文摘

它一直以来二十年冷渗首先被发现在冲绳海槽(OT)。科学邮轮和地质调查之后公布了目前活跃海底甲烷渗漏、显著提高甲烷溪流的理解在OT的弧后盆地。在本文中,我们审查的最新进展研究甲烷漏提出承诺,然而挑战,前景通过列出冷渗在OT的尚未解决的问题。多种方法和技术,包括地震和回声测深仪记录,疏浚,gravity-piston ROV取心,海底钻探、同位素和基因组分析,芯片被用来揭示地质过程负责渗透活动和生物地球化学过程与他们有关。与天然气渗漏相关的地球物理特征主要包括声浊度在地下,在海底反向散射强度的异常,气流在水柱。孔隙水和methane-derived自生碳酸盐存档的强化甲烷渗漏和古环境的变化在不同的时间尺度。喂养的甲烷渗漏的OT生成主要通过微生物介导的过程和一本混合了产热的烃气不。Sulfate-driven和Fe-driven厌氧氧化甲烷的建议是关键生物地球化学过程,这将形成渗透环境中的物质循环。未来研究在冷渗不值得期待由于其地理和潜在的地质与附近的热液活动。多学科研究将专注于他们的链接与未被发现的天然气水合物,甲烷的量转移到海洋及其对气候变化的影响和渗透的发展活动伴随着生物地球化学过程。

1。介绍

冷渗海底甲烷气体的向上迁移的表达通过海洋沉积序列1- - - - - -3]。这种迁移涉及到不同的气体通量随时间在海底和之间的交替中气体的渗透和扩散面积小于几平方公里在一个渗透网站(1]。它引起了科研界越来越多的关注,因为它是旁侧扫描声纳探测到离岸新斯科舍省,加拿大(4]。甲烷从海底渗漏构成的一个重要组成部分的输出从海洋沉积物碳到海洋(5]。这使得全球渗透一个窗口来评估气候变化研究甲烷的影响不同methane-dependent生态系统(6]。相当大的甲烷从海底渗漏的可预见的后果包括海洋脱氧的放大和酸化,仍在争论中,大气温室气体浓度(7- - - - - -9]。

寒冷的从架子上渗出的东海冲绳海槽(OT)首先发现在其西部斜坡的中间部分(~ 26.2°N)在2000年科学巡航(10]。从那时起,已经有一些科学邮轮和地质调查广泛的海洋区域(数据1和2),它提供了地球物理和地球化学数据(表1和2)持续研究和显著贡献的理解在OT甲烷渗漏。多个舰载方法被用来关注这些渗透不同时空的维度。声的主要由地震和回声测深仪,和一起揭示渗漏的位置和他们的功能从地下和海底的水柱(10- - - - - -16]。孔隙水和自生矿物作为主要的地质记录的渗透和被抓取采样遥控车(器)、疏浚和gravity-piston取心,海底钻探。地球化学调查所涉及的这些示例揭示了生物地球化学过程,甲烷的起源,孔隙流体之间的交互和seep-impacted沉积物,和渗透的演变17- - - - - -28]。OT的渗漏研究大多数是在其北部部分(30.5°N - 30.8°N)和被检测到R / V《亿豪从2013年7月至8月18]。这些不知名的渗透成为第一组多学科研究的目标。

不能是一个初期的弧后盆地,形成中间中新世之后由于地壳伸展的欧亚大陆岩石圈29日]。渗透在OT的地质结构和bathymetrically复杂不如那些在其他海洋(例如,南中国海)[30.- - - - - -32]。最引人注目的特征在OT冷渗的影响从附近的热液活动,可以提供丰富的金属氧化物反应的微生物介导的过程中渗透环境(25]。tectono-structural此外,相对而言比较简单的设置不允许我们调查的寒冷中是如何分布在弧后盆地。

上述知识重建渗透活动的重要性及其附近的碳循环。本文将审查的地球物理特征和地球化学约束渗透在北部,中部,南部和冲绳海槽(不,年检,说)然后提出尚未解决的,但重要的是,科学问题。这是一个初步尝试寻找下一步的研究重点。

2。地球物理特征

2.1。地震特性

确定集中流体的迁移途径可以提供一个直观的理解甲烷渗漏的初步研究,从而为后续研究是很重要的。检测的途径不依赖于地震反射数据,正如在其他世界各地的海洋(出口的。33])。在特定的,这些数据可以揭示天然气孔隙流体的迁移基于反射干扰的地球物理特征,因为自由气体可以导致纵波速度,减少射线弯曲严重,信号散射,和较高的传输损耗34,35]。喜爱的发现途径天然气绕过表土沉积物包括大倾角断层和骨折;这两个主要增加垂直渗透率,从而提供免费交流气体的压力与表面(36]。这种类型的故障记录形成的弧后扩张(15[]或发生在底层的底辟构造11- - - - - -13)(图3(一个)和3 (b))。他们的空间关系与自由气体的地球物理特征(如声消灭和窗帘,烹调的菜肴和秦,2005年,图3 (c))支持他们的共同作用,作为迁移的通道。接近垂直的骨折的透水集群一起运输自由气体通常是成像地震横截面上的气烟囱在年检16]。气烟囱的解释坚持其基本定义,以及他们的几何图形是柱状的,而不是不规则。他们的底部是看不见的由于相对较低的渗透和高优势频率的地震数据。三维地震数据需要进一步揭示了根际更好地理解整个过程的甲烷传输前的地下渗透在海底。

2.2。地貌特征

小地形高位不同维度的听觉上无法检测,包括成千的锥形16),一些脊状15)(图4(一)和4 (b))~ 2公里宽正面的浮雕(11]。有趣的是,很少有凹坑的报道,一个著名的水深抑郁症在该地区强有力的气体排放的12,37]。它们的形成主要与驱逐集中流体流动,而其中的一些是由底辟作用和岩浆侵入37]。部分小浮雕的形态,包括高度,宽度,和旁边的梯度,具有可比性与其他海洋的海底火山泥38]。然而,没有确凿的证据证实在OT泥火山的存在,比如mud-rich沉积物液化泄出从救济的顶点39]或泥角砾岩进行沉积,随后嵌入迁移管道(40]。分布的一些seepage-related浮雕似乎接近断层延伸至海底,尽管有些人并不和他们对齐不近似平行的大多数错误的罢工(16]。因素控制变形near-seafloor沉积物的还不清楚。上述单独的地貌特征不是甲烷漏,因为多个地质过程的健壮的指标可能柯氏力形状,如热液排气和底部水流的侵蚀41]。

2.3。水声耀斑

超过三百的水声耀斑已发现沿着OT的西部边缘散射(16,25]。他们是从圆顶或相对平坦海底< 1500米,水深的传播通过数百米的水柱16]。经常的反向散射强度峰值较低的中心部分,减少向上和向外16]。这些强度变化与周围的空间做一个外缘耀斑声窗帘的回声测深仪的数据。瓦斯火焰的发生表明可能迅速而短暂的自由气泡逃离海底的驱逐。顶部的声学耀斑很少达到接近海面,这表明出身甲烷是海水中溶解的形式列,因此它直接释放到大气中可能是微不足道的。至于声耀斑的几何图形,它们是相似的在先前的研究和以substraight或弯曲flare-like列(14- - - - - -16)(图4 (c)和4 (d))。自由气泡的上升方向有界的声学耀斑被认为是影响当前的底部,和一个简单的二维模型的速度分量提出要将其第一个近似的速度。结果表明,底部电流的速度是2 - 160 cm / s海底火山地区几乎没有起伏的海底中,20 - 50厘米/秒(14]。上升的轨迹偏转的自由气泡也可以归因于超压的配置和海底附近的开口。树突的年检的声学耀斑观察表明,瓦斯火焰在离开圆顶海底有类似的横向变化(16](垂直夸张的数字太高观察倾斜)。这表明,不同方向的压力梯度计划视图应该是相似的。

3所示。地球化学约束

3.1。甲烷的起源

最近渗入周围的甲烷的来源网站已经确定的碳和氢同位素值(和 )从活塞的顶部空间气体采样和ROV推动核心(7 m和35厘米,分别5)[28)和海底钻机核心(55米长,图5)[16]。孔隙水的同位素分析的结果表明,浅层沉积物中的甲烷生成通过减少二氧化碳的微生物介导的过程( ,微生物甲烷)和/或热裂解的有机物( ,产热的甲烷)[16,28]。这些结果似乎同意的总结富含甲烷的来源天然气弧后地区的活跃的岩浆作用最南端的OT (42)和西太平洋(43]。然而,它的产热的起源不是观察到的不是,同位素分析的自生碳酸盐支持的优势微生物甲烷在过去的渗透活动(24]。我们认为,目前公布的数据并不足以完全理解这OT的起源。补充的数据组成的C_{2 +}烃类气体和δ¹³C_{迪拜国际资本}将原点更有说服力的结论。很难确定甲烷生成的深度范围内的视野发生井眼钻井由于缺少信息(有一个探索TO-KA-1但没有报道)源岩(44]。简单的一代窗口的轻质烃气体非常贴切的估计采用原位测量海底热流。的深度范围≤662 mbsf微生物甲烷和815 - 1899年mbsf产热的的比大多数的浅在西北太平洋边缘盆地由于其高地温梯度(114 - 187°C /公里)(16]。

3.2。孔隙水

孔隙水是一种重要的地质记录时间甲烷渗漏和他们的分析将有助于理解发生了什么。其地球化学分析了支持向上扩散通量的甲烷溶解,溶解无机碳(DIC)和降水率和定量调查碳循环。的深度sulfate-methane过渡区(SMTZ)的使用,理解甲烷渗漏强度的初步研究[45]。大多数SMTZ在OT < 20米深处取心网站(21,23,26,28)(图6),这表明weak-medium甲烷渗漏。扩散通量进一步由数值模拟,结果显示断层崖附近的中等强度(130更易与m²年¹(20.7)和峡谷更易与m²年¹)和高强度附近的海底穹顶(515 - 6450年更易与m²年¹)[23,28]。部分溶解甲烷(-66% ~ 12%)28)出院海底沉积物柱通过过滤器后,大部分的甲烷的厌氧甲烷氧化的生物地球化学过程所消耗(急性中耳炎)。急性中耳炎通常是主要的研究领域(例如,这件23]),而综合利率organoclastic硫酸盐还原更大的一些网站(例如,R3-C1 [28])。reaction-transport建模的结果表明,急性中耳炎率Mid-Okinawa槽由三个数量级不同,最大2197更易与m²年¹附近一个圆顶(DS3) (28]。

碳酸盐沉积降低了渗透率和甲烷缓冲的渗透溶解到水体(46]。除了提升孔隙流体物理障碍,它还可以回收甲烷的中耳炎。据估计,大部分的向上扩散甲烷(20.7更易与m²年¹)被氧化成DIC(11.2更易与m²年¹SMTZ内),其余被纳入自生碳酸盐(9.4更易与m²年¹)在年检网站这件23]。碱土元素组成的孔隙水提供的环境信息不同碳酸盐沉淀(47]。毫克的浓度^{2 +}、钙^{2 +},老^{2 +}和他们的比率一直被用来预测碳酸盐矿物沉淀的类型。high-Mg方解石和霰石的降水可能发生在年检(28),这种矿物质被发现在不27]。孔隙水化学的进一步研究这个角色需要原位碳酸盐核心检索在海底钻探地点。

3.3。Methane-Derived自生碳酸盐

Methane-derived自生碳酸盐(MDAC)被认为是一个有用的古文档学习渗透活动,因为他们产生氧化还原状态的信息海洋和生物地球化学过程通过地质时间的演变48]。MDAC在OT的研究主要集中在矿物组成、主要和稀有元素,同位素(碳、氧、硫)和微生物群落,试图理解原点和孔隙流体的来源,更重要的是,重建生物地球化学过程中渗透环境(18- - - - - -20.,22,27]。这些碳酸盐的矿物成分主要是霰石,富镁方解石和白云石(数字7和8)。Fe-rich矿物的形式存在于针铁矿和赤铁矿,铁白云石在年检18,22,26,27]。矿物和生物标志物模式表明,MDAC形成在低到中等深度的环境中甲烷通量(24]。一些合理的解释关于甲烷液体的起源提供了基础δ¹³C和δ¹⁸O价值观渗透的碳酸盐(图9)。甲烷可能维持碳酸盐沉淀通过中耳炎有微生物来源的基础上δ¹³C值的渗透 ,甲烷,这可能源于天然气水合物的分解(24,27]。这个推理与孔隙水的结果不一致,这一点对甲烷水合物分解的小贡献喂甲烷渗漏(28]。部分碳酸冷泉δ¹³C值相对较高,从正常海洋DIC的外加剂。另一种解释为这些值是methane-derived成岩碳酸盐和碎屑来源的混合物的取样的不同部分碳酸盐(22]。

三个subhorizontal区氧化区(OZ) sulfate-methane过渡区(SMTZ), sulfate-depleted区(SDZ)渗透环境已建成,讨论生物地球化学过程在不22]。两个后区已经详细调查,包括甲烷生成的重要流程,甲烷氧化,亚硫酸盐氧化、硫酸盐还原,和金属生物转化20.,22]。支持这些生物地球化学过程的微生物种群GeoChirp已发现的分析,结果显示相关的功能基因自行车的甲烷、硫和铁(22]。急性中耳炎可以增加碳酸盐矿物的饱和状态和孔隙水的碱度和为底栖生态系统提供了化学能量(6,9]。Fe-rich碳酸盐抽样等(GT-D1)不好的记录过程,包括sulfate-driven急性中耳炎(SD-AOM)和建议Fe-driven急性中耳炎(22]。黄铁矿的广泛发生在底部的渗透碳酸盐的底部SDZ Fe-driven中耳炎区。铁和硫的来源从黄铁矿的形成提出了产品Fe-driven中耳炎和SD-AOM,分别为(20.,22]。除了SD-AOM反应物,硫酸决定类型的碳酸盐。高、中、低浓度的硫酸孔隙水提供潜在的霰石的形成条件,镁方解石,白云石,分别为(22]。

3.4。水柱

海水在OT的研究旨在确定的网站增强溶甲烷浓度,评估碳的来源,并指出甲烷通量sediment-seafloor和海洋空气接口(42,49,50]。最重要的贡献者海水中的溶解碳热液喷口和冷渗,并通过后者DIC的构成海水总量的14.3% (49]。增强溶甲烷浓度检测在西部斜坡非常贴切的,和24.7 nM的值是10倍高于背景浓度(50]。甲烷的)通量可以达到116μ摩尔米²d¹,平均价值高于其他已知的海洋表示非常贴切的富含甲烷,排放入大气海水甚至从海底目前50]。

4所示。热液活动对甲烷渗漏的影响

冲绳海槽是一个窄,细长的初期的弧后盆地丰富的热液喷口(29日,51]。地质背景的横向限制环境允许的金属氧化物转移弧后裂谷附近的热液区中心沿着西方渗透区域的斜率。铁和锰的间歇热液活动被氧化,沉淀在其羽分散,最终与表面沉积物混合粒子的形式在雨中含氧的海水(25]。因此,将会有足够的金属供应浅一些渗入海洋沉积物中的网站。金属氧化物来自热液活动可以是急性中耳炎的活性氧化剂,除了硫酸来自海水。他们共存有利于渗透的特色在OT碳酸盐。的持续反应SD-AOM和Fe-AOM及其垂直相邻的反应区由高铁已确认内容(3.77 -12.49%)碳酸盐烟囱,针铁矿,菱铁矿、黄铁矿MDAC内沉淀,更重要的是,与铁储存和运输相关的功能基因通过GeoChirp分析(18,20.,22,25]。菲^{2 +}和海关^{- - - - - -}Fe-AOM和SD-AOM的产品,分别可以见面界面附近的这些区域,导致富含碳酸盐的沉淀管道(20.]。建议metal-AOM和sulfate-AOM共同构成的一个重要组成部分底栖生物甲烷过滤和行为调节碳循环(25]。

5。时间和冷渗的进化

甲烷渗漏最近被认为是积极的,几千年前。前活跃时间可以通过广泛的观察显示气流在2012 - 2018年在说14)和2013 - 2016年年检(15,16]。自由气泡绕过了沉积层序和持续渗透。这种垂直迁移的青睐构造活动设置,包括区域持续紧张和转换拉伸(15,16]。resultant-enhanced渗透率和超孔隙压力促进自由的向上迁移甲烷气体沿断裂带和骨折的集群,分别。然而,很难确定最近积极渗透的长寿归因于地球物理信息的过渡过程时间的限制。mdac抽样在海底还存档的活跃时间过去甲烷漏。自动对盘及成交系统¹⁴C和U-Th测定结果表明,渗透碳酸盐的年龄范围是31.54 - -34.10可以英国石油公司和英国石油公司22.8 - -55.7可以分别(18,27]。类似于其他海洋,无法接受的相对海平面下降期间(52,53]。这可能会导致天然气水合物稳定带的变薄,因此,天然气水合物的丰富的自由气体释放参与急性中耳炎,这对碳酸盐沉淀提供了一个适当的地球化学环境。然而,渗透之间的联系和海平面处于低水位时暴露的天然气水合物和高水位期尚未定论。

6。前景

冲绳海槽的甲烷渗漏是由地质调查发现在过去的二十年。这些游轮的支持和国家及国际研究项目的发展导致的理解甲烷渗漏在冲绳海槽的深水设置。持续的研究集中在一些渗透网站和后续研究提供良好的目标。这些结果阐明了甲烷的溢出物的活动,相关的生物地球化学过程和物质循环主要浅岩石圈和深水圈内。

带来的进步研究综述承诺,然而等待未来的挑战。据我们所知,进一步的研究支持的集成冲绳海槽取心项目正在进行中。本研究与即将到来的多学科的将有助于回答还未解决的重要问题,包括但不限于(1)海底穹顶是否泥火山应该确认。这可以通过获得泥浆breccia-containing沉积物核心通过海底管道锥。这是找出重要的组成和运输阶段的沉积物;(2)从富含甲烷气体是如何发泄;(3)是否甲烷水合物的分解导致气体渗流的活动,回答(2)和(3)部分取决于使用的三维高分辨率地震数据图像整个管道系统和显示地震反射的异常(例如,底部模拟反射器)周围渗漏;(4)的时间变化是什么自由的通量在海底甲烷气体。海底长期监测是一个有用的技术,提供第一手的测量结果作为评估必要的渗漏对气候变化的影响;(5)如何渗透发展以及随之而来的生物地球化学过程不同的过去。 Their answers require an in-depth study of more in situ authigenic minerals and will make the submarine seep a solid geological record of the global climatic change; (6) what is the ecosystem surrounding the seeps and how the community interacts with each other. The answer to this rarely studied subject will ultimately explain mass cycling in the seeping system of the Okinawa Trough.

冲绳海槽的甲烷渗漏是独一无二的,特点是年轻和Fe浓缩由于弧后裂谷的初期和丰富的热液喷口。这个地质提供了一个优秀的自然实验室研究深水甲烷渗漏。随着联合和多学科研究的继续,相信甲烷渗漏的性质及其在全球气候变化的影响在历史和目前最终会被理解。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家重点研发项目的项目(2018 yfc0310001),中国国家自然科学基金(91858208和91858208),和山东省自然科学基金,中国(ZR201807100270)。