研究亮点

• 首次系统对比了同一层位中共存的多种草莓状黄铁矿集合体形态（不规则状、棒状、有孔虫充填状）的草莓体粒径、硫同位素和微量元素组成，发现不同形态集合体之间存在显著地球化学差异。

• 有孔虫充填状集合体中的草莓体平均粒径最小（7.5±3.8 μm），孤立草莓体最大（136.2±42.5 μm），反映局部空间约束和反应物供应差异。

• 硫同位素值在三种集合体形态间差异显著，不规则状集合体δ³⁴S最高（均值-6.42‰），棒状最低（-19.68‰），有孔虫充填状居中（-12.85‰），指示形成微环境的开放程度不同。

• 微量元素（Co、Ni、As、Cu、Zn、Mo、Mn）在不同形态集合体中变化显著，且As与Co、Ni呈正相关而与Cu、Zn、Mo、Mn负相关，表明As可能催化了Co和Ni的掺入。

• 传统混合形态的“全岩”或“混合”黄铁矿分析会掩盖不同形态记录的不同成岩信息，建议未来研究应根据目标选择特定形态，避免信号混淆。

研究背景

研究内容

研究团队从IODP  U1329C站位沉积物中手工挑选出不规则状、棒状、有孔虫充填状集合体以及孤立草莓体，制备断裂截面用于SEM观察形态和草莓体粒径统计，并对满足质量要求的样品（≥2  mg）进行硫同位素分析（EA-IRMS），同时用LA-ICP-MS（束斑32  μm）测定微量元素（Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Mn等）。对比不同形态间的粒径分布、δ³⁴S和微量元素组成，评估其对沉积环境和甲烷渗漏的指示意义。

图1  展示了四种草莓状黄铁矿形态的SEM图像。A–D：不规则状集合体，内部草莓体呈随机、线状、同心状等多样的微晶排列；E–H：棒状集合体，部分显示弯曲；I–L：有孔虫充填状集合体，形态受宿主有孔虫壳限制；M–P：孤立草莓体，尺寸较大，可见断裂面内微晶呈线性排列。红色虚线表示切片面，黑色/白色/黄色比例尺分别为100  μm、50 μm和5 μm。

图2  为草莓体粒径分布。A：不同形态草莓体平均粒径随深度的变化；B：不同层位中不同形态草莓体的粒径直方图；C：所有层位汇总的各形态草莓体粒径频率分布。不规则状MD=12.0±8.0  μm，棒状MD=13.7±10.5 μm，有孔虫充填状MD=7.5±3.8 μm，孤立草莓体MD=136.2±42.5  μm。有孔虫充填状粒径最小，孤立草莓体最大。

图3  为硫同位素组成对比。不规则状δ³⁴S范围-31.26‰至+18.78‰（均值-6.42‰），棒状-30.50‰至+1.82‰（均值-19.68‰），有孔虫充填状-32.80‰至+10.16‰（均值-12.85‰）。三种形态分布两两之间差异显著（t检验p<0.05）。红色星号为全岩黄铁矿δ³⁴S值，与个别形态存在明显偏差。

图4 为微量元素浓度对比（箱线图）。A–G分别对应Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Mn。不同形态间微量元素浓度变化显著，部分样品中Mn浓度差异可达两个数量级（61–1354 ppm）。

图5 为微量元素随深度的变化（箱线图）。各形态在不同层位中微量元素浓度表现出明显的形态依赖性变化，例如As在部分层位中不规则状集合体浓度远高于其他形态。

图6 为As与其它微量元素的交叉图（按形态着色）。As与Co（A）、Ni（B）呈正相关，与Cu（C）、Zn（D）、Mo（E）、Mn（F）呈负相关，表明As可能催化了Co和Ni的掺入，而对Cu、Zn、Mo、Mn的掺入没有催化作用或存在竞争关系。

图7 为Co vs. Ni图（按形态着色）。所有样品Co/Ni<2，指示形成于沉积物内而非水体中。有孔虫充填状Co/Ni最高（0.26），不规则状最低（0.12），反映局部物质供应差异。

图8 为δ³⁴S与微量元素交叉图。A–B：Co、Ni随δ³⁴S降低而升高，与甲烷通量升高一致；C–G：Cu、Zn、As、Mo、Mn与δ³⁴S无明显相关性。

结果与展望