海底含甲烷冷泉流体渗漏过程中微生物作用及对碳硫循环的影响

Cold seep is a geological phenomenon in which the fluid from the shallow marine sediments is injected into seawater bottom by spewing or leaking. Under the action of related microorganisms, the carbon of methane from the cold seeps and the sulfur from the seawater are fixed in the sediments as authigenic minerals, which significantly influences the cycles of carbon and sulfur in the ocean. Based on the geological and biogeochemical conditions of the Baiyun Sag in Pearl River Mouth Basin, Northern Slope of South China Sea, by the means of data collection and analyses, laboratory experiment and numerical simulation, focusing on the key scientific issues: “the methane-bearing fluid-microorganism-sediment interaction, carbon and sulfur cycles”, this project proposes to investigate the interactions among methane, microorganism, water (pore water, seawater), and sediment; to elucidate the mechanism of microbial action, to reveal the cycling mechanism of carbon and sulfur; to build numerical models for describing the methane-bearing fluid flow and the associated biogeochemical responses. Finally, the behavior of microorganism and its effects on the carbon and sulfur cycles are quantitatively investigated. The research results generated from this study are not only helpful for understanding the action mechanism of oceanic processes and assessing its potential impacts on the global climate change, but also are able to provide theoretical basis for exploring marine methane hydrate, oil and gas and mineral resources.

冷泉是指来自海底沉积地层的流体以喷涌或渗漏的方式注入海水中的地质现象。在海底沉积层相关微生物作用下，冷泉流体中甲烷的碳和海水中的硫被转化，以自生矿物的形式被固定在沉积物中，影响着海洋中碳、硫元素的循环过程。本研究以我国南海北部珠江口盆地白云凹陷的地质及生物地球化学条件为背景，围绕着“含甲烷流体-微生物-沉积物相互作用和碳、硫循环”等科学问题，采用资料搜集分析、室内实验、数值模拟和现场考察相结合的技术手段，研究冷泉流体渗漏过程中甲烷-微生物-水（孔隙水、海水）-沉积物之间的相互作用，阐明微生物的作用机理，揭示碳、硫循环机制；构建甲烷流体运移过程及生物地球化学响应的数值模型，定量研究微生物行为及其对海底碳、硫循环的影响。项目研究成果不但有助于科学认识和评价海洋过程在全球气候变化中的潜在影响及作用机理，同时还可以为寻找海底甲烷水合物、油气和矿产资源提供基础理论依据。

冷泉是指来自海底沉积地层的流体以喷涌或渗漏的方式注入海水中的地质现象。在海底沉积层相关微生物作用下，冷泉流体中甲烷的碳和海水中的硫被转化，以自生矿物的形式被固定在沉积物中，影响着海洋中碳、硫元素的循环过程。本研究以我国南海北部珠江口盆地白云凹陷的地质及生物地球化学条件为背景，围绕着“含甲烷流体-微生物-沉积物相互作用和碳、硫循环”等科学问题，采用资料搜集分析、室内实验、数值模拟和现场考察相结合的技术手段开展了一系列研究。通过研究获得的主要进展包括：.(1)利用海马冷泉附件海域的沉积物淤泥所培育出了甲烷厌氧氧化古菌和硫酸盐还原菌，该两种菌能够在常温（15℃）下生存，并适应原位盐度、pH、Eh的活跃菌群；利用该菌群开展的甲烷厌氧氧化及硫酸根还原实验可以明显看出微生物的介导作用。.(2)利用基因测序技术对培育出的菌群进行了生物学鉴定，结果表明，本研究在培养过程中富集的菌种是一种泥炭土壤微生物，是一种产甲烷菌，在厌氧环境下活性较强，可以用于开展厌氧条件下甲烷厌氧氧化实验。.(3)以中国南海东北部GC10点位为对象，利用场地生物地球化学数据的约束，采用数值模拟的方法反向求解冷泉泄露的时间，并估算甲烷泄露通量。结果表明，GC10站位甲烷泄露至少持续了5600年，甲烷的泄露通量约为2.42×10-3mmol cm-2 a-1。.(4)通过实验、数值模拟以及场地数据资料分析，根据碳硫在不同相态中的迁移转化规律，明确了在甲烷进入整个系统后碳、硫的运移轨迹，计算了碳、硫物质在气、液、固相中的量，提出了冷泉作用下独特的碳硫循环模式。.(5)开发了可以考虑甲烷在厌氧和有氧条件下生物地球化学反应过程刻画的数值模拟软件，实现了碳在CH4、CO2等不同气体中的转化，以及硫元素在气相H2S和水溶相中的迁移描述，并利用该软件对冷泉沉积物中碳及硫元素的循环模式进行了定量化。.项目研究成果不但有助于科学认识和评价海洋过程在全球气候变化中的潜在影响及作用机理，同时还可以为寻找海底甲烷水合物、油气和矿产资源提供基础理论依据。