冷泉碳酸盐岩——冷泉存在的标志

天然气水合物

       冷泉碳酸盐岩，顾名思义，其形成与海底渗漏的冷泉密切相关，它是海底冷泉渗漏活动的主要产物之一（另外一种主要产物是海底的天然气水合物）。在海底的冷泉渗漏系统中，甲烷厌氧氧化（Anaerobic Oxidation of Methane，AOM）和硫酸盐还原（SulfateReduction，SR）被认为是引起碳酸盐岩沉淀的最重要的生物地球化学过程，该过程由甲烷氧化古菌和硫酸盐还原细菌共同协调完成。当海底以下富甲烷的流体向上运移至浅表层沉积物中时，与上层海水扩散到沉积物中的硫酸盐发生甲烷厌氧氧化，形成溶解的无机碳（DIC）和硫氢根离子，该生物地球化学过程反应式为：

CH4 + SO42- → HCO3- + HS- + H2O

       AOM 增加了沉积物孔隙水中 HCO3-的含量，并提高了孔隙水的环境碱度，当HCO3-电离形成的 CO32-与缺氧带沉积物孔隙水中 Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+等二价阳离子结合，孔隙水达到过饱和时，便促使自生碳酸盐矿物沉淀（故严格来讲，冷泉碳酸盐岩称为“甲烷成因自生碳酸盐岩”或许更为合适，只是习惯上多称为冷泉碳酸盐岩），如文石、（镁）方解石和白云石等，该过程反应为：

            Ca2+ +Mg2+ +HCO3- → (Ca/Mg) CO3↓+ O2 + H2O

       如果在甲烷缺氧氧化带，存在 Fe2+，其与 HS－反应形成黄铁矿：

Fe2+＋HS- → FeS2↓+ H+

       这也是在冷泉碳酸盐岩中常可以见到草莓状黄铁矿的原因。不同的渗漏系统具有相同的或相似的生物化学过程，反应速度也非常快。冷泉渗漏区的这种耦合的生物地球化学作用局限于硫酸盐-甲烷的过渡带（Sulfate-Methane  TransitonZone：SMTZ），在这个狭窄的过渡带内，上部海水向下扩散的硫酸盐和下部向海底渗漏的甲烷含量因为 SR-AOM 作用被迅速消耗而急剧下降，SMTZ 以下甲烷含量又急剧升高。海底 SMTZ 的埋深受控于运移到海底的甲烷通量，并与之呈反相关关系，即甲烷通量较小时，SMTZ 的埋深大，甲烷通量较大时，SMTZ 的埋深就会变浅更靠近海底，有的 SMTZ 甚至直接在海底面或底层海水中，比如黑海，但总体上，冷泉渗漏区 SMTZ 埋深一般不超过几十米，多数情况下不足 10 m 且往往不足 1 m。下图显示了冷泉渗漏系统的缺氧环境中，硫酸盐-甲烷过渡带内进行的甲烷缺氧氧化和硫酸盐还原生物地球化学作用，以及该作用过程的主要产物。

  从冷泉碳酸盐岩的形成机制可见，冷泉碳酸盐岩的碳主要来自渗漏流体中的甲烷。Michaelis 等（2002）利用放射性碳同位素14C 示踪技术，研究了黑海西北大陆架冷泉渗漏区渗漏甲烷的碳的转化过程，他们在实验室用14CH4培养1  cm 厚的噬甲烷古细菌席，然后分析作用后放射性分布二维图像，研究表明，14CH4经甲烷古菌作用转移到冷泉碳酸盐岩中，这为甲烷缺氧氧化生成自生碳酸盐岩提供了直接的证据。因此，冷泉碳酸盐岩在物质来源、形成环境、成因机制等方面与传统海相碳酸盐岩是不同的。