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

在馬里亞納俯沖帶，流體的排泄與進入的板塊的彎曲有關

來源：Geochemical Perspectives Letters（2019年，第11卷）

 

論文總結

研究通過載人潛水器（HOV）Jiaolong對馬里亞納俯沖帶輸入板塊的流體排放特征進行了觀測和分析，重點揭示了板塊彎曲導致的斷層活動如何促進流體循環和排放，及其對地球化學過程和微生物生態系統的影響。以下是對論文的詳細總結。

 

摘要概括

摘要指出，俯沖帶輸入板塊的構造彎曲可能導致上洋殼的正常斷層作用，從而增強滲透性和流體循環。研究通過HOV Jiaolong在馬里亞納俯沖帶輸入板塊（水深5448米）發現了流體排放特征，包括流體排放點和相關凹坑（pockmarks），這些特征在多個深度相關場中大量存在。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。這些發現表明，輸入板塊的結構變形可能以新方式顯著影響上洋殼與海水之間的化學交換，并可能代表深海溝中H2-based化能自養生命和微生物生態系統的未知 niches。觀測結果在化學和物理上與馬里亞納前弧區的蛇紋泥火山形成形成對比。

研究目的

本研究旨在解決以下核心問題：

 

提供直接地質證據，證明俯沖帶輸入板塊彎曲導致的流體排放現象。

分析流體排放點的礦物學、地球化學和微生物學特征，揭示其形成機制。

 

評估流體排放對化學交換和微生物生態系統的影響，探討其在全球俯沖帶的普遍性。

 

研究思路

研究采用多學科方法進行綜合調查：

 

野外觀測：使用HOV Jiaolong在馬里亞納海溝南部進行潛水調查，觀測和記錄流體排放點、凹坑和生物活動（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，重點關注蝕變區域（如iddingsite富集區）。

實驗室分析：

 

礦物學分析：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）。

地球化學分析：測量孔隙水化學參數（pH、離子濃度、溶解氣體H2和CH4），使用丹麥Unisense微電極系統進行原位pH測量（Supplementary Information）。

溫度估計：通過氧同位素分析（δ18O）估算蝕變溫度。

 

微生物學分析：通過16S rRNA高通量測序和宏基因組學分析微生物群落結構和功能。

 

數據整合：結合地質、地球化學和生物學數據，構建流體排放模型，并探討其全球意義。

 

測量數據及其研究意義

以下列出關鍵測量數據、其來源（圖或表編號）及研究意義：

 

流體排放點和凹坑的形態數據（來源：Fig. 2）

 

數據：流體排放點高約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致流體排放，提供形態學證據，表明排放點可能為流體通道，支持化學交換和生物棲息。

 

礦物學數據（來源：Fig. 3, Table S-2）

 

 

 

數據：Iddingsite化學成分為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（93-130°C），證實流體滲透和蝕變過程，為H2生成提供物質基礎（通過Fe氧化和水還原）。

 

溫度估計數據（來源：Table S-3）

 

數據：氧同位素估算蝕變溫度為93-130°C。

 

研究意義：表明蝕變發生在中低溫環境，支持流體循環和化學反應的發生條件。

 

孔隙水化學數據（來源：Supplementary Information，Unisense電極測量）

 

數據：pH測量使用丹麥Unisense微電極系統，孔隙水顯示堿性條件；溶解H2和CH4濃度升高（H2達微摩爾級）。

 

研究意義：高H2濃度表明水還原反應發生，為化能自養微生物提供能源；pH數據幫助理解流體化學環境。

 

微生物群落數據（來源：Fig. S-5, S-6）

 

 

 

數據：細菌以Proteobacteria（61.34%）為主；古菌以Thaumarchaeota（80.88%）和Euryarchaeota（13.02%）為主，包括產甲烷菌（如Methanococcales）。

 

研究意義：證實H2-based微生物生態系統存在，支持化學合成生命模式。

 

宏基因組數據（來源：Fig. S-7, S-8）

 

 

數據：檢測到產甲烷路徑關鍵基因（如mcr、hdr）。

 

研究意義：揭示微生物利用H2和CO2產生CH4的代謝能力，證實流體排放點作為微生物niches。

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

流體排放與板塊彎曲直接相關：輸入板塊彎曲導致斷層活動，增強滲透性，促進流體循環和排放，形成流體排放點和凹坑。

地球化學過程：Iddingsite蝕變產生H2，通過水還原反應（Fe氧化）生成，支持化能自養微生物；流體排放促進化學交換（如C、Fe循環）。

微生物生態系統：流體排放點富含H2和CH4，支持氫營養型產甲烷菌和硫酸鹽還原菌，形成獨特深部生物圈。

 

全球意義：類似流體排放系統可能在其他俯沖帶普遍存在，對全球地球化學循環和深部生命探索有重要啟示。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

在本研究中，丹麥Unisense微電極系統用于原位測量孔隙水的pH值，其研究意義主要體現在：

 

高分辨率原位測量：Unisense電極具有微米級精度，可直接插入沉積物中進行實時pH測量（Supplementary Information描述），避免了取樣擾動，提供了高分辨率數據（如pH梯度）。這有助于準確刻畫流體-沉積物界面的化學環境。

揭示流體化學環境：pH數據結合其他參數（如離子濃度、溶解氣體），顯示孔隙水呈堿性條件，這與iddingsite蝕變過程一致（Fe氧化和水還原）。堿性環境可能促進某些礦物沉淀和微生物活動。

支持反應機制推斷：pH測量幫助驗證蝕變反應的熱力學條件（如估算反應溫度），并指示流體來源（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。

技術優勢：Unisense系統的實時性和高精度，使其成為深部環境研究的可靠工具，尤其適用于極端條件（如高壓、低溫）。沒有這些原位數據，流體化學環境的理解將依賴間接推斷，可能引入誤差。

 

研究意義延伸：Unisense數據與其他地球化學參數（如H2、CH4）結合，直接證明了流體排放點的還原環境，為微生物提供宜居條件。這強調了流體排放點在深部生物圈中的重要性，并支持了H2-based生命模式的假設。

 

總之，丹麥Unisense電極數據是本研究的關鍵組成部分，通過提供原位、高精度的pH測量，它直接揭示了流體排放點的化學微環境，為理解水巖反應和微生物生態系統提供了實證基礎。這項技術增強了深部環境研究的可靠性，為未來類似研究提供了方法學參考。