冲绳海槽泥火山甲烷迁移与转化的空间分布规律及其对海水碳输入的影响

Submarine mud volcanoes are not only an important predictor for gas hydrate reservoirs, they but also provide basic materials and energies for extreme organisms and contribute carbon to hydrosphere and atmosphere by releasing methane-rich fluids, and thus they are regard as an indispensable part of the global carbon cycle. Considering regional mud volcanoes are an important source of carbon in the seawater, on the basis of previous investigations, our project plans to conduct a systematic geochemical analysis on the sediment porewater (including methane, dissolved inorganic carbon concentrations and their carbon isotope compositions; major anion and cation concentrations) retrieved from 5 typical mud volcanoes in the Okinawa Trough, in combination with establishing numerical models and analysis on high-definition ROV survey video. Accordingly, "fingerprints" of important geochemical processes, e.g. anaerobic oxidation of methane and carbonate precipitation etc., will be identified, and the spatial distribution of methane migration and chemical transportation will be studied. The aim is to semi-quantitatively estimate the methane and dissolved inorganic carbon emissions from the mud volcanoes into seawater of the Okinawa Trough, and thus provides basic support for assessing the activity characteristics of mud volcanoes and their impact on the carbon budget of the regional seawater. The results will contribute to deepen the understanding of submarine mud volcanoes and the important roles that they play on the global carbon cycle in more details.

海底泥火山对天然气水合物成藏系统具有很好的指示意义，其溢出的富甲烷流体不仅是极端生物生态发育的物质、能量基础，也是海水甚至大气重要的碳源，被认为是全球碳循环中不可忽视的一环。本研究围绕区域性泥火山活动对海水碳输入的影响这一重要问题，在以往调查成果基础上，拟对冲绳海槽已发现的5座典型泥火山开展系统的沉积物孔隙水地球化学研究（包括甲烷、溶解无机碳及二者的碳同位素组成；主要阴、阳离子浓度），并综合利用数值模拟方法和ROV高清生物调查视频资料，识别甲烷厌氧氧化和碳酸盐矿物沉淀等关键地球化学过程的“指纹”，研究该区泥火山及其周围微渗漏区甲烷迁移与转化的空间分布规律，半定量估算冲绳海槽泥火山系统甲烷和溶解无机碳的排放通量，最终为评估研究区泥火山的活动特性及其对海水碳输入的影响提供基础支撑，从更精细尺度上加深人们对于海底泥火山特征及其在全球碳循环中重要角色的理解。

海洋沉积物是全球的重要碳汇，微生物或热降解将埋藏的有机质分解为可挥发性碳，这些碳可通过冷泉/泥火山返回至海水。然而，甲烷厌氧氧化作用及其伴随的自生碳酸盐岩沉淀，在改变流体组成的同时，也降低了沉积物对海水碳输入的总量。在冲绳海槽中段新发现的冷泉区，本项目首次利用ROV可视化精确短柱、重力柱和浅地层钻探取样，开展了沉积物孔隙水地球化学分析，利用数值模拟，研究了富甲烷流体的来源及迁移转化规律，并定量估算了碳释放通量。取得创新认识如下：.1. 冲绳海槽中段西部陆坡甲烷的泄漏方式以气泡运移为主，是典型的海底冷泉系统，伴随海底凸起，而非立项时认为的泥火山系统。根据沉积物孔隙水中的甲烷碳、氢同位素，认为部分不同海底凸起泄漏的甲烷的成因类型不同，有的以微生物成因为主，而有的以热裂解成因为主。.2. 强泄漏冷泉站位的甲烷-硫酸盐转换带（SMTZ）深度<0.5 m，主要位于海底凸起顶部，与菌席、气泡羽流或活动巨蛤群落相伴；其他冷泉站位的甲烷泄漏强度为中等（SMTZ深度1-5 m）至不明显（SMTZ深度>10 m）。.3.冷泉流体在穿过不同的沉积物氧化还原分带时，经历了程度不同的化学转化。在硫酸盐还原带内，硫酸盐还原驱动的甲烷厌氧氧化作用（SR-AOM）对中等-弱的甲烷泄漏具有近100 %的拦截能力，而在强泄漏冷泉站位，SR-AOM的拦截效率降低到34-88 %。该带内主要出现高镁方解石沉淀，部分中等-强泄漏站位同时出现文石沉淀，这些碳酸盐岩将21-50 % 的AOM生成的溶解无机碳（DIC）固结下来。.4.沉积物-水界面的平均甲烷释放通量为~30 mmol m−2 yr−1，比东海陆架背景地区（~0.4 mmol m−2 yr−1）高75倍。甲烷和DIC释放通量的总和为~50 mmol m−2 yr−1，相当于沉积物接受海水有机碳埋藏通量（350–730 mmol C m−2 yr−1）的7-14 %。这些数据表明海洋沉积物不仅是海水颗粒碳的汇，而且是海水重要的甲烷和DIC来源。