IODP 368航次新成果：首次揭示洋壳热液蚀变中微生物对硫和金属元素循环的重要作用

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所属分类：研究成果

 

近日，国际地学期刊Chemical Geology发表了澳大利亚科学与工业研究组织（CSIRO）胡斯宇博士、云南大学王选策教授和中国科学院深海科学与工程研究所田丽艳副研究员等关于南海盆地蚀变洋壳中硫和微量元素循环的研究成果。该研究首次揭示了洋壳上部热液蚀变过程中微生物活动对硫和微量金属元素循环具有重要作用。

热液在洋壳中发生大规模循环，可导致金属和硫的迁移，为洋壳生物圈的形成和演化提供必要能量营养元素。与此同时，元素和同位素的分馏、迁移和循环在洋壳蚀变过程中留下了矿物和地球化学痕迹，例如，从热液中沉淀的硫化物有效记录了热液在洋壳中的路径和化学成分变化。了解这些矿物和地球化学痕迹是认识蚀变洋壳中元素迁移特征的基础。前人对该领域的研究基本侧重于海底热液循环中心的硫化物地球化学特征，对偏离循环中心的硫和微量元素行为研究较少，且缺乏针对微生物活动贡献相关研究。已有资料表明，海底热液环境很可能是研究早期极端环境下生命的形成和早期演化的窗口。

研究团队选取了IODP 368航次U1502B钻孔蚀变玄武岩样品作为研究对象（图1），对样品中黄铁矿开展了硫同位素和微量金属元素地球化学特征研究，首次揭示了在洋壳上部热液蚀变过程中微生物活动对硫和微量金属元素循环的重要作用，为未来探寻极端环境下生命活动特征提供了新思路。

IODP 368航次新成果：首次揭示洋壳热液蚀变中微生物对硫和金属元素循环的重要作用

图1. 南海地质简图、IODP 368航次U1502站位（五角星）和采样位置图。

该研究发现了蚀变玄武岩样品中存在五种不同类型的黄铁矿，分别呈较好的自形或不规则形态分散在蚀变玄武岩中，或与碳酸盐、石英脉共生，或呈良好的草莓状结构（图2）。其中，不规则的黄铁矿（Py1）颗粒较小，δ34S 值接近2‰，金属元素含量最高（如Co, Ni , Cu等）（图3），推测其形成与初始高温热液活动有关。其他自形较好的黄铁矿（Py2, Py3, Py5）颗粒相对较大，金属元素含量低，相对富集34S，推测其形成与海水来源的流体参与有关。值得注意的是，草莓状黄铁矿具有最重的硫同位素比值，高达+57 ‰；相对于自行较好的黄铁矿（Py2, Py3, Py5），更加富集金属元素，并含有最高的Ag, Mn和Mo元素。这是目前蚀变洋壳报道中最富集34S和微量金属元素的草莓状黄铁矿。

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图2. （A）蚀变玄武岩中分散分布的黄铁矿（Py1）; （B）有斜长石包体的黄铁矿（Py2）; （C）与碳酸盐、绿帘石脉相关的黄铁矿（Py3）; （D）草莓状黄铁矿（Py4）及其周边生长的黄铁矿（Py5）。

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图3. 不同黄铁矿的微量元素平均含量和对硫同位素的投图

此外，作者应用纳米离子探针（NanoSIMS）和飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）对草莓状黄铁矿进行了原位有机物扫描，结果显示有机物紧密包裹在单个黄铁矿外层 （图4），这是生物成因草莓状黄铁矿的经典有机结构。前人在沉积岩和实验条件下硫还原菌产生的草莓状黄铁矿中发现相似结构，但这是第一次在蚀变洋壳中发现此结构。然而，该黄铁矿中有机物含量相对较低，未能发现大分子有机官能团。因此，样品中的草莓状黄铁矿被解释为与微生物（例如，硫还原菌）活动作用有关，且通过瑞利分馏作用导致了显著的34S富集。与此同时，微生物在促进黄铁矿形成过程中极有可能加强了微量金属元素富集，比如通过微量金属元素代谢（metabolism）或者解毒（detoxification），具体机理有待进一步研究。

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图4. 草莓状黄铁矿的扫描电子显微镜背散射（SEM-BSE）照片和NanoSIMS的碳、氮元素

分布照片。

本研究首次报道了蚀变洋壳中微生物活动对硫和微量金属元素循环具有重要作用，是前人未曾探索的领域，因此，该研究为极端环境下生命活动研究提供了重要思路。与此同时，该类黄铁矿可作为寻找早期生命的重要生物标志。

该研究受国家自然科学基金委（41876044），CSIRO博士后基金和云南大学人才引进计划资助（20190043）。作者对参与IODP367/368航次的科学家团队，以及IODP中国办公室一并致谢。

论文信息：Si-Yu Hu, Xuan-Ce Wang, Liyan Tian, Laure Martin, Louise Schoneveld, Stephen J Barnes, Paul Guagliardo, Weiwei Ding, William DA Rickard. Variability of sulfur isotopes and trace metals in pyrites from the upper oceanic crust of the South China Sea basin, implications for sulfur and trace metal cycling in subsurface, Chemical Geology, 120982。

论文下载：Variability of sulfur isotopes and trace metals in pyrites from the upper oceanic crust of the South China Sea basin, implications for sulfur and trace metal cycling in subsurface - ScienceDirect

                                             撰稿：胡斯宇、王选策、田丽艳；编辑：李阳阳