THE RELATIONSHIP BETWEEN AUTHIGENIC CARBONATE AND GAS HYDRATES IN MAKRAN ACCRETIONARY WEDGE: ON THE BASIS OF M74/3 CRUISE REPORT OF " R/V METEOR" IN 2007
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摘要:
为了探讨马克兰增生楔自生碳酸盐岩与水合物的关系，对2007年流星号的M74/3航次资料进行了总结。结果显示，自生碳酸盐岩与水合物并非一一对应的关系。对于甲烷通量很大的海区，海底和浅表层沉积物中通常没有自生碳酸盐岩，但是可以存在水合物。对于甲烷通量较高的海区，如果海底或浅表层沉积物中存在少量且小块的自生碳酸盐岩，通常沉积物中存在水合物；如果海底或浅表层沉积物中存在大量且大块的自生碳酸盐岩，通常浅表层沉积物中没有水合物，但就目前的资料，尚不能确定其深部是否存在水合物。对于甲烷通量很弱的海区，沉积地层表现为纹层状结构，通常既没有自生碳酸盐岩，也没有水合物。
Abstract:In order to reveal the relationship between authigenic carbonate and gas hydrate in the Makran accretionary wedge, we hereby summarized all the data from the M74/3 cruise of "R/V Meteor" in 2007. The data shows that authigenic carbonate rock has no strict corresponding relationship with gas hydrate. In the sea area where methane flux was very high (such as the No. 5 plume site where water is 2 900 m deep, plume 1 800 m high, with gas hydrates of tubular structure), authigenic carbonate usually does not occur on the seabed or shallow sediments where gas hydrate usually exists. However, in the sea area where methane flux is high (such as, at the No. 2 plume site where water is 1 100 m deep, plume 170 m high, with gas hydrates of vesicular structure), and if there is a small amount of authigenic carbonate on the seabed or in the shallow sediments, then hydrate usually occurs; if there is great amount of authigenetic carbonate on seabed or in shallow sediments, then there is usually no hydrate occurred. Based on the current data, it is uncertain whether there is hydrate in deep sediments. In the sea area where methane flux is very low (such as at MUC-4site, there are no plumes), sediments show clear lamination, there is neither authigenic carbonate nor hydrate.
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Key words:
- methane flux /
- authigenic carbonate /
- hydrate /
- Makran accretionary wedge
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马克兰增生楔位于阿拉伯海北部[1](图 1)，由狭窄的陆架(宽10~15km)、宽阔的陆坡以及变形前缘构成。其中，陆坡进一步划分为上陆坡(倾角7°)、中陆坡(倾角近零)和下陆坡(倾角1°~2°)。变形前缘位于深海平原与增生楔之间，为宽缓褶皱。马克兰增生楔东西向背斜脊有多个，最年轻的为最南边的初生脊(Nascentridge)，脊与脊之间为背驮式盆地。2007年流星号M74/3航次在马克兰增生楔开展了以寻找不同水深的冷泉为目的的调查[2]，共发现15个羽状流站位。其中，初生脊之上的5号站位羽状流高度最大，达到1 800 m，而2号站位羽状流高度也达170 m。2号和5号站位在重力岩心样品中发现了水合物(图 1)。与此同时，在海底和部分岩心样品中发现了大量的自生碳酸盐岩[3-6]。笔者将对自生碳酸盐岩与水合物的关系进行讨论。
1. 纹层状沉积物中没有碳酸盐岩和水合物
通常，在水平纹层的沉积物中没有自生碳酸盐岩，也没有水合物。原因是甲烷通量太低，因而，地层没有受到上升气流的扰动，在岩心柱状图上显示为均质或纹层状结构。图 2显示，岩心(MUC-4)位于马克兰增生楔上陆坡(24°52.394′N，62°59.839′E)，水深957 m，样品长度37 cm。海底之下37 cm的岩性为黄褐色、橄榄灰黏土; 海底之下25~37 cm见片状硫化物，沉积地层以纹层状结构为主，没有碳酸盐岩结核，也没有水合物。
2. 没有碳酸盐岩的变形前缘可见水合物
此处的变形前缘主要包括采集到水合物样品的5号羽状流站位的附近海域。该区海底面及其浅表层沉积物中没有自生碳酸盐岩结核或结壳，但可见水合物(图 3、4)。图 3显示，岩心样品(GC-1)位于马克兰增生楔初生脊(NascentRidge)，水深2 860 m，样品长度434 cm。海底之下343cm的岩性为灰绿色、部分杂色的黏土夹软体动物壳、有孔虫及其他生物壳组成的沙屑。其中，海底之下154~434cm见板状和不规则状水合物，沉积物见潜穴和摩斯结构。图 4显示，岩心样品(GC-23)同样位于马克兰增生楔初生脊，水深为2 861 m，样品长度360 cm。海底之下360 cm的岩性为均质灰绿色黏土，其中，海底之下190~360 cm分布有厘米级大小的呈碎片状和管状的水合物，岩心底部水合物数量增多，与层面垂直。沉积物中见少量生物成因的沙屑。
图 3. 马克兰增生楔初生脊GC-1岩心柱状图(没有自生碳酸盐岩，有水合物)Figure 3. Column of core GC-1 at the Nascent ridge, Makran accretionary wedge (without authigenic carbonate, but hydrate)
图 4. 马克兰增生楔初生脊GC-23岩心柱状图(没有自生碳酸盐岩，有水合物)Figure 4. Column of core GC-23 at the Nascent ridge, akran accretionary wedge (without authigenic carbonate, but hydrate)值得注意的是，如果重力岩心样品中存在片状硫化物，通常既没有碳酸盐岩，也没有水合物(图 5)。据研究[3]，自生碳酸盐岩的埋深取决于海底是否正在经历堆积或侵蚀。沉积物堆积时，形成在甲烷—硫酸盐过渡带(SMI)的碳酸盐岩结核将依次被深埋，因此，除非向上的气流喷到海底，自生碳酸盐岩结核通常不会出露海底。但是，海底侵蚀会使甲烷厌氧氧化形成的自生碳酸盐岩结核出露海底(图 6)。由于变形前缘海区，海底及浅部沉积物中没有发现自生碳酸盐岩，因此，推测该区可能属于持续沉降区，自生碳酸盐岩可能存在于深部沉积物中(图 6)。
图 5. 马克兰增生楔初生脊GC-14岩心柱状图(存在硫化物鳞片，无水合物)Figure 5. Column of core GC-14 at the Nascent ridge, Makran accretionary wedge (with sulfide, but not hydrate)3. 坡折带自生碳酸盐岩与水合物有关
此处的坡折带主要指2号羽状流站位所在的马克兰增生楔上陆坡与中陆坡的过渡带。该区自生碳酸盐岩与水合物存在2种关系。其一，如果重力岩心从海底到浅表层沉积物存在大量的大块自生碳酸盐岩结核，通常沉积物中没有水合物(图 7)；其二，如果重力岩心从海底到浅表层沉积物中存在少量的小块自生碳酸盐岩结核，通常沉积物中存在水合物(图 8)。该区自生碳酸盐岩出露海底，推测该区海底曾遭受剥蚀区(图 6)。
图 7. 马克兰增生楔2号羽状流站位GC-11岩心柱状图(小块碳酸盐岩结核，有水合物)Figure 7. Column of core GC-11 at No. 2 plume site in the Makran accretionary wedge (with small carbonate concretions and hydrate)4. 讨论
前人研究表明，几乎所有发现水合物的海域均有冷泉碳酸盐岩发育[7-10]。然而，通过对流星号M74/3航次重力取心站位的碳酸盐岩与水合物关系的统计发现，自生碳酸盐岩与水合物并非一一对应的关系(表 1)。自生碳酸盐岩的存在既与海底沉积物中烃类流体有关，同时也与甲烷通量的大小有关[11]。海底沉积物中如果没有足够的含甲烷流体的上升喷流，就难以形成自生碳酸盐岩，但是，如果甲烷通量太高，也不利于自生碳酸盐岩的形成[3, 11]。据流星号M74/3航次报告报道[2]，5号站位气泡羽状流喷出海底高达1 800 m，而且沉积物中的水合物为管状结构，这些现象均说明该区甲烷通量很大。这可能是马克兰增生楔变形前缘没有自生碳酸盐岩但存在水合物的原因之一[3]。
表 1. 流星号M74/3航次重力取心站位的碳酸盐岩与水合物(据文献[2]修改)Table 1. Carbonate and gas hydrate found in gravity cores in the Meteor cruise of M74/3 (modified from reference [2])GC
No.地区 纬度/N 经度/E 水深/m
样品长度/cm碳酸盐岩/硫酸盐 水合物 GC-1 初生脊5号站位 24°11.749′ 62°44.309′ 2 860
434没有/没有 板状、不规则状水合物 GC-14 24°11.747′ 62°44.428′ 2 860
256没有/有 没有 GC-23 24°11.746′ 62°44.308′ 2 861
360没有/下部没有 底部管状水合物 总结 5号羽状流站位水深2 900 m，沉积物中没有碳酸盐岩结核，所以，水合物的存在与碳酸盐岩无关。但是，如果沉积物中存在硫化物，那么水合物存在的可能性较小。 GC-8 2号羽状流站位 24°50.795′ 63°01.422′ 1 021
30块状碳酸盐岩 没有水合物 GC-11 24°50.789′ 63°01.422′ 1 020
218碳酸盐岩结核 气泡状水合物 GC-25 24°50.799′ 63°01.420′ 1 018
40少量碳酸盐岩结核 厘米级水合物 总结 2号羽状流站位水深1 000 m。如果沉积物中存在大块碳酸盐岩，水合物存在的几率较低。如果沉积物中存在小块碳酸盐岩结核，沉积物中水合物存在的几率较大。 MUC-2 背景站位 24°52.322′ 62°59.859′ 962
35无/硫酸盐 没有水合物 MUC-4 24°52.394′ 62°59.839′ 957
37无/硫酸盐 没有水合物 总结 纹层状地层中既无碳酸盐岩，也没有水合物，是否说明该区缺少上升的气流？ | Show Table
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表 1的统计结果还显示，在甲烷通量不是太大的2号羽状流站位(气泡羽状流高度为170 m)，浅部沉积物中如果存在大量大块碳酸盐岩，通常浅部没有水合物；而浅部沉积物中碳酸盐岩结核少而小，通常有水合物分布。这一现象在南海水合物调查和钻探中也得到了证实。例如：在南海北部陆坡750~800 m水深的九龙甲烷礁发现了430 m2的碳酸盐岩结壳，研究认为该区的碳酸盐岩为甲烷厌氧氧化成因[12]，其较高的甲烷通量很可能是由下伏的天然气水合物分解所引起的[13]；而在神狐海域和珠江口盆地东部海域的水合物钻探区，自生碳酸盐岩结核虽然少而小，且分布局限，但却在样品中发现了水合物，特别是，在珠江口盆地东部海域发现大量块状水合物的8井分布有2层自生碳酸盐岩结核[14]。另外，在日本海西部大陆坡(36.09°N, 130.08°E)水深1 450 m的冷泉发育区，采集到3.2 m的长柱样，发现5 m厚的天然气水合物层，而多层小块的自生碳酸盐结核分散在柱状样中[15]。这些情况是否可以说明大量的大块碳酸盐岩结核分布区不存在水合物是该区水合物分解所致，目前还没有定论。
5. 结论
(1) 巴基斯坦马克兰增生楔自生碳酸盐岩的分布与水合物并非一一对应的关系。
(2) 在甲烷通量过高的海区，海底和浅部沉积物中通常不存在自生碳酸盐岩，但是可以存在水合物。然而，如果浅部沉积物中存在硫化物，通常既无自生碳酸盐岩，也无水合物。
(3) 在甲烷通量适中的海区，自生碳酸盐岩与水合物具有较为密切的关系。通常，海底或浅部沉积物中如果分布有大量大块的自生碳酸盐岩，浅部沉积物中一般不存在水合物，但不能排除深部存在水合物的可能性。如果海底和浅部沉积物中分布有少量的小块自生碳酸盐岩结核，沉积物中通常存在水合物。
(4) 自生碳酸盐岩通常分布在羽状流发育的地区，与之相伴的是化能自养生物。如果来自深部沉积物中的甲烷通量太低，沉积地层表现为均质或纹层状结构，沉积物中一般没有自生碳酸盐岩，也没有水合物。
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表 1 流星号M74/3航次重力取心站位的碳酸盐岩与水合物(据文献[2]修改)
Table 1. Carbonate and gas hydrate found in gravity cores in the Meteor cruise of M74/3 (modified from reference [2])
GC
No.地区 纬度/N 经度/E 水深/m
样品长度/cm碳酸盐岩/硫酸盐 水合物 GC-1 初生脊5号站位 24°11.749′ 62°44.309′ 2 860
434没有/没有 板状、不规则状水合物 GC-14 24°11.747′ 62°44.428′ 2 860
256没有/有 没有 GC-23 24°11.746′ 62°44.308′ 2 861
360没有/下部没有 底部管状水合物 总结 5号羽状流站位水深2 900 m，沉积物中没有碳酸盐岩结核，所以，水合物的存在与碳酸盐岩无关。但是，如果沉积物中存在硫化物，那么水合物存在的可能性较小。 GC-8 2号羽状流站位 24°50.795′ 63°01.422′ 1 021
30块状碳酸盐岩 没有水合物 GC-11 24°50.789′ 63°01.422′ 1 020
218碳酸盐岩结核 气泡状水合物 GC-25 24°50.799′ 63°01.420′ 1 018
40少量碳酸盐岩结核 厘米级水合物 总结 2号羽状流站位水深1 000 m。如果沉积物中存在大块碳酸盐岩，水合物存在的几率较低。如果沉积物中存在小块碳酸盐岩结核，沉积物中水合物存在的几率较大。 MUC-2 背景站位 24°52.322′ 62°59.859′ 962
35无/硫酸盐 没有水合物 MUC-4 24°52.394′ 62°59.839′ 957
37无/硫酸盐 没有水合物 总结 纹层状地层中既无碳酸盐岩，也没有水合物，是否说明该区缺少上升的气流？
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