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天然气水合物由于其在能源、环境和灾害领域的重要作用已日益引起科学界的广泛关注。与之相关的沉积背景及其伴生沉积物的识别研究一直是热点之一。对地史时期天然气水合物背景下沉积响应的研究,不仅有助于深入理解当时的地质环境,而且对现代与天然气水合物有关的环境变化预测也有指导意义。本文通过对现代海底天然气水合物背景下沉积特征介绍和对三峡地区秭归县庙河新元古代“盖帽”白云岩的研究,取得了如下几个重要结论和进展:
1.海底天然气水合物背景有其独特的矿物学、沉积地球化学及生物学特征。
2.三峡地区新元古代“盖帽”白云岩的成因与古天然气水合物背景有关,主要证据表现为特征性自生矿物(微晶白云石、重晶石、黄铁矿等)、极低稳定碳同位素和岩石的特殊结构、构造面貌等标志。其中岩石的稳定碳同位素表现出明显的整体负向偏移,范围在-2.44~-6.46‰PDB之间,平均值为-3.76‰PDB。最低值达-41‰PDB(Jiangetal.,2003)。
3.硫同位表现出重硫特征,表明可能存在明显的生物分馏机制。虽然黄铁矿的硫同位素不在预期的水合物背景范围之内,但重晶石的硫同位素却严重正偏,暗示了其可能与水合物背景有关。
4.新元古代的地质环境背景具备大量甲烷水合物的存在、演化及其分解的触发机会,从质量平衡原理检验水合物分解产生的甲烷碳也和“盖帽”白云岩中储存的碳元素在同一数量级。故认为新元古代大量永冻区水合物的分解是形成“盖帽”白云岩的主要原因,“盖帽”白云岩是水合物背景下的沉积产物。
5.总结得出如下古水合物存在和分解的主要识别标志:(1)自生矿物及其特征性稳定碳、硫同位素值。由于水合物中含有大量甲烷,它的分解必然导致海底发生一系列以甲烷的氧化为特征的化学反应,生成如白云石、文石和高镁方解石的碳酸盐矿物以及黄铁矿、重晶石、石膏等其它自生矿物,其中碳酸盐类矿物经漫长的地质年代几乎转化为白云石,而其它矿物则可能完全保存。由于水合物中的甲烷具有极低的碳同位素值,所以水合物背景下形成的自生碳酸盐岩碳同位素值都较正常海洋环境中形成的碳酸盐岩有较大幅度的负向偏移,而黄铁矿、重晶石、石膏等矿物中的硫由于甲烷氧化中微生物参与产生了不同程度分馏,使黄铁矿的34S严重负偏,而重晶石和石膏34S则正向偏移。(2)特异的生物(化石)群落。现代水合物及冷泉喷口周围都发育有完整的自养生物群落,由于其特殊的生存环境,这些群落中的生物与同类普通海洋生物有较大差异,甚至还存在某些特有种类。一旦这些生物被保存为化石,就可以成为识别古水合物及冷泉的有力标志。不过这样的古生物化石要与古热泉背景下的产出相区别,碳同位素分析是主要的区分手段。(3)特殊的沉积构造。海底滑坡或滑塌、泥火山或泥底辟、碳酸盐岩隆、麻坑等海底地貌和沉积构造等是现代海底天然气水合物背景下重要的沉积构造特征,保存在岩层中这些特殊的沉积构造也可作为识别古天然气水合物的重要标志。