海洋沉积物中早期成岩作用地球化学研究进展

吴雪停; 刘丽华; 吴能友; 程家望

doi:10.16028/j.1009-2722.2015.12003

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海洋沉积物中早期成岩作用地球化学研究进展

吴雪停, 刘丽华, 吴能友, 程家望

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吴雪停, 刘丽华, 吴能友, 程家望. 海洋沉积物中早期成岩作用地球化学研究进展[J]. 海洋地质前沿, 2015, 31(12): 17-26. doi: 10.16028/j.1009-2722.2015.12003

引用本文:

吴雪停, 刘丽华, 吴能友, 程家望. 海洋沉积物中早期成岩作用地球化学研究进展[J]. 海洋地质前沿, 2015, 31(12): 17-26. doi: 10.16028/j.1009-2722.2015.12003

WU Xueting, LIU Lihua, WU Nengyou, CHENG Jiawang. GEOCHEMISTRY OF EARLY DIAGENESIS IN MARINE SEDIMENTS: RESEARCH PROGRESS[J]. Marine Geology Frontiers, 2015, 31(12): 17-26. doi: 10.16028/j.1009-2722.2015.12003

Citation:

WU Xueting, LIU Lihua, WU Nengyou, CHENG Jiawang. GEOCHEMISTRY OF EARLY DIAGENESIS IN MARINE SEDIMENTS: RESEARCH PROGRESS[J]. Marine Geology Frontiers, 2015, 31(12): 17-26. doi: 10.16028/j.1009-2722.2015.12003

海洋沉积物中早期成岩作用地球化学研究进展

doi: 10.16028/j.1009-2722.2015.12003

吴雪停^1,2,
刘丽华^1, ,,
吴能友³,
程家望^1,2

1 中国科学院天然气水合物重点实验室, 中国科学院广州能源研究所, 广州 510640;
2 中国科学院大学, 北京 100049;
3 中国地质调查局青岛海洋地质研究所, 青岛 266071

基金项目:

中国科学院对外合作重点项目(GJHZ1404)

国家自然科学基金面上项目(41376076)

广东省基金自由申请项目(2015A030313718)

详细信息

作者简介:
吴雪停(1989-),女,在读硕士,主要从事海洋沉积物早期沉积作用研究工作.E-mail:wuxt@ms.giec.ac.cn

通讯作者:
刘丽华(1968-),女,副研究员,主要从事天然气水合物、环境地球化学、地球化学的数值模拟和实验模拟研究工作.E-mail:liulh@ms.giec.ac.cn

中图分类号: P736.21;P591

GEOCHEMISTRY OF EARLY DIAGENESIS IN MARINE SEDIMENTS: RESEARCH PROGRESS

1 Key Laboratory of Gas Hydrate, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3 Qingdao Institute of Marine Geology, China Geological Survey, Qingdao 266071, China

摘要: 海洋沉积物中早期成岩作用过程以有机质降解为基础。按照反应自由能大小,有机质依次被O₂、NO₃^-、Mn⁴⁺、Fe³⁺、SO₄^2-氧化,在产甲烷菌作用下发生产甲烷作用,形成大量生物成因甲烷,这是海洋沉积物中甲烷主要来源之一。甲烷气体在向上运移过程中既可在水合物稳定带中与水分子结合形成水合物,游离态和溶解甲烷也可以在硫酸盐还原菌和甲烷菌联合作用下发生甲烷厌氧氧化作用,并与沉积物中的Ca²⁺、Fe²⁺结合,形成碳酸盐岩和黄铁矿等自生矿物。这一系列过程埋藏了大量甲烷(碳),成为重要的碳汇。早期成岩作用的各种反应机制,特别是沉积环境因素的影响及其产生的阳离子同位素分馏仍是未来的重点研究方向。通过大量的文献调研,概括了早期成岩作用过程中有机质降解及甲烷厌氧氧化作用的反应机理,黄铁矿、碳酸盐岩等自生矿物的形成机理以及同位素分馏特征等地球化学研究进展,并提出了未来重点研究的方向的建议。
- 早期成岩作用 /
- 产甲烷作用 /
- 硫酸盐还原作用 /
- 甲烷厌氧氧化作用 /
- 自生矿物 /
- 同位素分馏
Abstract: The research progress of the reaction mechanisms of organic matter degradation, the anaerobic oxidation of methane (AOM), the formation mechanisms of authigenic minerals and the isotope fractionation were summarized in this paper. Organic matter drives the early diagenesis. Marine organic matter could be oxidized by the oxidants and yield higher or lower free energy change per mol of organic carbon oxidized. According to the change in free energy the utilization of oxidants is in the order of O₂, NO₃^-, Mn⁴⁺, Fe³⁺, SO₄^2- and followed by methanogenesis. Microorganisms are the primary catalysts for the methanogenesis and methane is produced in methanogenic zone. Upwardfluid transports methane from deeper layers into the near-surface sediments. Methane encountering downward diffusing sulfate is oxidized by a microbial consortium. Authigenic minerals (e.g. authigenic carbonates and pyrite) precipitate due to release of bicarbonate and hydrogen sulfide during the anaerobic oxidation of methane(AOM). Plenty of carbon deposits in the deep sediments during above geochemical processes. These processes make the marine sediments to be a crucial carbon pool. Various reaction mechanisms during the early diagenesis, especially the effect of sedimentary environment on the degradation of organic matter and cation isotope fractionation, are the focus of future research.
- early diagenesis /
- methanogenesis /
- sulfate reduction /
- anaerobic oxidation of methane /
- authigenic minerals /
- lsotope fractionation

[1]	周渝程, 曹红, 耿威, 刘晨晖, 张喜林, 翟滨, 张现荣, 陈烨, 吕泰衡, 曹又文, 张栋, 闫大伟, 孙治雷. 海底冷泉系统氧化还原环境重建方法研究进展 . 海洋地质前沿, 2023, 39(10): 1-13. doi: 10.16028/j.1009-2722.2022.169
[2]	高琛, 胡梦茜, 吴自军. 三亚湾海滩黑化形成机制：铁氧化物与有机质的相互作用 . 海洋地质前沿, 2022, 38(8): 28-36. doi: 10.16028/j.1009-2722.2021.115
[3]	杨庆坤, 刘勇, 张小亮, 李海龙. 浙江江山宁国组热水沉积事件的岩石地球化学及碳氧同位素证据 . 海洋地质前沿, 2022, 38(1): 24-32. doi: 10.16028/j.1009-2722.2021.197
[4]	廖晋, 罗钧升, 宋鹏, 陆江, 张金锋. 琼东南盆地气烟囱发育特征、成因类型及对水合物成藏的控制作用 . 海洋地质前沿, 2021, 37(7): 33-42. doi: 10.16028/j.1009-2722.2021.119
[5]	许红, 张海洋, 李绪深, 沈江远, 马骁, 付和平, 张道军, 苏大鹏, 闫桂京, 董刚, 刘新宇, 闫琢玉. 西永2井铁白云岩Fe同位素地球化学性质及特征 . 海洋地质前沿, 2021, 37(6): 1-7. doi: 10.16028/j.1009-2722.2021.002
[6]	吴佳庆, 刘刚, 韩孝辉, 赵彦彦, 魏浩天, 杨俊. 珊瑚礁的成岩作用:来自南海永兴岛珊瑚礁的原位地球化学研究 . 海洋地质前沿, 2021, 37(1): 31-44. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.006
[7]	李雅雯, 王兴志, 展燕, 杨西燕, 黄荟文, 杜垚, 霍飞. 埋藏条件下碳酸盐岩储层溶蚀作用实验模拟——以鄂尔多斯盆地西缘奥陶系碳为例 . 海洋地质前沿, 2020, 36(2): 43-52. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.047
[8]	史同强, 许红, 张海洋, 李旭平, 张威威. Fe同位素研究现状及其在西沙群岛铁白云岩研究中的应用 . 海洋地质前沿, 2018, 34(6): 50-55. doi: 10.16028/j.1009-2722.2018.06007
[9]	贾屾. 肯尼亚北部裂谷盆地类型和演化及其对烃源岩的控制作用 . 海洋地质前沿, 2017, 33(2): 26-34. doi: 10.16028/j.1009-2722.2017.02003
[10]	张鹏辉, 陈建文, 梁杰, 龚建明, 袁勇, 董刚, 张银国. 南黄海盆地海相储层成岩作用与储层发育特征 . 海洋地质前沿, 2016, 32(1): 35-42. doi: 10.16028/j.1009-2722.2016.01006
[11]	张海洋, 许红, 赵新伟, 卢树参, 王修齐, 张威威. 西永2井中新世白云岩储层特征及成岩作用 . 海洋地质前沿, 2016, 32(3): 41-47. doi: 10.16028/j.1009-2722.2016.03006
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[13]	李顺, 张江勇, 钟和贤, 高红芳, 陈炽新, 庄畅. 南海北部陆坡ZSQD196PC柱状样末次间冰期以来的古海洋学记录:氧同位素、有孔虫和硅藻 . 海洋地质前沿, 2013, 29(11): 32-38.
[14]	王楠, 徐永臣, 宋玉鹏, 朱龙海, 胡日军. 冲刷作用下桩基承载能力分析 . 海洋地质前沿, 2013, 29(9): 54-58.
[15]	仇建东, 刘健, 白伟明. 深海氧同位素第3阶段古气候—海平面变化研究进展 . 海洋地质前沿, 2012, 28(11): 12-16.
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[17]	肖军, 贺茂勇, 肖应凯, 金章东. 硼同位素地球化学应用研究进展 . 海洋地质前沿, 2012, 28(9): 20-33.
[18]	王强, 王应斌, 张友. 北黄海中生代残留盆地砂岩成岩作用及其对孔隙的影响 . 海洋地质前沿, 2011, 27(8): 16-25.
[19]	胡作维, 黄思静, 张超, 郎咸国, 周桦. 碳酸盐白云化作用模式研究进展 . 海洋地质前沿, 2011, 27(10): 1-13.
[20]	李清, 王家生, 蔡峰, 陈祈, 胡高伟. 天然气水合物系统多幕次甲烷渗漏作用的底栖有孔虫同位素响应——以IODP 311航次为例 . 海洋地质前沿, 2011, 27(6): 29-36.

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海洋沉积物中早期成岩作用地球化学研究进展

doi: 10.16028/j.1009-2722.2015.12003

1 中国科学院天然气水合物重点实验室, 中国科学院广州能源研究所, 广州 510640;

2 中国科学院大学, 北京 100049;

3 中国地质调查局青岛海洋地质研究所, 青岛 266071

基金项目:

中国科学院对外合作重点项目(GJHZ1404)

国家自然科学基金面上项目(41376076)

广东省基金自由申请项目(2015A030313718)

作者简介:
吴雪停(1989-),女,在读硕士,主要从事海洋沉积物早期沉积作用研究工作.E-mail:wuxt@ms.giec.ac.cn

通讯作者: 刘丽华(1968-),女,副研究员,主要从事天然气水合物、环境地球化学、地球化学的数值模拟和实验模拟研究工作.E-mail:liulh@ms.giec.ac.cn

收稿日期: 2015-09-16

中图分类号: P736.21;P591

关键词:

摘要: 海洋沉积物中早期成岩作用过程以有机质降解为基础。按照反应自由能大小,有机质依次被O₂、NO₃^-、Mn⁴⁺、Fe³⁺、SO₄^2-氧化,在产甲烷菌作用下发生产甲烷作用,形成大量生物成因甲烷,这是海洋沉积物中甲烷主要来源之一。甲烷气体在向上运移过程中既可在水合物稳定带中与水分子结合形成水合物,游离态和溶解甲烷也可以在硫酸盐还原菌和甲烷菌联合作用下发生甲烷厌氧氧化作用,并与沉积物中的Ca²⁺、Fe²⁺结合,形成碳酸盐岩和黄铁矿等自生矿物。这一系列过程埋藏了大量甲烷(碳),成为重要的碳汇。早期成岩作用的各种反应机制,特别是沉积环境因素的影响及其产生的阳离子同位素分馏仍是未来的重点研究方向。通过大量的文献调研,概括了早期成岩作用过程中有机质降解及甲烷厌氧氧化作用的反应机理,黄铁矿、碳酸盐岩等自生矿物的形成机理以及同位素分馏特征等地球化学研究进展,并提出了未来重点研究的方向的建议。

English Abstract

GEOCHEMISTRY OF EARLY DIAGENESIS IN MARINE SEDIMENTS: RESEARCH PROGRESS

1 Key Laboratory of Gas Hydrate, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;

2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;

3 Qingdao Institute of Marine Geology, China Geological Survey, Qingdao 266071, China

Received Date: 2015-09-16

Keywords:

Abstract: The research progress of the reaction mechanisms of organic matter degradation, the anaerobic oxidation of methane (AOM), the formation mechanisms of authigenic minerals and the isotope fractionation were summarized in this paper. Organic matter drives the early diagenesis. Marine organic matter could be oxidized by the oxidants and yield higher or lower free energy change per mol of organic carbon oxidized. According to the change in free energy the utilization of oxidants is in the order of O₂, NO₃^-, Mn⁴⁺, Fe³⁺, SO₄^2- and followed by methanogenesis. Microorganisms are the primary catalysts for the methanogenesis and methane is produced in methanogenic zone. Upwardfluid transports methane from deeper layers into the near-surface sediments. Methane encountering downward diffusing sulfate is oxidized by a microbial consortium. Authigenic minerals (e.g. authigenic carbonates and pyrite) precipitate due to release of bicarbonate and hydrogen sulfide during the anaerobic oxidation of methane(AOM). Plenty of carbon deposits in the deep sediments during above geochemical processes. These processes make the marine sediments to be a crucial carbon pool. Various reaction mechanisms during the early diagenesis, especially the effect of sedimentary environment on the degradation of organic matter and cation isotope fractionation, are the focus of future research.

吴雪停, 刘丽华, 吴能友, 程家望. 海洋沉积物中早期成岩作用地球化学研究进展[J]. 海洋地质前沿, 2015, 31(12): 17-26. doi: 10.16028/j.1009-2722.2015.12003

引用本文:

吴雪停, 刘丽华, 吴能友, 程家望. 海洋沉积物中早期成岩作用地球化学研究进展[J]. 海洋地质前沿, 2015, 31(12): 17-26. doi: 10.16028/j.1009-2722.2015.12003

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作者简介:
吴雪停(1989-),女,在读硕士,主要从事海洋沉积物早期沉积作用研究工作.E-mail:wuxt@ms.giec.ac.cn

通讯作者:
刘丽华(1968-),女,副研究员,主要从事天然气水合物、环境地球化学、地球化学的数值模拟和实验模拟研究工作.E-mail:liulh@ms.giec.ac.cn

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海洋沉积物中早期成岩作用地球化学研究进展

doi: 10.16028/j.1009-2722.2015.12003

1 中国科学院天然气水合物重点实验室, 中国科学院广州能源研究所, 广州 510640;

2 中国科学院大学, 北京 100049;

3 中国地质调查局青岛海洋地质研究所, 青岛 266071

作者简介:
吴雪停(1989-),女,在读硕士,主要从事海洋沉积物早期沉积作用研究工作.E-mail:wuxt@ms.giec.ac.cn

通讯作者: 刘丽华(1968-),女,副研究员,主要从事天然气水合物、环境地球化学、地球化学的数值模拟和实验模拟研究工作.E-mail:liulh@ms.giec.ac.cn

English Abstract

GEOCHEMISTRY OF EARLY DIAGENESIS IN MARINE SEDIMENTS: RESEARCH PROGRESS

1 Key Laboratory of Gas Hydrate, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;

2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;

3 Qingdao Institute of Marine Geology, China Geological Survey, Qingdao 266071, China

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作者简介: 吴雪停(1989-),女,在读硕士,主要从事海洋沉积物早期沉积作用研究工作.E-mail:wuxt@ms.giec.ac.cn

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doi: 10.16028/j.1009-2722.2015.12003

1 中国科学院天然气水合物重点实验室, 中国科学院广州能源研究所, 广州 510640; 2 中国科学院大学, 北京 100049; 3 中国地质调查局青岛海洋地质研究所, 青岛 266071

作者简介: 吴雪停(1989-),女,在读硕士,主要从事海洋沉积物早期沉积作用研究工作.E-mail:wuxt@ms.giec.ac.cn

通讯作者: 刘丽华(1968-),女,副研究员,主要从事天然气水合物、环境地球化学、地球化学的数值模拟和实验模拟研究工作.E-mail:liulh@ms.giec.ac.cn

English Abstract

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1 Key Laboratory of Gas Hydrate, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 Qingdao Institute of Marine Geology, China Geological Survey, Qingdao 266071, China

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吴雪停(1989-),女,在读硕士,主要从事海洋沉积物早期沉积作用研究工作.E-mail:wuxt@ms.giec.ac.cn

通讯作者:
刘丽华(1968-),女,副研究员,主要从事天然气水合物、环境地球化学、地球化学的数值模拟和实验模拟研究工作.E-mail:liulh@ms.giec.ac.cn

1 中国科学院天然气水合物重点实验室, 中国科学院广州能源研究所, 广州 510640;

2 中国科学院大学, 北京 100049;

3 中国地质调查局青岛海洋地质研究所, 青岛 266071

作者简介:
吴雪停(1989-),女,在读硕士,主要从事海洋沉积物早期沉积作用研究工作.E-mail:wuxt@ms.giec.ac.cn

1 Key Laboratory of Gas Hydrate, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;

2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;

3 Qingdao Institute of Marine Geology, China Geological Survey, Qingdao 266071, China