Marine sediment is not only a critical burial area of organic carbon from various sources but also a very active biogeochemical reactor,which plays a vital role in the global marine carbon cycle.Compared with the geochemical testing and qualitative description methods,the numerical model can break through the limitations of time and space and quantitatively obtain the reaction rate and flux of each carbon cycle process in marine sediments.Therefore,it has been paid more and more attention by the academic community.The degradation of organic matter in marine sediments is the most critical biogeochemical process driving the carbon cycle.Part of the dissolved inorganic carbon released into the surrounding pore water can diffuse to the overlying water column.The other part can form authigenic carbonate minerals with calcium and magnesium plasma precipitation.In this paper it firstly reviews the modeling process of three main types of sediment organic matter degradation models(discrete model,reactive continuum model,and Power model)and their applications in the global marine sediment organic matter degradation process.Then,starting from the primary and secondary reactions related to the degradation of organic matter,the description method of the reaction rate model of geochemical processes related to the degradation of organic matter in sediments is introduced,and the influence of the degradation of organic matter on the formation of authigenic carbonates and their carbon isotopes is discussed from the perspective of carbonate equilibrium system and isotope mass balance model.Finally,the problems and shortcomings of the current mathematical model in describing the degradation process of organic matter and the formation of authigenic carbonate are analyzed,and on this basis,the research points that need to be strengthened in the future are prospected.It is hoped that in this paper it will provide useful scientific support for understanding the mutual feedback between the ocean carbon cycle and global climate change and establishing a reliable prediction system for ocean carbon cycle and biogeochemistry.

冷泉活动是现代深海极端环境系统之一,其在天然气水合物资源勘探、全球气候变化、极端环境生命活动等方面具有重要的科学研究意义.重建海底冷泉区氧化还原环境是研究其中生物地球化学过程、揭示甲烷渗漏活动特征的重要途径.近年来,大量矿物学及地球化学指标在冷泉系统氧化还原条件的恢复研究中获得了成功的应用.在前人研究的基础上,对自生矿物学标志、稀土元素、氧化还原敏感元素(Mo、U、Fe)和稳定同位素(钼同位素δ98Mo、铁同位素δ56Fe、硫同位素δ34S)等不同指标对氧化还原环境变化的响应机制进行了系统总结,从测试分析方法、后期成岩改造、单一指标的多解性等多个方面探讨了各指标的影响因素和当前仍存在的问题,并指出了未来该领域需进一步加强的关键研究方向.

天然气水合物地质调查中通常采用地质、地球物理、地球化学等多种调查方法获得各类地质资料,而海洋地质取样可直接获得海底实物样品,是海洋地质调查中的重要手段.浅表层天然气水合物赋存于近海底沉积物中,利用合适的地质取样方法,在勘探目标区可以直接获得水合物样品及其存在的标志.基于浅表层水合物的存在指示标志和赋存特征,结合前期调查的成功经验,总结了适用于浅表层水合物的地质取样技术方法,主要有海底表层取样、重力柱状取样、海底钻探和保温保压取芯等,不同的取样方法所取的样品类型也有差异,应根据实际地质特征做出优选.针对浅表层天然气水合物的赋存特征,建立了一套海洋天然气水合物取芯样品现场处理和分析方法.水合物采集样品回收到甲板后快速处置分析是水合物调查的重要环节,而正确的现场处理方法是保证样品测试准确的关键.

出于对全球气候变化的担忧和资源探测的需要,海洋天然气水合物富集区的甲烷排放已逐步引起了全社会重视.目前,关于水合物富集区的甲烷排放的调查研究仍处于初级阶段,一方面在于对海洋天然气水合物分解释放机理仍不甚清晰;另一方面,深海甲烷排放活动的监测技术仍有待于成熟完善,导致迄今对全球海洋甲烷循环甚至碳循环过程难以把握.自2013年起,面向国家重大需求和科学研究的需要,青岛海洋地质研究所依托一系列地质调查国家专项,创新建立了海底甲烷排放、运移、消耗及相关水合物资源成藏理论模式,自主研发了一系列海洋甲烷排放监测装备,逐步掌握了海底甲烷过程的精细探测能力,实现了水合物富集区关键界面甲烷排放活动的监测,连续实施了多个航次的系统调查,在新区发现大量海底甲烷排放系统,同时建立了海洋天然气水合物资源开发环境监测技术体系,支撑了我国天然气水合物产业化,获得了显著的技术进步和社会效益.

甲烷是一种重要的温室气体,深刻影响着全球的气候变化.同时,甲烷还是海底潜在能源—天然气水合物的主要成分.海洋沉积物是甲烷生物转化的一个重要生态区域,产甲烷菌主要利用H2、CO2及简单的有机物(甲醇、甲胺、二甲基硫等)作为底物生成甲烷,产生的甲烷在向上迁移的过程中主要被甲烷厌氧氧化(anaerobic oxidation of methane,AOM)和甲烷好氧氧化(aerobic oxidation of methane,AeOM)消耗,进而大大减少了甲烷向大气的排放量.AeOM主要发生在含氧的沉积物及沉积物-水界面中,由甲烷好氧氧化菌(aerobic methane-oxidizing bacteria,MOB)介导.然而,绝大部分甲烷在穿透缺氧沉积物层之前是被AOM反应消耗,甲烷厌氧氧化古菌(anaerobic methanotrophic archaea,ANME)是主要的参与者,这些功能微生物耦联电子受体SO42-、NO2-/NO3-或Fe3+和Mn4+将甲烷进行氧化.本文对产甲烷菌和甲烷氧化菌的种类、代谢途径及其在海洋沉积物中的分布特征进行了综述,并在前人工作基础上,对今后海洋生境中甲烷代谢过程的研究进行了展望,以期为进一步开展海洋环境中甲烷的生物转化过程及元素耦合的研究提供理论依据.

当前出于对全球气候变化的担心以及获取能源资源的需求,甲烷日渐成为人类社会关注的焦点.海洋中聚集了巨量的天然气水合物,存在与甲烷有关的多种重要生化作用,支持了海底繁盛的化能自养合成生物群落,有效调节了进入大气的甲烷通量,在全球碳循环中的地位无可替代.同时,因天然气水合物动态活动造成的甲烷泄漏是岩石圈向外部圈层进行物质和能量输送的重要途径,对海洋环境有着深远影响.系统介绍了现代海底甲烷泄漏的地质控制因素、沉积物和水体对富甲烷流体的消耗、海洋甲烷循环模拟研究以及全球典型海域甲烷观测及相关研究成果,最后指出了海洋甲烷循环研究发展趋势.综合考虑了环境、生物和技术因素对海洋甲烷循环的影响和限制,从一个地质工作者的视角对阶段成果和存在问题进行审视,并提出了自己的思考,借此引发全社会对与甲烷有关的重大科学问题及海洋观测技术的重视与支持.

通过对东海外陆坡–冲绳海槽GSW1孔沉积物孔隙水δ13C、δ18O、δ11B、δ37Cl同位素和C1?、SO2-4、K+、Na+等离子指标的分析,探讨了沉积物早期成岩作用、流体来源、迁移和氧化环境的变化.研究发现,GSW1孔孔隙水溶解无机碳主要来自海水和有机质,SO2-4浓度随深度下降比较平缓,C1?浓度远低于海水,该孔表层沉积物中硫酸盐消耗主要由有机质硫酸盐还原作用(OSR)所控制,甲烷厌氧氧化作用(AOM)发生在4 m以下更深的层位.OSR产生的H2S向上扩散富集并被氧化,是导致GSW1孔110～360 cm处SO2-4浓度未明显下降的主要因素.孔隙水SO2-4浓度整体随着深度增加呈减小的趋势,表明GSW1孔沉积环境由氧化、次氧化环境逐渐转变为还原环境.δ11B、δ37C1值垂向变化波动较大,一方面受到早期成岩阶段有机质降解的影响,也可能与孔隙流体扩散以及沉积物/孔隙水相互作用有关.

沉积物中氧化还原敏感元素(Redox Sensitive Element,RSE)含量变化是上覆水体氧化还原环境良好的替代指标.本文通过冲绳海槽中南部两个柱状沉积物(深度:30 cm)粒度、总有机碳、总氮及其同位素含量和氧化还原敏感元素含量等指标,探究复杂环境背景下冲绳海槽柱状沉积物中RSE的赋存机理与环境指示意义.研究发现,柱状沉积物中除了Cr亏损,其他RSE均显示有不同程度的富集."粒控效应"对冲绳海槽柱状沉积物的RSE含量影响较小;分析可知,海水表层生产力是影响沉积物氧化还原环境的主要因素,通过Mn(氢)氧化物的吸附或解吸附作用实现RSE的富集与亏损.δCe、V/Cr、Ni/Co和V/(V+Ni)等指标指示沉积物整体处于氧化?弱氧化环境.沉积物中Mn元素通过还原作用以Mn2+形式向上扩散,在25～30 cm处被含氧间隙水氧化富集形成锰峰,指示柱状沉积物0～25 cm处为氧化环境,25～30 cm处为弱氧化环境.

海底水合物丘与泥火山均属于不同相态流体向上运移排出至地表过程中的产物,与这2种特殊地质体相关的浅表层天然气水合物具有独特的成藏过程和赋存规律,同时,它们也都是富碳流体排放的重要途径.然而,由于对这2种地质体缺少系统的调查,加之对浅表层天然气水合物资源和碳泄漏过程的研究程度不高,当前在海底水合物丘与泥火山特征刻画及准确甄别上还存在障碍,导致难以科学地评价与其伴生的水合物资源的聚集过程及环境效应.通过总结已有海底水合物丘与泥火山的阶段性研究工作,对该2种特殊地质体从地貌特征、内部结构、形成机制等方面开展比较研究,系统分析了二者的演化过程以及对与之相关的天然气水合物聚集过程的影响,并讨论了2种地质体的区别与联系.本研究可为理解全球海底富碳流体的排放及其对海洋碳循环的贡献以及海底浅表层天然气水合物资源量的评价提供参考.

海底冷泉-热液极端环境是岩石圈与外部圈层进行物质交换和能量流动的主要窗口,其独特的地质条件和营养模式孕育了繁茂的生物群落和生态系统.由于多种因素的叠加控制,海底极端环境的理化性质通常变化频繁且剧烈.大量研究表明,这种变化或波动又能不同程度地被环境中生存的生物记录下来,因此,生物所保留下来的某些地球化学信息具有恢复重建其生存环境变化的潜在能力,这对人类目前尚难自由出入的深海极端环境的探索尤为重要.本文从海底极端环境生物种类和空间分布、生物壳体的地球化学信息、生物元素和同位素地球化学指标以及生物有机生标等几方面出发,探讨当前科学家关注的典型地球化学指标对沉积环境的记录应用,并展望了未来需要进一步加强研究的几个方面,希望借此能引起广大研究者对该领域的兴趣和重视,以加深加快对海底极端环境内运行规律和影响的认识.

海底通过泥火山释放的富甲烷流体是海洋甚至大气重要的碳源之一,对该系统内甲烷迁移与转化过程开展研究,有助于精确估算其碳排放总量.系统调研了国内外文献,认识到泥火山的碳排放具有强烈的时、空变化特征.在时间上,甲烷的排放主要发生在泥火山的喷发期和平静期,而在其消亡之后只出现微量的渗漏;在空间上,一个单独的泥火山中心、翼部和外缘分别发育强甲烷气泡泄漏、中等强度富甲烷和溶解无机碳(DIC)的流体泄漏以及大面积的DIC微渗漏;甲烷厌氧氧化和碳酸盐岩沉淀作用在翼部最强,对碳排放的拦截最有效,而在中心和外缘均较慢.全球陆坡和深水盆地沉积物通过泥火山向上释放的深部来源的甲烷通量为0.02 Pg C·a?1,这些碳可能引发海水缺氧、酸化和影响海-气交换通量,从而在千年尺度甚至更短时间内影响海洋吸收大气二氧化碳的能力.将来需要进一步对海底泥火山的发育数目和喷发周期进行统计,对不同类型的泥火山开展精细调查,以准确评估沉积物中自下而上的碳排放对海洋碳循环的影响,完善全球碳循环模式.

通过对舟山群岛表层沉积物样品的粒度分析和黏土矿物含量测定,研究了表层沉积物的粒度分布特征及黏土矿物组成.利用Flemming三角图示法分析了研究区域的沉积动力环境,并探讨了沉积物的物质来源.结果表明,舟山群岛表层沉积物共有5种类型,其中粉砂含量最高,呈片状广泛分布于舟山群岛东部宽阔海域;研究区表层沉积物分选性较差,以正偏为主;沉积物样品在Flemming三角图上投影显示,粉砂沉积物集中在D-Ⅱ,E-Ⅱ,E-Ⅲ区,砂质粉砂等沉积物零星分布在D-Ⅱ,C-Ⅱ及S区,表明研究区沉积物整体粒径较细、岛屿间水动力较强,开阔水域水动力较弱.研究区黏土矿物中伊利石为优势矿物,质量分数均值为61.5％;其次为绿泥石,质量分数均值为15.0％;高岭石和蒙脱石含量较少,质量分数均值分别为12.7％ 和10.9％.黏土矿物组合类型以伊利石-绿泥石-高岭石-蒙脱石为主,伊利石-绿泥石-蒙脱石-高岭石次之,具有类长江型沉积物特征.舟山群岛表层沉积物以陆源成因为主,物质来源以长江为主、浙江河流入海输沙以及舟山群岛岩石风化产物为补充.

碳酸盐晶格硫(CAS)是古环境恢复的重要手段之一,它系指在碳酸盐成岩过程中微量的硫酸盐离子取代碳酸盐离子并保存在晶格中的硫酸盐.CAS对矿物沉淀发生时的海水硫酸根的氧、硫同位素组成、硫酸盐浓度和当时古环境的氧化还原状态都有很好的保存和记录作用,因此引发了对其持续关注,并开展了一系列卓有成效的研究.本文综述了CAS当前的研究进展,主要从前处理方法、影响因素、同位素组成和古环境恢复等重点问题来探讨CAS的成因和CAS对不同沉积环境的恢复应用,并展望了需要进一步研究的几点研究方向,希望借此能引起广大研究者的兴趣和重视.

冲绳海槽处于东海与西太平洋边缘的交界处,不仅对全球气候变化响应敏感,其环境变化也影响着东亚边缘海,乃至东亚大陆的环境,是研究古海洋环境的理想区域.该区域的古海洋环境研究多集中于末次冰盛期以来,因此本文以冲绳海槽为主体,总结了该区域末次冰盛期以来古海洋环境变化的相关研究,主要包括3个方面:古海平面、温度和盐度等;沉积物来源及其演化;黑潮及其对海洋环境的影响.该区域末次冰盛期以来的环境变化可大致分为,主要由海平面控制为主的末次冰盛期-早全新世和由黑潮、季风等因素控制的早全新世-现代两个主要的阶段.沉积物主要来自古黄河、长江、日本、台湾岛以及火山喷发物质等,但不同区域、不同时间的物质来源存在差异.另外,黑潮是该区域最主要的海流,其路径和强度末次冰盛期以来经历多次变化,并对其他海洋环境要素产生重大的影响.综合上述研究,提出未来应该系统建立冲绳海槽海洋环境演化历史、加强黑潮对周边流系的影响和陆源物质源-汇过程的系统研究.

北极海域赋存丰富的油气和天然气水合物资源,也是全球环境变化的一个重要窗口,北极巴伦支海西南部陆架已发现大量天然气水合物赋存的识别标志,笔者综述了巴伦支海西南部海域陆架区水合物形成的条件和已发现的天然气水合物分布情况和泄漏特征,总结影响巴伦支海西南陆架区天然气水合物形成和分解的各项因素,评价北极巴伦支海西南部天然气水合物资源前景.掌握北极巴伦支海及其周边区域的水合物资源情况是提升中国在北极事务话语权的必要内容之一,北极海域水合物动态变化对于全球气候变化具有十分重要的指导意义;这类极地低温海域水合物流体聚集和运移特征十分特殊,对丰富水合物成藏研究有重要的理论意义.

热液和冷泉活动是现代深海环境中两个重要的极端系统,它们均是岩石圈与外部圈层之间进行物质、能量转移和交换的重要途径,它们之间既有显著差异,但也存在很多相似点.一系列调查研究表明,在某些特殊构造单元,热液和冷泉活动可能并不是彼此孤立的,而是在构造地质、生物生态和元素循环上存在某种相互作用或耦合关系.冲绳海槽作为西太平洋一个典型的弧后盆地,发育了繁盛的热液和冷泉活动,是研究这两个海底极端系统相互影响机制的天然实验室.在大量文献调研和野外精细探测结果的基础上,分析了冲绳海槽内相互毗邻的冷泉和热液之间的物质扩散过程及生物地球化学作用,初步建立了两个极端系统内两种不同流体相互作用的概念模型,认识到未来如对两个深海极端环境共生区构造发育特征、地层流体演化、生物群落以及矿物元素组成进行系统分析,将有助于建立更加完善的冷泉-热液两个系统在物质和能量上的耦合关系模型,同时也有助于揭示它们在生物生态之间的沟通融合规律,最终可建立盆地尺度上热液-冷泉区相互作用模式,从而加深对西太平洋甚至全球范围内冷泉-热液两个极端环境系统甚至"流体-固体"耦合的规律性认识.

为了探讨低角度俯冲背景下活动大陆边缘泥火山的分布及其主控因素,收集了大量印度洋北部马克兰增生楔地区的沉积地层、断裂构造及泥火山或泥底辟等资料.综合分析结果显示,研究区沉积地层主要由上、下两部分组成,其中,下部较细的半远洋泥质地层具有“东厚西薄”的特征,而上部较粗的马克兰砂地层具有高速沉积的特征.这种密度倒置且后期沉积速率很高的地层分布特征为该区泥底辟或泥火山的形成提供了物质基础.在马克兰增生楔,阿拉伯板块向欧亚板块汇聚的速率具有“东快西慢”的特点,而且东、西两侧走滑断层和泥火山发育.结合俯冲角度同样较低的地中海海岭板块汇聚速率与泥火山的分布特征认为,马克兰增生楔东、西两侧的泥火山主要受走滑断层的控制,而增生楔内部的泥火山主要受板块汇聚速率、逆冲断裂以及密度倒置等综合因素的控制,表现为“东多西少”的特征.

7 palynology assemblages and 8 stages about the climatic evolution were distinguished according to the research of spore-pollen from whole core hole DZS1 (202.1 m long) in the northern sea area of East China Sea. Climate stages of Quaternary in this sea area were reconstructed as follows:cold-dry, temperate-cool and moist, warm and slightly dry, warm and moist, temperate-cool and more dry, temperate and little dry, cold and dry, getting warm, warm and moist. These climate fluctuations coincided with the regional climate change. Combined with data of samples AMS 14C, OSL and palaeomagnetic dating, Pliocene evolution features of climate and environment in the northern sea area of East China Sea were discussed. All these provide palynology data and lay the basis on Quaternary stratigraphic classification and correlation in the northern sea area of East China Sea.

根据对台湾浅滩西部地质浅钻的沉积相、粒度和AMS14C年代分析及高分辨率浅地层剖面解释,本文研究了浅滩大型沙波区的地层结构与沉积环境演化.台湾浅滩西部保存了三期海相层和两期陆相层.下部的海相层(DU6)可能形成于氧同位素5.1期,以潮间带—潮下带浅海沉积为主;中间的海相层(DU4)可能形成于氧同位素3期,以滨岸—潮间带沉积为主;上部的海相层(DU2和DU1)为形成于末次冰消期以来的海侵砂和潮流砂.两期陆相层(DU5和DU3)为沟谷充填沉积,可能形成于氧同位素4和2期.冰后期海侵过程形成的中粗砂层构成了沙波的基底部分(DU2).沙波的主体部分(DU1)形成于全新世高海平面以来,主要由中粗砂和含砾中粗砂组成.沙波的粒度频率分布曲线主要众数组分-1～3φ,形态尖陡;概率累积曲线多为两段式,跃移组分含量高于80％,悬移组分不足20％,滚动组分缺失或很少.潮流砂(DU1)的平均粒径与分选系数呈良好的正相关,反映潮流的淘洗作用越强,沉积物粒径越粗、分选越好.