xianweijing
microscope
将微小物体或物体的微细部分高倍放大，以便观察的仪器或设备。它广泛应用于工农业生产及科学研究。生物学和医学工作者在业务中也经常使用显微镜。大致分为光学显微镜和电子显微镜。
光学显微镜 即以可见光为光源的显微镜。普通的光学显微镜在结构上可分为光学系统和机械装置两个部分。光学系统主要包括目镜、物镜、聚光器、光阑及光源等部分。机械装置主要包括镜筒、镜柱、载物台、镜座、粗细调节螺旋等部分（图1 [光学显微镜]）。其基本光学原理如图2[光学显微镜成像原理模式图],图中左边小的凸透镜代表短焦距的一组透镜，称物镜。右边大的凸透镜代表长焦距的一组透镜，称目镜。被观察的物体(AB)放在物镜焦点(f)稍外的地方。物体的光线通过物镜后在目镜焦点(f)稍内方形成一个倒立的放大实像(BA)。观察者的眼睛通过目镜将该实像(BA)进一步放大为一个倒立的虚像(BA)。
目镜位于显微镜筒的上方，一般由两个凸透镜构成。它除了进一步扩大物镜所形成的实像之外，也限制了眼睛所观察的视野。按放大率分,常用目镜有5倍、10倍和15倍三种。
物镜一般位于显微镜筒的下方，接近所观察的物体。由8～10片透镜组成。其作用一是放大(给物体造成一个放大的实像）,二是保证像的质量,三是提高分辨率。常用物镜可按放大率分为低倍 (4×)、中倍(10×或20×)、高倍 (40×)和油浸物镜(100×)。多个物镜共同镶在换镜转盘上，可以按需要转动转盘选择不同倍数的物镜。
显微镜的放大倍数为目镜倍数乘物镜倍数，如目镜为10倍，物镜为40倍,则放大倍数为40×10倍（放大400倍）。优良的显微镜可放大2000倍，可分辨相距1×10cm的两点。
当白光通过凸透镜时,波长较短的光（蓝紫色）,其折射度大于长波长的光（红橙色），因此，成像时在像周出现各色光谱围绕,并且有一圈蓝色或红色的辉光,这种颜色上的缺陷称为色差。由于光线进入（和离开）透镜镜面各部分的角度不同，从透镜四周透过的光线与从透镜中心透过的光线相比，其折射角度较大。因此，成像时在像周出现模糊而歪曲的影像。这种成像面弯曲的缺陷称为球面差。一系列形状、结构和距离不同的凸和凹透镜组互相配合，便能最大限度地纠正色差和球面差，形成一个明亮、清晰而准确的影像。这就是目镜或物镜分别由一组透镜构成的缘故。这种透镜称为平场消色差透镜。
光线从一种介质（如空气）投射到另一种较为致密的介质(如玻璃)中时会弯向“法线”（与介质交界面垂直的一条线）,如图3 [光线通过物镜时的情况]中的BOA线。光线由致密介质(玻璃)进到不致密介质(空气)中时会偏离“法线”，如AOB线(图3a)当光线穿过聚光镜玻璃(折射率为1.51)进入空气时同样会偏离,向外折射,因此进入物镜的光量减少很多，像的分辨力也降低。使用100倍物镜时,如果在物镜和盖玻片之间充以油液（折射率同样为1.51）以隔绝空气，则光线几乎可以不折射地进入物镜，这就增加了像的亮度和分辨率。这种物镜称为油浸物镜(图3b)。
聚光器位于显微镜台的下方，可会聚来目光源的光线，将光量集中于标本，使标本受到光强适度的均匀照射。聚光器的下端装有孔径光阑（光圈）以控制光束的粗细。
普通光学显微镜的照明光源位于聚光器的下方，为特制的照度均匀的强光灯泡，并且配有可变电阻，可以改变光线的强度。
由于普通光学显微镜的光源光线自镜体下方向上透射，通过聚光镜、物镜，达到目镜，因此在医学及生物学研究中必须将被观察的样品切成能透过光线的、厚约6m 的薄片，并且要进行染色以显示不同的组织和细胞等细微结构。整个加工过程称常规组织制片技术，包括选取适当的组织材料经甲醛（福尔马林）液固定，逐级酒精脱水，石蜡包埋，用切片机将组织切成薄片裱在玻璃片上，再经苏木素―伊红染料着色，最后将组织玻片封固在光学树脂胶内。制好的组织玻片可长期保存。
显微镜的目镜和物镜安装在镜筒的两端，它们的距离是固定的。将组织玻片放在载物台上，旋转粗调螺旋使载物台接近物镜。组织切片进入物镜第一焦平面，目镜内即可见标本内的组织影像。然后用细调螺旋使目镜内的影像清晰即可进行观察。改换放大倍数时就要调换目镜或物镜。
医学和生物学常使用的光学显微镜 有下列12种：
暗视野显微镜 在普通光学显微镜台下配一个暗视野聚光器（图4）,来自下面光源的光线被抛物面聚光器反射，形成了横过显微镜视野而不进入物镜的强烈光束。因此视野是暗的，视野中直径大于 0.3m的微粒将光线散射，其大小和形态可清楚看到。甚至可看到普通明视野显微镜中看不见的几个毫微米的微粒。因此在某些细菌、细胞等活体检查中常常使用。
实体显微镜 由双筒目镜和物镜构成。放大率 7～80倍。利用侧上方或下方显微镜灯照明。在目镜内形成一个直立的放大实像，可以观察未经加工的物体的立体形状、颜色及表面微细结构,并能进行显微解剖操作,也可以观察生物机体的组织切片。
荧光显微镜 在短波长光波(紫外光或紫蓝色光,波长250～400nm）照射下，某些物质吸收光能，受到激发并释放出一种能量降级的较长的光波（蓝、绿、黄或红光，波长400～800nm），这种光称荧光。某种物质在短光波照射下即可发生荧光，如组织内大部分脂质和蛋白质经照射均可发出淡蓝色荧光，称为自发性荧光。但大部分物质需要用荧光染料（如吖啶橙、异硫氰酸荧光素等）染色后，在短光波照射下才能发出荧光。荧光显微镜的光源为高压汞灯，发出的紫外光源经过激发滤光片(此滤光片可通过对标本中荧光物质合宜的激发光)过滤后射向普勒姆氏分色镜分色镜将激发光向下反射,通过物镜投射向经荧光染料染色的标本。染料被激发并释放出荧光,通过物镜,穿过分色镜和目镜即可进行观察。目镜下方安置有屏障滤片(只允许特定波长的荧光通过)以保护眼眼及降低视野暗度(图4 [荧光显微镜光学原理])。荧光显微镜的特点是灵敏度高，在暗视野中低浓度荧光染色即可显示出标本内样品的存在，其对比约为可见光显微镜的 100倍。30年代荧光染色即已用于细菌、霉菌等微生物及细胞、纤维等的形态观察和研究。如用抗酸菌荧光染色法可帮助在痰中找到结核杆菌。40年代创造了荧光染料标记蛋白质的技术，这种技术现已广泛应用于免疫荧光抗体染色的常规技术中，可检查和定位病毒、细菌、霉菌、原虫、寄生虫及动物和人的组织抗原与抗体，可用以探讨病因及发病机理，如肾小球疾病的分类及诊断，乳头瘤病毒与子宫颈癌的关系等。在医学实验研究及疾病诊断方面的用途日益广泛。
偏光显微镜 从光源发出的光线通过空气和普通玻璃时，在与光线垂直的平面内的各个方向以同一振幅进行振动并迅速向前方传递，这是光的波动性原理。空气与普通玻璃为各向同性体，又称单折射体。如果该光源的光通过一种各向异性体（又称双折射体）时，会将一束光线分为各只有一个振动平面的，而且振动方向互相垂直的两束光线。这两束光线的振动方向、速度、折光率和波长都不相同。这样只有一个振动平面的光线称偏振光。偏光显微镜即利用这一现象而设计。偏光显微镜内，在物镜与目镜间插入一个检偏镜片，光源与聚光器间镶有起偏镜片，圆形载物台可以作360°旋转（图5[偏光显微镜光学原理]）。起偏与检偏镜片处于正交检偏位时，视野完全变黑。将被检物体放在显微镜台上。若被检物为单折射体，则旋转镜台，视野始终黑暗。若旋转镜台一周，视野内被检物四明四暗，则说明被检物是双折射体。许多结晶物质（如痛风结节中的尿酸盐结晶、尿结石、胆结石等），人体组织内的弹力纤维、胶原纤维、染色体和淀粉样原纤维等都是双折射体，可借偏振光显微镜术检验，进行定性和定量分析。
位相显微镜 又称相差显微镜或相衬显微镜。普通光学显微镜之所以看不见未染色的组织、细胞和细菌、病毒等活机体的图像，是因为通过样品的光线变化差别（反差）很小。标本染色后改变了振幅（亮度）和波长（颜色），影响了反差而获得图像。但是染色会引起样品变形，也可使有生命的机体死亡。要观察不染色的新鲜组织、细胞或其他微小活体必须使用位相显微镜。位相显微镜的原理是两个光波因位相差而互相干涉，出现光波强弱和反差的改变而成可见影像。点光源发出的光线可以表现为正弦波图形(图6a[位相显微镜])。两个波峰间的距离为波长,波的振幅表示光的亮度(振幅大、亮度高)。设想同一光源发出的两条光波,分别同时通过空气及某种透明介质。在通过一定厚度的某种透明介质时，光波的速度就会降低，但是光的亮度未变。光波在通过该透明介质后比一直在空气中前进的另一条光波迟滞了波长，因而两条光波出现了位相的变化（位相差）。但人眼不能分辨这两条平行光线的位相差。如果这两条光波射到光屏的同一点上，而且一条光波比另一条光波迟滞了半个波长，即两条光波因位相相反而互相干涉抵消则光线消失，或者相对振幅相互影响而光线减弱。如果一条光波虽然迟滞了一个波长,但两条光波位相相同,则因波的叠加而光线增强。
位相显微镜的基本结构与普通光学显微镜相同。不同之处在于：①物镜镜头上面，在物镜第二焦平面装有一块圆盘状的位相板（图6b[位相显微镜]）。②聚光器下面，在聚光器第一焦平面装有环形光束，光束上刻有狭窄的缝隙可通过环形强光(图6c[位相显微镜])。如图6d所示，环形光束 A点发出的光线经过聚光器后成为平行光线。光线通过载物台上的样品时，因样品内各个质点(如b点)的折射率不同而受到干涉，发生衍射,即分为未偏向波（实线）和偏向波(虚线)。未偏向波通过物镜聚焦于位相板 A 点上成像，然后通过位相板，均匀地分布在标本像平面上成为背景。偏向波通过物镜后从位相板 A点周围通过位相板同样聚焦在像平面的B上。换句话说，未偏向波和偏向波是分别通过位相板的不同部位。在位相板上不同的区域涂有不同的涂层，可以分别改变未偏向波或偏向波的速度和亮度，由此两种光波出现了位相差，差了半个波长或一个波长，它们在像平面的合波就出现明暗对比，样品内的各个细节也就能看得见。
总之，位相显微镜是利用样品中质点折射率的不同或质点厚度的不等，产生光线的相位差，使新鲜标本不必染色就可以看到，而且能够观察到活细胞内线粒体及染色体等精细结构，还可以应用于霉菌、细菌、病毒等更微小活体的研究，进行标本形态、数量、活动及分裂、繁殖等生物学行为观察，并可进行量度与比较。
倒置式显微镜 普通显微镜镜的物镜头方向向下接近标本。倒置式显微镜的物镜镜头则处于垂直向上的位置，因此目镜和镜筒的纵轴与物镜的纵轴呈45度角。载物台面积较大，在物镜上方，载物台上方有一个长焦距聚光器和照明光源。物镜和聚光器可装配位相显微镜的附件。放大率16～80倍。组织培养瓶和培养皿可以直接放在载物台上，进行不染色新鲜标本及活体、细胞的形态、数量和动态观察。可进行多孔微量生物化学及免疫反应平板的结果观察。倒置式显微镜可换用普通亮视野光学镜头；可装配偏振光、微分干涉差、荧光附件进行观察。
微分干涉差显微镜(DIC) 又称干扰或干涉显微镜。能看到和测定微小的位相变化，与位相显微镜相似，使无色透明的标本具有明暗和颜色的变化，从而增强反差。在普通光学显微镜的基本结构上安装偏光和干涉部件，以及360°旋转载物台它又利用偏振光的干涉原理。如图7[微分干涉差显微镜光学原理]所示,在光源上方安置有起偏镜片和光束分解棱镜。从起偏镜片出来的直线偏振光通过光束分解棱镜后，分成互相垂直振动的两条直线偏振光。两条光线经聚光器折射后射向样品。因样品内各个质点的折射射率不同，部分光波的位相改变及因干涉而发生横向偏移。两条光线通过物镜后经第二组光束分解棱镜相合并，由检偏镜发生干涉。终末像的每一个点是由物体上同一点的两个互相重叠的不同图像构成的一种混合像，从而使肉眼得以辨识。
微分干涉差显微镜同样可以观察到在普通亮视野中看不见的无色透明物体,可以观察细胞、细菌等活体,而且影像呈立体感，较位相显微镜的影像更细致、更逼真。可用它对活细胞的各个部位作更精细的研究。如果用白光照明，不同位相表现为各种颜色，转动载物台，颜色会发生变化。单色光照明产生明暗反差，各种成分呈现不同的对比度。微分干涉差显微镜又可以作为一种高度精密的超微量光学天平来使用，用以估测的干物体的精确质量可以小到 1×克。当细胞中所含固体物质的浓度增加百分之一时，其折射率相应增加0.0018。细胞各相成分的折射率可以根据它与相关区域（悬浮液区）间位种的不同而估计，从而可进一步算出一个细胞中某些成分的干燥重量。
摄影显微镜 现代高质量显微镜均可安装显微照相的各种附件，可以及时完整地保留科学资料。用于照相的显微镜要求光学系统和机件结构精密，镜体坚固稳定。它装配三目镜筒，其中两个45°角观察用目镜镜筒和一个中央垂直镜筒安装 135照相机、曝光测量附件、照相目镜及取景镜头，可以进行取景和调焦。聚光器能调节视场中心并配有孔径光阑使视场照明均匀。镜座有可调节视场光阑，有电压表和电压显示灯。有可变电阻调节照明亮度。照明光源为6～12伏40～100瓦卤素灯泡。80年代的自动曝光显微照相装置具有自动卷片，自动测光、自动控制曝光，测量和调整色温以及倒易律失效的补偿等各项功能，均用电子计算机自动控制，可以进行黑白感光片、彩色负片和彩色幻灯片的投照。
中央垂直镜筒又可以安装电视摄像装置或16mm电影摄影机及控制装置，可对活体标本进行定时定格或连续的摄影记录。
万能研究用摄影显微镜系统 集普通亮视野、暗视野、偏振光、荧光、位相、微分干涉差、显微摄影等各项功能于一个系统中。还有电子计算机控制的低倍摄影自动聚焦、自动转换物镜、聚光器自动匹配、自动调整光源亮度等功能。机身安装两个135照相机,一个4×5英寸大版照相机。可另外安装电视摄像和16mm电影摄影装置，同样具有自动卷片、自动测光、自动控制曝光、测量和调节色温、倒易体失效补偿等多项功能。
电子显微镜 光学显微镜的分辨本领由于所用光波的波长而受到限制。小于光波波长的物体因衍射而不能成像。最高级的光学显微镜的分辨本领的限度约 200nm(2000)。为了突破这一限度，可采用电子射线来代替光波。电子微粒以高速运动时，其行为类似光波的传播过程。运动电子的波长随其速度而定，在增压达50万伏时，其波长为0.001nm(0.01),即电子射线的波长约为可见光的十万分之一,其分辨本领的极限约为4，其放大倍数比最高级的光学显微镜要高很多级。以电子射线为电子光源的显微镜称为电子显微镜。现代医学和生物学使用的电镜分辨率为5～10,即放大率为10～20万倍。
由于标本厚薄不同，超薄切片机切出的很薄的标本，可用透射式电子显微镜观察。不能切得很薄的标本可用扫描式电镜进行观察。
透射式电子显微镜(TEM) 是最常用的电子显微镜，由电子枪、电磁透镜系统、荧光屏（或照相机）、镜筒、镜座、变压器、稳压装置、高压电缆、真空泵系统、操纵台等部分组成电子枪相当于光学显微镜中的光源,供应和加速从阴极热钨丝发射出来的电子束。电镜所用的电压一般在20～30万伏特，才足以使电子枪里的电子以高速飞出。电子通过聚光透镜，达到标本上，因为标本很薄，高速电子可以透过，并且由于标本各部分的厚度或密度不同，通过的电子就有疏密之分。电压需要严格稳定才能使成像稳定，很小的电压改变就会引起严重干扰。像的亮度可以通过电子枪来控制。
电磁透镜组相当于光镜中的聚光器、物镜及目镜系统。电子束通过各个电磁透镜的圆形磁场的中心时可被会聚而产生像。电镜的透镜系统由4组电磁透镜组成,包括聚光透镜、物镜、中间透镜和投射透镜(目镜)。可改变聚光透镜的电流使电子束对标本聚焦并提供“照明”。物镜靠近标本的焦点上。通过物镜、中间镜和投射镜的三级放大，能在一定的距离处得到高倍的放大像，最终形成的像投射到荧光屏上。在荧光屏部位可换用黑白胶片以制取相片底板。改变电磁线圈中的电流量从而使电磁透镜调焦，并产生不同的放大率（图8 [透射式电子显微镜]）。
为了尽量减少电镜中电子与空气分子相碰撞而产生散射的机会，镜筒中的真空度要求很高，因此密封的镜筒与真空泵相连。由于标本需置于真空的镜筒内，因此不能检查活材料。
光镜主要利用可见光波作为光源，样品染色后改变了光的波长(颜色)和振幅（亮度），影响了反差从而得到图像。电镜使用电子射线。电子束的穿透力不强，所以供电镜检查的标本必须切到薄至50～ 100nm厚度的切片。电镜切片的制作步骤与光镜切片类似，也是由固定、脱水、包埋、切片和染色等程序组成：首先从欲观察的标本上取材,体积约1。通过戊二醛和四氧化锇双固定后，逐级酒精（或丙酮）脱水,环氧树脂包埋,超薄切片机切片。在电镜中像的形成是组织片各个部分对电子束的电子产生不同散射的结果，标本中致密的地方(细节)散射强。可使用各种重金属盐染色以增加反差，常用的是醋酸铀和枸橼酸铅复染。由于电子束穿不透玻璃，染好的薄膜切片放在小铜网格上作电镜观察。
冷冻蚀刻技术是50年代发明、后来经过改进的一种新的电镜标本加工技术。其主要原理是把液氮内快速超低温(-200℃)冷冻的生物标本放在真空冷冻装置里断裂，从而将不同部位的细胞器内部结构暴露出来，表现出高低不等的三维结构。在新形成的折断面上喷镀一层铂金碳膜（复型）。将已镀膜标本在强酸或强碱性腐蚀溶液里消化，复型膜即漂浮、经打捞、清洗，放在小铜网上进行电镜观察和照相。冷冻蚀刻技术在细胞生物膜结构（如细胞膜、线粒体、内质网等）的研究上发挥了重大作用。
扫描式电子显微镜(SEM) 标本较厚的表面要产生一个电子光学图像就要采用电子扫描法（图9 [扫描电子显微镜结构示意图]）。扫描电镜的电子枪和电磁透镜的结构原理类似透射电镜。电子枪产生的大量电子通过三组电磁透镜的连续会聚形成一条很细的电子射线（电子探针）。这条电子射线在电镜筒内两对偏转线圈的作用下，顺序在标本表面扫描。由于来自锯齿波发生器的电流同时供应电镜镜筒内的和显示管的两组偏转线圈，使得显示器的电子射线在荧光屏上产生同步扫描。从标本上射出的电子经探测器收集，被视频放大器放大并控制显示管亮度。因此在荧光屏上扫描的亮度被标本表面相应点所产生的电子数量所控制，因而在荧光屏上显示出标本的高倍放大像。通过控制两套偏转线圈的电流便可控制放大率的倍数。另外安装有一个同样的照相用同步扫描显示管。
扫描电镜标本制作中，既要脱水又要基本保持其自然状态，因此使用标本的临界冷冻干燥技术：将组织表面清洗干净，经戊二醛和四氧化锇双重固定，逐级丙酮脱水。由于乙酸戊酯与液化Co置换十分容易,因此首先用梯度乙酸戊酯置换丙酮。然后将标本放入密闭耐压室内，导入液态Co，使之浸没标本。很快Co将标本内乙酸戊酯完全置换出来，将后者排出耐压室。同时耐压室内的液态Co与迅速蒸发的气态Co分子之间的互变达到动态平衡。使温度逐渐上升,液态Co蒸发加快而密度相应降低。达到Co的临界温度31.1℃时,气、液二相密度相同，二相的差异完全消失，即达到相的平衡，此时表面张力为零。使温度继续保持在稍高于临界温度的条件下，缓慢排出Co气体,当Co排尽时,标本即已干燥。取出干燥好的标本，经真空喷镀一层碳合金，或放入离子镀膜机内镀铂和金，以增加标本的导电能力，加强反差和增强标本的稳定性。然后即可进行扫描电镜观察。
扫描电镜具有分辨率高、景深长、视野广、显示三维立体结构、便于观察和标本制备简单等许多优点，在生物学及医学上应用愈来愈多，用以观察和研究生物标本的表现形态和内部立体结构。扫描电镜的分辨本领已达到70的水平，已可以直接观察脱氧核糖核酸(DNA)的分子结构。
对了，还有一种是针对液体样品的，快速冷冻法，简单说就是液体样品放在液氮中快速冷冻，通过特殊的装置，转移到过渡舱中，再喷金，再转入观察仓。以上三种制备方法基本就全了。这个还需要你多多练习，基本方法就是这些。吴能友1 叶瑛2 邬黛黛2 刘坚1 张平萍2 蒋宏晨3 董海良3 张欣1 张学华1 雷知生1
（1.广州海洋地质调查局 广州 510075 2.浙江大学地球科学系 杭州 310027 3.美国迈阿密大学地质系 俄亥俄 45056 美国）
第一作者简介：吴能友，男，1965年生，博士，现任广州海洋地质调查局副总工程师，教授级高工，主要从事海洋构造地质、第四纪地质与环境、水合物调查研究。
摘要 研究所用样品由“海洋四号”船于2005年8月在三亚市SEE 方向约150km处采取。XRD和扫描电镜观察表明样品普遍存在自生碳酸盐、硫酸盐和草莓状（framboidal）黄铁矿。自生矿物组合和显微结构特征与冷泉沉积物类似，属微生物成因。孔隙水中Mg2+、Ca2+和硫酸根的浓度均有随深度增加而降低的趋势，说明这些组分在成因过程中被消耗。成岩反应过程中的溶解二氧化碳可能来自甲烷的厌氧氧化。样品中硫酸根的消耗主要和硫酸盐矿物沉淀有关，而非硫酸根还原。这意味着造成沉积物中黄铁矿大量沉淀的还原态硫并非来自采样深度，它和甲烷及Ba2+一样，均来自地层更深处。
关键词 自生矿物 甲烷渗漏 早期成岩作用 琼东南盆地
海底甲烷渗漏是一种重要的地质现象。在大陆架和大陆坡，甲烷是冷泉流体的主成分之一［1～2］。富甲烷的冷泉可以看作是石油、天然气、天然气水合物在海底的露头，是勘查海底油气资源的重要线索。此外，甲烷所引起的温室气体效应是二氧化碳的十几倍，在自然环境中经由地质作用排放的甲烷所引起的环境增温效应，可能远远超过了人为排放的二氧化碳［3］。因此，以冷泉为主要形式的甲烷渗漏近年来引起了学术界的广泛关注。
冷泉一般和断裂、底辟、泥火山等构造现象有关，是一种大规模流体排放。除这种形式的甲烷渗漏外，地层中承压流体的扩散作用、有机质生物分解和热解等作用都会引起甲烷朝沉积物～海水界面运移，与此有关的甲烷微渗漏目前尚未引起注意，但它对海底资源勘查和海气相互作用研究同样具有重要意义。为此我们研究了采自琼东南盆地的柱状沉积物样品，从中发现了和甲烷渗漏区类似的矿物学、地球化学和地质微生物学记录。
1 地质背景与样品来源
样品由海洋四号于2005年8月执行HY4-2005-5 航次时采集。采样点的地理坐标为：111°3.71′E，18°1.73′N，水深1508m，位于海南岛三亚市SEE方向约150km处。地质构造单元属琼东南盆地的松西坳陷带，海底地形为平坦陆坡。样品用重力活塞式取芯器采集，样品总长度4.9m，为半流动性粉砂质软泥、粉砂质粘土，含少量有孔虫。
琼东南盆地位于南海西北部，发育在海南岛隆起和西沙隆起之间（图1）。钻井资料显示，琼东南盆地前新生代基底可以和海南岛的同期地层对比，由古生代变质岩、白云岩，白垩纪中酸性花岗岩、闪长岩和火山碎屑岩组成，属于华南地块的组成部分［4］。琼东南盆地的发育始于30～24Ma前，盆地主要为广阔陆表海和陆架陆坡沉积体系，最大沉积厚度为12000余米［5］。
图1 采样站位与地质背景示意图
Fig.1 Map of site and geological background of sample
琼东南盆地第四纪泥沙质沉积厚度巨大，并富含有机质，为烃类气体提供了丰富来源［6］。盆地内普遍具有高地温梯度［7］和异常高压［11］，有利于烃类气体的形成及扩散运移。自20世纪80年代在琼东南盆地进行油气勘探以来，先后发现了一批天然气田和含油气显示的构造圈闭，何家雄等［8］把琼东南盆地的富甲烷气体划分为生物—低熟过渡带气、正常成熟热成因油气、和热成因过成熟油气三种类型。盆地内天然气水合物的聚集条件亦得到充分肯定［9］。盆地内部分地区已发现了泥火山、泥底辟、气烟囱等与甲烷渗漏流有关的构造［6，10］，但在采样区附近尚未有这些现象的报道。
2 实验与测试方法
样品到达甲板后即连同样品衬筒锯成约80cm的长度，两端用塑料盖与胶带密封，并置于温度为4℃的甲板冷库保存。海洋四号靠岸后在广州地质调查局化学分析实验室对样品进行分割，每隔10cm在柱状样的中部提取一个子样。全部操作在氮气保护下进行，避免接触空气。分割后的子样密封在玻璃培养瓶中，4℃冷藏保存。进一步实验在美国Miami大学完成。
对柱状沉积物样品作了如下分析：
1）XRD（X射线衍射）分析：取适量样品在60℃烘箱中干燥，研磨至小于200目，用美国Scintag公司的XGEN-4000型X-ray衍射仪获取样品的衍射曲线，扫描范围5°～70°，扫描速度2°/min。
2）SEM（扫描电镜）观察：取少许样品在液氮中冷冻后抽真空直至脱水干燥，将块状样品轻轻压碎，用碳胶固定在样品托上，喷金后在扫描电镜下观察沉积物的显微结构。
3）孔隙水的提取与分析：样品置于离心管中，高速离心后分离上清液，用HPLC（High Performance Liquid Chromatography，即高性能液相色谱仪）and DCP（Direct Current plasma emission spectrometry，即等离子光谱仪）分别测定提取液中的阴离子和阳离子含量。
3 结果与讨论
3.1 沉积物中的自生矿物及其显微结构
XRD分析结果显示，所研究的沉积物样品中主要矿物为石英、钠长石、伊利石、高岭石，其次为磁绿泥石、白云母、钾长石、方英石等。除这些典型的陆源碎屑矿物外，XRD在样品中还发现有碳酸盐、硫酸盐、黄铁矿和水镁石（表1）。在扫描电镜下这些矿物具有完整的晶型，面、角、棱等结晶要素保存完好，显然没有经历过搬运和磨蚀，除方解石外，它们都是原地形成的自生矿物。
表1 琼东南盆地采样站位沉积物中的自生矿物组合 Table1 Complicated authigenic mineralS in the Sediment from Qiongdongnan BaSin
XRD检出的碳酸盐类矿物有：
方解石（Calcite，卡片号86-174），代表性衍射峰为：3.3，2.49，2.28，2.30Å；
高镁方解石（Mg-calcite，卡片号71-1663），代表性衍射峰为：3.00，2.26，1.89，1.85Å；
三水菱镁矿（Nesquehonite，卡片号20-669），代表性衍射峰为：6.48，3.85，2.62，3.03Å；
菱镁矿（Magnesite，卡片号 80-101），代表性衍射峰为：2.746，2.099，1.708，1.702Å；
菱铁矿（Siderite，卡片号83-1764），代表性衍射峰为：3.59，2.79，1.73Å。
方解石是沉积物的主要成分之一，大部分为有孔虫壳体，属生物成因。高镁方解石和三水菱镁矿在XRD衍射图谱上较常见，菱镁矿和菱铁矿仅在个别样品中的XRD图谱可以识别。部分方解石具有文石假象，在扫描电镜下这种方解石呈针状、纤维状碳酸盐集合体产出，能谱显示为碳酸钙，从晶型和结晶习性上看为文石，但在XRD衍射图谱上未见文石衍射峰，可以认为它们在形成时是文石，但在早期成岩作用转变成了方解石，并保留了文石假象。一般认为这种针状、纤维状文石在成因上和嗜甲烷微生物的代谢作用有关。Sassen等［12］在冷泉碳酸盐中发现针状文石、球状黄铁矿与菌丝、沥青共生；细菌触发并促进自生碳酸盐沉淀业已被培养实验所证实［13～14］。Ehr1ich［15］通过实验室细菌培养，得到了针状文石的半球状、哑铃状集合体。在扫描电镜下还见有碳酸盐微晶被菌丝粘结所形成的球状体，进一步说明碳酸盐集合体和微生物之间存在某种成因联系。高镁方解石和三水菱镁矿在扫描电镜下为自形菱面体晶型，通常包覆在颗石藻、硅藻等生物壳体表面。
在活动和被动大陆边缘的甲烷渗漏区周围，自生碳酸盐是普遍存在的沉淀物［12～22］。此类碳酸盐沉积因具有特殊的显微结构特征，被认为和地质历史上的甲烷渗漏或水合物分解有关［2，16］。尽管在采样站位尚未发现有冷泉等大型甲烷渗漏，但沉积物中复杂的碳酸盐类自生矿物组合说明孔隙水中含有丰富的重碳酸根，甲烷微渗漏及其氧化是重碳酸根的可能来源。
XRD检出的硫酸盐类矿物有：
重晶石（Barite，卡片号78-1224），代表性衍射峰为：4.28，3.71，2.62，2.24Å；
硬石膏（Anhydrte，卡片号 37-1496），代表性衍射峰为：3.50，2.85，2.33，2.21Å；
石膏（gypsum，卡片号21-816），代表性衍射峰为：7.61，4.28，2.87，2.68Å。
在扫描电镜下重晶石呈短柱状，全自形结构。在ODP秘鲁陆缘684站位和日本海799站位钻孔中含有自生重晶石微晶，它们比海水更富含34S（δ34S比值高达+84%o）。Torres等人［23］在解释这类重晶石的成因时认为，Ba的来源和海洋生物成因的重晶石在硫酸盐还原带被活化有关，所形成的Ba2+离子随流体迁移，随后在成岩过程沉淀在流体扩散的前锋带。在秘鲁和俄罗斯Okhotsk海冷泉区，重晶石是冷泉沉淀物的主矿物相。自生重晶石与碳酸盐的相对丰度，在一定程度上反映出孔隙流体中甲烷与Ba2+离子的相对含量。A1oisi等人［21］通过理论模式计算认为，甲烷流量大时，沉淀物以碳酸盐为主；甲烷通量小、而Ba含量高时，则有大量重晶石沉淀。采样站位普遍存在的重晶石一方面说明流体扩散作用的存在，此外也说明孔隙水中甲烷含量不高。石膏和硬石膏在扫描电镜下呈板条状，全自形结构。自生石膏和硬石膏的存在说明孔隙水中仍有较高的硫酸根含量。
XRD在大多数样品中都发现有黄铁矿（Pyrite，卡片号71-2219），代表性衍射峰为：2.709和2.423°A。在扫描电镜中，黄铁矿呈单颗粒散布在沉积物中，或者呈草莓状集合体产出。对草莓状黄铁矿的成因尚有不同认识。一方面沉积物中的草莓状黄铁矿常与微生物化石和细菌群体伴生，但在热液、火山热液矿石中也常见有类似的结构，使微生物成因说受到怀疑［17］。但从最近报道的草莓状黄铁矿硫同位素组成来看，沉积物和低温热液沉淀物中草莓状黄铁矿的δS34均为很大的负值，说明这类黄铁矿中的硫来源于细菌还原的海水硫酸盐［17～19］。
3.2 孔隙水的化学成分与成岩反应
琼东南采样站位孔隙水的化学成分列于表2。其中氨离子浓度随深度增加而明显升高，可能和微生物代谢作用有关。镁离子随深度增加略有降低的趋势，而钙离子随深度增加而降低的趋势更加明显。反应在Mg/Ca比值上，该比值与深度有明显的正相关关系（图2）。其可能原因是，由于重碳酸根的带入，孔隙水中 Ca2+离子的沉淀速率要高于Mg2+离子。从矿物的溶解～沉淀平衡角度上看，碳酸钙的容度积远小于碳酸镁，前者更易于从溶液中沉淀。孔隙水中Ca、Mg的消耗，以及自生矿物组合中普遍存在方解石（具文石假象）、高镁方解石、三水菱镁矿等碳酸盐，说明在成岩反应过程中的有溶解二氧化碳的补充，而溶解二氧化碳可能来自甲烷的厌氧氧化。
表2 琼东南盆地采样站位沉积物中孔隙水的化学成分（mg/L） Table2 Chemical compoSitionS in pore Water of the Sediment from Qiongdongnan BaSin（mg/L）
图2 孔隙水中Mg/Ca比值与深度关系
Fig.2 Relation between Mg/Ca and depth in pore Water
孔隙水中硫酸根浓度与深度关系
Relation between concentration and depth
在阴离子含量上，采样站位的硫酸根含量随深度增加呈现出递减趋势（图2），反映出硫酸根在成岩作用中被消耗。和甲烷渗漏区相比，研究区沉积物中的硫酸根梯度十分平缓，硫酸根/甲烷界面（即SMI）远在采样深度之下。孔隙水中硫酸根的消耗有两种可能的方式：被硫酸根还原菌还原为H2S，或者是呈硫酸盐沉淀。鉴于微生物基因测试在样品中未发现硫酸根还原菌的基因序列［20］，因此图2反映的硫酸根消耗最大可能是呈硫酸盐沉淀，XRD和扫描电镜观察到的自生重晶石、石膏和硬石膏为此提供了直接证据。这同时意味着，造成沉积物中黄铁矿大量沉淀的还原态硫并非来自采样深度，硫化氢和甲烷一样，可能来自地层更深处。
4 结论
综合自生矿物组合以及孔隙水化学成分及其代表的成岩反应，对研究区甲烷微渗漏的地质和地质微生物记录作如下总结：
1）XRD和扫描电镜在样品中观察到了多种自生碳酸盐矿物，如：具文石假象的方解石、高镁方解石、三水菱镁矿、菱镁矿、菱铁矿等。其中文石～方解石的显微结构特征与冷泉碳酸盐类似，属微生物成因。沉积物中复杂的碳酸盐类自生矿物组合说明孔隙水中含有丰富的重碳酸根，重碳酸根的来源以及碳酸盐的沉淀和嗜甲烷微生物有成因联系。
2）样品中普遍存在重晶石、硬石膏、石膏等硫酸盐矿物。自生重晶石的形成和来自深部硫酸根还原带的Ba2+离子随流体迁移，并沉淀在流体扩散的前锋带有关，自生矿物中重晶石与碳酸盐的相对丰度，在一定程度上反映出孔隙流体中甲烷与Ba2+离子的相对含量，从这一意义上说，研究区孔隙水中甲烷浓度不高。
3）孔隙水中Mg2+、Ca2+浓度均有随深度增加而降低的趋势，后者更为明显。这一趋势反映了Ca、Mg在成因过程中被消耗，与XRD和SEM观察到的自生碳酸盐沉淀相一致，说明在成岩反应过程中的有溶解二氧化碳的补充，而溶解二氧化碳可能来自甲烷的厌氧氧化。
4）孔隙水中的硫酸根含量亦具有随深度增加而降低的趋势。和甲烷渗漏区相比，研究区沉积物中的硫酸根梯度十分平缓，硫酸根/甲烷界面（即SMI）远在采样深度之下。样品中硫酸根的消耗主要和硫酸盐矿物沉淀有关。这意味着造成沉积物中黄铁矿大量沉淀的还原态硫并非来自采样深度，它和甲烷及Ba2+一样，可能来自地层更深处。
参考文献
［1］Peckmann，J，Reimer，A，Luth，U.，et al.Methane-derived carbonatesand authigenic pyrite from the northWestern Black Sea.Marine Geology，2001，177：129～150
［2］Pierrea，C，Rouchy，J M.Isotopic compositions of diagenetic dolomites in the Tortonian marls of the Western Mediterranean margins：evidence of past gas hydrate formation and dissociation.Chemical Geology，2004，205：469～484
［3］Etiope，G.New Directions：GEM—Geologic Emissionsof Methane，the missing source in the atmospheric methane budget.Atmospheric Environment，2004，38：3099～3100
［4］钟志洪，王良书，李绪宣等.琼东南盆地古近纪沉积充填演化及其区域构造意义.海洋地质与第四纪地质，2004，24（1）：29～36
［5］黄保家.琼东南盆地天然气潜力及有利勘探方向.天然气工业，1999，19（1）：34～40
［6］吴必豪，张光学，祝有海等.中国近海天然气水合物的研究进展.地学前缘，2003，10（1）：177～188
［7］刘建章，王存武.莺-琼盆地热流体及油气地质意义.天然气勘探与开发，2004，27（1）：12～15
［8］何家雄，夏斌，孙东山等.琼东南盆地油气成藏组合、运聚规律与勘探方向分析.石油勘探与开发，2006，33（1）：53～58
［9］何家雄.天然气水合物研究进展和南海北部勘探前景初探.海洋石油，2003，23（1）：57-64
［10］陈多福，李绪宣，夏斌.南海琼东南盆地天然气水合物稳定域分布特征及资源预测.地球物理学报，2004，47：483～489
［11］王敏芳.琼东南盆地超压特征及超压体与油气分布的关系.海洋石油，2003，23（1）：15～21
［12］Sassen，R，Roberts，H H，Carney，R，et al.Free hydrocarbon gas，gas hydrate，and authigenic minerals in chemosynthetic communities of the northern Gu1f of MeXico continental slope：relation to microbial processes.Chemical Geology，2004，205：195～217
［13］Van Lith，Y，Warthmann，R，Vansconcelos，C，et al.Microbial fossilization in carbonate sediments：a result of the bacterial surface involvement in dolomite precipitation.Sedimentology，2003，50：237～245
［14］Wright，D T，Wacey，D.precipitation of dolomite using sulphate-reducing bacteria from the Coorong Region，South Australia：significance and imp1ications.Sedimentology，2005，52：987～1008
［15］Ehr1ich，H L.Microbial formation and degrafation of carbonates.Geomicrobiology，4thedition，Marcel Dekker，Inc.，New York，2002，PP 183～228
［16］Cavagna，S，Clari，p，Martire，L.The role of bacteria in the formation of cold seep carbonates：geological evidence from Monferrato（Tertiary，NW Italy）.Sedimentary Geology，1999，126：253～270
［17］Butler，I B，Rickard，D.Framboidal pyrite formation via the oXidation of iron（II）monosulfide by hydrogen su1phide.Geochimica et Cosmochimica Acta，2000，64（15）：2665～2672
［18］Wilkin，R T，Arthur，M A.Variations in pyrite teXture，sulfur isotope composition，and iron systematics in the Black Sea：Evidence for Late pleistocene to Holocene eXcursions of the O2-H2S redoX transition.Geochimica et Cosmochimica Acta，2001，65（9）：1399～1416
［19］A1fonso，P，prol-Ledesma，R M，Canet，C，et al.Sulfur isotope geochemistry of the submarine hydrothermal coastal vents of punta Mita，MeXico.Journal of Geochemical E”ploration，2003，78-79：301～304
［20］Jiang，H C，Ye，Y，Dong H L，Wu，N Y，Zhang，C L，Microbial Diversity in the Deep Marine Sediments from the Qiongdongnan Basin in South China Sea.Western pacific Geophysics Meeting，24-27 July 2006，Beijing
［21］Aloisi，G，Wallmann，K，Bollwerk，S M，et al.The effect of dissolved barium on biogeochemical processes at cold seeps.Geochimica et Cosmochimica Acta，2004，68（8）：1735～1748
［22］Teichert，B M A，Bohrmann，G，Suess，E.Chemohermson Hydrate Ridge-Unique microbially-mediated carbonate build-ups groWing into the Water column.palaeogeography，palaeoclimatology，palaeoecology，2005，227：67～85
［23］Torres，M E，Brumsack，H J，Bohrmann，G，et al.Barite fronts in continental margin sediments：A neW look at barium remobilization in the zone of sulfate reduction and formation of heavy barites in diagenetic fronts.Chemical Geology，1996，127：125～139
Geochemical CharacteriSticS of SedimentS from SoutheaSt Hainan BaSin，South China Sea andMicro-Methane-Seep Activity
Wu Nengyou1 Ye Ying2 Wu Daidai2 Liu Jian1 Zhang PingPing2 Jiang Hongchen3 Dong Hai1iang3 Zhang Xin1 Zhang Xuehua1 Lei Zhisheng1
（1.Guangzhou Marine Geology Survey，Guangzhou 510075；2.Department of Earth Sciences，Zhejiang University，Hangzhou 310027；3.Department of Geology，Miami University，OXford，Ohio 45056，USA）
AbStract：The researched samples Were taken from Qiongdongnan Basin，some 150kmin the SEE of Sanya.Complicated authigenic minerals Were identified by XRD and SEM，such as miscellaneous carbonates，sulphates and frambiodal pyrite.The assemblage and fabric characters are similar to what being found in cold-seep sediments，Which is thought to be related With microorganisms fueled by dissolved methane.There is a tendency that Mg2+，Ca2+ and content in pore water decreased with depth.The cations are consumed in diagenesis ascarbonates，With the dissolved CO2be supplied by anaerobic methane oxidation.The anion Was precipitated as sulphate，instead of being reduced.This means that H2S to form frambiodal pyrite is from depth，the same as methane and Ba2+.
Key WordS：Authigenic minerals Methane seep Early diagenesis Qiongdongnan Basin
欢迎分享，转载请注明来源：夏雨云
微信扫一扫
支付宝扫一扫
评论列表（0条）