近期，国际知名地学期刊Geophysical Research Letters发表我院刘丰豪博士及其合作者的研究成果“Glacial methane hydrate dissociation in the South China Sea Margin during the Oligocene”。该研究揭示了渐新世南极冰盖发育初期，在地球轨道偏心率调控下，南海北部陆坡天然气水合物的周期性大规模崩解事件，据此提出这些甲烷释放的碳可能对渐新世冰期-间冰期转换过程产生重要影响，为深入理解全球碳循环与气候变化的耦合机制提供了新的科学视角。
天然气水合物是以甲烷（CH4）和水分子为主形成的笼形结构类冰结晶化合物。目前全球约有数千亿吨的甲烷以天然气水合物的形式在一定范围的低温和中压条件下稳定储存在海洋大陆坡的沉积物之中。海洋温度或海平面的变化会破坏水合物的稳定性，将封存的甲烷释放到上覆沉积物中。这些逃逸的甲烷衍生碳一旦进入大气，可能会加剧温室效应。因此，水合物失稳长期以来被认为与地球历史上的碳循环扰动事件和全球快速变暖过程存在重要关联（如5600万年前的古新世-始新世极热事件）。
该研究分析了南海北部国际大洋发现计划 IODP U1505 站位 (18°55′N, 115°51′E; 水深 2916.6 m) 早渐新世沉积物的底栖有孔虫群落和同位素结果（图1）：（1）底栖有孔虫群落含有丰富的浅水底栖属种，指示外陆架至上陆坡环境，水深浅于1000米；（2）基于底栖有孔虫δ18O地层，结合浮游有孔虫和钙质超微化石的生物地层约束，建立了3900至2700 万年前（长达1200万年）的沉积记录年龄模式；（3）发现了11个期次的δ13C异常负漂移事件，其中10个期次发生在始新世-渐新世转型（约3400万年前南极冰盖开始发育）之后（图1），并与δ18O高值区间相对应（图2）。值得注意的是，在δ13C异常负值时期，颗石藻重结晶率也呈现异常升高特征（图1）。
根据以上发现，该研究提出渐新世地球轨道偏心率调控的冰期海平面下降是引发南海边缘天然气水合物周期性分解的关键原因，这一过程最终导致底栖有孔虫δ13C值的显著偏轻（图3）。
图1 IODP U1505站位δ13C负值异常事件。（a）早渐新世时期U1505站位在南海北部的位置。（b）底栖δ18O记录。（c）底栖δ13C记录。方块和圆圈表示U1505站位的δ18O和δ13C数据，不同颜色的符号代表同一层位的重复测量。CENOGRID（蓝线和绿线）：新生代全球参考同位素数据集。（d）重结晶颗石藻的相对丰度。黄色阴影标注11期δ13C负异常事件。
图2 U1505站位底栖有孔虫δ13C负异常与δ18O的关系。除第1期δ13C负值异常事件与δ18O负偏移同时发生外，其余10期δ13C事件均对应相对偏正的δ18O值。
图3 渐新世南海北部陆坡甲烷水合物分解机制的示意图。（a）间冰期，海平面上升导致沉积物中的静水压力增加，增强了甲烷水合物的稳定性。（b）冰期，冰盖扩张导致海平面下降，静水压力降低，引发水合物分解。释放的甲烷耗尽了孔隙水中的SO42-，使硫酸盐-甲烷转换带（SMTZ）更靠近表层沉积物。
该项研究提出渐新世冰期海平面下降可以触发大规模的水合物分解，促进冰期的终结并向间冰期过渡；这一论点迥异于传统上认为的天然气水合物崩解主要与全球变暖事件相关，即海水增温导致水合物的不稳定。
论文第一作者为我院刘丰豪博士，合作者包括黄恩清教授（通讯作者）、金小波副教授、以及田军教授。该研究受国家自然科学基金，国家重点研发计划以及上海市基础研究特区项目共同资助。
全文链接：https://doi.org/10.1029/2024GL114439