臺灣西南海域沉積物之自生重晶石富集與甲烷移棲之關系

王煒誠,林曉武（鴻富錦精密電子（鄭州）有限公司,鄭州　450000）

臺灣西南海域沉積物之自生重晶石富集與甲烷移棲之關系

王煒誠,林曉武
（鴻富錦精密電子（鄭州）有限公司,鄭州450000）

臺灣西南海域高甲烷通量的區域，有快速的硫酸鹽還原速率，也伴隨著高鋇離子通量。藉由自生重晶石在沉積物中富集的深度，推估過去不同時期硫酸鹽-甲烷反應帶的位置，并利用自生重晶石富集峰的大小，計算其累積所需的時間，進而評估甲烷通量的遷移史。

天然氣水合物；自生重晶石；甲烷移棲

準確量測天然氣水合物上層甲烷遷移之時間與尺度，是了解天然氣水合物遷移所產生相關變化之重要依據。傳統測量甲烷通量的方法，例如甲烷濃度隨深度之變化、硫酸鹽還原速率等，只能得知現今甲烷的通量，無法探究過去甲烷通量大小與改變。一般古海洋常用之方法如碳-14和浮游生物殼體氧同位素等量測方法，則因為老碳與硫污染影響，不適用于天然氣水合物甲烷通量之研究。自生重晶石在硫酸鹽-甲烷反應帶的富集，則可作為現今與過去甲烷通量變化的良好指標，并藉以推估甲烷通量穩定持續的時間長短，更且藉由自生重晶石多次富集的出現與否，探討甲烷通量的時序變化，以充分了解甲烷移棲的歷史，進而了解甲烷通量變化與天然氣水合物賦存及氣候變遷的關系。

1　試驗分析

本研究分析項目包含間隙水鋇離子及硫酸鹽濃度、沉積物金屬鋇與鋁含量、酸可萃取硫（acidvolatilesulfide,AVS）及黃鐵硫（pyrite）含量、有機碳及碳酸鈣含量、以及沉積物基本物理性質（含水量、孔隙率、統體密度）。

本研究于臺灣西南海域不同甲烷通量區域采集沉積物巖心樣品，分析其間隙水與沉積物中鋇離子含量，探討自生重晶石的垂直分布與富集。藉由鋇離子擴散通量模式計算，估算自生重晶石富集時間，以探討研究區域內甲烷通量的時序變化。本研究亦進一步探討間隙水中鋇離子與甲烷和硫酸鹽之間的相互關系。研究結果顯示，臺灣西南海域沉積物中發現多種不同類型的自生重晶石富集，包括單一峰值、多個峰值以及沒有峰值等數種。同一巖心中，多個自生重晶石的富集，顯示了本研究區域甲烷通量的大小在過去與現今不同時期有明顯的改變，且自生重晶石富集時間約為一至八千年，顯示甲烷通量曾改變且呈現多次的變化，且部份測站在硫酸鹽-甲烷反應帶并未發現自生重晶石富集峰，故冰期/間冰期海平面上升下降可能并非唯一會造成天然氣水合物穩定帶與甲烷通量改變之控制因素。在活動大陸邊緣地層活動頻繁的海域，活躍的板塊運動產生之活動可能也是造成甲烷通量改變的重要因素。

2　樣品前處理

沉積物樣品于研究船實驗室內，每隔2公分的厚度分裝到50mlPE離心管中，部份樣品立刻冷凍保存直待返回陸上實驗室進行分析。部份樣品分裝后立即使用離心機離心（20分鐘，4000rpm），分離沉積物與間隙水。利用塑料針筒吸取間隙水，經過針筒過濾器（MF-MillIporeMCEMembrane,0.45μm）過濾，將間隙水分裝入7mlPE瓶中，并置入4℃冰箱保存至分析。部份間隙水立即加入0.1ml8N硝酸，再置入4℃冰箱冷藏直待實驗室進行分析。部份沉積物以冷凍干燥機干燥后，以瑪瑙研缽磨碎均質化，再將樣品以沉積物研磨機研磨成粉末狀，置入7mlPE瓶中，直待分析沉積物金屬、有機碳與碳酸鈣含量。

3　試驗結果

沉積物中硫酸鹽還原作用受到上層水體沉降之有機碳通量與地層深處往上移棲之甲烷通量所控制。間隙水硫酸鹽被硫酸鹽還原作用所消耗，濃度隨深度逐漸遞減殆盡，使深埋于沉積物中的海洋重晶石在硫酸鹽-甲烷反應帶之下開始溶解釋出鋇離子。溶解鋇離子伴隨甲烷向上擴散至硫酸鹽-甲烷反應帶，再與硫酸鹽形成自生重晶石再結晶。在天然氣水合物賦存區，深部地層中富含的游離甲烷氣與天然氣水合物解離釋出的甲烷，若能藉由斷層及地層裂隙有效地往淺層沉積物移棲，不僅使沉積物呈現高甲烷通量，亦加速了硫酸鹽還原，使硫酸鹽-甲烷反應帶變淺，讓沉積物中的海洋重晶石更有效地溶解釋出鋇離子，增大了鋇離子通量。快速往上移棲的甲烷亦帶動了鋇離子往上擴散，使鋇離子通量增高。因此，沉積物中硫酸鹽、甲烷與鋇離子通量三者之間存在密不可分的相互關系。

在一般海域環境，上層水體沉降之有機碳通量是沉積物中硫酸鹽還原作用的主要控制因子。有機碳之沉降通量隨水深的增加迅速降低與水深呈指數遞減（Suess,1980），故使沉積物內硫酸鹽還原速率亦會隨著水深增加而降低（LinandMorse,1991）。本研究利用自生重晶石萃取法萃取表層沉積物中，以了解各測站較未受到成巖作用影響之海洋重晶石埋藏量的差異。結果顯示，高鋇離子通量之測站其表層沉積物中所含海洋重晶石含量較高，介于45～65μg/g，而低鋇離子通量之測站其表層沉積物中所含海洋重晶石含量則多介于15～45μg/g，兩者雖有差異但并不是有顯著之不同。

4　結束語

由目前研究所發現的證據看來，臺灣西南海域高甲烷通量的區域，有快速的硫酸鹽還原速率，也伴隨著高鋇離子通量，顯示深部地層中高濃度鋇離子流體，伴隨著甲烷向上擴散至淺層的沉積物中。因此可藉由自生重晶石在沉積物中富集的深度，推估過去不同時期硫酸鹽-甲烷反應帶的位置，并利用自生重晶石富集峰的大小，計算其累積所需的時間，進而評估甲烷通量的遷移歷史。

[1]Suess,E.,1980.Particulateorganiccarbonfluxint heoceans-surfaceproductivityandoxygenutilization. Nature,288:260-263.

[2]Lin,S.andMorse,J.W.,1991.Sulfatereductionandironsulfide mineralformationinGulfofMexicoanoxicsediment.AmericanJourn alofScience,291:55-89.

[3]陳金良.臺灣西南陸棚陸坡沉積物硫酸鹽還原作用與有機碳之沉降通量[D].國立臺灣大學海洋研究所碩士論文,1995.