甲烷厌氧氧化作用:来自珠江口淇澳岛海岸带沉积物间隙水的地球化学证据

对珠江口淇澳岛海岸带沉积物间隙水中甲烷、硫酸盐、CH4-δ ¹³C和SCO2-δ ¹³C的地球化学参数垂直剖面特征的研究结果显示: 甲烷浓度梯度在硫酸盐还原带底部急剧增大, 而间隙水硫酸盐浓度随深度呈线性降低; 在硫酸盐-甲烷转换带(SMT)中, 甲烷碳同位素逐渐变重, 并引起间隙水SCO₂-δ ¹³C值变为极负.间隙水地球化学参数的变化特征提供了该区域沉积物中存在AOM作用的证据.根据数学模型计算出的三个站位甲烷厌氧氧化速率和硫酸盐还原速率, 可知AOM消耗的硫酸盐占总硫酸盐损耗的比例分别为9.0%, 84%和45.5%, 对应的AOM产生的ΣCO₂占总CO₂的比例分别为4.7%, 72.4%和29.45%.有机质的输入量的大小影响沉积物底部甲烷浓度、扩散通量及SMT分布.较高的有机质输入量一方面有利于加速间隙水硫酸盐通过有机质矿化分解作用损耗, 另一方面引起进入SMT的甲烷扩散通量增大, 使得AOM过程硫酸盐的消耗量相应增大, 结果造成SMT向沉积物表层上移.     

贵州红枫湖沉积物中有机质的降解与微生物作用

对红枫湖沉积物中有机碳, 孔隙水中的SO₄^2−, 以及沉积物中的DNA和类脂化合物的分布进行了研究. 红枫湖沉积物有机碳的含量(23.3~76.8 mg·g^−1)从上到下呈下降趋势, 0~8 cm含量最高. 沉积物孔隙水中SO₄^2−含量为0.89~40.50 mg·L^−1, 表层4 cm深度内迅速下降至12 mg·L^−1, 4 cm后基本不变. 硫酸盐还原指数代表硫酸盐还原细菌对硫酸盐的还原强度, 表征SO₄^2−作为一种电子受体在有机质降解过程中被利用的程度. 对硫酸盐还原指数SRI的计算表明有机质保留年限为14年, 与孔隙水中SO₄^2−含量相对应. 沉积物中微生物的总DNA凝胶图像显示, DNA在0~9 cm含量相对较高, 9 cm后相对较低, 与有机碳的变化规律和SRI值一致, 表明微生物在湖泊沉积物有机质降解过程中发挥了重要作用; 缺氧条件下, SO₄^2−是重要的电子受体被微生物利用; 沉积物中微生物的总DNA分析为分子生物地球化学研究能为湖泊营养元素循环及湖泊富营养盐化的研究提供重要手段.     

陡山沱期古海水的硫和碳同位素变化

利用从碳酸盐岩中提取微量硫酸盐的方法, 实现了扬子地区陡山沱组海相碳酸盐岩地层连续的硫和碳同位素组成测定. 未受成岩作用改造的同一样品的硫和碳同位素分析结果能够同时给出扬子地区陡山沱期古海水的硫和碳同位素组成. 获得的高分辨率陡山沱期硫酸盐的硫同位素年代曲线可能反映了“雪球地球”事件之后全球古海洋的硫同位素变化趋势, 它与同时期的碳同位素年代曲线变化相似. 陡山沱期早期古海水的δ³⁴S值出现超过20‰的正漂移, 同期δ¹³C值也出现高达10‰的正漂移, 使古海水的δ³⁴S值和δ¹³C值分别达到+46.4‰和+6.9‰的高值. 在陡山沱期中期古海水的δ³⁴S值的变化幅度相对较小, 对应于较高的δ¹³C值. 随后, 古海水的δ³⁴S值呈现较强烈的振荡, δ¹³C值也有类似表现. 在陡山沱期末期海水的硫和碳同位素都出现了大幅度的负漂移, δ值分别降到-10.1‰和-5.7‰. 扬子地区陡山沱期古海水的硫和碳同位素组成与变化意味着南沱冰期之后的海洋环境发生了急剧变化, 环境十分有利于生物繁衍与活动, 那时的生物产率和有机碳埋藏速率曾达到很高的水平. 不过, “雪球地球”之后的环境并不稳定, 全球的气候与环境可能都曾发生过波动与反复. 发生在陡山沱末期海水的硫和碳同位素的负漂移是一次全球性事件, 可能与深部海水氧化有关.     

甲烷渗漏构造、水合物分解释放与新元古代冰后期盖帽碳酸盐岩

甲烷水合物是地球沉积圈最大的可交换碳储库, 在全球变暖和海平面变化期将大规模分解释放, 对全球气候和环境产生重大影响. 新元古代极端寒冷的冰期之末可能发生了地史上最大的甲烷水合物分解释放事件. Marinoan冰后期(约635 Ma)盖帽碳酸盐岩中广布的甲烷渗漏构造、特殊的同位素标识、低硫酸盐浓度、海相重晶石沉积以及短暂而显著的碳同位素负漂(δ ¹³C≤−5‰)提供了新元古代晚期冰川消融和海进过程中甲烷释放的有力证据. 甲烷释放可能导致了全球变暖, 促进了全球冰川迅速融化; 而甲烷氧化导致的海洋缺氧和大气含氧量波动可能是新元古代末后生动物演化的重要环境驱动因素. 该事件有待进一步研究的问题包括: 甲烷水合物分解释放的诱发因素、甲烷最初释放与海洋缺氧事件发生的时间及其与生物演化之间的关系、反映甲烷氧化的地球化学信号、盖帽碳酸盐岩的区域和全球等时性等. 华南陡山沱组底部的盖帽碳酸盐岩提供了研究这些问题的良好实例.     

墨西哥湾沉积物中PMID系列生物标记物及其碳同位素组成

在墨西哥湾海底沉积物中检测到一组含有1~5个不饱和双键、不规则2,6,10,15,19-五甲基二十烯烃(PMIΔ)系列化合物, 其在色谱图上分布在nC₂₂ ~ nC₂₄之间. 这些化合物具有极负的碳同位素组成, δ ¹³C比值在−86.7‰ ~ −115.5‰之间, 而与其伴生的正构烷烃化合物碳同位素比值在−28.4‰ ~ −34.6‰之间. 这些化合物是海底甲烷古细菌厌氧氧化活动所产生的特征生物标志物, 指示着海底存在天然气渗漏或有天然气水合物的产出.     

四川盆地威远气田硫化氢的成因及其证据

威远震旦系灯影组气藏是我国发现的储层最古老的大型整装含硫气田, H₂S含量在0.8%~1.4%; 近期在灯影组上部新发现的寒武系洗象池组气藏也普遍含H₂S, 天然气的地球化学特征与灯影组相似, 但H₂S的硫同位素却存在差异. 气藏解剖发现震旦系和寒武系气藏虽不属于同一气藏, 但是气源都是来自寒武系. 天然气较高的干燥系数、烃类较重的碳同位素值、硫化物的硫同位素值以及气藏的低充满度、地层水特征、储层性质与H₂S的分布关系等证据表明, 威远气田震旦系和寒武系气藏的H₂S属于TSR成因. 硫酸盐的硫同位素分析表明, H₂S形成于各自的储层中, 即烃类充注到气藏后分别与震旦系灯影组和寒武系洗象池组的石膏发生硫酸盐热化学反应(TSR)形成H₂S. 灯影组气藏H₂S比该层硫酸盐的δ³⁴S偏轻8‰左右, 而洗象池组气藏H2S比该层硫酸盐的δ³⁴S偏轻12‰左右, 这与各储层TSR发生的温度差异有关, 寒武系洗象池组储层温度始终比震旦系灯影组温度偏低40℃左右, 温度在TSR过程中对硫同位素的分馏和H₂S的生成量具有控制作用.     

中国多金属结核合同区近表层沉积物生物扰动作用的过剩210Pb证据

为了对东北热带太平洋中国多金属结核合同区沉积物的生物扰动作用进行研究, 采用Ortec HPGe GWL series高纯锗低本底γ能谱仪井型探测器, 对“大洋一号”1998年环境航次采集的多管岩芯沉积物样品进行过剩²¹⁰Pb测试. 利用稳定态生物扩散模型对过剩²¹⁰Pb剖面进行分析表明, 合同区东区沉积物生物扰动的混合深度为16 cm, 扩散系数为2.75 cm²/a; 西区的混合深度为6 cm, 扩散系数为0.26 cm²/a. 沉积物中大型底栖动物和有机碳(TOC)的分析结果进一步揭示, 合同区沉积物的生物扰动作用受到多毛类等底栖动物类群和丰度的直接控制, 生物扰动作用的增强与有机质含量的增高密切相关.     

陨星体的中子俘获效应和大气层前的半径

在一些陨石中观察到由次级宇宙射线产生的中子效应, 即由⁷⁹Br和⁸¹Br俘获次级中子产生的⁸⁰Kr和⁸²Kr过剩. 根据⁷⁹Br(n, gb)⁸⁰Kr, ⁸¹Br(n, gb)⁸²Kr及²⁴Mg(n,a)²¹Ne反应, 分别导出超热中子通量 (J_n (30 ~300 eV))和快中子通量(J_n ( > 5 MeV)). 对中国的一些降落型普通球粒陨石的宇宙成因稀有气体分析发现, 这些陨石的超热中子(30 ~ 300 eV, 来自80Kr_n)与快中子(>5 MeV, 来自21Ne)的通量比值随J_n(30 ~ 300 eV)值增高而增大, 表明它们在进入大气层前具有较大的质量, 并有相当一部分次级中子慢化为超热中子. 根据Jn(30 ~ 300 eV)/J_n (> 5 MeV)值与陨星体大小的函数关系, 估算陨星体进入大气层前的最小半径和最小质量, 计算结果为: 肇东球粒陨石 60 cm, 3200 kg; 老城镇 32 cm, 490 kg; 随州 31 cm, 450 kg; 西乌珠穆沁22 cm, 160 kg; 东台 21 cm, 140 kg.     

沉积物的单体异构和环烷烃碳同位素研究

对抚顺油页岩中异构和环烷烃进行了分离, 研究了单体碳同位素组成特征, 探讨了其生物地球化学意义. 结果表明, 使用5Å分子筛长时间冷络合的方法, 使其饱和烃中异构和环烷烃与正构烷烃完全分离, 满足了GC-IRMS的分析要求. 异构和环烷烃单体碳同位素组成指示了它们主要来自养光合藻类、化学自养细菌(δ¹³C值为−33.4‰~−39.0‰)和甲烷自养细菌(δ¹³C值为−38.4‰~−46.3‰), 只有高碳数2-甲基-异构烷烃δ¹³C值反映了高等植物的成因. C₃₀ 4-甲基甾烷碳同位素组成最重(δ¹³C值为−22.4‰), 表明其先质甲藻所利用的碳源或生长条件有所不同. 藿烷异构体之间δ¹³C值的变化规律说明它们异构化过程中富集¹³C的先质优先被异构化. 对甲烷自养细菌成因藿烷的认识揭示了有机质的生物地球化学强烈改造作用和有机碳的循环过程.     

南海台西南盆地自生管状黄铁矿中纳米级石墨碳的发现及其对天然气水合物的示踪意义

海底天然气水合物是十分重要的能源矿产, 目前主要是根据似海底反射面(BSR)等地 球物理方法和海底地球化学异常示踪其存在. 此外, 与天然气水合物有关的自生矿物如碳酸盐、硫酸盐和硫化物等矿物也是重要的示踪体系. 本文利用扫描电子显微镜(SEM)和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM), 对来自南海台西南盆地沉积物中的自生管状黄铁矿进行了系统的观测, 发现它们主要由草莓状黄铁矿组成, 且在草莓状黄铁矿中首次发现了纳米级的低结晶度石墨碳, 它们主要呈现出似纳米碳管和纳米锥形状, 而且与黄铁矿密切共生, 显示它们可能主要形成于含C过饱和C–H–O流体的沉淀. 黄铁矿在CH₄转变为原子C的过程中起催化作用. 自生管状黄铁矿中新发现的纳米级石墨碳, 显示其沉积时沉积岩围岩中存在CH₄过饱和流体, 因此可作为天然气水合物又一重要示踪矿物. 此外, 低温环境中纳米石墨碳的发现对石墨的实验室合成和工业生产等有借鉴意义.     

三江平原沼泽湿地CO2和CH4通量及影响因子

利用不透明气体采样箱-气相色谱法, 同步测量了三江平原两种主要类型沼泽湿地CO₂通量和CH₄净通量. 三江平原常年积水沼泽湿地生态系统呼吸通量平均值为548.04 mg·m^−2·h^−1, 小于季节性积水沼泽(713.08 mg·m^−2·h^−1); 较大值都集中于7~8月, 即植物生长旺季. CH₄排放规律与生态系统呼吸通量不同, 常年积水沼泽CH₄平均通量值为12.80 mg·m^−2·h^−1, 大于季节性积水沼泽(8.56 mg·m^−2·h^−1), 且高值区分布时段也不同. 7~9月是常年积水沼泽CH₄主要排放期, 而季节性积水沼泽CH₄主要排放期为8月下旬至9月中旬. 沼泽湿地生态系统呼吸通量与0~10 cm土壤温度及湿地积水水温呈显著正相关关系, CH₄排放通量与土壤温度相关关系并不十分显著, 地表水水位和土壤温度的综合作用决定沼泽湿地CH₄排放特征.     

海南岛万泉河口沉积环境演变

根据对柱样沉积物²¹⁰Pb定年及有机碳、硫和有机碳同位素含量分析, 研究万泉河口沉积环境演变. 硫和δ¹³C均自19世纪初期开始持续减少, 硫从1.92%逐渐减少到0.36%, δ¹³C从−20.63‰减少到−23.64‰. C/S比在20世纪之前一直很稳定, 处于0.47~0.80之间, 有机碳与硫呈正相关; 在此之后, C/S比急剧增加, 至表层为3.94, 硫的含量与有机碳的增加没有相关关系. 结果表明在19世纪之前万泉河口尚为开阔的海湾, 处于正常海洋环境,未形成被沙坝围封的泻湖, 海水能够直接出入. 19世纪初期开始, 随着玉带滩沙坝向北发育, 河口逐渐被围拦成泻湖型, 进入的海水量逐渐减少; 在19与20世纪之交, 水体已开始明显淡化, 发展成为今天近乎淡水的泻湖.     

煤山二叠-三叠界线地层姥鲛烷相对富集及其碳同位素负偏的地球化学意义

对煤山P/Tr界线地层进行了分子及碳同位素地球化学研究, 给出了长兴组至殷坑组底部的异戊二烯烷烃分子及有机碳同位素地球化学剖面, 揭示了事件界线层附近存在着δ¹³C_kero与δ¹³C_mole的强烈变化及姥鲛烷相对富集的异常特征. 对界线附近姥鲛烷相对富集的成因提出一可能机制: 由相对富集姥鲛烷的海洋动物脂类及其代谢产物在某些特殊条件下(如动物集群快速绝灭及/或缺氧条件发育)得到保存并在有利相带聚集而形成. 对地质历史时期其它重要海洋缺氧沉积(与晚奥陶纪、泥盆纪末、早侏罗世及晚白垩世重要生物绝灭事件相关)富集异戊二烯烷烃及高Pr/Ph值的发现在一定程度上支持了上述关于P/Tr界线姥鲛烷富集机理的解释. 煤山剖面由24~26层δ¹³C_mole,δ¹³C_kero及δ¹³C_carb的一致性强烈负漂移, 指示了二叠纪末大气-海洋系统碳源在低幅快速变化的过程中存在一个陡然而强烈的变化阶段; 姥鲛烷相对富集与δ¹³C_mole及δ¹³C_kero负偏的耦合, 可能指示了甲烷水合物释放和海洋缺氧过程在二叠纪末生物大绝灭过程中的重要作用.     

南极洲东方站(Vostok)BH8冰芯中4700 a BP的火山喷发记录

详细测定了南极洲东方站(Vostok)BH8冰芯126.0~130.0 m段的固体电导率(ECM)、痕量化学组分和微粒浓度, 在深度128.7 m处, 检测出一距今约4726年的火山信号. 研究表明, 其火山SO₄^2−净通量为95.8 kg·km^−2, SO₄^2−峰值浓度为1352.8 ng·g^−1, 持续时间约10.1年. 该火山喷发事件似具有喷发地遥远、规模相对较大、持续时间较长等特点, 与前人已报道的某些著名火山喷发事件具可对比性.     

食物控制的陆生蜗牛碳同位素组成

陆生蜗牛壳体化石碳酸盐(文石, CaCO₃)稳定碳同位素组成已被用于解释过去古植被C₃/C₄光合作用类型的变化, 但是蜗牛壳体碳同位素组成是否取决于其食物碳同位素组成一直是争议的问题. 对黄土高原等地现生蜗牛软体躯干有机碳和壳体文石无机碳同位素组成测量表明, 壳体文石无机碳同位素δ¹³C_a分布范围为-13.1‰ ~ -4.3‰; 对应的软体躯干有机碳同位素δ¹³Corg分布范围为-26.8‰ ~ -18.0‰, 两者之间存在显著的相关关系(δ¹³C_a = 1.021 δ¹³C_org + 14.38; R = 0.965; N = 31), 壳体文石¹³C相对于躯干平均富集(14.2 ± 0.8)‰. 由于蜗牛软体和食物碳同位素组成一致, 这样结果表明黄土高原陆生蜗牛壳体碳同位素组成可以反映其食物的同位素特征和潜在生态背景. 进而认为: (1)蜗牛碳酸盐壳体中的碳主要来自于蜗牛代谢(呼吸)作用产生的CO₂; (2) 蜗牛休眠、壳体封闭时期壳内CO₂与体液HCO₃^-之间碳同位素处于平衡分馏状态; 蜗牛活动时期CO₂的释放, 壳体文石形成, 碳同位素动力分馏作用发生, 导致壳体文石¹³C富集程度显著高于同位素平衡分馏值.     

甘肃西峰黄土-古土壤剖面的碳酸盐与有机碳的碳同位素差值(Δδ13C)的变化及其古环境意义

选取位于黄土高原中部的甘肃西峰剖面作为研究对象, 分析了该剖面末次间冰期以来土壤有机碳和全岩碳酸盐的碳同位素组成变化. 该剖面的土壤有机碳同位素组成(δ¹³C_SOM)变化范围为−23.8‰~−20.2‰, 间冰期偏高, 冰期偏低. 全岩碳酸盐的碳同位素组成(δ¹³C_TC)变化范围为−8.5‰~−3.6‰, 但总体显示出与δ¹³C_SOM值相反的变化趋势, 即δ¹³C_TC值在冰期偏高, 而在间冰期偏低. 土壤无机碳酸盐碳同位素与有机碳同位素的差值(Δδ¹³C)的变化范围为14.1‰~19.4‰, Δδ¹³C值的大小反映了源区原生碳酸盐物质在全岩碳酸盐中所占相对比例的多少. 据此, 计算了西峰剖面源区碳酸盐的贡献: 在黄土沉积阶段, Δδ¹³C值较大, 源区碳酸盐与次生碳酸盐的相对比例最高可达6:4; 而在古土壤(弱古土壤)阶段, Δδ¹³C值较小, 原生碳酸盐物质的相对比例低. 同时, 由于风尘颗粒包含了原生碳酸盐物质, 研究认为黄土沉积中的Δδ¹³C值变化指示了粉尘对黄土高原的贡献程度.     

东非大裂谷埃塞俄比亚段内C3植物叶片δ13C和δ15N及其环境指示意义

在中国科学探险协会的资助下, 对东非大裂谷埃塞俄比亚段内不同区域植物叶片稳定碳(δ¹³C)和氮(δ¹⁵N)同位素比率进行了分析, 探讨了植物叶片δ¹³C和δ¹⁵N的分布特征及其与环境要素之间的关系. 结果表明在冷湿环境下C₃植物叶片δ¹³C的平均值为(-26.7±0.4)‰; 温暖湿润环境下为(-29.7±0.6)‰; 干热环境下为(-26.9±1.2)‰. 植物叶片δ¹⁵N的分布区间为(-1.4±1.7)‰~(14.3±0.1)‰, 生长在干燥炎热环境的植物表现为较高的δ¹⁵N, 温暖湿润环境的δ¹⁵N居中, 高海拔冷湿环境植物δ¹⁵N最小. 植物叶片δ¹³C和δ¹⁵N之间的关系型可分为3类: 分别代表寒冷湿润、温暖湿润和干燥炎热的生长环境, 反映了植物生长环境的异质性. 植物δ¹⁵N与年均降雨量和海拔均为极显著负相关(P < 0.001); 与年均温度显著正相关(P < 0.01). 年降雨量每增加100 mm, 海拔每增加1000 m, 植物δ¹⁵N分别偏负1.0‰和2.0‰; 年均温度每增加1℃, δ¹⁵N平均值则偏正0.5‰. 降水和温度与氮同位素存在相关关系, 解释方差分别为53.6%和31.8%, 因此降水和温度对C₃植物氮同位素分馏起主要作用. 植物δ¹³C与年均温度呈弱正相关关系, 但与年平均降水和海拔的关系均表现为二次曲线型. 当降雨量低于1019.3 mm, 海拔低于2400 m时, δ¹³C随降雨量和海拔的增加而偏负, 而当降雨量与海拔高于此值时, δ¹³C随二者的增加而偏正. 研究结果说明海拔变化引起水热条件的改变对植物碳同位素分馏的影响存在一个转换点.     

NS自由基B′2Σ＋和B2Π电子态共振增强多光子电离光谱

在超声射流条件下, 采用SF₆和N₂混合气脉冲直流放电的方法产生NS自由基. 在35700～40200 cm-1能量范围内, 利用共振增强多光子电离(REMPI)技术得到同位素分子N³²S 和N³⁴S的(1+1)REMPI光谱. 通过对所有观察到的16个振动谱带的归属, 确定其中12个谱带为N³²S自由基基态X2Π向上电子态B′²Σ^＋跃迁的(v′ = 0~4, v″ = 0), (v′ = 1~4, v″ = 1)和(v′ = 2~4, v″ = 2) 3个谱带序列, 另外4个谱带为基态X²Π向上电子态B²Π跃迁的(9, 0), (10, 0), (11, 0), (12, 0)谱带. 通过对所获谱带的转动分析, 获得基态X²Π和上电子态B′²Σ⁺态的较为完整的光谱常数. 并对同位素分子N³⁴S的跃迁谱带进行了转动分析, 得到了上下态的转动常数.     

甘肃武都万象洞滴水与现代石笋同位素的环境意义

初步研究了青藏高原与黄土高原过渡带的甘肃武都万象洞中滴水的氢氧同位素和洞穴现代石笋碳酸钙的氧同位素组成, 发现万象洞内滴水的δ¹⁸O_dw和δ D_dw位于全球降水同位素网数据建立的地方性大气降水线范围之内, 说明滴水δ¹⁸O_dw与降水δ¹⁸O有密切关系. 利用δ¹⁸O_dw和洞内中部到距洞口较远处的现代管状钟乳石下部的δ¹⁸O_mc数据和碳酸盐古温度等式计算的温度范围在8.9~12.4℃之间, 平均值为10.7℃, 其中计算出距洞口较远处8个位置的温度在10.1~12.4℃的范围之内, 平均值为11.5℃, 这个值与洞穴内的观测值(10.99℃)一致, 略低于当地年平均气温(14.4℃), 说明现代石笋形成在同位素平衡条件下, 它们的同位素组成可以近似地反映其洞外大气年均温度.     

好氧生物降解中烷烃单体稳定同位素分馏及其环境意义

通过气相色谱(GC-FID)监测了在好氧条件下微生物(石油降解菌GIM2.5和白腐菌Phanerochaete chrysosporium-1767)对正十二烷、正十五烷、正十六烷、姥姣烷、正十八烷以及正二十四烷烃等石油及其制品的常见组分以及原油样品的降解. 用色谱-同位素质谱(GC-IRMS)分析了降解过程中烷烃及原油中正烷烃组分(C₁₃ ~ C₂₅)的单体稳定碳、氢同位素组成. 结果发现, 在好氧微生物作用下, 上述烷烃的稳定碳 (δ ³C)、氢同位素(δ D)都较为稳定, 其同位素值变化基本上介于仪器的精确度以内, 尤其是nC₁₆以上正烷烃. 烷烃化合物δ ¹³C和δ D的稳定性和特定性可用于追索表生环境中石油类污染物的来源, 特别是当污染物风化严重, 常规的化学指纹技术难以明确判识时, 稳定同位素指纹(δ ¹³C和δ D)有望成为有效的环境污染源指示剂.