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天然气水合物体系动态演化研究_I_地质历史演变

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天然气 水合物 体系 动态 演化 研究 _I_ 地质 历史 演变
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© 1994 (I) :地 质 历 史 演 变宋 海 斌(中 国 科 学 院 地 质 与 地 球 物 理 研 究 所 ,北 京 100029)摘   要   1995 年 55. 5 古 新 世 末 增 温 事 件 进 行 了 研 究 ,提 出 天 然 气 水 合 物 作 为 全 球 环 境 变 化 重 要 因 子的 假 说 . 认 为 古 新 世 末 增 温 事 件 溶 解 无 机 碳 - 2~ - 3 ‰ 的 13δ 可 以 用 水 合 物 所 含 甲 烷 的 释 放 与 随 后 氧 化 成 二 氧化 碳 来 解 释 . 此 后 ,地 质 历 史 演 变 中 的 天 然 气 水 合 物 演 化 研 究 蓬 勃 发 展 ,本 文 总 结 古 新 世 末 增 温 事 件 、 新 元 古 代 末 期雪 球 事 件 、 第 四 纪 千 年 尺 度 事 件 等 最 新 进 展 ,为 天 然 气 水 合 物 动 态 演 化 研 究 提 供 基 础 . 开 展 天 然 气 水 合 物 - 天 然 气 体系 动 态 演 化 过 程 数 值 模 拟 与 特 征 分 析 ,可 望 促 进 天 然 气 水 合 物 在 全 球 变 化 与 碳 循 环 中 作 用 的 深 入 认 识 词   天 然 气 水 合 物 体 系 ,全 球 变 化 ,碳 循 环 ,动 态 演 化 ,碳 同 位 素 位 移 事 件中 图 分 类 号           文 献 标 识 码   A           文 章 编 号   100422903 (2003) 0220188209on of I) :in 00029 , 995 et an of as an of an 2 3 ‰ 3δ C be by of on in of It is a of of in to of 引     言天 然 气 水 合 物 是 在 高 压 、 低 温 、 充 足 的 天 然 气 条件 下 由 水 和 天 然 气 形 成 的 冰 状 固 态 物 质 ,通 常 充 填在 沉 积 物 孔 隙 中 [1 ,2 ] . 大 陆 边 缘 的 天 然 气 水 合 物 及 其下 伏 的 游 离 气 含 有 大 量 的 甲 烷 (1 × 1019 g~ 2 × 1019g) [3 ,4 ] . 这 些 甲 烷 大 部 分 为 在 厌 氧 沉 积 物 环 境 中 通 过甲 烷 生 成 作 用 形 成 的 生 物 成 因 甲 烷 ,碳 同 位 素 比 值非 常 低 (约 - 65 ‰ ) [5 ] . 因 此 ,陆 坡 沉 积 物 中 的 甲 烷 水合 物 含 有 巨 量 富 12 . 水 合 物 稳 定 带 深 度 依 赖 于水 深 (压 力 ) 和 温 度 [6 ,7 ] . 海 平 面 降 低 引 起 的 压 力 降低 [8 ,9 ]或 海 水 温 度 的 增 加 均 可 导 致 天 然 气 水 合 物 分解 . 温 压 的 变 化 导 致 天 然 气 水 合 物 与 天 然 气 的 相 互转 化 ,从 而 表 现 为 天 然 气 水 合 物 - 天 然 气 体 系 (简 称天 然 气 水 合 物 体 系 )的 演 化 . 该 演 化 表 现 为 一 动 态 过程 ,这 种 动 态 过 程 在 现 今 的 海 洋 调 查 中 被 证 实 ,影 响了 固 体 圈 - 水 圈 - 大 气 圈 中 甲 烷 和 碳 的 平 衡 ,也 可以 发 生 在 地 质 时 代 . 地 质 历 史 演 变 中 的 天 然 气 水 合物 演 化 对 全 球 变 化 与 全 球 碳 循 环 起 着 重 要 作 用 日 期   2003204220 ;   修 回 日 期   项 目   国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 规 划 项 目 ( 、 中 国 科 学 院 知 识 创 新 工 程 项 目 ( 和 中 国 科 学 院 全 国 优 秀 博 士 学 位 论文 专 项 资 金 联 合 资 助 简 介   宋 海 斌 ,男 ,1968 年 生 ,浙 江 绍 兴 人 ,博 士 ,副 研 究 员 ,主 要 从 事 海 洋 地 球 物 理 研 究 8 卷   第 2 期                         地   球   物   理   学   进   展                     18   22003 年 6 月 (188~ 196)                                       2003© 1994 [10 ,11 ] ,近 期 引 起 了 广 泛 讨 论 [12 ] . 现 已 提出 三 种 沉 积 物 中 水 合 物 分 解 的 触 发 机 制 [13 ] . 极 地 地区 地 表 温 度 [14 ]与 海 洋 地 区 底 水 温 度 的 升 高 [11 ]均 会导 致 天 然 气 水 合 物 层 底 部 的 温 度 超 出 天 然 气 水 合 物的 稳 定 条 件 . 在 地 质 历 史 时 期 海 平 面 下 降 [14 ]与 快 速沉 积 [15 ]引 起 的 压 力 变 化 也 会 使 天 然 气 水 合 物 不 稳定 . 水 合 物 所 含 温 室 气 体 (主 要 是 甲 烷 ) 的 释 放 及 随后 在 大 气 中 氧 化 成 二 氧 化 碳 被 推 测 会 引 起 地 质 历 史中 全 球 尺 度 的 气 候 变 化 . 温 室 气 体 的 释 放 也 可 以 通过 影 响 碳 储 库 的 量 与 同 位 素 性 质 对 全 球 碳 循 环 起 作用 [1 ] 指 出 的 是 ,1995 年 55. 5 古新 世 末 增 温 事 件 进 行 了 研 究 ,大 胆 地 提 出 天 然 气 水合 物 作 为 全 球 环 境 变 化 重 要 因 子 的 假 说 [16 ] . 认 为 古新 世 末 增 温 事 件 溶 解 无 机 碳 - 2~ - 3 ‰ 的 13δ 可 以 用 水 合 物 所 含 甲 烷 的 释 放 与 随 后 氧 化 成 二 氧 化碳 来 解 释 . 此 后 ,地 质 历 史 演 变 中 的 天 然 气 水 合 物 演化 研 究 蓬 勃 发 展 ,在 权 威 期 刊 上 有大 量 科 学 论 文 发 表 . 本 文 总 结 这 些 最 新 进 展 ,为 天 然气 水 合 物 动 态 演 化 研 究 提 供 基 础 资 料 古 新 世 末 增 温 事 件古 新 世 末 期 的 突 然 变 暖 是 近 来 早 第 三 纪 古 环 境最 大 的 发 现 [17 ] . 在 大 约 55. 5 10000~ 20000 年的 时 间 段 内 ,深 海 与 高 纬 度 的 表 层 水 温 度 升 高 4~ 8°C[18 ,19 ] ,地 球 气 候 与 海 洋 急 剧 变 暖 . 在 新 生 代 最 暖 的这 段 时 间 里 ,物 种 也 有 较 大 变 化 [20 ] . 大 量 的 哺 乳 动物 种 群 (包 含 灵 长 类 ) 突 然 出 现 在 地 质 历 史 记 录 中 ,许 多 深 海 生 物 灭 绝 (如 有 孔 虫 ) [18 ,21 ]或 消 失 一 段 时间 (介 形 亚 纲 动 物 ) . 1986 年 底 , 次 在 南 极威 德 尔 海 钻 探 , 隆 上 的 690 B 孔 在 约 170 处 钻 遇 40 的 纹 层 ,正 好 在 古 新 统 / 始 新 统界 线 之 下 ,而 纹 层 底 部 底 栖 有 孔 虫 群 出 现 一 次 大 绝灭 ,表 生 种 全 军 覆 没 ,分 异 度 一 下 从 近 80 种 降 到 20多 种 ,而 浮 游 有 孔 虫 反 而 更 加 兴 旺 . 浮 游 有 孔 虫 壳 体δ 18O 说 明 在 这 不 到 10000 年 的 时 间 里 表 层 水 温 上 升5~ 6 ℃ ,最 高 20 ℃ ;底 层 水 温 上 升 约 4 ℃ ,最 高 达 到15 ℃ . 这 一 异 常 事 件 ,被 称 为 古 新 世 末 增 温 事 件,是 迄 今 所知 早 第 三 纪 第 一 次 突 变 事 件 [17 ] 全 球 碳 储 库 碳 同 位 素 比 值 δ 13 C(13C/ 12C) 显 著 的 降 低 相 对 应 [16 ,20 ,21 ] . 在 初始 阶 段 ,海 洋 碳 同 位 素 比 值 降 低 了 2. 5 ‰ ~ 3 ‰ . 底栖 有 孔 虫 的 δ 13 3 ‰ 以 上 ,而 浮 游 有 孔 虫 δ 13 更 甚 ,以 致 在 温 度 最 高 时 底 栖 与 浮 游 有 孔 虫 δ 13 相 等 ,即 深 部 与 表 层 海 水 的 δ 13 C 差 值 为 零 ,也 于 此 时 突 然 下 降 ,但 这 种 状 态 并 不持 久 ,约 100 后 又 到 新 的 平 衡 状 态 ,只 是 δ 13 前 轻 ,温 度 也 比 以 前 有 所 上 升 [19 ] . 碳 同 位 素 比值 降 低 与 现 今 化 石 燃 料 废 气 排 放 到 大 气 层 的 情 况 相比 拟 [16 ,22 ] . 碳 通 量 与 气 候 变 化 的 幅 度 和 持续 时 间 是 新 生 代 中 唯 一 可 以 与 现 今 人 类 工 业 排 放 速率 相 比 拟 的 过 程 . 该 碳 同 位 素 位 移 事 件 意 味 着 大 量同 位 素 较 负 的 碳 输 入 到 海 洋 和 大 气 中 . 虽 然 火 山 喷发 也 可 释 放 二 氧 化 碳 [18 ,19 ,23 ,24 ] ,但 目 前 认 为 碳 同 位素 事 件 (的 快 速 性 与 幅 度 及 能 用 大 陆边 缘 水 合 物 分 解 导 致 大 量 甲 烷 释 放 来 解 释 [16 ,22 ] 合 物 分 解 假 说 可 以 概 括 如 下 :同 现 今 相似 ,大 量 富 含 12 C 的 甲 烷 以 天 然 气 水 合 物 的 形 式 存在 ,被 储 藏 在 大 陆 坡 上 部 数 百 米 的 沉 积 物 中 [25 ,26 ] ,晚 古 新 世 长 期 的 全 球 增 温 促 使 海 洋 系 统 跨 越 一 个 临 界 门 槛 值 [16 ,19 ] ,导 致 温 暖 的 表层 水 下 沉 ,中 、 深 海 温 度 升 高 4~ 8 ℃ [18 ] . 这 样 的 增 温也 慢 慢 地 促 使 沉 积 物 的 温 度 增 加 ,使 固 态 的 甲 烷 水合 物 变 成 游 离 气 [16 ] . 这 一 分 解 导 致 深 部 孔 隙 压 力 的增 加 ,引 起 沉 积 物 滑 坡 ,大 量 的 甲 烷 释 放 进 入 到 海 洋中 [25 ,27 ] . 古 新 世 末 期 底 水 温 度 升 高 4~ 8 ℃ 可 以 导 致海 底 深 900~ 2000 m 的 大 陆 坡 处 沉 积 物 中 所 有 的 天然 气 水 合 物 分 解 、 大 量 甲 烷 释 放 [16 ] (图 1 - 3) . 甲 烷气 体 可 能 通 过 细 菌 活 动 与 溶 解 氧 发 生 反 应 [28 ] ,产 生富 12 氧 化 碳 ,输 入 到 全 球 外 生 碳 循 环 储 藏 库中 ,并 使 海 洋 中 碳 酸 盐 的 溶 解 深 度 有 相 当 程 度 地 变浅 [16 ,22 ] . 高 的 底 水 温 度 、 低 的 溶 解 氧 、 表 层 水 生 产 力的 变 化 与 有 毒 的 水 杀 死 了 许 多 深 海 生 物 . 在 陆 地 上 ,升 高 的 二 氧 化 碳 部 分 压 力 与 抬 升 的 温 度 促 使 哺 乳 动物 广 泛 扩 散 的 高 纬 度 迁 移 路 线 很 快 地 打 开 . 在 个 100 000 年 间 ,全 球 碳 循 环 与 氧 循 环 逐 渐 回 落到 平 衡 位 置 ,而 海 洋 与 陆 地 的 生 态 系 统 永 久 地 改 变了 [21 ] 的 重 要 假 说 [16 ,22 ]提 出 后 ,研 究 有 了 新 的 进 展 [29 ] . 在 1997 年 ,大 洋 钻 探 计 划 在西 大 西 洋 1051 站 位 采 获 跨 越 连 续 沉 积 层序 [30 ,31 ] 以 前 采 获 的 晚 古 新 世 剖 面 ,这 一 记 录包 含 了 明 显 的 沉 积 成 分 的 周 期 性 变 化 . R¨0 ]所 做 的 是 把 相 当 长 的 54~ 56 的 上 古 新统 、 晚 始 新 统 地 层 的 每 个 旋 回 的 幅 度 与 厚 度 定 量 地记 录 下 来 . 与 大 多 数 海 洋 沉 积 物 的 研 究 一 样 ,他 们 的9812 期                   宋 海 斌 :天 然 气 水 合 物 体 系 动 态 演 化 研 究 ( Ⅰ ) :地 质 历 史 演 变                  © 1994 ,约 20000 年 . 利 用 这 一 天 文 校 对 的 时 间 尺度 对 古 新 世 - 始 新 世 过 渡 段 进 行 研 究 表 明 ,δ 13C 的急 剧 降 低 与 逐 渐 回 落 分 别 用 了 小 于 10000 年 和 大 约140000 年 . 在 段 ,深 海 变 暖 5~ 7° C ,至 少 有1000 12 C 的 碳 大 量 快 速 地 输 入 到 海 洋 和 大 气中 [29 ] . 在 大 量 碳 输 入 后 前 10000 年 δ 13稳 定 是 特 别 重 要 的 ,因 为 这 指 示 全 球 碳 循 环 输 入 与输 出 平 衡 的 一 个 过 渡 阶 段 [29 ] . R¨0 ] 及1 ]指 出 这 是 一 个 甲 烷 输 入 慢 慢 消 失 的 一 个 时间 段 . 全 球 碳 循 环 不 能 在 大 量 碳 输 入 后 迅 速 去 除 这些 碳 是 非 常 麻 烦 的   古 新 世 末 增 温 事 件 发 生 时 碳 的 情 况 (a)大 洋 钻 探 1051 站 位 碳 同 位 素 比 值 [30 ] , (b)根 据 物 质 平 衡 方 程 计 算 的 甲烷 碳 随 时 间 的 变 化 [29 ]1   of a) 0 ] , (b) of to to a 9 ]图 2   古 新 世 末 增 温 事 件 底 水 温 度 在 10000 年 内 从 11 ℃ 增 加 至 15 ℃ 时 甲 烷 水 合 物 稳 定 带 厚 度 变 化 (海 底 深 度 为1460 m) [16 ]2   of an in 1 ℃ 5 ℃ 0000 460m [16 ]091                            地   球   物   理   学   进   展                               18 卷© 1994   古 新 世 末 增 温 事 件 天 然 气 水 合 物 分 解 假 说 示 意 图 [44 ](古 新 世 末 增 温 事 件 , 古 新 世 )3 4 ]分 开 很 远 的 两 个 位 (690、 1051)的 氧 同 位素 与 碳 同 位 素 记 录 均 支 持 生 物 成 因 甲 烷 水 合 物 排 出气 体 是 改 变 地 球 气 候 重 要 因 子 的 假 说 [31 ] . 全 球 相 关联 的 碳 同 位 素 事 件 特 征 表 明 碳 同 位 素 比 值 是 阶 梯 式地 达 到 其 极 低 点 ,指 示 海 底 甲 烷 的 释 放 是 脉 冲 式的 [31 ] 显 示 了 多 次 甲 烷 注 入 的 证 据 ,这 些 事 件被 一 些 碳 循 环 均 衡 的 时 间 段 所 分 隔 . 两 个 站 位 的 相互 关 联 表 明 即 使 是 小 规 模 事 件 在 自 然 界 中 也 通 常 是全 球 性 的 . [31 ] 还 提 出 跨 越 热 门 槛 值 不 是 水 合 物 分 解 、 甲 烷 释 放 的 初 始 原 因 . 海 底地 震 、 火 山 活 动 、 重 力 滑 坡 等 其 他 事 件 可 能 诱 发 富 集水 合 物 沉 积 的 大 陆 边 缘 灾 难 性 的 滑 坡 到 甲 烷 水 合 物 的 聚 集 位 置 是 分 散 的 ,在 很宽 的 海 底 深 度 范 围 的 大 陆 边 缘 均 能 够 存 在 (对 晚 古新 世 ,在 约 920 m~ 约 4000 m) [16 ] ,它 们 的 分 解 同 时发 生 似 乎 是 不 可 能 的 [31 ] . 因 此 构 的 详 细 分析 揭 示 同 位 素 比 值 较 负 的 碳 的 注 入 与 有 关 的 气 候 变化 有 几 幕 的 结 果 并 不 奇 怪 . 利 用 [16 ]提 出的 物 质 平 衡 方 程 估 算 [31 ] ,要 引 起 第 一 幕 的 碳 酸 盐 岩全 岩 同 位 素 位 移 ,需 要 约 600 碳 从 甲 烷 水 合 物中 排 放 (在 不 到 1000 年 内 ) ,而 第 二 幕 与 第 三 幕 分 别需 要 约 500 约 300 的 注 入 . 在 段总 的 甲 烷 输 入 量 是 约 1500 1 1 × 1015 g) ,在 算 的 范 围 内 [16 ,22 ] . 两 个 站 位 的 数 据 相 关 联表 明 小 规 模 碳 同 位 素 、 氧 同 位 素 摆 动 也 具 有 全 球 意义 [31 ] ,在 晚 新 生 代 沉 积 中 地 理 位 置 不 同 的 剖 面 可 以准 确 地 相 互 关 联 其 他 地 质 历 史 事 件 [16 ,22 ]的 天 然 气 水 合 物 分 解 假 说 还 被用 于 解 释 一 些 相 似 的 碳 同 位 素 负 位 移 事 件 ,如 新 元古 代 [32 ] 、 三 叠 纪 [33 ] 、 侏 罗 纪 [34 ] 、 白 垩 纪 [35 ] 、 新 第 三纪 [36 ]与 第 四 纪 [37 ,38 ] . 下 面 只 介 绍 新 元 古 代 与 侏 罗 纪的 一 些 研 究 认 识 最 严 重 的 冰 川 作 用 发 生 在 600~ 800 的 新 元 古 代 晚 期 . 在 20 世 纪 60 年 代 首 次 发 现 了 这次 冰 川 作 用 的 严 重 性 . 30 年 后 才 有 该 阶 段 整 个 地 球被 冰 覆 盖 成 为 雪 球 的 说 法 . 地 球 曾 经 为 “ 雪 球 ” 而 且维 持 上 千 万 年 的 设 想 本 身 就 具 有 轰 动 效 应 ,成 为 当今 地 质 学 界 的 头 号 新 闻 [39 ] . 在 新 元 古 代 至 少 有 四 次严 重 的 冰 期 . 对 这 些 冰 期 怎 么 结 束 的 一 个 解 释 集 中在 大 气 二 氧 化 碳 的 温 室 效 应 ,随 后 二 氧 化 碳 埋 葬 于称 为 碳 酸 盐 盖 的 碳 酸 盐 岩 中 ,几 乎 在 每 个 大 陆 上 均发 现 该 碳 酸 盐 盖 上 覆 在 新 元 古 代 的 冰 碛 沉 积 物 上 [32 ]指 出 冰 消 作 用 的 一 个 结 果 就 是 大 量 甲烷 的 释 放 ,从 而 引 发 了 对 雪 球 的 一 些 思 考 . 32 ]提 出 ,碳 酸 盐 盖 是 在 冰 期 结 束 时 快 速 变 暖 、 出露 的 大 陆 架 和 陆 相 盆 地 普 遍 淹 没 后 ,陆 地 冻 土 带 天然 气 水 合 物 释 放 甲 烷 后 沉 积 的 . 洪 水 泛 滥 可 以 用 冰期 冰 的 融 化 解 释 ,被 淹 没 的 冻 土 带 变 暖 导 致 天 然 气水 合 物 失 稳 ,释 放 甲 烷 . 但 [32 ]没 有 讨 论 增温 是 怎 么 开 始 的 ?关 于 新 元 古 代 冰 期 雪 球 最 全 面 的 解 释 是 在 1998 年 提 出 的 [40 ] . 那 时 ,大 多 数 大 陆 分 布于 中 纬 度 和 低 纬 度 地 区 ,这 种 情 况 后 来 就 一 直 没 有出 现 过 . 由 于 大 陆 是 太 阳 能 很 好 的 反 射 面 (今 天 地 球1912 期                   宋 海 斌 :天 然 气 水 合 物 体 系 动 态 演 化 研 究 ( Ⅰ ) :地 质 历 史 演 变                  © 1994 ,最 多 的 太 阳 能 被 热 带 海 洋 所 吸 收 ) ,这 种 分 布 形态 可 以 形 成 全 球 冰 川 作 用 的 条 件 . 一 个 连 续 的 海 冰盖 覆 盖 了 海 洋 ,分 隔 了 海 洋 和 大 气 中 的 碳 储 库 . 火 山活 动 的 进 行 ,大 气 中 温 室 气 体 二 氧 化 碳 的 逐 步 累 积使 地 球 从 雪 球 状 态 逃 脱 . 冰 期 时 大 陆 硅 质 风 化 作 用的 减 弱 意 味 着 二 氧 化 碳 的 浓 度 达 到 了 120000 今 约 为 366 ,触 发 了 快 速 的 冰 消 作 用 和 海 冰的 融 化 . 风 化 导 致 二 氧 化 碳 的 降 低 ,形 成 海 洋 碱 度 增加 ,沉 淀 形 成 碳 酸 盐 盖 雪 球 说 的 “ 硬 雪 球 ” 版 本 ,海 洋 的 每 一 部 分均 被 冰 所 覆 盖 . 许 多 气 候 模 拟 学 者 提 出 了 疑 问 :在 大气 中 极 端 高 的 二 氧 化 碳 量 的 情 形 下 热 带 海 洋 能 维 持冰 冻 的 状 态 吗 ? 并 认 为 在 很 长 的 一 段 时 间 里 ,地 球表 面 温 度 异 常 地 稳 定 ,并 且 指 出 这 是 温 度 、 风 化 速 率和 大 气 二 氧 化 碳 浓 度 之 间 的 反 馈 机 制 造 成 的 . 这 一长 期 模 型 不 涉 及 地 球 任 何 的 雪 球 状 态 . 近 来 更 多 的硬 雪 球 冰 川 作 用 模 拟 失 败 了 ,这 些 模 拟 的 结 果 表 明冰 川 覆 盖 的 大 陆 、 赤 道 开 放 的 海 洋 模 型 与 地 质 证 据更 为 一 致 盐 盖 的 碳 同 位 素 变 化 对 解 释 新 元 古 代 晚 期的 冰 川 作 用 是 关 键 的 . 根 据 雪 球 模 型 ,在 冰 川 作 用期 ,由 于 基 本 上 去 除 了 海 洋 生 物 圈 ,整 个 大 洋 的 碳 同位 素 只 有 一 个 短 暂 的 变 化 . 海 洋 碳 酸 盐 岩 碳 同 位 素比 值 快 速 降 低 为 - 6 ± 1 ‰ . 在 冰 后 期 恢 复 到 正 常 值(0 ‰ ) . 天 然 气 水 合 物 模 型 中 [40 ] ,冰 期 时 碳 同 位 素 比值 保 持 不 变 ,冰 后 期 甲 烷 水 合 物 失 稳 碳 同 位 素 比 值急 剧 降 低 . 该 模 型 中 ,沉 积 物 释 放 甲 烷 的 大 多 数 在 沉积 - 海 水 的 边 界 处 通 过 硫 酸 盐 还 原 作 用 被 氧 化 ,导致 碱 度 增 加 ,形 成 碳 酸 盐 沉 淀 酸 盐 盖 实 测 的 碳 同 位 素 比 值 为 0~ - 5 ‰ ,但 同 位 素 形 态 只 有 在 少 数 几 个 地 方 被 确 定 . 非 洲 古老 岩 石 构 造 刚 果 克 拉 通 的 南 部 边 缘 ,碳 同 位 素 比 值形 态 与 天 然 气 水 合 物 模 型 预 测 的 匹 配 [32 ] . 另 外 ,冰期 锶 同 位 素 比 值 也 没 有 支 持 雪 球 模 型 中 冰 川 作 用 阶段 风 化 减 弱 的 说 法 . 但 是 ,这 与 天 然 气 水 合 物 假 说 相对 应 假 说 都 涉 及 海 洋 碳 同 位 素 组 分 的 短 期 变化 天 然 气 水 合 物 模 型 避 免 了 雪 球 模 型 中 大 气二 氧 化 碳 巨 大 变 化 相 关 的 一 些 难 题 ,如 需 要 长 达 10 时 间 达 到 这 么 高 的 浓 度 . 这 也 提 供 了 新 元 古 代晚 期 海 洋 碳 酸 盐 碳 同 位 素 变 化 的 一 个 更 好 的 解 释 应 该 指 出 的 是 ,虽 然 出 了 一 个 有 力的 实 例 ,但 毫 无 疑 问 这 离 故 事 的 结 束 还 早 得 很 [41 ]研 究 了 180 侏 罗 纪 岸 沉 积 物 中 的 树 木 化 石 的 碳 同 位 素 数 据 ,并 识别 出 一 个 大 气 碳 同 位 素 异 常 . 并 指 出 该 异 常 与 已 知的 海 洋 碳 储 库 的 扰 动 耦 合 . [41 ]提 出 海 底天 然 气 水 合 物 中 的 大 量 甲 烷 的 释 放 引 起 了 碳 同 位 素数 据 的 扰 动 ,甲 烷 “ 脉 冲 ” 触 发 了 重 要 的 气 候 变 化 和海 洋 变 化 . 较 大 的 碳 同 位 素 正 位 移 对 应 海 洋 缺 氧 事 件 ,该 时 期 深 海 海 水 严 重 缺 氧 ,有 机 物 被过 度 的 埋 藏 . 正 位 移 的 底 部 为 一 负 的 碳 同 位 素 异 常 [41 ]的 陆 地 碳 同 位 素 曲 线 研 究 表 明 海 洋 碳同 位 素 异 常 在 全 球 碳 循 环 记 录 中 也 有 反 映 . 认 为 同 位 素 事 件 是 海 底 甲 烷 突 然 释 放 的 结 果 活 动 排 放 的 二 氧 化 碳 触 发 了 气 候 变 暖 ,导 致 深海 突 然 变 暖 ,使 天 然 气 水 合 物 不 再 稳 定 . 41 ]认 为 可 能 有 相 当 于 现 今 天 然 气 水 合 物 储 藏 库的 20 %的 水 合 物 分 解 并 释 放 了 巨 量 的 甲 烷 气 体 ,该释 放 量 也 是 古 新 世 末 释 放 的 两 倍 . 在 中 生 代 (250~65 )比 较 温 暖 的 气 候 宜 使 天 然 气 水 合 物 幕 式地 排 放 甲 烷 到 大 气 中 [42 ] 千 年 尺 度 事 件 地 近 60000 年 的 底 栖 有 孔 虫 碳同 位 素 千 年 尺 度 的 较 大 变 化 反 映 了 在 间 冰 阶 时 期 沉积 物 中 甲 烷 梯 度 变 浅 、 天 然 气 水 合 物 分 解 导 致 气 体排 出 的 特 征 (图 4) [37 ] . 数 个 较 大 的 负 位 移 与 不 同 深度 浮 游 有 孔 虫 较 小 的 位 移 对 应 ,指 示 大 量 的 甲 烷 从盆 地 沉 积 物 中 释 放 . 受 温 盐 环 流 启 闭 的 诱 导 ,中 层 水温 度 发 生 变 化 ,水 合 物 稳 定 性 得 到 调 制 . 这 些 摆 动 在加 利 福 尼 亚 边 缘 和 其 他 地 区 可 能 是 普 遍 的 ,影 响 了水 合 物 的 不 稳 定 ,导 致 大 气 中 甲 烷 量 千 年 尺 度 的 摆动 冰 芯 记 录 显 示 与 第 四 纪 轨 道 、 千 年 、 十 年 尺度 气 候 周 期 对 应 的 大 气 甲 烷 的 较 大 幅 度 振 荡 [43 ] . 间冰 期 与 间 冰 阶 早 期 几 十 年 的 突 然 变 暖 与 大 气 中 甲 烷量 的 快 速 增 加 一 致 . 在 先 前 的 一 个 假 说 中 ,认 为 甲 烷量 的 增 加 与 热 带 湿 地 降 水 增 多 ,甲 烷 生 成 作 用 加 强有 关 [43 ] . 但 是 在 海 平 面 较 低 的 时 间 里 ,解 释 大 气 甲烷 迅 速 增 加 的 大 量 湿 地 不 太 可 能 快 速 拓 展 . 另 外 一个 大 气 甲 烷 潜 在 的 来 源 是 甲 烷 (天 然 气 ) 水 合 物 . 海平 面 降 低 引 起 的 压 力 降 低 或 海 水 温 度 的 增 加 均 可 导致 天 然 气 水 合 物 分 解 ,而 在 晚 古 新 世 海 水 温 度 有 增加 [16 ,44 ] ,在 墨 西 哥 湾 已 经 观 测 到 小 尺 度 的 水 温 上升 [45 ] 底 滑 坡 发 生 时 ,释 放 的 甲 烷 以 在 水 体 中扩 散 或 迸 发 进 入 大 气 的 方 式 输 送 到 可 交 换 的 碳 储 库中 [16 ,44 ]                           地   球   物   理   学   进   展                               18 卷© 1994
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