海洋科学  2018, Vol. 42 Issue (6): 1-11   PDF    
http://dx.doi.org/10.11759/hykx20171023001

文章信息

黄鑫, 陈法锦, 祁雅莉, 侯庆华, 陈清香, 蒲晓强. 2018.
HUANG Xin, CHEN Fa-jin, QI Ya-li, HOU Qing-hua, CHEN Qing-xiang, PU Xiao-qiang. 2018.
冲绳海槽北部柱状沉积物中有机质地球化学特征——对热液活动的指示
The geochemical characteristics of organic matter in sediment core of the northern of the Okinawa Trough: implication for hydrothermal activity
海洋科学, 42(6): 1-11
Marine Sciences, 42(6): 1-11.
http://dx.doi.org/10.11759/hykx20171023001

文章历史

收稿日期：2017-10-23
修回日期：2017-11-25
引用本文
黄鑫, 陈法锦, 祁雅莉, 侯庆华, 陈清香, 蒲晓强. 2018. 冲绳海槽北部柱状沉积物中有机质地球化学特征——对热液活动的指示[J]. 海洋科学, 42(6): 1-11.
HUANG Xin, CHEN Fa-jin, QI Ya-li, HOU Qing-hua, CHEN Qing-xiang, PU Xiao-qiang. 2018. The geochemical characteristics of organic matter in sediment core of the northern of the Okinawa Trough: implication for hydrothermal activity[J]. Marine Sciences, 42(6): 1-11.
冲绳海槽北部柱状沉积物中有机质地球化学特征——对热液活动的指示
黄鑫, 陈法锦, 祁雅莉, 侯庆华, 陈清香, 蒲晓强     
广东海洋大学 广东省近海海洋变化与灾害预警重点实验室, 广东 湛江 524088
收稿日期：2017-10-23；修回日期：2017-11-25
基金项目：中国科学院海洋地质与环境重点实验室开放基金(MGE2015 KG04);广东高校优秀青年创新人才培养计划项目资助(2014KQNCX084);国家海洋局海洋科学重点实验室开放基金(KSLG1503);广东海洋大学博士启动基金(E15169);广东海洋大学创新强校工程项目(GDOU2016050241)
作者简介：黄鑫(1987-), 男, 湖南湘潭人, 博士, 讲师, 主要从事海洋有机地球化学研究, E-mail: shaoshanhx@126.com;
陈法锦(1981-), 男, 广东湛江人, 博士, 副教授, 主要从事海洋生物地球化学研究, E-mail: fjchen@gdou.ac.cn.
摘要：通过气相色谱-质谱联用仪(GC-MS), 分析了冲绳海槽北部柱状沉积物中有机质的分布和组成特征。样品中正烷烃显示出明显的双峰分布, 其中高分子正烷烃显示出明显的奇数碳优势; 低分子的正烷烃显示出偶数碳优势, 其丰度最大值位于C16和C18处。该柱状沉积物中120~140 cm层样品(样品S10-7)中沥青、正烷烃以及脂肪酸的含量都要远高于其他层位样品, 且该层位样品中正十八烷酸质量比(16.915 μg/g)要高于其他层位样品1~2个数量级。S10-7样品中3个成熟度参数也高于其他样品, 预示该层位样品受到明显的热蚀变。S10-7样品中有机质的分布和组成情况预示该柱状沉积物样品周围可能存在未被发现的热液区。本研究旨在揭示该柱状沉积物中有机质的来源, 同时评估该区热液活动的可能性。本研究的开展可为该区沉积物中有机质来源及热液活动研究提供研究基础和依据。
关键词：冲绳海槽    柱状沉积物    热液活动    有机质    
The geochemical characteristics of organic matter in sediment core of the northern of the Okinawa Trough: implication for hydrothermal activity
HUANG Xin, CHEN Fa-jin, QI Ya-li, HOU Qing-hua, CHEN Qing-xiang, PU Xiao-qiang     
Guangdong Province Key Laboratory for Coastal Ocean Variation and Disaster Prediction, Guangdong Ocean University, 524088, Zhanjiang, China
Received: Oct. 23, 2017
Foundation: the Open Fund of the Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Chinese Academy of Sciences, No.MGE2015KG04; the Foundation for Distinguished Young Talents in Higher Education of Guangdong, China, No. 2014KQNCX084; the Open Fund of the Key Laboratory of Submarine Geosciences, State Oceanic Administration People's Republic of China, No.KSLG1503; the program for scientific research start-up funds of Guangdong Ocean University, No.E15169; the Project of Enhancing School with Innovative of Guangdong Ocean University, No.GDOU2016050241
Abstract: Sediment core samples obtained from the northern of the Okinawa Trough were analyzed for the abundances and distributions of organic compounds by gas chromatography-mass spectrometer. The distributions and compositions of the n-alkanes in the sediment core exhibited an odd to even predominance of high molecular weight n-alkanes and showed a bimodal distribution. The low molecular weight n-alkanes showed an even to odd predominance with maxima at C16 and C18 in the sediment core. The concentration of bitumen, alkanes and fatty acid at the layer of 120~140 cm (sample S10-7) in the sediment core were all much higher than those in other layers, and the concentrations of octadecanoic acid in that sample was 16.915 μg/g, 1~2 orders of magnitude higher than those in other layers. Three maturity parameters in sample S10-7 were higher, suggesting that the sample might be thermaliy altered. The distributions and compositions of organic matter in sample S10-7 reflect that there may be one or several undetected hydrothermal fields near the sediment core of the northern of Okinawa Trough. The study aims to find out the main source of organic matter in the sediment core, and assess the seafloor hydrothermal activity around the sediment core, which will provide foundation for the research of the source of organic matter and hydrothermal activity in sediment of the northern of the Okinawa Trough.
Key words: the Okinawa Trough    sediment core    hydrothermal activity    organic matter    

地质环境中有机质的研究一直为相关研究者所密切关注[1-2]。热液活动的发现, 为地质环境中有机质的研究提供了一个新的切入点[1-3]。自从1978年在California海湾Guaymas海盆发现“热液石油”以来, 相关研究者开始了热液产物中有机质的研究, 如冲绳海槽[4], Gorda洋脊南部Escanaba海槽[5], Juan de Fuca洋脊Middle Valley热液区[6], 红海[7-8], Andaman海盆[9-10], 中印度洋洋中脊Kairei热液区[3, 11-12], 北大西洋洋中脊Rainbow热液区[1-2, 13-14]、Lost City热液区[13-16]、Broken Spur热液区[14]、Ashadze热液区[17]、Logatchev热液区[3, 11-12], 北冰洋[18]等处。许多研究者也利用热液模拟实验来探索热液环境下有机质的来源及其演化[19-20]。

通常, 热液区周边的沉积物中有机质会被热液活动所影响。以有机质的成熟度为例, Zárate-del Valle等[21]通过模拟实验发现藿烷空间异构体中22S/(22S+22R)能够用来评估有机质的成熟度, 其值会随着周围温度的增加而逐渐增大。

冲绳海槽是夹在东海陆架和琉球海沟、琉球岛弧之间的一条狭窄的弧形区域, 其南北边界分别是中国的台湾岛和日本的九洲群岛[22-23]。冲绳海槽是菲律宾板块向亚欧板块俯冲过程中形成的弧后扩张盆地, 同琉球海沟和琉球岛弧一同构成了一套完整的沟弧盆体系, 是一个发育在陆壳之上, 处于早期扩张阶段的弧后扩张盆地[24-25]。自从1984年在冲绳海槽中部探测到海底热液活动以来, 陆续有多处海底热液区被发现。2014年, 在冲绳海槽南部, Zeng发现了一个新的热液区, 命名为唐印热液区[26], 并对该区开展了底栖生物与热液活动之间关系的研究[27]。冲绳海槽热液活动主要分布在海槽的中部和南部, 在冲绳海槽北部仅有少数疑似的热液喷口被报道[28]。

在本研究中, 我们测试了冲绳海槽北部柱状沉积物中有机质的分布和组成特征, 并对比了不同层位样品中有机质分布和组成的异同, 旨在揭示该柱状沉积物中有机质的来源, 同时评估该区热液活动的可能性。

1 取样和分析

2013年, 中国科学院海洋研究所组织了对冲绳海槽的HOBAB1考察航次, 本文中所分析的柱状沉积物S10即在本航次中通过“科学1号”科考船上的重力取样器在冲绳海槽北部(29°29′N, 128°11′E, 水深986 m)取得(图 1)。柱状沉积物S10长340 cm, 取样后即冷冻保存。放置恢复常温后, 垂直将柱状沉积物切开, 分段进行登记和描述。柱状沉积物0~50 cm段呈灰绿色, 含水量较大, 流动性较强, 有孔虫含量较高; 50~140 cm段呈灰黑色, 含水量较小, 部分层位有少量介质, 黏度较大; 140~260 cm呈暗绿色, 含水量较大, 较软, 黏度较大; 260~330 cm段颜色变深, 呈黑绿色, 含水量较小, 黏度较大; 330~340 cm为梅花头段, 呈暗黑色, 黏度较大。在整理样品中, 我们在120~140 cm段闻到了明显的臭鸡蛋气味。

图 1 冲绳海槽北部柱状样品取样点 Fig. 1 Sample collection site in the northern Okinawa Trough
图选项

将样品按20 cm间隔取样得到17个样品, 从上到下进行编号。每个样品取大约200 g, 在40℃下干燥48 h, 然后将样品研磨成100目左右后再次干燥24 h。样品中有机质的提取和分析是在中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心完成。有机质提取过程如下:利用索氏提取器, 使用三氯甲烷作为溶剂抽提72 h; 抽提过程加入适量经过活化的铜片, 用以脱去样品中可能存在的元素硫; 加入正己烷, 除去沥青质等不可溶有机质; 可溶的有机质通过柱色谱(硅胶柱60, 半径15 mm, 柱长35 mm)进行分离; 脂肪族组分直接通过气相色谱质谱联用仪(GC-MS)进行分析, 极性化合物组分先通过BF3-MeOH甲基化后, 再通过GC-MS进行分析。

GC-MS分析使用美国安捷伦科技公司出品的GC-MS分析仪, 其气相色谱为HP 6890N, 气相色谱分析条件为气化室温度: 280℃; 载气高纯氦(99.999%); 载气流量1.2 mL/min.; 载气线速度: 40 cm/s.; 弹性石英毛细柱: 30 m×0.2 mm×0.2 μm美国J & W HP-5柱; 程序升温: 80℃恒温2 min后以4℃/min升至290℃恒温20 min。质谱为5973N质谱仪, 分析条件为离子源: EI源; 离子源温度: 230℃; 离子源电离能: 70eV; 四极杆温度: 150℃; 接口温度: 280℃; 谱库:美国NIST05L。

2 结果

17个样品通过GC-MS分析, 得到的有机质分布和组成结果见表 1。

表 1 柱状沉积物中有机质组成 Tab. 1 Compositions of organic matter in the sediment core
样品编号 层位/cm 样品质量/g 质量/mg 质量比/(μg/g)
沥青 烷烃 脂肪酸 沥青 烷烃 脂肪酸
S10-1 0~20 84.00 9.89 3.92 4.06 117.74 46.67 48.33
S10-2 21~40 96.50 10.03 4.21 3.67 103.94 43.63 38.03
S10-3 41~60 97.50 10.69 4.44 4.08 109.64 45.54 41.85
S10-4 61~80 98.00 9.90 4.59 3.03 101.02 46.84 30.92
S10-5 81~100 96.00 10.88 4.79 3.77 113.33 49.90 39.27
S10-6 101~120 99.00 12.63 5.16 4.94 127.58 52.12 49.90
S10-7 121~140 104.50 16.21 7.12 5.97 155.12 68.13 57.13
S10-8 141~160 99.00 9.20 4.71 2.43 92.93 47.58 24.55
S10-9 161~180 101.50 9.64 4.29 2.97 94.98 42.27 29.26
S10-10 181~200 101.00 9.35 5.02 2.71 92.57 49.70 26.83
S10-11 201~220 98.00 9.01 4.18 3.09 91.94 42.65 31.53
S10-12 221~240 102.00 8.48 4.12 2.40 83.14 40.39 23.53
S10-13 241~260 103.30 8.70 3.92 3.08 84.22 37.95 29.82
S10-14 261~280 104.50 9.79 3.93 3.87 93.68 37.61 37.03
S10-15 281~300 104.50 8.11 3.49 2.98 77.61 33.40 28.52
S10-16 301~320 106.80 9.70 4.51 3.14 90.82 42.23 29.40
S10-17 321~340 115.00 9.54 4.06 3.30 82.96 35.30 28.70
表选项
2.1 沥青

柱状沉积物各层样品中沥青质量比(CB)范围在77.61~155.12 μg/g, 最大值出现在样品S10-7样品中(表 1, 图 2)。该柱状沉积物样品中沥青含量高于Gorda洋脊南部Escanaba海槽[29]和Juan de Fuca洋脊Middle Valley热液区[30]柱状沉积物样品, 同时也要高于中印度洋洋中脊Kairei热液区和北大西洋洋中脊Logatchev热液区中表层热液沉积物中沥青含量[3]。

图 2 柱状沉积物中有机物质量比 Fig. 2 Concentrations of the organic matter in the sediment core
图选项
2.2 正烷烃

柱状沉积物样品中烷烃质量比(CA)在7.77× 10–3~5.24 μg/g(表 2), 其中含量最高的为S10-7和S10-8样品。样品中正烷烃链长范围在C13—C35, 呈双峰分布模式(图 3), 其中碳优势指数(CPI)分布范围为0.554~2.091(表 3)。样品中短链正烷烃显示出明显的偶数碳优势, 除样品S10-4外(最大值在C17处)最大值出现在C16或C18处, 其奇偶优势比(OEP)17范围为0.263~4.991(仅样品S10-4大于1)。相反, 样品中长链正烷烃显示出明显的奇数碳优势, 最大值出现在C29或C31处, 其OEP29的范围在2.992~ 6.246(表 3)。

表 2 柱状样品中烃类组成 Tab. 2 Composition of hydrocarbons in the sediment core
烃 质量比/(μg/g)
S10-1 S10-2 S10-3 S10-4 S10-5 S10-6 S10-7 S10-8 S10-9 S10-10 S10-11 S10-12 S10-13 S10-14 S10-15 S10-16 S10-17
正十三烷 0.331 0.177 0.235 0.200 0.162 0.150 0.168 0.011 0.022 0.018 0.057 0.038 0.016 0.043 0.009 0.024 0.008
正十四烷 0.733 0.548 0.587 0.486 0.649 0.633 0.808 0.746 0.445 0.419 0.580 0.399 0.442 0.434 0.297 0.397 0.236
正十五烷 0.493 0.564 0.872 0.671 0.606 0.767 0.929 1.489 0.637 0.506 0.779 0.708 0.706 0.517 0.485 0.537 0.548
6-甲基-十五烷 0.100 0.025 0.061 0.030 0.053 0.087 0.134 0.343 0.177 0.231 0.098 0.108 0.183 0.261 0.043 0.189 0.137
5-甲基-十五烷 0.072 0.047 0.080 0.022 0.066 0.102 0.096 0.128 0.145 0.042 0.100 0.080 0.109 0.073 0.058 0.063 0.086
4-甲基-十五烷 0.803 1.290 1.522 0.082 0.810 1.085 0.669 0.217 0.839 0.152 0.579 0.132 0.474 0.359 0.145 0.171 0.635
2-甲基-十五烷 0.279 0.195 0.146 0.406 0.216 0.297 0.384 0.454 0.278 0.357 0.255 0.305 0.310 0.242 0.270 0.330 0.252
3-甲基-十五烷 0.603 0.571 0.595 0.167 0.417 0.624 0.794 0.858 0.946 0.581 0.846 0.847 0.829 0.481 0.946 1.039 0.729
正十六烯 0.358 0.273 0.300 0.523 0.213 0.274 0.334 0.497 0.373 0.461 0.476 0.353 0.268 0.348 0.322 0.428 0.290
正十六烷 2.484 1.801 2.574 0.235 2.428 3.230 4.247 5.239 1.997 4.404 3.887 0.553 3.901 2.972 2.614 3.424 2.727
降姥鲛烷 0.082 0.090 0.127 2.047 0.103 0.104 0.084 0.618 0.103 0.166 0.090 0.427 0.090 0.135 0.117 0.173 0.574
正十七烯 2.378 1.790 2.110 0.643 2.581 2.074 2.342 1.350 0.609 0.732 1.100 0.915 0.568 0.914 0.568 0.959 0.742
正十七烷 0.831 0.711 1.092 1.617 0.926 1.031 1.464 1.273 0.667 1.286 0.673 0.904 0.662 0.726 0.660 0.918 0.766
姥鲛烷 0.394 0.208 0.356 0.658 0.240 0.794 0.771 0.953 0.402 0.625 0.348 0.538 0.436 0.323 0.285 0.328 0.741
6-甲基-十七烷 1.029 0.488 0.640 0.304 0.565 0.789 0.948 1.459 1.123 1.054 0.615 0.748 0.433 0.642 0.692 0.730 0.762
5-甲基-十七烷 2.462 2.439 1.768 0.663 2.345 2.276 2.917 1.804 1.440 2.002 1.147 1.017 1.186 1.432 1.257 1.020 1.258
4-甲基-十七烷 1.533 2.542 1.752 2.091 1.831 1.518 2.663 2.298 1.445 1.963 1.011 0.866 1.047 1.102 1.208 1.228 0.784
2-甲基-十七烷 0.058 0.458 0.034 0.355 0.039 0.829 0.837 0.383 0.172 1.093 1.011 0.158 0.521 0.488 0.536 1.073 0.079
3-甲基-十七烷 0.727 0.485 0.572 0.593 0.517 0.654 0.801 2.090 1.689 1.258 1.152 1.129 0.648 0.871 0.829 1.171 0.665
正十八烯 0.238 0.337 0.173 0.550 0.263 0.257 0.318 0.680 0.507 0.462 0.545 0.444 0.441 0.468 0.275 0.474 0.394
正十八烷 1.685 1.495 1.711 0.207 1.890 2.975 2.943 2.283 2.470 1.871 3.064 2.111 2.365 2.147 2.068 1.456 1.714
植烷 0.393 0.281 0.466 1.985 0.449 0.593 0.916 0.941 0.483 0.759 0.394 0.651 0.446 0.347 0.297 0.482 0.767
正十九烯 1.449 1.361 1.324 2.465 1.560 1.739 2.191 0.660 0.685 0.758 0.789 0.685 0.391 0.713 0.336 0.744 0.425
正十九烷 0.294 0.281 0.243 1.444 0.420 0.185 0.677 0.238 0.170 0.245 0.355 0.293 0.277 0.258 0.150 0.318 0.282
6-甲基-十九烷 0.239 0.193 0.212 0.295 0.302 0.278 0.268 0.161 0.360 0.365 0.177 0.134 0.228 0.165 0.481 0.199 0.228
5-甲基-十九烷 0.475 0.496 0.432 0.237 0.477 0.501 0.818 0.575 0.764 0.563 0.630 0.482 0.426 0.483 0.553 0.686 0.498
4-甲基-十九烷 1.912 1.869 1.735 0.523 2.566 2.572 3.106 1.397 1.282 1.337 0.815 1.020 1.203 1.326 0.945 1.214 1.068
2-甲基-十九烷 0.861 0.521 1.151 2.962 1.570 1.706 2.062 0.596 0.552 1.284 0.303 0.458 0.460 0.434 0.519 0.719 0.416
3-甲基-十九烷 0.256 0.285 0.290 0.875 0.421 0.422 0.441 0.740 0.956 0.926 0.392 0.404 0.778 0.853 0.711 0.913 0.767
正二十烷 0.240 0.708 0.554 0.742 0.364 0.808 1.543 0.759 1.187 1.278 0.359 0.616 0.652 0.505 0.753 0.659 0.514
正二十一烷 0.412 0.313 0.312 1.269 0.420 0.349 0.667 0.604 0.433 0.515 0.523 0.542 0.468 0.533 0.570 0.598 0.386
6-甲基-二十一烷 0.091 0.123 0.094 0.344 0.078 0.069 0.076 0.076 0.061 0.090 0.104 0.044 0.064 0.094 0.043 0.089 0.050
5-甲基-二十一烷 0.306 0.360 0.326 0.090 0.393 0.352 0.339 0.294 0.382 0.260 0.265 0.328 0.286 0.247 0.244 0.241 0.272
4-甲基-二十一烷 0.104 0.068 0.031 0.294 0.104 0.105 0.123 0.077 0.090 0.074 0.067 0.054 0.067 0.034 0.060 0.083 0.071
2-甲基-二十一烷 1.234 1.150 1.233 0.090 1.119 1.243 1.466 0.642 0.405 0.825 0.696 0.586 0.587 0.567 0.519 0.484 0.539
3-甲基-二十一烷 0.248 0.346 0.415 2.209 0.686 0.375 0.660 0.533 0.301 0.657 0.410 0.092 0.427 0.370 0.304 0.382 0.325
正二十二烷 0.156 0.148 0.096 0.837 0.079 0.169 0.273 0.299 0.270 0.184 0.242 0.221 0.216 0.199 0.191 0.168 0.199
正二十三烷 0.532 0.402 0.310 0.301 0.346 0.254 0.649 0.304 0.443 0.294 0.170 0.282 0.372 0.340 0.323 0.389 0.317
6-甲基-二十三烷 0.168 0.111 0.087 0.425 0.058 0.086 0.205 0.093 0.132 0.170 0.097 0.132 0.084 0.128 0.138 0.192 0.098
5-甲基-二十三烷 0.042 0.023 0.027 0.112 0.030 0.024 0.046 0.026 0.035 0.037 0.013 0.027 0.019 0.032 0.031 0.039 0.032
4-甲基-二十三烷 0.518 0.434 0.352 0.026 0.426 0.232 0.602 0.213 0.159 0.276 0.244 0.219 0.156 0.272 0.217 0.288 0.226
2-甲基-二十三烷 0.110 0.053 0.050 0.446 0.072 0.046 0.115 0.131 0.059 0.111 0.125 0.098 0.054 0.097 0.077 0.087 0.062
3-甲基-二十三烷 0.279 0.065 0.096 0.475 0.164 0.100 0.294 0.038 0.061 0.055 0.075 0.075 0.062 0.053 0.115 0.131 0.098
正二十四烷 0.090 0.096 0.083 0.193 0.067 0.146 0.112 0.143 0.222 0.181 0.181 0.151 0.182 0.170 0.096 0.177 0.162
正二十五烷 0.229 0.214 0.225 0.240 0.214 0.271 0.489 0.267 0.502 0.469 0.368 0.293 0.352 0.329 0.299 0.372 0.317
正二十六烷 0.145 0.106 0.114 0.126 0.109 0.176 0.290 0.146 0.301 0.248 0.267 0.170 0.197 0.158 0.147 0.189 0.185
正二十七烷 0.371 0.219 0.298 0.422 0.408 0.471 0.935 0.329 1.010 0.771 0.771 0.427 0.641 0.624 0.549 0.712 0.506
正二十八烷 0.313 0.201 0.128 0.232 0.211 0.280 0.606 0.151 0.347 0.278 0.399 0.215 0.263 0.270 0.214 0.259 0.219
正二十九烷 0.617 0.698 0.786 1.003 0.879 0.863 1.745 0.477 1.723 1.337 1.345 0.951 1.586 1.346 1.107 1.363 1.170
正三十烷 0.235 0.202 0.189 0.222 0.195 0.232 0.650 0.102 0.206 0.285 0.342 0.199 0.233 0.250 0.200 0.231 0.315
正三十一烷 0.751 0.837 0.983 1.081 0.957 1.104 1.843 0.340 1.869 1.779 1.485 1.063 1.936 1.435 1.503 1.636 1.218
正三十二烷 0.136 0.084 0.079 0.106 0.094 0.139 0.191 0.041 0.154 0.146 0.196 0.098 0.164 0.149 0.116 0.095 0.137
正三十三烷 0.291 0.357 0.438 0.464 0.504 0.443 0.762 0.106 0.749 0.686 0.641 0.495 0.859 0.719 0.604 0.666 0.560
正三十四烷 0.303 0.307 0.320 0.296 0.275 0.179 0.643 0.065 0.628 0.469 0.436 0.330 0.446 0.389 0.336 0.394 0.332
正三十五烷 0.135 0.104 0.148 0.125 0.104 0.122 0.326 0.030 0.247 0.262 0.201 0.143 0.235 0.187 0.150 0.177 0.191
表选项

图 3 代表性样品中气相色谱图 Fig. 3 Gas chromatograms of alkanes of representative samples 注:其中数字代表正烷烃碳链长度; UCM:复杂混合物。 Note: Numbers refer to the C chain length of n-alkanes; UCM, unresolved complex mixture.
图选项

表 3 柱状沉积物中烃类特征参数 Tab. 3 Characteristic parameters of hydrocarbons in the sediment core
样品编号 CPI OEP17 OEP29 m(Pr)/m(Ph)
S10-1 1.013 0.636 2.992 0.923
S10-2 1.021 0.715 4.229 0.634
S10-3 1.052 0.774 3.703 0.946
S10-4 2.091 4.991 4.589 0.802
S10-5 1.174 0.767 3.810 0.788
S10-6 0.771 0.616 3.861 0.791
S10-7 0.917 0.660 3.590 0.883
S10-8 0.554 0.315 3.745 1.095
S10-9 1.006 0.268 4.993 1.011
S10-10 0.766 0.304 4.959 1.025
S10-11 0.770 0.324 3.304 0.734
S10-12 1.197 0.370 3.678 0.804
S10-13 0.871 0.313 6.246 0.907
S10-14 0.933 0.367 4.823 0.891
S10-15 0.888 0.263 4.852 1.101
S10-16 1.027 0.289 4.455 1.107
S10-17 0.912 0.448 4.340 0.823
注: CPI =碳优势指数(C13至C35之间奇数碳烷烃和偶数碳烷烃含量比值)
OEP17=[m(C15) +6 m(C17) + m(C19)]/[4 m(C16) +4 m(C18)]
OEP29=[m(C27) +6 m(C29) + m(C31)]/[4 m(C28) +4 m(C30)]。
表选项
2.3 支链和环状烷烃

柱状沉积物样品中支链烷烃主要为C15—C23的2—6号位单取代奇数碳烷烃为主, 其含量与相同碳元素个数的正烷烃相似(表 2)。样品中植烷和姥鲛烷的质量比为0.037至0.74μg/g, 植烷和姥鲛烷质量比之比[m(Ph)/m(Pr)]范围为0.634~1.107(表 3)。所有样品中均检测到了降姥鲛烷的存在, 但是其含量要远低于同样品中姥鲛烷和植烷的含量。

样品中环状生物标志物主要为三环的萜烷、藿烷和甾烷, 大部分样品具有相似的环状生物标志物组成。样品中含量最高的萜烷为藿烷(17α(H), 21β(H)-藿烷系列)和莫烷(17β(H), 21α(H)-藿烷系列)。样品中检测到的17α(H), 21β(H)-藿烷系列碳数范围为C27—C35(C28藿烷未检测到), 其中最大值出现在C29和C30处。

藿烷m(22S)/m(22S+22R)常被用来指示有机质的成熟度, 其中C31藿烷是最常使用的一个。通常情况下, 不成熟或低成熟度有机质的藿烷m(22S)/m(22S+22R)小于0.2, 而较成熟有机质这一值一般大于0.4, 高成熟有机质, 这一值常为0.6左右[31-33]。Zárate-del Valle等通过模拟实验发现, 藿烷m(22S)/m(22S+22R)会随着温度的增加而增加, 在热液环境中, 这一值在0.51~ 0.7波动[21]。本研究中, 样品中C31藿烷m(22S)/ m(22S+22R)值(M-H-C31)范围为0.177~0.481 (表 4), m(Ts)/m(Ts+Tm)(Ts为18α(H)-22, 29, 30-三降藿烷; Tm为17α(H)-22, 29, 30-三降藿烷)值(M-H-C27)范围在0.274~0.564(表 4), 表明该柱状沉积物样品中有机质处于低成熟度状态。

表 4 柱状沉积物中萜烷和甾烷生物标志物成熟度参数 Tab. 4 Maturity parameters of triterpanes and steranes biomarkers in the samples
样品编号 M-H-C31 M-H-C27 M-S-C29
S10-1 0.295 0.469 0.515
S10-2 0.205 0.324 0.372
S10-3 0.187 0.274 0.350
S10-4 0.182 0.295 0.379
S10-5 0.245 0.458 0.401
S10-6 0.219 0.377 0.375
S10-7 0.472 0.508 0.623
S10-8 0.329 0.358 0.373
S10-9 0.197 0.296 0.384
S10-10 0.200 0.296 0.321
S10-11 0.199 0.304 0.385
S10-12 0.178 0.302 0.378
S10-13 0.193 0.283 0.411
S10-14 0.196 0.302 0.372
S10-15 0.177 0.319 0.354
S10-16 0.247 0.311 0.346
S10-17 0.481 0.564 0.495
表选项

柱状沉积物各层样品中均检测到C27, C28和C29甾烷。C29甾烷主要来源于陆源的高等植物, 表明样品受到明显的陆源输入的影响。柱状沉积物中也检测到了重排甾烷(C27—C29)和孕甾烷, 但是其含量比较低。

C29甾烷空间异构体组成m(20S)/m(20S+20R)的值(M-S-C29)也常用来评估有机质的成熟度, 当样品中有机质受热成熟后, 该值达到平衡, 保持在0.54左右[33-35]。在本研究中, 这一值范围为0.321~ 0.623, 其分布与M-H-C31以及M-H-C27相似; 样品S10-7中这三个值均明显高于其他样品(表 4, 图 4), 表明该样品受到了热蚀变的影响。

图 4 柱状沉积物样品中萜烷和甾烷生物标志物成熟度参数 Fig. 4 Maturity parameters of triterpanes and steranes biomarkers in the samples
图选项
2.4 脂肪酸

柱状沉积物S10中总脂肪酸质量比(CF)范围在24.55~57.13 μg/g; 其中样品S10-7中含量最高(表 1, 图 2)。该值高于中太平洋175°E表层沉积物(48°N~ 15°S)中总脂肪酸含量[36], 也要高于南大西洋洋中脊表层沉积物中总脂肪酸含量值[37]。

柱状沉积物样品中大约22种脂肪酸被检测出来(表 5), 其中饱和脂肪酸的种类最多。直链饱和脂肪酸是其中主要的组成部分, 其链长范围在C12至C28之间(C27缺失)。大部分样品中正十六烷酸和正二十六烷酸含量比较高, 其值在1 μg/g附近波动。样品S10-7中正十八烷酸质量比达到16.915 μg/g, 这一值要比其他层位样品高出几倍甚至几十倍。

表 5 柱状样品中脂肪酸组成 Tab. 5 Composition of fatty acid in the sediment core
脂肪酸 质量比/(μg/g)
S10-1 S10-2 S10-3 S10-4 S10-5 S10-6 S10-7 S10-8 S10-9 S10-10 S10-11 S10-12 S10-13 S10-14 S10-15 S10-16 S10-17
十二烷酸 0.086 0.124 0.122 0.007 0.773 1.663 0.349 0.056 0.261 0.778 0.125 0.033 0.310 0.056 0.015 0.043 0.146
十三烷酸 0.012 0.018 0.019 0.041 0.028 0.139 0.114 0.008 0.005 0.032 0.042 0.019 0.064 0.019 0.025 0.015 0.032
十四烷酸 0.467 0.153 0.162 0.041 0.253 0.269 0.175 0.110 0.076 0.195 0.142 0.102 0.210 0.151 0.010 0.098 0.191
十五烷酸 0.441 0.157 0.109 0.022 0.217 0.151 0.090 0.077 0.027 0.139 0.076 0.064 0.197 0.126 0.013 0.066 0.000
十六烷酸 1.771 0.887 0.870 0.045 1.549 1.676 0.803 0.911 0.477 1.591 0.910 0.808 1.248 0.927 0.426 0.480 1.615
十七烷酸 2.092 0.173 0.474 0.120 0.298 2.479 0.106 0.179 0.139 0.270 0.123 0.157 0.112 0.143 0.121 0.198 0.591
反式油酸 1.378 0.262 0.435 0.084 0.613 0.385 0.548 0.758 0.366 0.490 0.675 0.448 0.741 0.430 0.601 0.521 0.211
顺式油酸 0.535 0.181 0.183 0.248 0.241 0.197 0.277 0.330 0.317 0.178 0.351 0.269 0.606 0.348 0.439 0.385 0.183
十八烷酸 0.859 0.486 0.400 0.137 0.851 0.660 16.916 0.508 0.325 0.538 0.376 0.409 0.566 0.404 0.445 0.209 0.594
十九烷酸 0.214 0.112 0.126 0.164 0.073 0.037 0.144 0.043 0.014 0.023 0.038 0.041 0.112 0.007 0.028 0.107 0.105
8, 10-二甲氧基-十八烷酸 0.681 0.508 0.062 0.011 0.062 0.045 0.330 0.063 0.082 0.083 0.307 0.078 0.092 1.097 0.311 0.291 0.154
二十烷酸 0.338 0.203 0.119 0.149 0.311 0.133 0.147 0.117 0.111 0.101 0.129 0.147 0.244 0.186 0.151 0.131 0.202
二十一烷酸 0.414 0.079 0.038 0.083 0.135 0.085 0.076 0.051 0.045 0.064 0.052 0.039 0.093 0.073 0.150 0.097 0.373
10, 12-二甲氧基-二十烷酸 13.722 0.440 0.081 0.206 0.258 0.051 0.516 0.110 0.039 0.040 0.143 0.000 0.099 0.368 0.144 0.175 0.071
二十二烯酸 3.536 2.573 4.105 14.384 10.748 4.022 6.690 7.559 6.547 3.594 9.626 5.216 6.830 3.654 9.076 6.030 1.718
二十二烷酸 0.427 0.273 0.176 0.275 0.422 0.226 0.202 0.200 0.207 0.127 0.190 0.211 0.377 0.440 0.295 0.187 0.201
二十三烷酸 0.677 0.377 0.446 0.153 0.639 0.222 0.621 0.194 0.685 0.191 0.395 0.312 0.217 0.313 0.421 0.458 0.249
12, 14-二甲氧基-二十二烷酸 6.593 12.858 0.587 2.853 2.101 0.345 6.125 0.357 0.734 0.468 5.104 0.537 0.645 17.145 4.181 3.453 0.304
二十四烷酸 0.000 0.497 0.127 0.159 0.264 0.111 0.258 0.146 0.099 0.074 0.092 0.092 0.245 0.227 0.153 0.150 0.066
14, 16-二甲氧基-二十二烷酸 1.008 0.699 0.575 0.398 0.579 0.255 0.383 0.448 0.485 0.179 0.257 0.173 0.143 0.322 0.309 0.320 0.611
二十六烷酸 1.389 5.764 0.159 0.512 0.104 0.035 2.644 0.090 0.343 0.052 0.211 0.082 0.623 0.468 0.762 0.877 0.079
二十八烷酸 0.221 0.095 0.049 0.069 0.184 0.025 0.094 0.137 0.049 0.034 0.069 0.080 0.173 0.335 0.129 0.128 0.432
表选项

所有样品中均检测到了顺式和反式的9-正十八烯酸和12-正二十二烯, 其含量远高于同一层位样品相同碳原子饱和脂肪酸含量。同时, 该柱状沉积物各层样品中也检测到了8, 10-二甲氧基-十八烷酸、10, 12-二甲氧基-二十烷酸、12, 14-二甲氧基-二十二烷酸和14, 16-二甲氧基-二十四烷酸。样品中没有检测到支链和环状的脂肪酸。

3 讨论 3.1 有机质的来源

一般说来, 地质环境中的有机质大致有3个来源[19]: (1)生物来源(作为生物体代谢与生物活动过程中的生命所需的化合物); (2)热降解来源(形成于生物热降解中的产热化合物或者经历成岩作用过程的生物衍生化合物); (3)非生物合成来源(没有生物体参与的纯化学过程形成的非生物起源有机质)。

柱状沉积物样品中正烷烃呈双峰分布, 且高碳数正烷烃显示出明显的奇数碳优势(图 3), 这是陆源高等植物输入的标志[14, 38];同时, 样品中也检测到了主要来源于陆源输入的C29甾烷。因此, 该柱状沉积物中有机质受到明显的陆源输入影响, 这些陆源输入可能来自于河流(如长江等)的输运和风尘沉积物[39-40]。

图 3中可见, 主要由支链和环状烃类物质构成的复杂混合物(UCM)的“驼包”面积相对较小, 表明柱状沉积物样品中有机质可能未受到强烈的热蚀变, 暗示出岩浆和火山活动对该柱状沉积物影响较小[2, 28-29]。同时, 样品中没有检测到低分子的支链和环状脂肪酸, 可能也表明微生物的代谢活动对该柱状沉积物中有机物的贡献较小[11, 41]。样品中低分子的正烷烃显示出明显的偶数碳优势, 同时其最大值出现在C16和C18处, 暗示大分子有机质的降解可能是这些低分子有机质的主要来源[1-2]。本研究冲绳海槽北部柱状沉积物样品中有机质分布和组成表明, 该柱状沉积物中有机质可能主要来源于陆源的输入以及高分子有机质的降解。

3.2 热液活动的指示

热液区周围沉积物中有机质通常受到热液活动的影响, 因此, 分析沉积物中有机质的分布和组成能对可能的未知热液活动进行指示[1-2]。众所周知, 柱状沉积物能很好地记录周围环境的变化信息, 因此, 通过受热液活动影响柱状沉积物中有机质的分布和组成研究, 能够对该柱状沉积物附近热液活动时期进行估算。

柱状沉积物中S10-7样品中3个成熟度参数明显高于其他层位样品(表 4, 图 4), 表明该层位样品受到明显的热蚀变的影响, 同时也意味着这一时期该区周围环境温度较高[28-29]。通过上文分析可知, 样品中有机质, 尤其是低分子的有机质, 可能主要来源于高分子有机质的蚀变, 而S10-7样品中沥青、烷烃和脂肪酸的含量明显高于其他层位样品, 暗示该样品可能受到热蚀变的影响[14, 37, 41]。同时, S10-7样品中十八烷酸的含量高于其余站位几倍甚至几十倍, 也支持了该样品中有机质热蚀变的结果[11, 38, 42]。

上文分析中可知, 由于不明显的UCM峰, 岩浆活动和海底火山作用对该柱状沉积物中有机质的影响被排除[2, 29-30]。因此, S10-7样品中热蚀变可能来源于热液活动的作用[2, 29-30]。在样品前处理时在该层位闻到的臭鸡蛋气味也支持了这一观点。综上所述, 冲绳海槽北部该柱状沉积物周围可能存在未被发现的海底热液活动区, 该热液喷口活动时期可能在4~6 kaBP[39-40]。

4 结论

通过上述对冲绳海槽柱状沉积物样品中有机质的分布和组成分析, 得到以下结论: (1)柱状沉积物中有机质受到陆源输入影响, 这些陆源输入可能来自于河流(如长江等)的输运和风尘沉积物。(2)大分子有机质的降解可能是该柱状沉积物中低分子有机质的主要来源。(3)该柱状沉积物周围可能存在未被发现的海底热液活动区, 该热液喷口活动时期可能在4~6 kaBP。

致谢: 感谢HOBAB1航次全体成员在样品采集过程中所作的贡献, 感谢中国科学院海洋研究所舒云超和姜韬在样品前处理上的帮助, 感谢中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心孟谦祥老师和房嬛老师在样品分析和谱图解析上的帮助和贡献。

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