台湾西南海域沉积物之自生重晶石富集与甲烷移栖之关系

王炜诚,林晓武（鸿富锦精密电子（郑州）有限公司,郑州　450000）

台湾西南海域沉积物之自生重晶石富集与甲烷移栖之关系

王炜诚,林晓武
（鸿富锦精密电子（郑州）有限公司,郑州450000）

台湾西南海域高甲烷通量的区域，有快速的硫酸盐还原速率，也伴随着高钡离子通量。藉由自生重晶石在沉积物中富集的深度，推估过去不同时期硫酸盐-甲烷反应带的位置，并利用自生重晶石富集峰的大小，计算其累积所需的时间，进而评估甲烷通量的迁移史。

天然气水合物；自生重晶石；甲烷移栖

准确量测天然气水合物上层甲烷迁移之时间与尺度，是了解天然气水合物迁移所产生相关变化之重要依据。传统测量甲烷通量的方法，例如甲烷浓度随深度之变化、硫酸盐还原速率等，只能得知现今甲烷的通量，无法探究过去甲烷通量大小与改变。一般古海洋常用之方法如碳-14和浮游生物壳体氧同位素等量测方法，则因为老碳与硫污染影响，不适用于天然气水合物甲烷通量之研究。自生重晶石在硫酸盐-甲烷反应带的富集，则可作为现今与过去甲烷通量变化的良好指标，并藉以推估甲烷通量稳定持续的时间长短，更且藉由自生重晶石多次富集的出现与否，探讨甲烷通量的时序变化，以充分了解甲烷移栖的历史，进而了解甲烷通量变化与天然气水合物赋存及气候变迁的关系。

1　试验分析

本研究分析项目包含间隙水钡离子及硫酸盐浓度、沉积物金属钡与铝含量、酸可萃取硫（acidvolatilesulfide,AVS）及黄铁硫（pyrite）含量、有机碳及碳酸钙含量、以及沉积物基本物理性质（含水量、孔隙率、统体密度）。

本研究于台湾西南海域不同甲烷通量区域采集沉积物岩心样品，分析其间隙水与沉积物中钡离子含量，探讨自生重晶石的垂直分布与富集。藉由钡离子扩散通量模式计算，估算自生重晶石富集时间，以探讨研究区域内甲烷通量的时序变化。本研究亦进一步探讨间隙水中钡离子与甲烷和硫酸盐之间的相互关系。研究结果显示，台湾西南海域沉积物中发现多种不同类型的自生重晶石富集，包括单一峰值、多个峰值以及没有峰值等数种。同一岩心中，多个自生重晶石的富集，显示了本研究区域甲烷通量的大小在过去与现今不同时期有明显的改变，且自生重晶石富集时间约为一至八千年，显示甲烷通量曾改变且呈现多次的变化，且部份测站在硫酸盐-甲烷反应带并未发现自生重晶石富集峰，故冰期/间冰期海平面上升下降可能并非唯一会造成天然气水合物稳定带与甲烷通量改变之控制因素。在活动大陆边缘地层活动频繁的海域，活跃的板块运动产生之活动可能也是造成甲烷通量改变的重要因素。

2　样品前处理

沉积物样品于研究船实验室内，每隔2公分的厚度分装到50mlPE离心管中，部份样品立刻冷冻保存直待返回陆上实验室进行分析。部份样品分装后立即使用离心机离心（20分钟，4000rpm），分离沉积物与间隙水。利用塑料针筒吸取间隙水，经过针筒过滤器（MF-MillIporeMCEMembrane,0.45μm）过滤，将间隙水分装入7mlPE瓶中，并置入4℃冰箱保存至分析。部份间隙水立即加入0.1ml8N硝酸，再置入4℃冰箱冷藏直待实验室进行分析。部份沉积物以冷冻干燥机干燥后，以玛瑙研钵磨碎均质化，再将样品以沉积物研磨机研磨成粉末状，置入7mlPE瓶中，直待分析沉积物金属、有机碳与碳酸钙含量。

3　试验结果

沉积物中硫酸盐还原作用受到上层水体沉降之有机碳通量与地层深处往上移栖之甲烷通量所控制。间隙水硫酸盐被硫酸盐还原作用所消耗，浓度随深度逐渐递减殆尽，使深埋于沉积物中的海洋重晶石在硫酸盐-甲烷反应带之下开始溶解释出钡离子。溶解钡离子伴随甲烷向上扩散至硫酸盐-甲烷反应带，再与硫酸盐形成自生重晶石再结晶。在天然气水合物赋存区，深部地层中富含的游离甲烷气与天然气水合物解离释出的甲烷，若能藉由断层及地层裂隙有效地往浅层沉积物移栖，不仅使沉积物呈现高甲烷通量，亦加速了硫酸盐还原，使硫酸盐-甲烷反应带变浅，让沉积物中的海洋重晶石更有效地溶解释出钡离子，增大了钡离子通量。快速往上移栖的甲烷亦带动了钡离子往上扩散，使钡离子通量增高。因此，沉积物中硫酸盐、甲烷与钡离子通量三者之间存在密不可分的相互关系。

在一般海域环境，上层水体沉降之有机碳通量是沉积物中硫酸盐还原作用的主要控制因子。有机碳之沉降通量随水深的增加迅速降低与水深呈指数递减（Suess,1980），故使沉积物内硫酸盐还原速率亦会随着水深增加而降低（LinandMorse,1991）。本研究利用自生重晶石萃取法萃取表层沉积物中，以了解各测站较未受到成岩作用影响之海洋重晶石埋藏量的差异。结果显示，高钡离子通量之测站其表层沉积物中所含海洋重晶石含量较高，介于45～65μg/g，而低钡离子通量之测站其表层沉积物中所含海洋重晶石含量则多介于15～45μg/g，两者虽有差异但并不是有显著之不同。

4　结束语

由目前研究所发现的证据看来，台湾西南海域高甲烷通量的区域，有快速的硫酸盐还原速率，也伴随着高钡离子通量，显示深部地层中高浓度钡离子流体，伴随着甲烷向上扩散至浅层的沉积物中。因此可藉由自生重晶石在沉积物中富集的深度，推估过去不同时期硫酸盐-甲烷反应带的位置，并利用自生重晶石富集峰的大小，计算其累积所需的时间，进而评估甲烷通量的迁移历史。

[1]Suess,E.,1980.Particulateorganiccarbonfluxint heoceans-surfaceproductivityandoxygenutilization. Nature,288:260-263.

[2]Lin,S.andMorse,J.W.,1991.Sulfatereductionandironsulfide mineralformationinGulfofMexicoanoxicsediment.AmericanJourn alofScience,291:55-89.

[3]陈金良.台湾西南陆棚陆坡沉积物硫酸盐还原作用与有机碳之沉降通量[D].国立台湾大学海洋研究所硕士论文,1995.