基于地质微生物学研究的南海冷泉碳酸岩成岩历史重建

The diagenetic history of the cold seep carbonate deposits is associated with the changes of seep fluid chemistry and seep material recycling as well as regional marine environmental evolution. Presently, majority of the previous seep carbonates studies were based on the mineralogical and geochemical evidences. In order to further reveal the seep carbonate formation mechanism, strong evidence of geomicrobiology is needed. In this proposal, we will examine the seep carbonate samples from Qiongdongnan and Taixinan basin of South China Sea. Firstly, we will use geochemical methods to analyze their mineralogical and geochemical characteristics. Secondly, we will use geomicrobialogical methods, such as 16s and geochip, to examine the microbial community and community functions, and focus on the microbial metabolisms which can participate in methane, sulfur and iron cycles during the process of carbonate formation. Lastly, we will use the U-Th method to constract the carbonate formation age model. The results of this proposal will discuss the inherent relationship between carbonate mineral phase precipitation and microbial activities in the seep environments, and reconstruction of the diagenetic history of the cold seep carbonate deposits from south china sea. We believe that the results of the project can not only to help revealing the regional geological environment evolution, but also useful to the researches of global ocean carbon cycles and climate changes.

冷泉碳酸岩的生长史也是冷泉流体演化、物质循环和海洋环境演变的历史。现有冷泉碳酸岩成岩史研究，多以矿物学和地球化学为主。若深入揭示冷泉碳酸岩成因机制，尚缺乏地质微生物学证据。本项目拟以琼东南和台西南盆地的冷泉碳酸岩为对象，展开如下工作：1.利用矿物与地球化学手段，反演冷泉碳酸岩形成期的流体地球化学演化过程；2.利用基因芯片等地微生物研究方法，聚焦甲烷、硫、铁等关键代谢功能基因，分析碳酸岩中古微生物群落组成、功能及其空间变化关系；3.利用U-Th定年技术，建立冷泉碳酸岩成岩的年龄模式。本项目将探讨冷泉自生碳酸盐矿物沉淀与冷泉生命活动的内在联系，揭示微生物调节关键化学组分转化进而控制碳酸盐矿物沉淀的机制，并从时间与空间尺度上重建冷泉碳酸岩成岩历史。项目成果不仅能为揭示冷泉活动区的区域环境地史演变规律提供依据，也将为进一步探索全球海洋碳循环和气候变化等重大科学问题带来启示。

本项目聚焦于深海冷泉碳酸盐岩烟囱体的地质微生物成因这一科学问题，以采集于冲绳海槽、南海的海底冷泉碳酸盐岩，以及南海冷泉区与邻域的沉积物为研究对象，进行了有机地球化学、地质微生物学、原位微区地球化学的综合分析，探讨了海底冷泉系统中脂类有机化合物的组成、来源及其对古环境重建和冷泉碳酸盐岩成岩机理的启示。项目共在地学著名期刊GCA、Chemical Geology、Marine Chemistry 等杂志上发表了6篇SCI论文，取得主要成果如下：.1).通过分析冲绳海槽冷泉碳酸盐岩的脂类组成，首次发现了海底冷泉系统中的确存在原位自生brGDGTs的现象。数据显示，冷泉碳酸盐岩中brGDGTs的相对含量具有显著高值，其isoGDGTs与brGDGTs的比值Ri/b（0.94~2.25）远低于采样点附近的背景沉积物（>10）。根据brGDGTs单体化合物在样品中的分布特征，及其与甲烷指数MI值的显著正相关关系，推测brGDGT (Ia)、brGDGT (IIa)和brGDGT (IIa’)为原位生成，且其含量受到冷泉活动强度的影响。据此，本文提出了受控于热液活动的冷泉碳酸盐岩烟囱体的四阶段成岩模式。.2）项目进一步以南海沉积物（冷泉区、非冷泉区）和冷泉碳酸盐岩为对象，分析了样品中GDGTs化合物的组成、brGDGT-derived alkane的单体碳稳定同位素特征和微生物群落结构等。数据显示，冷泉区样品中brGDGT-derived alkane的平均单体碳稳定同位素最负低至-70.149‰，相对于正常海相和其他环境显著偏低。这一结果进一步验证了部分brGDGTs是在冷泉环境中原位自生的结论，且表明它们的母源微生物与甲烷氧化过程密切相关。因此，鉴于甲烷水合物赋存区和冷泉渗漏活动在全球陆架边缘的广泛分布，一些基于brGDGTs的古环境重建指标（如MBT’5me和#rings）应谨慎在海相沉积物和地层中使用。