基本介紹
- 中文名：硫酸鹽-甲烷轉換帶
- 外文名：Sulfate Methane Transition Zone （SMTZ）
- 學科：地球化學
現象描述,形成原因,反應過程,埋藏深度,
現象描述
經典的海洋沉積物早期成岩理論認為，作為碳循環重要組成部分的有機質在被最終埋藏以前，會依次遭受到 O2，NO3，Mn，Fe和 SO4 等電子受體的氧化，從沉積物頂部向下有機質先後經過有氧呼吸、反硝化、錳鐵氧化物還原、硫酸鹽還原和 CO2 還原等過程，最終在沉積物深度剖面上呈現明顯的分帶：氧還原帶、硝酸鹽還原帶、錳還原帶、鐵還原帶、硫酸鹽還原帶和產甲烷帶，這是沉積物剖面上理想的氧化還原序列（圖1）。在沉積序列中有一個特殊的反應區，以 SO4的消失、CH4 的出現以及 H2S 的大量產生為特徵，是海底沉積物環境中重要的反應區，這個反應區就被成為“硫酸鹽-甲烷轉換帶”（SulfateMethane Transition Zone，SMTZ）。
圖1 理想的海洋沉積氧化還原序列與相關反應過程
形成原因
海水含有大量的溶解硫酸鹽（SO4），通過向下擴散作用，往往使淺層沉積物孔隙水也富含 SO4，而 SO4在早期成岩過程中起到非常重要的作用。在沉積物的亞表層電子受體 O2，NO3，Mn，Fe都被消耗殆盡以後，SO4開始成為有機質的主要氧化劑並且含量開始隨深度增加而降低。隨後 SO4與沉積物深部生成（或存在天然氣水合物）並向上擴散的 CH4 相遇，最終在硫酸鹽帶底部將 CH4 氧化，因此在沉積物一定深度附近孔隙水中的甲烷和硫酸鹽都被消耗殆盡，這個反應區就被成為“硫酸鹽-甲烷轉換帶”（Sulfate Methane Transition Zone，SMTZ）。在“硫酸鹽-甲烷轉換帶”內 SO4 和 CH4 都被完全消耗，H2S 濃度（硫酸鹽還原作用產生）正好在“硫酸鹽-甲烷轉換帶”處達到峰值，代表缺氧狀態，並沿沉積物向上和向下均呈減少趨勢。
反應過程
在“硫酸鹽-甲烷轉換帶”內發生的主要反應為硫酸鹽還原（Sulfate Reduction，SR）和甲烷厭氧氧化（Anaerobic Oxidation of Methane，AOM），假設甲烷和硫酸鹽之間的化學計量比為1:1，那么甲烷-硫酸鹽耦合反應（AOM-SR）可以簡化為式1。在“硫酸鹽-甲烷轉換帶”內甲烷是硫酸鹽還原的主要電子供體，在硫酸鹽和甲烷達到相同摩爾濃度的深度時兩個反應的反應速率都相應達到峰值。
CH4 + SO4→ HCO3+ HS + H2O （式1）
“硫酸鹽-甲烷轉換帶”周圍這種生物介導的 CH4 被消耗的過程被認為是生物地球化學的奇蹟，通過消耗海洋沉積物中產生的 90% 以上的 CH4 而成為海洋重要的甲烷匯，從而減緩了 CH4 向大氣中的排放。但是截止到二十世紀二十年代，SO4介導的 CH4 氧化機制尚不明確，不過很可能是通過甲烷厭氧古菌（Anaerobic Methane-oxidizing Archaea，ANME）和硫酸鹽還原菌（Sulphate-Reducing Bacteria，SRB）之間的共生關係實現的（圖2），這些微生物團聚體在富含天然氣水合物的沉積物中大量存在，具有極高的甲烷-硫酸鹽還原速率，並明顯介導甲烷厭氧氧化。Hoehler et al. (1994) 最早提出了這種共生關係，認為反應過程可以劃分為兩個步驟（式2、3，式2+式3=式1），H2在反應中作為中間產物，逐步從甲烷氧化古菌轉移到硫酸鹽還原菌中。
圖2 SMTZ 中甲烷厭氧古菌和硫酸鹽還原菌聯合作用示意圖
CH4 + 2H2O → CO2 +4H2（式2）
SO4+ 4H2 + H→ HS + 4H2O （式3）
