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GRL：地磁暴期间的锯齿极光的统计特性
周一甲等-GRL：地磁暴期间的锯齿极光的统计特性
太阳风携带质量、能量和动量进入地球空间时，需要先后经过磁层顶和等离子层顶两个边界，关于磁层顶的研究已经十分详细，对于等离子层顶，由于卫星高度的限制，研究相对较少。等离子体层顶是冷热等离子体的交界面，其外部被动态的环电流所包裹，存在一系列不稳定的特征。根据磁场模型，环电流会沿磁力线映射到电离层，形成特殊的弥散极光，通过探究这类特殊形态的极光，就可以间接研究等离子层顶。
锯齿极光（巨型波动）就是这类极光的代表之一。锯齿极光于1982年被Lui等首次发现，是磁暴期间的一种常态现象，在磁层-等离子层-电离层的能量耦合方面起着重要作用，其振幅和波长分别为40-400km和200-900km，它们向日侧移动时的速度约为每秒几百米，数值模拟显示，锯齿极光可能是由亚极光极化流驱动的剪切不稳定性导致。何飞等（2020）在Nature Communications的研究表明，当环电流周期性注入挤压陡峭的等离子层顶时，能够形成等离子层顶表面波（PSW），散射高能粒子发生沉降从而产生锯齿极光，但是，研究展示了锯齿极光的大体形成过程和与之相伴的一系列特征，尚未详细解释锯齿极光的物理驱动机制，如锯齿极光的演化模式和普遍特征是什么，触发和控制PSW产生和演化的因素有哪些？
中国科学院地质与地球物理研究所博士研究生周一甲、导师何飞研究员，与魏勇研究员、尧中华特聘研究员以及 卫星气象中心的张效信研究员等合作，利用DMSP卫星长期的极光观测数据，从统计学角度探究了锯齿极光在磁暴期间的大体特征，得出了3个主要结论：
（1）锯齿极光通常出现在磁暴主相开始后1-4小时，结束于磁暴峰值附近的 4小时范围内（图1）；
（2）锯齿极光的波长和振幅与磁暴强度近似成正相关，且波长和振幅也呈正相关（图2）；
（3）锯齿极光的夜侧边缘在其演化过程中基本保持似稳定状态（图1）。
锯齿极光的活动性代表了磁暴期间内磁层最重要的两个边界——等离子体层顶和等离子体片内边界附近发生的复杂的物质和能量转移转化过程。研究发现锯齿极光的夜侧边缘在演化过程中基本保持稳定位置，表明激发波源处于基本固定的位置，其蕴含的物理机制有待进一步通过磁层-等离子体层-电离层耦合模型来揭示，这对于进一步完善内磁层空间天气模型具有重要意义。
图1 巨型波动发生的时间和空间统计图
图2 巨型波动特征与磁暴强度的拟合图
研究成果发表于国际权威学术期刊Geophysical Research Letters（周一甲，何飞*，张效信，尧中华, 魏勇, 张永良. Statistical characteristics of giantundulations during geomagnetic storms[J]. Geophysical Research Letters, 2021,48: e2021GL093098. DOI:10.1029/2021GL093098）。本研究得到 自然科学基金项目（41931073, 41774152）、中科院A类先导专项项目（鸿鹄专项，XDA17010201）和中科院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-201904）等项目的资助。
东沙海区浅层沉积物中黄铁矿异常及其意义
陆红锋 刘坚 陈芳 廖志良
（广州海洋地质调查局 广州 510760）
摘要 东沙海区浅层沉积物的两个岩心出现大量的黄铁矿。GC10岩心中的黄铁矿在300cm以下含量增加，在700cm的区段达到最高，主要为管状、棒状、莓球状；HD319岩心黄铁矿则相对较低，只在最底部730cm的区段突然增加，以莓球状为主。GC10岩心黄铁矿含量异常层位与甲烷含量增加层位一致，而在
关键词 东沙海区 黄铁矿 有机碳 硫同位素 水合物
1 前言
黄铁矿是大陆边缘海区沉积物中缺氧环境下常见的矿物，是正常海相沉积物中有机质降解的产物。大约一半的陆缘沉积物中的有机质利用硫酸盐进行新陈代谢过程，产生大量的硫化氢，经历若干个地球化学旋回，最后促使黄铁矿的形成［1］。
在天然气水合物区沉积物中，黄铁矿是一种常出现的自生矿物。它的形成与沉积物中硫酸盐还原带的甲烷细菌性厌氧氧化作用有关（1），还与有机质降解过程有关（2），这两个过程产生的S2-是黄铁矿形成的重要物源，而其中的细菌性活动则是其形成的主要营力。
南海地质研究.2007
Sassen等［2］在研究墨西哥湾北部陆坡水合物区时，认为大量管状、莓球状黄铁矿的出现是甲烷发生强烈细菌厌氧氧化的结果。我们在东沙海区的沉积物岩心中也发现了大量的黄铁矿，本文通过研究该区自生黄铁矿与沉积物中有机质、甲烷的关系，以及其硫同位素特征，探讨黄铁矿的成因机理。
2 研究区概况
南海为西太平洋最大的边缘海之一，位于欧亚板块、太平洋板块和印度洋板块的交汇处。南海的地质构造受三大板块互相运动所制约，形成独特的边缘构造特征［3］。南海东北部边缘区域就是在这样一种大构造的背景下形成了一套复杂的构造沉积框架：该区域西北边缘为被动构造边缘，东部边缘为主动碰撞边缘，两者的交汇处形成主动和被动陆缘侵蚀区。南海东北部边缘增生楔的沉积物中等变形，西倾不对称的背斜被东倾的叠瓦状逆冲断层所圈闭。
2004年，广州海洋地质调查局“海洋四号”和德国“太阳号”调查船在东沙海域进行了沉积物取样（图1）。在中德合作“SO-177航次”期间“太阳号”调查船在该区首次发现了甲烷菌席生物群落和双壳类生物遗迹，有的测站还发现了甲烷喷流形成了碳酸盐岩烟囱［4］，进一步证实了东沙海域的水合物远景区的存在。本文对该海域HD86V、GC10、HD319岩心的黄铁矿进行研究，分析其形成过程中甲烷排溢通量、有机质的控制因素，进而探讨岩心位置天然气水合物存在的可能性。GC10位于水深3000m附近，HD319 位于1700m水深附近，两者相距约70km。
图1 岩心取样位置
Fig.1 Sampling 1ocations
3 材料与方法
利用了前述2004年水合物调查航次获取的GC10、HD319两个沉积物岩心，以约20cm间距采集样品进行黄铁矿矿物鉴定、硫化物、有机碳和部分层位硫同位素分析。
黄铁矿矿物鉴定、有机碳测定由广州海洋地质调查局实验测试所完成。黄铁矿鉴定根据GB/T13909-92《海洋地质地球物理调查》规范进行，选取0.25～0.063mm粒级样品，依据其物理性质分离出磁性矿物、电磁性矿物、重矿物及轻矿物等部分，然后在实体显微镜下鉴定黄铁矿并估算其含量。有机碳测定采用重铬酸钾-硫酸氧化法，称取0.1～0.5 g样品，置入试管中，加入0.1 g固体硫酸根，加入10.00cm3的0.4mo1/dm3重铬酸钾-硫酸溶液，加热煮沸，用硫酸亚铁标准溶液滴定，然后计算出有机碳百分含量。
硫化物含量分析由广东省物料检测中心完成。采用碘量法，样品中硫化物（黄铁矿）在盐酸酸性介质中产生硫化氢，同水蒸气一起蒸出，用乙酸溶液吸收生成硫化锌沉淀，与盐酸反应生成硫化氢被碘氧化，过剩的碘用硫代硫酸钠标准溶液滴定，最后换算出S2-含量。
硫同位素分析在中科院地质与地球物理研究所完成。采用直接氧化法，将10～20mg黄铁矿以1：6：8：10的比例与CuO，Cu2O，V2O5粉末研磨混合均匀放入瓷舟，推入石英燃烧管内真空高温加热，把产生的SO2分离后在De1ta-S质谱仪上分析，所有数据采用CDT标准。
4 结果与讨论
4.1 含量特征及硫的来源
GC10、HD319岩心出现有大量的黄铁矿，并随深度呈现变化。GC10岩心水深为3008m，柱长为937cm，岩心中的黄铁矿含量在300cm以下含量增加，在700cm的区段达到最高，占分析总重量的50%（图2，GC10）；HD319岩心的取样水深为1730m，柱长730cm，黄铁矿总体含量较低，在300cm～500cm区段含量稍高，在最底部730cm的区段突然增加，占分析总重量的55%（图2，HD319）。GC10中的黄铁矿主要为管状、棒状、球粒状，颜色为铜黄色至灰褐色。HD319的黄铁矿主要以莓球状为主，少量充填有孔虫房室。
海相沉积物中黄铁矿的形成，往往与硫酸盐的还原、有机质的降解有关。GC10岩心的有机碳含量由表面到深部缓慢增加，但在400cm～500cm之间含量最高，相对于黄铁矿的含量剖面（图2，GC10）变化趋势，联系不是十分密切。从GC10岩心的有机碳和硫化物S2-含量变化
图2 GC10、HD319岩心有机碳含量剖面
Fig.2 Organic carbon profi1es of GC10 and HD319
图3 GC10、HD319岩心Corg-Ssu1fide含量变化
Fig.3 Plot of pyrite sulfur against organic carbon of GCl0 and HD319
4.2 硫同位素特征
对GC10，HD319岩心部分区段的黄铁矿进行了初步的硫同位素分析，结果显示，GC10岩心黄铁矿的δ34S（‰）值在-17.149～-33.240 CDT之间，显示了非常负的硫同位素比值和宽的区间。这与美国东南远海的B1ake Ridge水合物区出现的黄铁矿的δ34S‰值相似，取自硫酸盐还原带之下的黄铁矿的δ34S值在-26.2‰～42.7‰之间，在两个相隔3米的样品之间，它们的 S 同位素值相差了70%，同样显示了很宽的变化区间［6］。HD319的δ34S（‰）值-36.363～-39.162 CDT之间，相对比较稳定。
微生物的硫酸盐还原作用会产生34S亏损的硫化物。在反复多次的硫化物氧化-细菌歧化周期后，会产生更加亏损34S的硫化物［7］。因此，在复杂多阶段硫酸盐还原反应中形成的硫化物，将会具34S亏损的特征。本次研究的岩心中的黄铁矿的δ34S‰特征，表明其形成环境可能受到甲烷强烈排溢下多阶段的硫酸盐还原作用、细菌歧化作用的影响，并在不同的阶段形成。所以，GC10岩心黄铁矿的δ34S‰值特征，可能与甲烷的强烈排溢有关，而HD319受其影响稍弱。
全球水合物区普遍存在细菌的硫酸盐还原作用，在沉积物硫酸盐还原带发生强烈甲烷细菌性分解作用会导致大量黄铁矿的形成，并形成具宽域的S同位素比值区间。通过详细地对水合物区出现的黄铁矿进行同位素方面的研究，可以揭示水合物区的微生物地球化学系统对自生矿物（黄铁矿）形成的影响，进而评估水合物的赋存情况。
5 结论
GC10岩心中黄铁矿的形成主要与甲烷的高排溢通量有关，直接受甲烷参与的高硫酸盐还原速率控制；而HD319岩心则主要受沉积物中有机质的降解影响。
GC10岩心黄铁矿的δ34S值显示了非常负且宽域变化的特点（-17.149‰～-33.240‰ CDT），HD319岩心黄铁矿的δ34S值同样很负但相对比较稳定（-36.363‰～-39.162‰ CDT），表明两者可能受多阶段的硫酸盐还原作用、细菌歧化作用的影响程度不同。
总之，我们认为，通过研究沉积物中黄铁矿与有机碳之间的关系以及其硫同位素特征，有助于判断和圈定甲烷异常点。
参考文献
［1］Schoonen M A A.Mechani s of sedimentary pyrite formation.In：Amend J P，EdWards K J，Lyons T W，eds.，Su1fur Biogeochemistry：past and present.Colorado，The Geological Society of America，Inc.，2004，117～134
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［7］Donald E.Canfield，Bo Thamdrup.The production of34S-depleted sulfide during bacterial disproportionation of elemental sulfur［J］.Science，1994，Vol.266：1973～1975
Authigenic pyrites from the Shallow Sediments in DongSha Area of South China Sea：ImplicationS forGaS HydrateS Occurrence
Lu Hongfeng Liu Jian Liao Zhi1iang Chen Fang
（Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760）
AbStract：A great deal of pyrites is found in two cores from Dongsha area of South China Sea.The amount of Pyrites in the core GC10 increase below 300cmbsf，and reach the maxximum in 700cmbsf.pyrites mainly occur in the form of tube and fraimboid.In the core HD319，Pyrites rarely occur above 730cmbsf but boom below the 730cmbsf in the form of fraimboid.For GC10，it shows no clear relation between pyrites sulfur and organic carbon in the plot of
Key WordS：Dongsha area of South China Sea pyrite Organic carbon Isotopic compositionGas hydrates
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