Laboratory Observation of the Buffering Effect of Aragonite Dissolution at the Seafloor  

實(shí)驗(yàn)室觀察文石在海底溶解的緩沖效應(yīng)  

來源：Journal of Geophysical Research: Biogeosciences  

《地球物理研究雜志：生物地球科學(xué)》  

 

摘要內(nèi)容  

該研究通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和模型模擬，探究了文石（aragonite）在海底溶解時(shí)對方解石（calcite）溶解的緩沖效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)文石溶解于方解石沉積物中時(shí)，其釋放的堿性物質(zhì)會提高局部pH值和碳酸鹽濃度，從而減緩甚至抑制方解石的溶解。這一現(xiàn)象被稱為“深海的碳酸鹽電偶保護(hù)效應(yīng)”（galvanization）。研究結(jié)合pH微剖面測量和成巖模型，揭示了文石溶解對海底碳酸鹽循環(huán)的關(guān)鍵作用。  

 

研究目的  

驗(yàn)證文石溶解是否通過提高局部pH值和碳酸鹽濃度來抑制方解石的溶解，并量化這一緩沖效應(yīng)對海洋碳循環(huán)的影響。  

 

研究思路  

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

 

旋轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)（RDR實(shí)驗(yàn)）：模擬海底流體動力學(xué)條件，測量文石與方解石混合沉積物的堿度通量變化（表2）。  

 

 

比色皿實(shí)驗(yàn)（CUV實(shí)驗(yàn)）：在無流動條件下，通過丹麥Unisense微電極測量孔隙水pH的微剖面（圖4），結(jié)合成巖模型（RADI模型）解析文石與方解石的溶解/沉淀速率。  

 

 

模型驗(yàn)證：通過對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測，驗(yàn)證文石溶解的緩沖效應(yīng)機(jī)制。  

 

測量的數(shù)據(jù)  

孔隙水pH微剖面：使用Unisense微電極測量沉積物-水界面附近的pH梯度（圖2、圖4）。  

 

 

總堿度（TA）：通過滴定和分光光度法分析海水和孔隙水的堿度變化（表2）。  

 

飽和度狀態(tài)（Ω）：計(jì)算方解石（Ωca）和文石（Ωar）的飽和度（表2、圖3）。  

 

 

礦物組成：X射線粉末衍射（XRPD）分析沉積物中的礦物成分。  

 

數(shù)據(jù)的研究意義  

pH微剖面（圖4）：揭示文石溶解導(dǎo)致的局部pH上升，驗(yàn)證其緩沖效應(yīng)。  

 

堿度變化（表2）：量化文石溶解釋放的堿性物質(zhì)對方解石溶解的抑制作用。  

 

飽和度狀態(tài)（圖3）：表明文石溶解使環(huán)境接近方解石飽和狀態(tài)，抑制其溶解。  

 

礦物組成：確認(rèn)實(shí)驗(yàn)材料的純度，排除其他礦物的干擾。  

 

結(jié)論  

文石溶解通過提高局部pH和碳酸鹽濃度，抑制方解石溶解，甚至導(dǎo)致方解石沉淀。  

 

該緩沖效應(yīng)在海底沉積物頂部毫米尺度內(nèi)即可發(fā)生，且1天內(nèi)即可觀測到方解石沉淀（模型預(yù)測）。  

 

文石在海洋碳循環(huán)中具有關(guān)鍵作用，需在碳循環(huán)模型中納入其對鈣碳酸鹽溶解動力學(xué)的調(diào)控。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的意義  

丹麥Unisense微電極的高空間分辨率（100 μm）能夠精確測量沉積物-水界面附近的pH梯度（圖4）。這種高分辨率數(shù)據(jù)揭示了文石溶解引起的pH快速變化（如實(shí)驗(yàn)開始1小時(shí)內(nèi)[H+]下降10.8 nM），直接驗(yàn)證了文石溶解的局部緩沖效應(yīng)。此外，微電極捕捉到的pH變化趨勢（如實(shí)驗(yàn)后期pH下降）為模型提供了關(guān)鍵約束條件，幫助量化了文石溶解速率（0.0166% day?1）和方解石沉淀速率（411 mol/(m3·day)）等參數(shù)。這些數(shù)據(jù)是驗(yàn)證“電偶保護(hù)效應(yīng)”假說的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。