【官网登录】地球与空间科学学院沈冰课题组在

2018年12月3日, 《自然-通讯》在线发表了地球科学与工程学院胡文瑄教授课题组在含油气盆地烃类演化领域取得的突破性进展, 题目为“Thermochemical oxidation of methane induced by high-valence metal oxides in a sedimentary basin” (Nature Communications, 2018, 9: 5131)。

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该成果由课题组6位成员合作完成, 包括胡文瑄、康逊、曹剑、王小林、吴海光和傅斌。其中, 胡文瑄教授和康逊博士为论文共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金(41830425, 41230312, 41573054)、中央高校基本科研业务项目(020614380056)以及南京大学优秀博士研究生创新能力提升计划项目(201701B023)的资助。

“臼齿构造(Molar Tooth Structure)”是指在距今约25-7.5亿年前的元古代地层中广泛发育一种特殊的碳酸盐岩沉积构造,其形似“臼齿”,并且由等粒微亮晶方解石充填。“臼齿”碳酸盐岩因其极为独特的形态特征、以及谜一样的方解石的填充机制引起了沉积学家的广泛兴趣,更为有趣的是,它消失的时间与地球的一系列强烈变更—大气的氧化、全球冰期和动物的出现等相对应,它们之间是否存在必然联系尚不得而知。近百年来,“臼齿构造”的成因机制和地质意义一直是众多地质学家关注的焦点问题。

图1. 沉积盆地高价铁/锰氧化物诱发的甲烷热氧化模式示意图

                     铁化海洋模型                       硫化海洋模型

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北京大学地球与空间科学学院、北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室沈冰、董琳课题组近期在“臼齿”碳酸盐岩问题的研究方面取得重要进展,相关研究成果于2016年1月7日发表于Nature Communication,论文题目为“Molar tooth carbonates and benthic methane fluxes in Proterozoic oceans官网登录,”(DOI:10.1038/NCOMMS10317)。该研究通过对吉林省南部的早新元古代万隆组地层中的“臼齿”碳酸盐的镁、硫同位素进行测试分析,结果表明,“臼齿”碳酸盐岩形成于海底沉积物中的“硫还原–甲烷生成”重叠带上。在该重叠带缺氧条件下,甲烷气体源源不断大量产生并且释放到海洋里,随着压力的增大,致使尚未固结完全的沉积物产生裂隙,为微亮晶方解石提供了容纳空间;同时甲烷气体产生的一系列反应导致了沉积物中孔隙水的pH值升高,促进了方解石的析出。

胡文瑄教授课题组选择了准噶尔盆地深埋条件下含有红层的砂砾岩油气储层进行探索性研究, 观察到可能是甲烷氧化产物的次生方解石。在此基础上, 研究团队综合应用多种现代化研究手段, 包括高精度二次离子探针分析等, 发现来自于深层烃源岩的甲烷在90至135 °C被高价锰/铁氧化物热氧化, 释放出13C极度亏损的CO2和可溶的Mn2+和Fe2+。在偏碱性条件下, 生成的CO2与长石溶解释放的Ca2+结合沉淀为次生方解石。该方解石具有极低的δ13C值(−70至−22.5 ‰, VPDB)和显著富锰(MnO均值为5 wt %)的特点。在研究区, 评估约有12.24亿吨的甲烷被氧化。甲烷的这一热氧化机制,一方面可以解释一些陆相含红层盆地天然气聚集偏少的原因,另一方面也可能是地壳深部CH4- CO2相互转化和发生碳汇的重要机制。

此项研究不仅解释了“臼齿”碳酸盐岩的形成机制,同时对元古代的海洋、大气环境以及全球冰期的产生具有重要的指示意义。研究表明,元古代海洋的广泛硫化使得当时海洋沉积物具有与显生宙完全不同的地球化学结构,即硫还原带与甲烷生成带完全重叠;两带重合使海底甲烷的大量释放成为可能,这意味着除去众所周知的温室气体CO2,甲烷极有可能是元古代大气温室气体的另一个重要来源;距今约7.5亿年前的大气氧化则阻止了海底甲烷的进一步释放,从而直接诱发了随之而来的全球冰期,即“雪球地球”。

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