Fluid discharge linked to bending of the incoming plate at the Mariana subduction zone

在馬里亞納俯沖帶，流體的排泄與進(jìn)入的板塊的彎曲有關(guān)

來(lái)源：Geochemical Perspectives Letters（2019年，第11卷）

 

論文總結(jié)

研究通過(guò)載人潛水器（HOV）Jiaolong對(duì)馬里亞納俯沖帶輸入板塊的流體排放特征進(jìn)行了觀測(cè)和分析，重點(diǎn)揭示了板塊彎曲導(dǎo)致的斷層活動(dòng)如何促進(jìn)流體循環(huán)和排放，及其對(duì)地球化學(xué)過(guò)程和微生物生態(tài)系統(tǒng)的影響。以下是對(duì)論文的詳細(xì)總結(jié)。

 

摘要概括

摘要指出，俯沖帶輸入板塊的構(gòu)造彎曲可能導(dǎo)致上洋殼的正常斷層作用，從而增強(qiáng)滲透性和流體循環(huán)。研究通過(guò)HOV Jiaolong在馬里亞納俯沖帶輸入板塊（水深5448米）發(fā)現(xiàn)了流體排放特征，包括流體排放點(diǎn)和相關(guān)凹坑（pockmarks），這些特征在多個(gè)深度相關(guān)場(chǎng)中大量存在。伴生的Galatheid螃蟹（典型滲流生物）表明海底流體排放。共存的玄武質(zhì)洋殼蝕變廣泛，以iddingsite（含水鐵硅酸鹽）為主的泥漿存在于流體排放區(qū)。這些發(fā)現(xiàn)表明，輸入板塊的結(jié)構(gòu)變形可能以新方式顯著影響上洋殼與海水之間的化學(xué)交換，并可能代表深海溝中H2-based化能自養(yǎng)生命和微生物生態(tài)系統(tǒng)的未知 niches。觀測(cè)結(jié)果在化學(xué)和物理上與馬里亞納前弧區(qū)的蛇紋泥火山形成形成對(duì)比。

研究目的

本研究旨在解決以下核心問(wèn)題：

 

提供直接地質(zhì)證據(jù)，證明俯沖帶輸入板塊彎曲導(dǎo)致的流體排放現(xiàn)象。

分析流體排放點(diǎn)的礦物學(xué)、地球化學(xué)和微生物學(xué)特征，揭示其形成機(jī)制。

 

評(píng)估流體排放對(duì)化學(xué)交換和微生物生態(tài)系統(tǒng)的影響，探討其在全球俯沖帶的普遍性。

 

研究思路

研究采用多學(xué)科方法進(jìn)行綜合調(diào)查：

 

野外觀測(cè)：使用HOV Jiaolong在馬里亞納海溝南部進(jìn)行潛水調(diào)查，觀測(cè)和記錄流體排放點(diǎn)、凹坑和生物活動(dòng)（如Fig. 1和Fig. 2所示）。

樣品采集：采集巖石、沉積物和孔隙水樣品，重點(diǎn)關(guān)注蝕變區(qū)域（如iddingsite富集區(qū)）。

實(shí)驗(yàn)室分析：

 

礦物學(xué)分析：使用Raman光譜、X射線衍射（XRD）和電子探針微分析（EPMA）鑒定礦物組成（如iddingsite和augite）。

地球化學(xué)分析：測(cè)量孔隙水化學(xué)參數(shù)（pH、離子濃度、溶解氣體H2和CH4），使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)進(jìn)行原位pH測(cè)量（Supplementary Information）。

溫度估計(jì)：通過(guò)氧同位素分析（δ18O）估算蝕變溫度。

 

微生物學(xué)分析：通過(guò)16S rRNA高通量測(cè)序和宏基因組學(xué)分析微生物群落結(jié)構(gòu)和功能。

 

數(shù)據(jù)整合：結(jié)合地質(zhì)、地球化學(xué)和生物學(xué)數(shù)據(jù)，構(gòu)建流體排放模型，并探討其全球意義。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

以下列出關(guān)鍵測(cè)量數(shù)據(jù)、其來(lái)源（圖或表編號(hào)）及研究意義：

 

流體排放點(diǎn)和凹坑的形態(tài)數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 2）

 

數(shù)據(jù)：流體排放點(diǎn)高約1米、直徑2-5米；凹坑直徑3-6米；分布范圍約100米。

 

研究意義：直接證明板塊彎曲導(dǎo)致流體排放，提供形態(tài)學(xué)證據(jù)，表明排放點(diǎn)可能為流體通道，支持化學(xué)交換和生物棲息。

 

礦物學(xué)數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 3, Table S-2）

 

 

 

數(shù)據(jù)：Iddingsite化學(xué)成分為SiO2（39.8-54.3%）、Fe2O3（24.6-34.5%）、MgO（2.7-4.1%）；與augite共生。

 

研究意義：Iddingsite形成表明低溫水巖反應(yīng)（93-130°C），證實(shí)流體滲透和蝕變過(guò)程，為H2生成提供物質(zhì)基礎(chǔ)（通過(guò)Fe氧化和水還原）。

 

溫度估計(jì)數(shù)據(jù)（來(lái)源：Table S-3）

 

數(shù)據(jù)：氧同位素估算蝕變溫度為93-130°C。

 

研究意義：表明蝕變發(fā)生在中低溫環(huán)境，支持流體循環(huán)和化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生條件。

 

孔隙水化學(xué)數(shù)據(jù)（來(lái)源：Supplementary Information，Unisense電極測(cè)量）

 

數(shù)據(jù)：pH測(cè)量使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)，孔隙水顯示堿性條件；溶解H2和CH4濃度升高（H2達(dá)微摩爾級(jí)）。

 

研究意義：高H2濃度表明水還原反應(yīng)發(fā)生，為化能自養(yǎng)微生物提供能源；pH數(shù)據(jù)幫助理解流體化學(xué)環(huán)境。

 

微生物群落數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. S-5, S-6）

 

 

 

數(shù)據(jù)：細(xì)菌以Proteobacteria（61.34%）為主；古菌以Thaumarchaeota（80.88%）和Euryarchaeota（13.02%）為主，包括產(chǎn)甲烷菌（如Methanococcales）。

 

研究意義：證實(shí)H2-based微生物生態(tài)系統(tǒng)存在，支持化學(xué)合成生命模式。

 

宏基因組數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. S-7, S-8）

 

 

數(shù)據(jù)：檢測(cè)到產(chǎn)甲烷路徑關(guān)鍵基因（如mcr、hdr）。

 

研究意義：揭示微生物利用H2和CO2產(chǎn)生CH4的代謝能力，證實(shí)流體排放點(diǎn)作為微生物niches。

 

研究結(jié)論

本研究得出以下核心結(jié)論：

 

流體排放與板塊彎曲直接相關(guān)：輸入板塊彎曲導(dǎo)致斷層活動(dòng)，增強(qiáng)滲透性，促進(jìn)流體循環(huán)和排放，形成流體排放點(diǎn)和凹坑。

地球化學(xué)過(guò)程：Iddingsite蝕變產(chǎn)生H2，通過(guò)水還原反應(yīng)（Fe氧化）生成，支持化能自養(yǎng)微生物；流體排放促進(jìn)化學(xué)交換（如C、Fe循環(huán)）。

微生物生態(tài)系統(tǒng)：流體排放點(diǎn)富含H2和CH4，支持氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌和硫酸鹽還原菌，形成獨(dú)特深部生物圈。

 

全球意義：類似流體排放系統(tǒng)可能在其他俯沖帶普遍存在，對(duì)全球地球化學(xué)循環(huán)和深部生命探索有重要啟示。

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

在本研究中，丹麥Unisense微電極系統(tǒng)用于原位測(cè)量孔隙水的pH值，其研究意義主要體現(xiàn)在：

 

高分辨率原位測(cè)量：Unisense電極具有微米級(jí)精度，可直接插入沉積物中進(jìn)行實(shí)時(shí)pH測(cè)量（Supplementary Information描述），避免了取樣擾動(dòng)，提供了高分辨率數(shù)據(jù)（如pH梯度）。這有助于準(zhǔn)確刻畫(huà)流體-沉積物界面的化學(xué)環(huán)境。

揭示流體化學(xué)環(huán)境：pH數(shù)據(jù)結(jié)合其他參數(shù)（如離子濃度、溶解氣體），顯示孔隙水呈堿性條件，這與iddingsite蝕變過(guò)程一致（Fe氧化和水還原）。堿性環(huán)境可能促進(jìn)某些礦物沉淀和微生物活動(dòng)。

支持反應(yīng)機(jī)制推斷：pH測(cè)量幫助驗(yàn)證蝕變反應(yīng)的熱力學(xué)條件（如估算反應(yīng)溫度），并指示流體來(lái)源（如海水滲入或深部流體）。例如，pH變化可能與CO2脫氣或微生物代謝相關(guān)。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：Unisense系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和高精度，使其成為深部環(huán)境研究的可靠工具，尤其適用于極端條件（如高壓、低溫）。沒(méi)有這些原位數(shù)據(jù)，流體化學(xué)環(huán)境的理解將依賴間接推斷，可能引入誤差。

 

研究意義延伸：Unisense數(shù)據(jù)與其他地球化學(xué)參數(shù)（如H2、CH4）結(jié)合，直接證明了流體排放點(diǎn)的還原環(huán)境，為微生物提供宜居條件。這強(qiáng)調(diào)了流體排放點(diǎn)在深部生物圈中的重要性，并支持了H2-based生命模式的假設(shè)。

 

總之，丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)是本研究的關(guān)鍵組成部分，通過(guò)提供原位、高精度的pH測(cè)量，它直接揭示了流體排放點(diǎn)的化學(xué)微環(huán)境，為理解水巖反應(yīng)和微生物生態(tài)系統(tǒng)提供了實(shí)證基礎(chǔ)。這項(xiàng)技術(shù)增強(qiáng)了深部環(huán)境研究的可靠性，為未來(lái)類似研究提供了方法學(xué)參考。