冷泉滲漏

來自海底沉積界面之下的低溫流體以噴涌和滲漏方式注入盆地，並產生系列的物理、化學及生物作用，這種作用及其產物稱為冷泉滲漏。冷泉滲漏過程中形成的碳酸鹽岩被稱作冷泉碳酸鹽岩，是海底冷泉體系的主要沉積物，具有典型的沉積學和地球化學特徵，因此，它忠實地記錄了過去冷泉滲漏信息。冷泉碳酸鹽岩的形成受甲烷通量、流體流動速率、沉積速率以及生物擾動和灌洗作用等因素的影響，是海底滲漏流體中高濃度甲烷的指示標誌。

基本介紹

• 中文名：冷泉滲漏
• 外文名：Seep leakage
• 釋義：海底低溫流體噴涌和滲漏
• 沉積物：冷泉碳酸鹽岩
• 流體成分：水、碳氫化合物等
• 學科：地質科學

釋義

來自海底沉積界面之下的低溫流體以噴涌和滲漏方式注入盆地，並產生系列的物理、化學及生物作用，這種作用及其產物稱為冷泉滲漏。冷泉是一個全球廣泛分布的自然現象，在大陸邊緣海底約4000m以內均有發現，主要發育在活動和被動大陸邊緣斜坡。冷泉滲漏流體成分以水、碳氫化合物、硫化氫、細粒沉積物為主，碳氫化合物包括甲烷和石油重烴類化合物。流體可能來自下部地層長期存在的油氣系統，伴隨構造活動向上運移，也可能與海底氣體水合物的分解有關，分解釋放的烴類（主要為CH4）可成為冷泉滲漏流體的一部分。冷泉流體溫度與海水相近，根據流體流入盆地的速度的不同，將其分為快速冷泉和慢速冷泉。快速冷泉常產自泥火山，流體為富甲烷的流體攜帶大量細粒沉積物；慢速冷泉流體富油或氣，在空間上快速和慢速冷泉常過渡伴生。冷泉在海底沿構造帶和高滲透地層呈線性群產出，有的冷泉圍繞泥火山或底辟頂部集中分布，呈圓形或不規則狀冷泉群出現，在海底地形低凹處和峽谷轉向處也有呈孤立形式產出。

冷泉沉積

冷泉滲漏過程中常伴隨泥火山、底辟、排溢孔、袋型窪地、凹坑的形成，冷泉生物群落的生長和冷泉沉積作用的發生。冷泉作用一般可分為早－中－晚3個階段，早期為泥火山等發育階段，滲漏速度較快，滲漏通量較低，水合物沉澱於穩定帶底部。中期滲漏通量較大，為水合物、化能自養生物生長演化階段。在冷泉作用晚期，當滲漏速度降低至海底附近不能形成水合物的速度時，海底滲漏面積僅僅局限於幾個分散的小區域內，冷泉進入沉積物發育階段（慢速發育階段）。冷泉滲漏在海底之下一定深度處形成水合物，在海底或近海底主要沉積碳酸鹽岩以及少量的硫化物、硫酸鹽、黏土礦物和自生石英等。甲烷水合物是直接由冷泉流體中的輕烴類氣體與水在沉積物孔隙中結晶形成。硫化物主要以草莓狀黃鐵礦（FeS2）的形式沉澱，單個草莓狀集合體通常由微米級的黃鐵礦小球構成。

冷泉碳酸鹽岩

冷泉滲漏過程中形成的碳酸鹽岩被稱作冷泉碳酸鹽岩，是海底冷泉體系的主要沉積物，具有典型的沉積學和地球化學特徵，因此，它忠實地記錄了過去冷泉滲漏信息。冷泉碳酸鹽岩的形成受甲烷通量、流體流動速率、沉積速率以及生物擾動和灌洗作用等因素的影響，是海底滲漏流體中高濃度甲烷的指示標誌。

冷泉碳酸鹽岩的形成機理

當冷泉流體運移到缺氧環境富含SO42－帶時，在微生物作用下，硫酸鹽作為氧化劑與沉積物中的有機質發生反應，該過程稱為硫酸鹽還原作用（簡稱BSR）；在甲烷氧化古細菌和硫酸鹽還原細菌的共同作用（AOM）下，甲烷和硫酸鹽按照1∶1的摩爾比例被消耗，該過程將產生HS－和HCO3－，從而導致周圍環境鹼度增高，HCO3－和孔隙水中的Ca2+、Mg2+等陽離子結合，當其過飽和時形成碳酸鹽礦物沉澱下來。

冷泉碳酸鹽岩的形態特徵

研究發現，古代或現代冷泉碳酸鹽岩主要以微生物礁、泥晶丘、結核、硬底、煙囪、膠結物和小脈等形式產出。根據冷泉滲漏強度或碳酸鹽岩的形態特徵可將冷泉碳酸鹽岩分為兩大類：一類是化學礁灰岩，其分布與構造作用控制的斷裂有關，主要是海底深部的流體沿著通道和（或）構造裂隙向海底噴溢，形成巨大的碳酸鹽岩建造。化學礁在墨西哥灣、俄勒岡大陸邊緣、阿留申邊緣海和哥斯達尼加邊緣海均有發現。2004年在我國東沙群島東北部海域發現的“九龍甲烷礁”以及2005年在西沙海槽水合物異常區外發現的“明珠甲烷礁”亦屬於此類碳酸鹽岩。另一類是與滲漏有關的碳酸鹽岩，形成此類碳酸鹽岩的冷泉流體通量和流速較小，常呈小型的塊狀、板狀、管狀、煙囪狀等。

冷泉碳酸鹽岩的礦物成分和結構構造

冷泉碳酸鹽岩的礦物成分主要為泥微晶方解石、白雲石和文石。冷泉環境下形成的白雲岩通常具有不規則的空心核，呈球狀和啞鈴狀，與孔隙水的化學成分有關。在正常海水中，白雲岩不易沉澱，但是當存在強烈的去除孔隙水中硫酸鹽的微生物活動時，白雲岩就可以發生沉澱。大多數古代或者現代冷泉碳酸鹽岩是均質的，但也存在一些特殊的沉積組構，如平頂晶洞、管道、凝塊、微生物席、溶蝕面、疊層石、草莓狀黃鐵礦、黃鐵礦環帶結核、多期膠結物（如放射狀或葡萄狀方解石、亮晶方解石）等。冷泉碳酸鹽岩常發育豐富的空洞和裂隙，具有被碳酸鹽膠結物及同生沉積所充填的平頂晶洞構造，它們常常是由化能合成作用形成的微生物、甲烷氣體、流體的擾動、破裂及角礫化等作用所形成。凝塊構造中的團塊常由泥微晶碳酸鹽礦物或者有機質團塊構成，其間為結晶較好的方解石充填，與微生物新陳代謝沉澱碳酸鹽礦物過程中化學環境的小尺度變化有關。

冷泉滲漏的環境效應

水合物分解冷泉滲漏與溫室氣候的關係

現代海底賦存的水合物分布範圍約4　000萬km2，占海洋總面積的10%，水合物中甲烷體積分數占80%～99．9%，1m3水合物分解將釋放約164m3的甲烷，而水合物對賦存環境的變化異常敏感，地殼抬升－侵蝕、海平面變化或海洋底層水溫度變化等常常致使水合物分解，因此，海底氣體水合物分解冷泉滲漏可能是引起自然界中甲烷濃度升高的重要原因。研究表明，甲烷的溫室效應是二氧化碳的25倍左右，當今大氣中的甲烷使全球表面溫度比沒有甲烷存在時升高1．3K。當海底氣體水合物分解甲烷滲漏時，甲烷或其氧化產生的CO2進入大氣圈會造成異常高的CO2分壓並產生強烈的溫室效應，引起全球氣候變暖，同時，水合物分解產生的大量甲烷作為一種生物化學燃料，在海水中產生巨大的熱量，可能導致海洋中、底層水溫升高。

古新世－始新世極熱氣候被解釋為海底水合物大規模分解釋放巨量的甲烷所導致，在第四紀末次冰期結束時期的全球氣候變化也常常與氣體水合物的分解密切相關。白堊紀中期，全球表面的平均溫度比現在高3～10℃，如果沒有極端溫室效應的話，特別是高緯度地區，氣溫很難有如此急劇的升高。同時，溫室氣候的早期（OAE1a啟動時期）海底也發生了水合物的分解。因此，水合物分解引起的甲烷滲漏可能是白堊紀極端溫室氣候的重要誘導因素。

冷泉滲漏與碳循環和大洋缺氧事件的關係

1、冷泉滲漏與碳循環的關係

冷泉滲漏流體中的甲烷或石油重烴類化合物具有顯著較負的碳同位素組成，局部的甲烷滲漏可以導致圍岩中的碳酸鹽和有機質的碳同位素組成變輕。大面積海底沉積物中氣體水合物分解時，滲漏甲烷釋放到海洋－大氣系統，進而導致地表系統的碳儲庫貧13C，最終被海相和陸相碳酸鹽與有機質記錄下來。在地質歷史時期，水合物的分解常常引起全球性碳同位素δ13C的負偏。

2、水合物分解冷泉滲漏與大洋缺氧事件（OAE）、生物絕滅事件的關係

海底水合物分解釋放大量的甲烷到沉積柱、海水和大氣圈。甲烷的有氧氧化可導致孔隙水和海水缺氧，甲烷的厭氧氧化可導致海水的硫化。甲烷在海水中停留或氧化的時間大約需要50a，以致甲烷將消耗大量海洋中的氧氣並產生大量的CO2。同時，甲烷滲漏引起強烈的溫室效應一方面加速陸地化學風化作用和地表水循環，引起海洋營養元素的過剩輸入，最終誘導海洋生產力迅速提高，進而引起海洋中有機質的高沉降率，消耗海水中大量的氧氣；另一方面，溫室效應還會造成海洋和大氣圈物質、能量交換緩慢和海水的靜滯與分層，很容易造成大洋的整體缺氧。因此，水合物分解導致的冷泉甲烷滲漏是造成海水缺氧不可忽視的因素。巨量的甲烷氧化生成的CO2可使海水酸化，溶解懸浮在海水中的碳酸鹽礦物顆粒以及較小的鈣質有機物，進而可能導致台地碳酸鹽的廣泛溶解甚至台地的淹沒、碳酸鹽補償深度（CCD）變淺以及海水Ca2+、HCO3－濃度升高。因而，水合物分解以致甲烷滲漏容易引起極端的海洋環境（比如CO2、Ca2+、HCO3－濃度高增加、氧含量降低、溫度升高等），最終誘發大洋缺氧事件的發生並導致海洋生物的快速絕滅與更替。

二疊紀－三疊紀之交發生的缺氧事件（PTB－OAE）、生物絕滅以及碳酸鹽膠結物的大量沉積被認為與海底氣體水合物的分解有關。侏羅紀托爾階早期、白堊紀阿普特早期的大洋缺氧事件（Toarcian－OAE和OAE1a）之前都發生了大規模的氣體水合物分解，並且也被認為與缺氧事件的啟動有關。