南海北部天然气水合物潜在区碳酸盐结壳与沉积物碳酸盐矿物地球化学特征及其指示意义

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天然气水合物作为新型非常规清洁能源而备受关注,全球97%以上天然气水合物藏发现于大陆边缘海底沉积物中。当天然气水合物藏温压条件改变,天然气水合物将发生分解,释放向上渗漏的甲烷流体。甲烷向浅层运移过程与沉积物孔隙水中硫酸盐发生的甲烷厌氧氧化(SR-AOM)作用,最终与孔隙流体中金属离子反应形成碳酸盐和硫化物等相关自生矿物,并对自生矿物形态及结构产生影响。渗出海底的甲烷流体,经氧化将形成不同产状和矿物组合特征的冷泉碳酸盐岩。作为全球碳循环过程最主要的碳库,碳酸盐岩也是海底渗漏甲烷碳稳定保存形式,因此海底表层壳体和沉积物中自生矿物的矿物学和地球化学特征均能够有效指示甲烷渗漏事件。本论文通过对天然气水合物潜在区碳酸盐岩形态学、矿物学及地球化学特征的研究,试图了解甲烷流体渗漏对浅表层碳酸盐岩形态结构、矿物组合及地球化学特征的影响,为识别深部天然气水合物藏失稳分解提供新的证据,从而为我国南海北部海底天然气水合物勘探开发提供科学依据。本论文通过对我国南海天然气水合物潜在区自生碳酸盐矿物以及表层碳酸盐岩地球化学特征及其对甲烷水合物分解的指示为研究目标,选取珠江口盆地泥火山区MWT-4站位表层碳酸盐结壳样品以及神狐海域天然气水合物潜在区A27、SH1站位沉积物柱状样为研究对象,进行了碳酸盐矿物形态观察、镜下薄片鉴定、XRD分析、矿物分步提取、沉积物元素分析以及碳酸盐碳氧同位素分析等研究,主要获得以下认识:(1)南海北部神狐海域A27与SH1两个站位240 cmbsf附近深度以下沉积物TOC含量增加,C/N值>8,指示该深度有机质受陆源输入控制明显;但随深度变浅,C/N值逐渐降低,指示南海海平面不断上升。另外,由于距离珠江口较远且水深更深,SH1站位较A27站位受陆源输入影响更小。(2)两个站位沉积物中主量元素相关性分析发现,Mg、Ca元素受陆源输入影响较大,甚至与陆源指示元素Al、Ti等呈明显负相关关系。结合沉积物中Mg/Ca值特征以及课题组对站位物源分析结果,沉积物Mg主要来自粘土矿物和碳酸盐矿物,而Ca主要来自海洋钙质生物。(3)南海北部表层沉积物中碳酸盐结壳管状和微孔结构等是深部流体运移的有效通道。受流体组分影响,碳酸盐结壳主要矿物成分为高镁方解石,其中MgCO3的摩尔百分比含量达13.08%;但受到站位附近流花油田中渗漏的碳氢化合物影响,结壳碳酸盐稳定碳同位素δ13C值呈现正偏特征。(4)南海北部柱样沉积物中碳酸盐矿物主要有方解石、文石、白云石等,少数层位含有一定铁白云石、菱铁矿和菱镁矿。受沉积物中甲烷厌氧氧化作用影响,碳酸盐矿物中文石与白云石相对含量增加,伴随方解石MgCO3含量的降低以及沉积物总碳酸盐δ13C值的负偏;且自生碳酸盐矿物呈白色纤维状、针状胶结物形式,与黄铁矿和生物碳酸盐壳等伴生。(5)综合孔隙水、沉积物碳酸盐矿物组合及地球化学特征识别出SH1站位甲烷硫酸盐转换带(SMTZ)上界位于400 cmbsf附近深度,而A27站位甲烷硫酸盐转换带(SMTZ)则位于340cmbsf附近深度。而且,受SMTZ深部SR-AOM作用减弱影响,A27站位底部沉积物弱结合态无机碳增量放缓、白云石含量下降。(6)沉积物Mg/Ca值随深度增加变化趋势可以指示区域沉积物中与甲烷渗漏有关的白云石沉淀。且沉积物碳酸盐矿物中文石与白云石相对含量的增加,伴随方解石MgCO3含量的降低以及碳酸盐δ13C的负偏,可以指示甲烷厌氧氧化作用(SR-AOM)的影响。因此沉积物甲烷硫酸盐转换带(SMTZ)中Mg/Ca、文石和白云石含量的峰值出现,伴随方解石MgCO3含量的低值以及碳酸盐δ13C的负偏,可能指示了下伏天然气水合物的分解,进一步指示下伏天然气水合物藏。
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