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热带海洋学报 >

2017 , Vol. 36 >Issue 6: 82 - 89

DOI: https://doi.org/10.11978/2016120

北印度洋海底冷泉流体活动研究进展

  • 王旭东 , 1, 3 ,
  • 黄慧文 1, 3 ,
  • 孙跃东 1, 3 ,
  • 李牛 1 ,
  • 胡钰 2 ,
  • 冯东 , 1, 4
展开
  • 1. 中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室(南海海洋研究所), 广东 广州 510301
  • 2. 上海深渊科学技术研究中心, 上海海洋大学海洋科学学院, 上海 201306
  • 3. 中国科学院大学, 北京 100049
  • 4. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 山东 青岛 266237;
冯东。E-mail: feng@scsio.ac.cn

作者简介：王旭东(1992#cod#x02014;), 男, 博士研究生, 主要从事海洋沉积地球化学方向研究。E-mail:

收稿日期: 2016-11-18

  要求修回日期: 2017-01-16

  网络出版日期: 2018-01-18

基金资助

国家自然科学基金委员会项目(41422602、41773091)

中国科学院百人计划项目

青岛海洋科学与技术国家实验室开放基金项目(QNLM2016ORP0204)

收起

Recent progress on submarine cold seep activity of the northern Indian Ocean

  • WANG Xudong , 1, 3 ,
  • HUANG Huiwen 1, 3 ,
  • SUN Yuedong 1, 3 ,
  • LI Niu 1 ,
  • HU Yu 2 ,
  • FENG Dong , 1, 4
Expand
  • 1. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China
  • 2. Shanghai Engineering Research Center of Hadal Science and Technology, College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China
  • 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 4. Laboratory for Marine Mineral Resources, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China
Corresponding author: FENG Dong. E-mail:

Received date: 2016-11-18

  Request revised date: 2017-01-16

  Online published: 2018-01-18

Supported by

National Natural Science Foundation of China (41422602, 41773091)

#cod#x0201c;Hundred Talents Program#cod#x0201d; of Chinese Academy of Sciences

Foundation of Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology (QNLM2016ORP0204)

Copyright

热带海洋学报编辑部
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摘要

冷泉是继洋中脊热液之后, 在海底发现的又一种流体渗漏类型, 是20世纪80年代以来海洋地质领域最引人注目的发现之一。北印度洋欧亚大陆边缘构造活跃, 印度东西两侧发育巨厚沉积层, 极易孕育冷泉活动。目前, 已在莫克兰和孟加拉湾地区海底观测到多处活动冷泉, 对它们的研究为深入了解海底冷泉流体活动的资源环境效应打开了新的窗口。文章以北印度洋典型冷泉区#cod#x02014;#cod#x02014;莫克兰和孟加拉湾地区为例, 综述了该区海底冷泉流体来源、相关沉积环境和触发机制, 着重阐述了: 1)莫克兰地区最小含氧带内外冷泉活动的沉积记录和地震触发冷泉的机制及环境响应; 2)孟加拉湾地区海底天然气水合物分解在碳酸盐岩中的记录。进一步指出了北印度洋海底冷泉活动研究中遇到的挑战和未来工作中需给予重视的科学问题。

关键词： 北印度洋; 冷泉活动; 地质记录; 莫克兰; 孟加拉湾

本文引用格式

王旭东 , 黄慧文 , 孙跃东 , 李牛 , 胡钰 , 冯东 . 北印度洋海底冷泉流体活动研究进展[J]. 热带海洋学报, 2017 , 36(6) : 82 -89 . DOI: 10.11978/2016120

Abstract

The discovery of cold hydrocarbon seeps has been one of the most important achievements of marine geology besides hydrothermal vents during the last half century. Gravitational and tectonic forces are common in the northern Indian Ocean, which results in methane seepages on the seafloor. Recent studies of cold hydrocarbon seeps from Makran and Bay of Bengal areas have made important progresses and these findings have opened a window for understanding the resource and environmental issues of submarine cold seeps. An overview about the present knowledge of the northern Indian Ocean is provided, which concentrates on 1) sedimentary records of the cold seep activities in the Makran area both inside and outside of the oxygen minimum zone and the cold seep activity triggered by earthquake activity, and 2) the dissociation of gas hydrate in the Bay of Bengal that recorded in the carbonate rocks. Furthermore, challenges of seep research in the northern Indian Ocean and scientific problems in the future are discussed.

Key words： Northern Indian Ocean; cold seep activity; geological records; Makran; Bay of Bengal

冷泉是指来自海底沉积界面之下与海水温度相近, 以硫化氢、甲烷及其他富碳氢化合物为主要成分的流体渗漏活动(Roberts et al, 1994), 自发现以来(Lonsdale, 1979; Paull et al, 1984), 便在全球范围内被大量报道(Judd et al, 2009; Suess, 2014), 目前全球冷泉发育区已达近千处(图1)。海底冷泉与潜在能源天然气水合物、全球气候变化和极端环境下的生命演化等诸多具有重大科学意义的问题相关, 受到国际科学界的持续特别关注, 被认为是继洋中脊热液之后地球科学领域新的学科增长点。
Fig. 1 Schematics showing global distribution of cold seeps.

The seeps from the northern Indian Ocean are mainly located in the region of Makran and Bay of Bengal (in the black dotted box). After Suess (2014)

图1 全球冷泉分布示意图

北印度洋冷泉主要位于莫克兰和孟加拉湾地区(黑色虚线框)(据Suess (2014)修改)

甲烷是冷泉系统所有反应及产物的物质基础(J#cod#x000f8;rgensen et al, 2007), 确定其来源一直以来都是国际科学界关注的热点。冷泉系统中最重要的生物地球化学过程是发生在硫酸盐-甲烷转换带(sulfate-methane transition zone, SMTZ)的甲烷缺氧氧化作用(Anaerobic oxidation of methane, AOM)及与之耦合的硫酸盐还原作用(sulfate reduction, SR) (总反应式: CH4 + SO2- 4#cod#x02192; HCO- 3+ HS- + H2O)。该过程可能消耗了超过90%的由深部向海底渗漏的甲烷, 有效地减少了温室气体甲烷向大气的释放(Nauhaus et al, 2005)。这一反应生成的HCO- 3与海水中的Ca2+、Mg2+等离子结合形成冷泉碳酸盐岩(Luff et al, 2003); 同时反应产生硫化氢为冷泉生物提供能量, 维系着以化能自养生物为食物链基础的冷泉生态系统(Cordes et al, 2009)。冷泉流体渗漏速率的动态变化可改变局部氧化还原环境, 因此, 对冷泉沉积环境的限定可以指示冷泉流体的演化特征, 结合年代学的工作可进一步揭示冷泉流体活动的演化历史及控制机制(Valentine et al, 2000; Bayon et al, 2009)。
印度洋的冷泉活动主要发育在其北部, 已在北印度洋阿拉伯海莫克兰增生楔、马尔代夫以及孟加拉湾、苏门答腊和红海等多个海域观测到冷泉活动(图2和表1)。近些年对这些区域冷泉活动的研究取得了一系列重要进展, 例如根据莫克兰地区发育的叠层状冷泉碳酸盐岩, 首次建立了深海冷泉活动过程与季风和潮汐作用等大气过程之间的联系(Himmler et al, 2016); 同时在莫克兰地区记录了全球第一例由地震触发的冷泉流体活动, 极大地丰富了对冷泉成因机制的认识(Fischer et al, 2013)。另外, 莫克兰地区最小含氧带(oxygen minimum zone, OMZ)内外均发育冷泉活动, 为了解最小含氧带内外冷泉系统的差异提供了绝佳的机会(Himmler et al, 2015)。孟加拉湾地区海底沉积物中广泛发育天然气水合物, 初步研究表明该区冷泉碳酸盐岩的发育与天然气水合物分解密切相关(Kocherla et al, 2015)。这些特点使得北印度洋成为解决海底冷泉流体活动对深海过程影响等关键科学问题的天然实验室。
Fig. 2 Distribution of typical cold seeps in the northern India Ocean.

Data from Mazumdar et al (2009), Himmler et al (2010, 2015), Fischer et al (2012), and Teichert et al (2014)

图2 北印度洋典型冷泉分布图

数据引自Mazumdar et al, 2009; Himmler et al, 2010, 2015; Fischer et al, 2012; Teichert et al, 2014

1 地质背景

1.1 莫克兰(Makran)

自晚白垩世始, 阿拉伯板块洋壳和Omara微板块向北俯冲到欧亚板块之下(Kukowski et al, 2001)。因喜马拉雅山脉侵蚀物质的持续输入, 变形前缘沉积厚度达到7km以上, 导致在现今的伊朗和巴基斯坦南部的莫克兰海岸形成了世界上最广阔的增生楔#cod#x02014;#cod#x02014;莫克兰增生楔(图2, Farhoudi et al, 1977; White, 1984; Kopp et al, 2000; Golonka, 2004)。莫克兰增生楔的变形前缘位于第一个增生脊南部水深约3000m的地方, 呈东西向分布, 平行于巴基斯坦海岸线(Kukowski et al, 2000)。最上部沉积物俯冲形成大量的背斜链, 浅层气聚集其中并沿着正断层迁移, 在海底形成渗漏(Ding et al, 2010; R#cod#x000f6;mer et al, 2012; Smith et al, 2014)。
Tab. 1 Information and brief description of cold seep sites in the Northern Indian Ocean

表1 北印度洋海底冷泉点位信息及简要描述

海域 北纬 东经 水深/m 简要介绍 参考文献
莫克兰 24#cod#x000b0;38#cod#x02032;33″ 62#cod#x000b0;44#cod#x02032;15″ 1656 活动冷泉, 海底出露冷泉碳酸盐岩和管状蠕虫、贻贝等生物群落 Himmler et al, 2010, 2015
24#cod#x000b0;11#cod#x02032;46″ 62#cod#x000b0;44#cod#x02032;19″ 2861 活动冷泉, 发育甲烷气泡, 近海底有化能自养底栖生物, 海底1.6m以下发育天然气水合物 Fischer et al, 2012
孟加拉湾 15#cod#x000b0;51#cod#x02032;52″ 81#cod#x000b0;50#cod#x02032;04″ 1033 不活动冷泉, 海底出露冷泉碳酸盐岩结核和小烟囱, 也发现冷泉生物Calyptogena sp.化石 Mazumdar et al, 2009;
16#cod#x000b0;31#cod#x02032;17″ 82#cod#x000b0;40#cod#x02032;51″ 1285 不活动冷泉, 沉积物中发育冷泉碳酸盐岩 Teichert et al, 2014
15#cod#x000b0;51#cod#x02032;52″ 81#cod#x000b0;50#cod#x02032;04″ 1038
15#cod#x000b0;51#cod#x02032;38″ 81#cod#x000b0;50#cod#x02032;14″ 1046
马尔代夫 0#cod#x000b0;~7#cod#x000b0; 72#cod#x000b0;30#cod#x02032;~74#cod#x000b0; #cod#x02014; 麻坑区, 海底发育一系列拱顶和直径达3000m, 深度达180m的麻坑 Betzler et al, 2011
红海 22#cod#x000b0;17#cod#x02032;18″ 38#cod#x000b0;53#cod#x02032;48″ 840~850 活动冷泉, 发育有冷泉生物的卤水渗漏 Batang et al, 2012
苏门答腊 2#cod#x000b0;33#cod#x02032;46″~2#cod#x000b0;33#cod#x02032;50″ 96#cod#x000b0;45#cod#x02032;24″~96#cod#x000b0;45#cod#x02032;26″ 1130 活动冷泉, 海底出露碳酸盐岩、管状蠕虫和细菌席等 Siegert et al, 2011
莫克兰地区发育多种形式的流体渗漏活动, 如在陆上以及大陆架发育活跃的泥火山(Delisle et al, 2002), 在中下陆坡和向海方向的第一个增生脊广泛发育泥底辟和泥火山等(Wiedicke et al, 2001; Schl#cod#x000fc;ter et al, 2002)。在其大陆边缘冷泉区发育多种典型的冷泉生物如贻贝、细菌席和冷泉碳酸盐岩(图3a、b、c), 多处观察到明显的甲烷气泡释放现象(图3d, von Rad et al, 2000; Bohrmann et al, 2008), 表明目前冷泉活动持续进行且渗漏强度较大。

1.2 孟加拉湾(Bay of Bengal)

130Ma前印度脱离南极洲并向北移动, 随着冈瓦纳大陆的解体, 印度东部陆缘应运而生(Powell et al, 1988; Ramana et al, 1994), 在这里发育的Krishna-Godavari(K-G)裂谷盆地(Rao, 2001; Bastia, 2007)是孟加拉湾主要的冷泉渗漏区, 它从南部的Ongole扩展到北部的Vishakapatnam(图2)。
K-G盆地近海区沉积厚度达8km(Prabhakar et al, 1993; Bastia, 2007), 年龄范围从晚石炭世至更新世。含蒙脱石的Godavari黏土地层构成了K-G盆地在更新世-全新世的沉积(Rao, 2001)。K-G盆地沉积物中的总有机碳(TOC)含量主要受Krishna和Godavari河提供的陆源物质控制, 高通量的陆源物质输入以及物质的快速堆积埋藏导致了K-G盆地中高含量的TOC(Johnson et al, 2014)。
K-G近海盆地是印度探明的含油气盆地之一(Bastia, 2007), 前人通过理论计算确定了在水深700m以下适宜形成天然气水合物。2006年, 印度天然气水合物项目(National Gas Hydrate Program, NGHP) 在K-G和Mahanadi盆地共21个站位采集了沉积物, 识别出多处天然气水合物信号, 并从沉积物中遴选出了冷泉碳酸盐岩和冷泉生物化石(图4, Collett et al, 2008)。碳酸盐岩的形态多为管状和小结核状, 矿物成分以高镁方解石为主, 也见低镁方解石、文石、黄铁矿和少量重晶石、菱铁矿等。2007年5月R/V Marion Dufresne航次在孟加拉湾K-G盆地获得了长沉积物岩芯, 相关的地质和地球化学分析也证实研究区曾发生过明显的冷泉流体活动(Mazumdar et al, 2009)。
Fig. 3 Active seeps of Makran (Bohrmann et al, 2008).

(a) Abundant living mussels on carbonate pavements; (b) dense accumulations of mussels (Bathymodiolus platifrons) and crabs (Shinkaia crosnieri); (c) bacterial maps surrounding gas bubble escape sites; and (d) a bubble emanating spot

图3 莫克兰地区活动冷泉(Bohrmann et al, 2008)

a. 碳酸盐岩上覆盖大量贻贝; b. 密集分布的冷泉贻贝和潜铠虾; c. 渗漏点附近的细菌席; d. 一个气体释放点位

Fig. 4 Geological record of cold seep activity in the Bay of Bengal.

(a) Large authigenic carbonate nodules of sediments (Collett et al, 2008); (b) mudstone concretion with gas flow conduit (chimney)( Joshi et al, 2014); (c) fragment of Calyptogena sp. shell external surfaces (Joshi et al, 2014); and (d) possible fossil chemosynthetic communities in sediments (Collett et al, 2008)

图4 孟加拉湾地区冷泉流体活动的地质记录

a. 沉积物中的碳酸盐岩结核(Collett et al, 2008); b. 烟囱状碳酸盐岩(Joshi et al, 2014); c. Calyptogena sp.壳体碎片(Joshi et al, 2014); d. 沉积物中可能的化能自养生物群落化石(Collett et al, 2008)

2 冷泉流体来源

确定冷泉流体来源是研究冷泉系统的重要内容之一。通过采集渗漏流体(主要是甲烷)并测试其碳同位素即可确定活动冷泉的碳源; 对于不活动冷泉则主要通过对沉积记录如冷泉沉积物或冷泉碳酸盐岩的研究来示踪(Peckmann et al, 2001)。
莫克兰地区广泛发育活动冷泉, 但迄今为止仍缺乏直接针对冷泉流体地球化学系统的研究。与孟加拉湾地区类似, 主要还是依靠冷泉碳酸盐岩的同位素地球化学测试间接示踪冷泉流体来源。莫克兰地区冷泉碳酸盐岩的#cod#x003b4;13C值介于-36.1#cod#x02030;至-54.6#cod#x02030;之间(von Rad et al, 1996; Himmler et al, 2015), 孟加拉湾地区冷泉碳酸盐岩#cod#x003b4;13C值介于-40.6#cod#x02030;至-52.4#cod#x02030;之间(Mazumdar et al, 2009; Kocherla et al, 2015)(图5), 表明莫克兰和孟加拉湾地区冷泉流体的碳源均以生物成因甲烷为主。
孟加拉湾地区除典型的冷泉碳酸盐岩之外还发育其他类型的自生碳酸盐岩, 它们具有显著正偏的碳同位素, 碳源主要是产甲烷作用残余的二氧化碳(Mazumdar et al, 2009; Teichert et al, 2014)。此外, 在多个站位发现有富含Fe的碳酸盐岩(#cod#x003b4;13C= -35.4~ +6.4#cod#x02030;), 它们的形成多与有机质的硫酸盐还原作用(organoclastic sulfate reduction, OSR)和产甲烷作用有关, 但极负的碳同位素值表明也有AOM作用参与(Kocherla et al, 2015)。
Fig. 5 Cold seep carbonates #cod#x003b4;13C, #cod#x003b4;18O (take Vienna Pee Dee Belemnite as a standard, abbreviated as VPDB) scatter plot of the northern Indian Ocean

(von Rad et al, 1996; Mazumdar et al, 2009; Himmler et al, 2015; Kocherla et al, 2015)

图5 北印度洋地区冷泉碳酸盐岩碳氧同位素散点图(以Vienna Pee Dee Belemnite为标准, 简写为VPDB)

引自von Rad et al, 1996; Mazumdar et al, 2009; Himmler et al, 2015; Kocherla et al, 2015

冷泉流体来源也可以通过冷泉碳酸盐岩的氧同位素组成来推断(例如Han et al, 2004; Teichert et al, 2005)。冷泉碳酸盐岩的氧同位素值通常与海水的氧同位素值接近, 但多个冷泉区发育的碳酸盐岩具有氧同位素值偏正的特征。莫克兰冷泉碳酸盐岩的#cod#x003b4;18O值为+1.2#cod#x02030;至+4.5#cod#x02030;(von Rad et al, 1996; Himmler et al, 2010, 2015), 氧同位素平衡计算表明莫克兰地区冷泉碳酸盐岩沉淀温度与当时底层海水温度近似。孟加拉湾自生碳酸盐岩#cod#x003b4;18O值的范围是+3.2#cod#x02030;至+5.4#cod#x02030;(Mazumdar et al, 2009; Kocherla et al, 2015), 明显高于底层水温平衡氧同位素计算值, 考虑到孟加拉湾有广泛的天然气水合物存在, 冷泉碳酸盐岩异常重的氧同位素组成很可能记录了水合物分解的信号。
与世界上其他地区相比, 莫克兰和孟加拉湾地区沉积了巨厚的富有机质陆源物质, 经微生物降解后易于形成生物成因甲烷, 因此冷泉碳酸盐岩碳同位素值反映两地冷泉流体来源相似且相对单一的特征; 同时, 一些冷泉碳酸盐岩偏重的氧同位素组成记录了天然气水合物分解的信息。整体看来, 北印度洋冷泉流体的这些特征与中国南海类似(Tong et al, 2013); 但与墨西哥湾地区冷泉流体差异显著, 墨西哥湾冷泉流体包含石油重烃类和卤水等复杂来源的信息, 其冷泉碳酸盐岩碳同位素值变化范围较大, 但负偏程度整体上不及北印度洋地区(Roberts et al, 2010)。

3 冷泉沉积环境

冷泉碳酸盐岩的形貌特征、矿物组合可以指示流体活动, 进而反映冷泉沉积环境(Haas et al, 2010; Tong et al, 2013)。莫克兰地区冷泉碳酸盐岩多呈块状或厚板状, 矿物成分以文石为主, 方解石和白云石含量次之(Himmler et al, 2010); 孟加拉湾地区冷泉碳酸盐岩主要埋藏在沉积物中, 形态多呈管状和小结核状, 矿物成分以高镁方解石为主(Collett et al, 2008)。形貌特征和矿物组成的巨大差异很可能是两个区域不同的流体渗漏强度导致的: 莫克兰地区相对高强度的甲烷渗漏使得碳酸盐岩能够在海底浅表层高硫酸根环境沉积, 碳酸盐岩矿物以文石为主; 孟加拉湾地区甲烷渗漏强度相对较弱, 碳酸盐岩在相对较深的地层中沉积, 这里硫酸根浓度较低, 更利于高镁方解石沉积。
莫克兰地区在最小含氧带(位于水深150~1100m范围内)内外均发育冷泉系统(Schmaljohann et al, 2001; Himmler et al, 2015), 含氧量的差异导致带内外冷泉系统的系统性差异。最小含氧带内较低的含氧量不利于宏体冷泉生物的发育, 微生物(细菌席)是主要的生物群落, 海底地貌荒凉, 类似于现代黑海环境。沉积物表面出现早期成岩相叠层状碳酸盐岩, Himmler等(2016)通过对这一特殊岩相碳酸盐岩的研究, 揭示了海底叠层状碳酸盐岩的形成与季风和潮汐作用的联系, 首次确定了由冷泉活动记录的大气与海底过程的新关系。最小含氧带之下海水氧含量升高, 化能自养的双壳、管状蠕虫和蟹类开始出现, 这与墨西哥湾和中国南海的情况类似, 沉积物表面之下发育两期均质和角砾状碳酸盐岩(图6, Himmler et al, 2015)。
天然气水合物的分解释放为孟加拉湾地区冷泉活动提供了物质来源, 但水合物较深的埋藏深度无法充分供给甲烷(Collett et al, 2008), 导致孟加拉湾地区冷泉活动强度较弱甚至趋于停止, 这与莫克兰地区冷泉发育情况存在巨大差异。莫克兰地区构造活动强烈, 沉积物中聚集的大量浅层气易沿着构造薄弱带上升(Ding et al, 2010), 向上运移的甲烷和海水硫酸盐的混合可以迅速在局部形成适宜生物和碳酸盐岩发育的冷泉环境, 因此在最小含氧带之下的正常海水氧含量区域, 莫克兰的冷泉发育情况类似于墨西哥湾。环境对生物种类的控制作用体现在最小含氧带之内, 虽然有着同样充足的物质供给, 但缺氧的环境抑制了宏体生物的发育, 这又类似于智利边缘、黑海和卡里亚科盆地(Boetius et al, 2013)。
Fig. 6 Photographs of carbonates and seafloor at seeps inside and outside of Makran oxygen minimum zone. After Himmler et al (2015)

图6 莫克兰最小含氧带内外的冷泉碳酸盐岩及海底照片(引自Himmler et al, 2015)

4 冷泉流体活动的触发机制

海底发育冷泉流体活动从根本上说是由于海底地层局部存在压力差, 流体沿着压力梯度减小的方向运移的结果。被动大陆边缘显著的重力加载和主动大陆边缘活跃的构造活动是压力聚集、导致海底冷泉形成的主要方式(Boetius et al, 2013)。前人的研究明确指出在莫克兰地区存在一种新的触发冷泉流体活动的方式#cod#x02014;#cod#x02014;地震活动导致冷泉区流体活动(Fischer et al, 2013): 1945年在莫克兰地区发生了此地有记录以来的最大地震, 地震活动加剧了冷泉流体(甲烷)向海底的运移, 导致硫酸盐-甲烷转换界面迁移到较浅深度, 在AOM作用下, 硫酸盐的消耗导致硫酸盐亏损带内重晶石溶解, 成岩Ba含量增加, 结合数值模拟, 以1945年作为初始年份, 最终得到的结果与2007年采样得到的实测值完全一致(图7)。这种新的成因机制极大地丰富了对冷泉流体活动触发机制的认识(Fischer et al, 2013)。
冷泉碳酸盐岩年代学研究可以确定冷泉活动时间, 因而是确定冷泉流体活动触发机制最直接且行之有效的手段(Bayon et al, 2009; Feng et al, 2010)。孟加拉湾目前已获得的自生碳酸盐岩年龄范围在距今42.7~53.0ka(Mazumdar et al, 2009; Teichert et al, 2014)。已有的研究认为驱动K-G盆地冷泉流体活动的机制可能有两种: 1)页岩构造驱动的底辟形成断裂/断层区, 控制渗漏通道(Dewangan et al, 2010); 2)低海平面时期天然气水合物储层失稳, 造成的甲烷渗漏(Teichert et al, 2014)。
Dewangan等(2010)根据地球物理、地球化学和生物学证据建立了K-G近海盆地天然气水合物形成分解、流体运移的地质模型, 认为由于中新世的页岩底辟形成了流体上移的通道, 甲烷沿着断层通道运移, 在靠近断层的地方形成了局部的高气体饱和度。然而, Teichert等(2014)认为页岩底辟构造只可能对甲烷喷发产生局部影响, 而K-G盆地沉积物中大范围自生碳酸盐岩#cod#x0201c;孪生层#cod#x0201d;(在不同层位发育同样的自生碳酸盐岩)的出现更有可能是一次较强的甲烷喷发事件所导致的。自生碳酸盐岩年龄(42.7~ 53ka)正好处于低海平面时期(Bassinot et al, 1994), 海平面比现今要低100m, 上覆压力的变化导致深部沉积物中天然气水合物分解, 增强了甲烷向浅部运移的能力, 触发了冷泉流体活动。
Fig. 7 Pattern diagrams of cold seep activity triggered by earthquake.

(a) Seabed model of pre-event; (b) seabed model of post-event; and (c) diagenetic Ba content and sulfate concentration of surface sediments. Dashed line represents pre-event, and solid line denotes post-event.After Fischer et al (2013)

图7 地震触发冷泉流体活动模式图

a. 震前; b. 震后; c. 地震前(虚线)后(实线)表层沉积物成岩Ba含量(红色)和硫酸根浓度(蓝色)(Fischer et al, 2013)

5 小结

北印度洋欧亚大陆边缘的沉积和构造条件对于冷泉流体活动的发育十分有利。北印度洋冷泉流体的碳源主要来自生物成因甲烷, 其中孟加拉湾地区碳酸盐岩记录了水合物分解流体参与的信息。莫克兰地区最小含氧带内外均发育冷泉活动, 对比研究表明冷泉生态系统和碳酸盐岩的差异主要受氧含量的影响: 带内低氧含量不利于宏体冷泉生物的发育, 碳酸盐岩呈扁平状且矿物成分单一, 研究人员通过叠层状的碳酸盐岩首次建立了深海冷泉活动过程与季风和潮汐作用等大气过程之间的联系; 带外正常氧含量有利于生物繁盛, 碳酸盐岩多期次发育且矿物成分多样。莫克兰地区记录了世界上第一例确定的由地震引发的冷泉流体活动, 极大地拓展了对冷泉成因机制的认识。
目前北印度洋海底冷泉流体活动研究主要存在以下几个方面急需解决的问题: 1)活动冷泉区宏体生物和浅表层沉积物中的孔隙流体等能快速响应冷泉活动, 是正在进行的生物地球化学过程的理想记录者, 但与世界上其他典型冷泉区相比, 北印度洋这方面的研究非常薄弱; 2)冷泉沉积物可同时记录环境信息和冷泉信息, 北印度洋发育的巨厚沉积层在研究这一问题上拥有得天独厚的优势, 加强这方面的研究有望进一步揭示冷泉流体活动在全球变化背景下扮演的角色; 3)北印度洋莫克兰和孟加拉湾之外如红海、马尔代夫海域以及苏门答腊海等广泛发育冷泉流体活动且各具特色, 其中红海的冷泉渗漏是在印度洋首次发现的卤水渗漏, 马尔代夫海域存在较大的麻坑区, 对它们的研究需进一步深入。

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