冲绳海槽海底冷泉—热液系统相互作用及资源效应

Both hydrothermal vents and cold seeps are the important pathways of transfer and exchange of materials and energies between lithosphere and exosphere (biosphere, hydrosphere and atmosphere). Their discoveries of these two extreme environments have made the study of the material cycle between the earth's spheres more accurate. Recently, a series of investigations show that in some special areas, hydrothermal vents and cold seeps are not isolated from each other rather have some interaction or coupling relationship in tectonic geology, biological ecology and element cycle. Taking the Okinawa Trough in the Western Pacific Ocean as target, based on the previous discoveries, this study uses geophysical comprehensive processing analysis, visual observation, seabed shallow drilling, side-scan sonar and other means of investigation to take biological, mineral, fluid sampling and laboratory research to study the structural development characteristics and geomorphology of the symbiotic zone of the hydrothermal-cold seep system in this area. The evolution of seabed fluid flows, biological communities and mineral elements are analyzed to study the tectonic-geological interaction between adjacent hydrothermal vents and cold seeps, establish the coupling model between the two systems in terms of matter and energy, and reveal their communication and exchange between biological ecology in the same area. Our goal is to establish a basin-scale interaction model of hydrothermal vents and cold seeps, evaluate the resource effects, and deepen the understanding of the regularity of the regional flow-solid interaction in this extreme environment of the Western Pacific Ocean.

热液喷口和冷泉通道均是岩石圈与外部圈层进行物质、能量转移和交换的重要途径，它们的发现将地球圈层之间的物质循环研究开始朝精确化方向发展。一系列调查研究表明，在某些特殊区域，热液和冷泉并不是彼此孤立的，而是在构造地质、生物生态和元素循环上有某种相互作用或耦合关系。本研究以西太平洋冲绳海槽为例，在以往发现基础上，拟利用地球物理综合处理分析、可视化观测、海底浅钻、侧扫声呐等调查手段，加以生物、矿物、流体取样及室内研究，对冲绳海槽热液—冷泉系统共生区构造发育特征、地层流体演化、生物群落以及矿物元素组成进行分析，以研究海槽内紧密相邻的热液和冷泉在构造地质上的共生关系，建立冷泉—热液两个系统在物质和能量上的耦合关系模型，揭示它们在生物生态之间的沟通融合，最终建立盆地尺度上热液—冷泉区相互作用模型，评估两个极端环境相互促进的资源聚集效应，加深对西太平洋极端环境区域流—固相互作用的规律性认识。

海底热液喷口和冷泉通道均是岩石圈与外部圈层进行物质、能量交换的重要途径，其发现将地球圈层之间的物质循环研究开始朝精确化方向发展。本项目以西太平洋冲绳海槽为例，对热液—冷泉系统共生区构造发育特征、地层流体演化、生物群落以及矿物元素组成进行了研究，取得的成果如下：. 第一、发现盆地尺度构造断裂控制了冷泉-热液两个系统流体循环模式与成藏。获取了我国重点海域冷泉-热液共生区的地层构造，揭示了海底断裂、气烟囱结构和热流特征等因素对浅表层天然气水合物空间分布、聚集、分解和富甲烷流体泄漏的重要控制作用。. 第二、研究了冷泉-热液物质循环及相互作用模式。首次发现富甲烷流体在泄漏过程中，与盆地扩张中心输送来的①热液羽流活性氧化铁沉积物、②含Fe(III)的火山灰沉积物相遇，发生Fe-AOM，并驱动冷泉碳酸盐沉淀，在海底将富碳流体予以固定，有效缓冲甲烷海底排放的负面环境效应。. 第三、首次揭示了西太弧后盆地冷泉和热液共生区生物群落特征及亲缘性。发现受邻近热液的影响，冷泉沉积物和贻贝腮组织中富集了嗜热菌和与铁还原相关的基因，拓展了深海特殊地质单元内基因交流融合过程的理解。. 第四、创新提出了西太边缘弧后盆地冷泉-热液系统相互作用模式。冲绳海槽弧后拉张产生的断裂构成了冷泉、热液共生的基础，热液物质（Fe）通过羽状流扩散进入冷泉区；热液来源的铁在冷泉区与甲烷相遇后，通过Fe-AOM驱动沉积物固碳，关键微生物为ANME-1a；热液铁供给导致冷泉沉积物古菌的丰度和多样性均较高，且两种生境的生物具有相似的特定功能基因，表明存在基因交流；冲绳海槽独特的Fe-C耦合模式在全球并非个例，与硫酸盐驱动的甲烷厌氧氧化作用（S-AOM）共同组成甲烷消耗屏障，并富集重要矿产资源，是海洋碳循环的重要分支。. 总之，本项目发现的热液铁沉积和火山灰蚀变驱动的Fe-AOM，是除S-AOM反应之外的另一甲烷过滤器，凸显了热液-冷泉相互在全球海洋碳循环中的独特作用，并对支持深部生物圈生命活动和地质历史时期甲烷的消耗有重要意义。