定性综合评价指标；Sc为地壳稳定性指标；Ss为地面稳定性指标；Sf为地基稳定性指标。
利用各单项指标稳定性分值，采用上式运算得出一个综合参数，将研究区划分为数百个单元网格，对每个单元格进行系统的统计打分，再按照表 10[10]稳定性分区标准进行工程地质环境稳定性分区评判，将本区的工程地质环境划分为4个区，分别为稳定区(Ⅰ)、基本稳定区(Ⅱ)、较不稳定区(Ⅲ)和不稳定区(Ⅳ)，如图 4所示，各区特征分述如下：
表 10 工程地质环境稳定性分区标准Table 10. Zoning criteria for engineering geological environmental stability稳定性分区 稳定(Ⅰ) 基本稳定
(Ⅱ)较不稳定
(Ⅲ)不稳定
(Ⅳ)稳定性
指标(SE)30~22.5 22.5~15 15~7.5 7.5~3 ![]()
图 4 研究区工程地质环境稳定性评价分区Figure 4. Division of engineering geological environmental stability in the study area工程地质环境不稳定区：主要分布在研究区海域以及陆域内的黄河三角洲河口、东营东部沿海地区、潍北滨海北部、莱州—龙口的滨海平原等地区。
黄河三角洲及潍北滨海平原位于济阳坳陷区，新生代强烈下沉，新生界最大厚度可达数千米，区内断裂较发育，将坳陷分割成次一级凹陷和凸起，受燕山渤海断裂带及沂沭断裂带影响，新构造活动较强烈，历史上区内及附近发生过多次大于4级的地震，特别是渤海海域发生过多次强震，距今最近的为1969年7月14日发生在渤海海域7.4级强震，设计地震基本加速度以0.10~0.15g为主，抗震设防烈度7度，属地壳较不稳定区；构造地壳形变速率大，大部分地段形变速率大于5mm/a，地形地貌为黄河三角洲平原和滨海平原，大面积分布可液化粉(砂)土层、软土及盐渍土，液化较严重，软土埋深浅且厚度较大，土壤盐渍化严重，由于大量开采石油和地下水(包括卤水)，区内产生比较明显的地面沉降，全部受到海(咸)水入侵的影响。据历史资料统计，莱州虎头崖以西的区域，是风暴潮、海冰等海洋灾害多发区，对上述区域造成的危害严重，莱州湾西岸和南岸海岸侵蚀较严重，属地面较不稳定和不稳定区；浅部第四系地层为新近沉积欠固结高压缩性土，分布大面积的淤泥质软土，物理力学性质差，地基承载力特征值普遍在60~100kPa之间，大部分属地基不稳定和较不稳定区。
莱州至龙口的滨海平原区设计地震基本加速度值0.10~0.15g，抗震设防烈度7度，主要受燕山渤海全新世活动断裂带影响，构造断裂较发育，地壳形变速率小于5mm/a，海水入侵危害严重，由于金矿开采引发的地质灾害严重，如莱州仓上金矿等，风暴潮、海冰等海洋灾害危害较严重，局部海湾海岸侵蚀轻微至中等，大部分属地面不稳定区；浅部第四系地层多为欠固结的砂土和黏性土，普遍分布淤泥质软土，地基承载力一般小于80kPa，大部分属地基不稳定区。
莱州湾海域内其地壳稳定性主要受沂沭断裂带(营潍断裂)影响，历史上在沂沭断裂带附近发生中强震的频率高，强度大，破坏性强，因此研究区海域均属地壳较不稳定区；由于上述海域地质灾害、风暴潮、海冰、海平面上升等海洋灾害及地质环境问题比较复杂，软土不均匀沉降和粉砂土液化等不良地质作用较发育，综合判定研究区海域属地面不稳定区；海域海底浅部大面积分布淤泥质软土及粉砂土，全新世冲积海积形成，属欠固结高压缩性土，土体结构松软，物理力学性质较差，地基承载力特征值普遍小于80kPa，属地基不稳定区。
综合上述分析，上述区域属工程地质环境不稳定区。
工程地质环境较不稳定区：主要分布于东营南部区域、潍北滨海平原南部以及莱州至龙口的河流冲积平原等区域。
东营南部区域及潍北滨海平原南部区域，位于济阳坳陷区，新生代强烈下沉，新生界厚度普遍大于3000m，构造地壳形变速率较大，大部分地段形变速率大于5mm/a，断裂较发育，将坳陷分割成次一级凹陷和凸起，受附近无棣诸城断裂、齐河广饶断裂带及沂沭断裂带影响，新构造活动强烈，历史上区内及附近发生过多次大于4级的地震，设计地震基本加速度值0.10~0.15g，抗震设防烈度7度，属地壳较不稳定区。地形地貌为黄河三角洲平原和潍北滨海平原，全部受海咸水入侵影响，大范围分布液化土、软土及盐渍土，东营和广饶一带受开采深层地下水影响，普遍产生不同程度的地面沉降，年最大沉降速率大于50mm，由于距海岸线相对较远，遭受海洋灾害的影响较小，但遇到特大风暴潮灾害时，造成的危害也较大，主要属地面较不稳定区，局部为地面基本稳定区。浅部第四系地层为新近沉积的中高压缩性土粉土、粉细砂及粉质黏土，局部分布淤泥质软土和液化粉砂土，但软土厚度较薄，液化等级较低，地基承载力特征值普遍在80~150kPa，主要属地基较不稳定区。
莱州至龙口的滨海地区属处于胶北隆起北部，设计地震基本加速度值0.10~0.15g，抗震设防烈度7度，主要受燕山渤海全新世活动断裂带影响，属地壳基本稳定区。构造地壳形变速率大于4mm/a，地形地貌较复杂，主要为河流冲积平原及滨海平原，在莱州西北由于金矿开采等引发的崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害较发育，危害较严重，属地面较不稳定区。第四系厚度较薄，冲积平原区岩性以粉质黏土、粉土、粉细砂等为主，滨海平原区以粉细砂及黏性土为主，天然地基承载力特征值一般小于150kPa，软土分布区小于80kPa，大部分属地基较不稳定区。
综合分析上述区域属工程地质环境较不稳定区。
工程地质环境基本稳定区：分布于莱州东部低山丘陵区。设计地震基本加速度值为0.10g，抗震设防烈度为7度，新构造活动较弱，历史上未发生过4级以上地震，地壳形变速率在3~5mm/a之间，属地壳基本稳定区。该区域采空塌陷、崩塌、泥石流等地质灾害发育微弱，大部区域距海岸线相对较远，受海洋灾害的危害弱，属地面基本稳定区。该区域主要为冲积平原，山间堆积平原，地貌属于低山丘陵及山间堆积平原，地下水位埋深较大，第四系厚度薄，以粉质黏土、砂砾土等为主，地基承载力特征值150~400kPa之间，属地基基本稳定区，平度大泽山一带以低山丘陵为主，大面积出露基岩，属地基稳定区。
综合分析上述区域属工程地质环境基本稳定区。
工程地质环境稳定区：主要分布于莱州东部低山丘陵区。该区域新构造活动一般，历史上区内近期未曾发生过震级大于4级的地震，设计地震基本加速度值为0.10g，抗震设防烈度为7度，属地壳基本稳定区。构造地壳形变速率大部分地段为2~5mm/a，采空塌陷等地质灾害和地质环境问题基本不发育，无海洋灾害，属地面稳定区。地貌以低山丘陵为主，出露基岩以坚硬的块状侵入岩为主，地下水位埋深大，地基承载力特征值普遍大于400kPa，属地基稳定区。
综合分析该区域属工程地质环境稳定区。
3. 结论
(1) 运用层次分析法和模糊综合评价法，通过分解、构造判断矩阵、比较判断、综合评价的思维方式进行研究，评价过程中采取定性与定量结合，对研究区的地壳稳定性、地面稳定性、地基稳定性分别进行了评价分区，最终将三者叠加并按照稳定性分区标准进行工程地质环境稳定性分区评判，将研究区的工程地质环境划分为4个区，分别为稳定区(Ⅰ)、基本稳定区(Ⅱ)、较不稳定区(Ⅲ)和不稳定区(Ⅳ)；
(2) 工程地质环境稳定性评价结果：较不稳定区和不稳定区占了研究区的绝大部分，主要分布于整个海域以及研究区的西南部，工程的规划应慎重行事，不适宜开展工程活动。仅有小部分区域为稳定区和基本稳定区，主要分布于莱州东部低山丘陵区，适宜开展近岸小型工程，在对近岸工程地质条件作详细的勘察并作相应处理后，也可进行大型工程建设。
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图 1 电子受体在海洋沉积物中按序利用示意图
POM（particular aerobic oxidation of methane）：甲烷有氧氧化，OMD（organic matter degradation）：有机质降解；修改自文献[2]。
Figure 1. Sequential utilization of electron acceptors in marine sediments
POM :Particular aerobic oxidation of methane, OMD: Organic matter degradation; adapted from reference [2].
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图 2 沉积物中metal-AOM潜在发生区模型[12]
A.位于产甲烷区以上（例：文献[23]），B. 位于产甲烷区以下（例：文献[21]），C. 位于SMTZ之中（例：文献[24]），D. 位于SMTZ以下（例：文献[37-38, 45-47, 59-60]），E. 位于SMTZ以上（本文依据冲绳海槽相关研究提出的假设）；AOM（anaerobic oxidation of methane）：甲烷厌氧氧化。
Figure 2. Models of metal-AOM potential zones in sediments[12]
A.metal-AOM occurs over the zone of methanogenesis（drawn based on the descriptions in reference [23]）, B. metal-AOM occurs under the zone of methanogenesis（drawn based on the descriptions in reference [21]）, C.metal-AOM occurs in the SMTZ（drawn based on the descriptions in reference [24]）, D. metal-AOM occurs under the SMTZ（drawn based on the descriptions in reference [37-38, 45-47, 59-60]）E. metal-AOM occurs above the SMTZ（drawn based on the researches of Okinawa Trough in this study）; AOM（Anaerobic oxidation of methane）.
表 1 甲烷厌氧氧化作用类型及其标准吉布斯自由能（△G0’）
Table 1 Standard Gibbs free energies（△G0’）of different AOMs
类型 反应式 △G0’/（kJ/ molCH4） sulfate-AOM CH4+SO42− → HS−+HCO3−+H2O −16.3[7] NO3−-AOM CH4+4NO3− → HCO3−+H−+4NO2−+H2O −517.2[7] Fe-AOM CH4+8Fe(OH)3+16H+→ CO2+8Fe2++22H2O −571.2[7] Mn-AOM CH4+4MnO2+8H+ → CO2+4Mn2++6H2O −763.2[7] Cr-AOM CH4+4/3Cr2O72−+32/3H+ → 8/3Cr3++CO2+22/3H2O −841.4[7] NO2−-AOM CH4+8/3NO2−+8/3H+ → CO2+4/3N2+10/3H2O −928.0[8] 
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表 2 不同生态环境中metal-AOM潜在功能群
Table 2 Potential microbial communities of metal-AOM from different ecosystems
生态系统 采样地点 沉积带 数据来源 metal-AOM潜在功能群 海洋 Chowder Hill热液喷口 表层 富集培养 ANME-1c（Fe-AOM）[19] 圣塔莫尼卡海盆冷泉 表层 富集培养 ANME-2a、ANME-2c（Fe-AOM）[39] Eel River盆地冷泉 表层 富集培养 ANME-1、拟甲烷球菌属（Methanococcoides）/ANME-3（Mn-AOM）[35] Eel River 盆地冷泉 表层 富集培养 ANME-2（Mn-AOM）[36] Helgoland Mud 深层 富集培养 ANME-2a（Fe-AOM）[38] Helgoland Mud 表层 环境样品 JS1细菌、产甲烷古菌、甲烷盐菌属/ANME-3（Fe-AOM）[37] 淡水 Kinneret湖 深层 富集培养 甲烷八叠球菌目、甲基杆菌属（Fe-AOM）[26] 金溪水库（昆士兰州） 深层 富集培养 Candidatus Methanoperedens ferrireducens（Fe-AOM）[31] 金溪水库（布里斯班） 深层 富集培养 Candidatus Methanoperedens manganicus、Candidatus Methanoperedens manganireducens（Mn-AOM）[51] 受石油污染的含水层（伯米吉） 深层 环境样品 硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens）（Fe-AOM）[53] Kabuno Bay 深层 环境样品 Methanoperedens（Fe-AOM）[52] Danish Lake Ørn 表层 富集培养 ANME-2d（Fe-AOM）[32] 陆地 泥火山（台湾东部） 表层 环境样品 ANME-2a、脱硫单胞菌属/居泥杆菌属（metal-AOM）[40] 室内 实验室培养 ANME-2d、奥奈达希瓦氏菌（metal-AOM）[54]
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