海底沉积物-水界面溶解甲烷渗漏通量原位观测研究进展

海底沉积物-水界面溶解甲烷渗漏不仅是海底天然气水合物的存在标志和分解释放途径,也是冷泉生物群落的物质和能量来源,因其对海洋环境乃至全球变化的可能重要影响而日益引起人们关注,而海底原位观测及渗漏甲烷通量估算是理解上述问题的关键。目前国际上有两种较为成熟的海底甲烷通量观测方法:1流体渗漏速率原位测量配以室内甲烷浓度分析;2底栖室流体连续取样配以室内甲烷浓度分析,前者能灵敏反应冷泉渗漏速率的时序变化,而后者具有较高的甲烷通量测量准确度。随着甲烷传感器技术的发展,原位测量方法将大大提高甲烷通量测量精度、时间和分辨率。在可移动式观测平台上搭载甲烷传感器,同时进行近海底界面微尺度甲烷浓度梯度测量和湍流观测,不仅能够精细刻画近海底甲烷浓度变化、渗漏通量变化,并且非封闭环境能够最大限度地避免沉积物-水界面遭受扰动,使观测数据更接近海底真实环境,这成为未来海底原位观测的主要发展方向之一。除此之外,特征冷泉生物群落的分布已被广泛应用于将个别测量站位的观测结果扩展到整个区域的甲烷渗漏流量估算。目前,国外学者已经对部分典型海底冷泉区进行了渗漏甲烷通量估算,发现每个渗漏系统每年通过溶解形式向海水释放甲烷量约为6×103~1.35×107 mol,并且甲烷渗漏在时间上和空间上都是多变的,但还没能将单个冷泉系统的通量估算延伸到更大的时空尺度,这成为深入研究海底甲烷储库及其在全球碳循环和气候变化中的作用的瓶颈之一。     

海底冷泉区沉积物-水界面甲烷通量原位观测研究进展

海底沉积物-水界面作为冷泉跨圈层活动最关键的界面,近年来已成为冷泉区碳循环研究调查的重点目标。为准确获取海洋沉积物-水界面的流体通量,客观重建界面环境过程,评估环境效应,必须发展一整套精确、高效、科学的水下原位甲烷通量测量技术。综述了当前海洋冷泉区沉积物-水界面甲烷通量研究的意义与价值,详细介绍了多种较为成熟的海洋沉积物-水界面甲烷原位通量测试技术工作原理、使用方法和优缺点等,如测试游离气泡态甲烷通量的渗漏帐篷、声学反射、时序影像等技术方法,原位溶解态甲烷膜脱气技术的甲烷传感器、激光拉曼光谱测量方法等,同时对全球该领域已经调查的地区、研究现状和进展进行了详细的介绍。最后从技术层面对这一研究领域未来的发展方向和趋势进行展望,以期为未来国内海洋冷泉区沉积物-水界面甲烷通量原位观测研究提供思路与方向借鉴。     

海底天然气水合物及冷泉流体渗漏的原位观测技术

海底天然气水合物藏是天然的巨型碳储藏库,是深部甲烷等烃类气体运移至海底过程中暂时的碳储,是地球碳循环过程的重要一环。冷泉通常与海底天然气水合物藏分解密切相关,是深源或浅层气及水合物分解气在海底发生渗漏的现象。该文根据国内外天然气水合物及冷泉系统勘查的最新动向,综述了与水合物及冷泉流体渗漏相关的羽状流、运移通道、海底微地形地貌等要素的海底原位观测技术,主要包括：走航式及坐底式原位观测、海面及低空渗漏甲烷观测、海底可视化观测、与水合物及冷泉相关的海底观测网络等。综合使用原位观测技术可以更细致、全面地描绘水合物和冷泉系统的时空“景象”,更好地协助厘清海底渗漏甲烷的归趋,拓展人类对深海独特生命绿洲的认知。     

海底甲烷冷泉特征与冷泉生态系统的群落结构

海底冷泉及冷泉生态系统是现代海洋地质学和生物学研究的前沿领域,它提升了人类对深海资源的认识和利用,拓展了深海极端环境下生命的潜在界线。综述了海底甲烷冷泉的成因、冷泉喷发的类型及其特征,海底冷泉分布、形成的主要阶段(150—100Ma BP,42—28Ma BP和12Ma BP以来)以及指示海底冷泉系统的简要特征;综述了冷泉化能自养生态系统及其食物链构成和特征,专性种、潜在专性种和非专性种的生物组成及其特征,冷泉环境中有孔虫和轻小型底栖动物的主要变化;最后划分了我国近海的冷泉区(点)并简要介绍它们的分布和特征,为开展我国近海冷泉及其冷泉生物群落的调查和研究提供了基础资料。     

海底冷泉系统的碳循环问题及探测

海底冷泉泄漏是全球碳循环过程中重要的一环,该系统分布的广泛性、机制的复杂性、与水合物资源的关联性及相关科学问题的重要性,使之成为海洋科学调查和研究的前沿领域.本研究评述了冷泉泄漏活动涉及到的几个碳循环问题,包括作为甲烷厌氧氧化反应(AOM)产物的碳酸盐在碳循环中的地位、大陆坡深源碳在冷泉泄漏中的贡献以及冷泉泄漏与金属矿产资源的关系等,藉此加深人们对该系统的理解.同时,本研究还介绍了在当前关于碳循环研究过程中,对海底冷泉探测常用的几种重要方法,包括以多波束探测气泡羽流,以坐底式探测器对冷泉泄漏活动进行原位、实时、持续地观测以及一系列近期开展的海底观测网计划.最后讨论了该领域未来发展的趋势及相关的重点问题,以期给相关研究提供一些有益的参考.     

海底沙波迁移过程原位观测简易装置设计与试验

海底沙波的迁移对海底基础工程具有潜在危害,成为人们日益关注的热点。目前对海底沙波迁移过程的研究缺乏原位长期观测数据的支撑,设计一种海底沙波迁移过程的原位观测装置,通过水压差与高程差变化的对应关系来确定沙波的形态变化和迁移过程。并且在室内波浪水槽中对装置观测的可行性和观测结果的准确性进行验证,同时在仰口湾潮滩进行现场观测应用。该装置室内试验测量计算得到沙波表面高度变化5.9 cm,而观测得到沙波表面高度实际变化5.5 cm,两者吻合程度很好。试验结果表明,这套海底沙波迁移过程原位观测装置能对沙波外部形态变化进行测量且准确度较高,为海底沙波迁移的观测提供了新方法。     

深海冷泉古菌厌氧甲烷氧化研究进展

在富含甲烷水合物的海相冷泉沉积物中, 古菌厌氧甲烷氧化作用(anaerobic oxidation of methane, AOM)越来越受到人们的重视。目前普遍认为, AOM是由嗜甲烷古菌和硫酸盐还原菌共同调节的生物地球化学过程。16S rRNA基因分析表明, 包括AEME-1、AEME-2和AEME-3在内的多种甲烷古菌参与了AOM的过程, 它们广泛分布于全球大洋海底缺氧带。AOM过程与全球环境变化密切相关, 从深海底部冷泉区向上渗漏的甲烷气体, 绝大部分在穿透缺氧带沉积层过程中被甲烷氧化古菌所消耗, 有效减少了具有强烈温室效应的甲烷气体向大气的释放。对AOM生物地球化学过程的研究, 在认识冷泉系统碳酸盐的形成机理、控制强温室气体甲烷从海底的渗漏和开发可燃冰新能源等方面具有重要意义。     

海底甲烷缺氧氧化与冷泉碳酸盐岩沉淀动力学研究进展

海底缺氧带甲烷氧化作用是一个重要的甲烷生物地球化学过程,已被许多地球化学现象所证实。甲烷缺氧氧化有效地减少了渗漏到海水和大气中的甲烷通量,但目前仅有的数据还不能很好地限定甲烷缺氧氧化在全球甲烷循环和全球碳循环中的作用。甲烷缺氧氧化的机理还存在争议,很可能是一个"反甲烷生成"过程。在许多天然气渗漏发育区域,由于甲烷缺氧氧化作用引起环境碱度的增加而沉淀冷泉碳酸盐岩,在海底表层沉积物中形成块状碳酸盐岩结壳。但冷泉碳酸盐岩生成所需的物理化学和生物地球化学条件在很大程度上还不清楚。数值计算表明,孔隙水中溶解足够量的甲烷、冷泉渗漏强度适中、较小的生物扰动作用有利于冷泉碳酸盐岩的生成,而过高的沉积速率则抑制冷泉碳酸盐岩结壳的生成。因此,海底发育冷泉碳酸盐岩可以指示天然气渗漏系统的演化特征。     

冷泉渗漏区海底微生物作用及生物标志化合物

在有冷泉活动和水合物产出的海底环境中,甲烷氧化古细菌和硫酸盐还原细菌十分发育,它们主导着海底天然气(主要是甲烷)的缺氧氧化作用,并在海底碳循环和生物种群繁衍中发挥着重要作用。海底天然气渗漏活动区的甲烷氧化古细菌使渗漏CH4缺氧氧化为HCO3-,硫酸盐还原细菌使SO42-转化为HS-,从而使细菌微生物获得生命所需的能量,生物种群得以发育和繁衍。甲烷氧化古细菌有ANME-1、ANME-2、ANME-3三个种群,形成相应的醚类异戊二烯类和类异戊二烯烃类生物标志物。硫酸盐还原细菌有Desulfosarcina和Desulfococcus两个主要的细菌群落,形成二烃基甘油二醚和脂肪酸生物标志化合物。这种天然气渗漏区内微生物活动产生的生物标志化合物都具有特别负的碳同位素组成,δ13C值为-41.1‰~-95.6‰,说明微生物群落在生命代谢过程中摄取了来自甲烷的碳,同时也反映了天然气渗漏系统缺氧带存在的古细菌和硫酸盐还原细菌活动。     

天然气水合物赋存区近海底环境原位观测系统集成与实现

天然气水合物资源将是21世纪最具潜力的洁净能源之一。对天然气水合物的勘探和试开采,必须对天然气水合物海底环境变化规律和试开采的环境效应先行研究。介绍了一种适用天然气水合物赋存地区而研发的海底环境原位观测系统,并对该观测系统的设计原则、系统组成及工作原理、系统的集成与实现等方面进行了详细阐述。该系统的应用将为天然气水合物海底环境变化规律研究和试开采环境效应研究提供可靠的原始数据,这是进行海底长时间原位观测的良好解决方案。     

冷泉系统研究国际发展态势分析

以Web of Science信息平台的SCIE数据库为数据源,利用文献计量方法,分析国际冷泉系统研究的年度变化、期刊分布、主要研究国家、机构的影响力及合作情况以及国际研究热点领域。研究结果发现:国际冷泉系统研究论文产量一直呈增长趋势;美国论文产出数量最多、合作中心性最强。德国亥姆霍兹国家研究中心联合会发文最多。中国近三年发文比例和第一国家发文比例均排名第一,其中发文最多的机构为中国科学院。微生物甲烷厌氧氧化、冷泉区生物多样性以及冷泉碳酸盐岩的矿物学和地球化学是研究热点。     

Screening and characterization of proteases produced by deep-sea cold seep bacteria

Fifty protease-producing strains were screened from sediment of deep-sea cold seep, and divided into four different categories: Bacillus, Pseudoalteromonas, Vibrio, and Alteromonas according to the sequences of 16s r RNA. Their abilities to produce protease, amylase, and lipase were determined, and a Bacillus strain gcc-1 displayed very strong alkaline protease activity and stability under different thermal and acidic conditions. The purification of the protease produced by strain gcc-1 was carr...     

热液和冷泉10种无脊椎动物基因组大小测定及比较

基因组大小(或称C值)作为生物单倍体细胞中全套染色体的DNA总量,在一定程度上是恒定的,因而C值可以作为生物物种的一个特定参数。深海热液和冷泉为更好地理解C值与不同环境之间的关系提供了一个特征性的模型。本文采用流式细胞术,测定了来自热液和冷泉环境中的10种深海无脊椎动物的C值,其分布范围从0.87 pg到12.28 pg,其中,相比于软体动物和多毛类,甲壳生物基因组大小及变异均较大。对比热液和冷泉两个群落中共有种(深海偏顶蛤Bathymodiolus platifrons、柯氏潜铠虾Shinkaia crosnieri以及长角阿尔文虾Alvinocaris longirostris)的基因组大小,发现C值差异并不显著。同时,综合已有的数据,对深海化能极端环境与其他环境条件下的物种C值进行对比分析,结果显示深海化能极端环境下生物的基因组大小并没有发现明确的变化趋势。     

鄂霍次克海冷泉沉积物真核生物多样性的初步研究

从鄂霍次克海沉积物样品中提取总基因组DNA,进行核糖体rRNA基因内转录间隔区(ITS)的扩增,构建克隆文库并进行测序,对该环境下真核生物的多样性进行了初步研究。结果发现,该环境下的真核生物具有较高的多样性,主要为3大类,真核藻类、真菌和微型浮游动物。藻类和微型浮游动物的组成与前人在该海域浮游生物生态学的研究相吻合,而真菌群落具有较高的多样性,这为该区域真核生物多样性、所参与的生物地球化学过程及生态学意义的研究奠定了基础。     

南海冷泉区贻贝(Bathymodiolus platifrons)附生菌的分离培养与多样性分析

以采集后适应培养0~24 h以及添加甲烷和硫化钠培养24~240 h的南海冷泉区深海贻贝(Bathymodiolus platifrons)为材料,取其鳃部,分析附生菌的多样性与适应性变化状况。共分离鉴定出贻贝附生菌270株,对菌株的16S r DNA进行聚类分析,结果表明所分离菌株主要分布在4个门,21个属,其中变形菌的数量最多且多样性高。分析发现原位新采集的贻贝鳃部附生菌的多样性较高,6 h后附生菌的多样性明显降低。分别添加甲烷和硫化钠对深海贻贝进行培养,甲烷组与碳代谢有关的假单胞菌的数量逐渐增多,且在甲烷组240 h中发现2株食烷菌属菌株。硫化钠组的芽孢杆菌属所占比例升高。此外还发现4株潜在的新种。本研究实现了深海冷泉区贻贝的实验室培养,并对贻贝鳃部附生菌群结构进行了分析,丰富了海洋极端环境微生物资源库,并为深入解析贻贝与其附生菌之间的相互作用关系奠定了基础。     

Seismic imaging of the Formosa Ridge cold seep site offshore of southwestern Taiwan

Multi-scale reflection seismic data, from deep-penetration to high-resolution, have been analyzed and integrated with near-surface geophysical and geochemical data to investigate the structures and gas hydrate system of the Formosa Ridge offshore of southwestern Taiwan. In 2007, dense and large chemosynthetic communities were discovered on top of the Formosa Ridge at water depth of 1125 m by the ROV Hyper-Dolphin. A continuous and strong BSR has been observed on seismic profiles from 300 to 500 ms two-way-travel-time below the seafloor of this ridge. Sedimentary strata of the Formosa Ridge are generally flat lying which suggests that this ridge was formed by submarine erosion processes of down-slope canyon development. In addition, some sediment waves and mass wasting features are present on the ridge. Beneath the cold seep site, a vertical blanking zone, or seismic chimney, is clearly observed on seismic profiles, and it is interpreted to be a fluid conduit. A thick low velocity zone beneath BSR suggests the presence of a gas reservoir there. This “gas reservoir” is shallower than the surrounding canyon floors along the ridge; therefore as warm methane-rich fluids inside the ridge migrate upward, sulfate carried by cold sea water can flow into the fluid system from both flanks of the ridge. This process may drive a fluid circulation system and the active cold seep site which emits both hydrogen sulfide and methane to feed the chemosynthetic communities.     

南海东北部陆坡结核成因及对冷泉活动的指示

本文对2018年利用“海龙Ⅲ”ROV在南海东北部陆坡采集到的多金属结核样品进行了矿物学和地球化学分析。结果表明研究区结核以棒状为主,具有2层结构。结核外层的矿物学和元素组成特征与水成型多金属结核较为相似。结核内层多发育孔洞,以针铁矿为主,有黄铁矿残余,Fe、As元素含量高,Mn、REE等元素含量低。NH-2结核样品内部的碳酸盐组分的全岩δ¹³C为-30.91‰。所研究结核样品的早期形成过程与冷泉活动密切相关,结核生长后期冷泉活动停止或是减弱,在等深流作用下结核黄铁矿被氧化成针铁矿,之后锰铁氧化物继续在结核外部生长。     

基于单波束测深资料的海底冷泉动力学特征反演方法研究

为了准确理解冷泉水体中甲烷气体的分布规律,综合运用单波束测深数据和冷泉水体流场数据,建立了冷泉气泡上升、溶解速率的定量反演方法,利用现场海试资料对反演方法进行了验证,并对海试区域的冷泉气体溢出、溶解通量以及冷泉水体的甲烷浓度进行了估算。计算结果表明,考察船航向与冷泉水体流向的差异会对声学探测结果产生影响,当航向与流向的夹角大于±60°时,声学成像中冷泉倾角的误差将超过50%。同时,冷泉气泡上升速率的衰减与溢出口水深显著相关,相关系数可达0.9,并且冷泉上升流对上升速率的提升效果明显。水合物稳定带的分布对冷泉气泡的收缩速率影响显著,稳定带内、外收缩速率的差异可达3～4倍。冷泉气体通量的计算结果表明,调查区域内冷泉的溢出强度整体较大,同时溶解通量与水深之间呈现明显的分段效应。根据冷泉气体溶解通量估算的冷泉水体甲烷浓度与色谱分析结果具有较好的一致性。相关研究有助于实现对冷泉水体中甲烷气体分布的定量评估,为潜在海底冷泉区的圈划和海域天然气水合物的调查提供技术支撑。     

海洋行政执法技术体系现场仪器设备的配置

海洋行政执法技术体系是海洋行政执法的基础保障,在海洋行政执法体系中处于举足轻重的位置。仪器设备是海洋行政执法技术体系建设的技术保障,是海洋行政执法的重要手段。因此,海洋行政执法技术体系现场仪器设备的配置已成为海洋行政执法队伍建设的重要工作之一。本文从机载仪器设备、船载和车载仪器设备两个方面,以海监总队、大队、支队三个不同的层次探讨海洋行政执法技术体系现场仪器设备的配置。