Natural spatial variability of depositional conditions, biogeochemical processes and element fluxes in sediments of the eastern Clarion-Clipperton Zone, Pacific Ocean

太平洋東克拉-克利普頓帶沉積物的沉積條件、生物地球化學(xué)過(guò)程和元素通量的自然空間變異性

來(lái)源：Deep-Sea Research Part I（2018年，卷140，頁(yè)159-172）

 

論文概述

研究了太平洋克拉里昂-克利珀頓斷裂帶（CCZ）東部深海沉積物中沉積條件、生物地球化學(xué)過(guò)程和元素通量的自然空間變異性。CCZ是一個(gè)富含多金屬結(jié)核的深海區(qū)域，具有低有機(jī)質(zhì)沉積通量和米級(jí)氧氣滲透深度（OPD）的特征。研究通過(guò)多站點(diǎn)比較和反應(yīng)-傳輸模型，揭示了沉積環(huán)境的高度異質(zhì)性，評(píng)估了深海采礦潛在影響，并為環(huán)境管理計(jì)劃提供了關(guān)鍵基線數(shù)據(jù)。

1. 摘要核心內(nèi)容

摘要指出，CCZ作為多金屬結(jié)核勘探熱點(diǎn)，其沉積物以低有機(jī)質(zhì)通量（POC: 1-2 mg C??g m?2 d?1）和深部氧氣滲透（OPD: 1-4.5 m）為特征。研究比較了四個(gè)歐洲合同區(qū)（BGR、IOM、GSR、IFREMER）和一個(gè)保護(hù)區(qū)（APEI3）的六個(gè)站點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)：

 

OPD變異大：范圍1-4.5 m，部分站點(diǎn)全氧化（至7.5 m深度）。

氧化還原分帶：亞氧化帶中錳和硝酸鹽還原共存，Mn2?濃度達(dá)25 μM。

控制因素：OPD和氧化還原延伸受POC通量、沉積速率（0.2-1.15 cm kyr?1）和深層Mn2?氧化共同控制。

 

APEI3不具代表性：因POC通量最低（1 mg C??g m?2 d?1），呼吸速率低於合同區(qū)，不能作為環(huán)境參考。

摘要強(qiáng)調(diào)，沉積物自然變異性遠(yuǎn)超預(yù)期，未來(lái)管理需考慮空間異質(zhì)性，APEI3的保護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)需重新評(píng)估。

 

2. 研究目的

本研究的主要目的是：

 

量化自然變異性：評(píng)估CCZ東部不同勘探區(qū)沉積速率、生物擾動(dòng)深度、氧化還原分帶和元素通量的空間差異。

識(shí)別控制機(jī)制：闡明POC通量、沉積速率和深層氧化如何影響OPD和生物地球化學(xué)過(guò)程。

提供基線數(shù)據(jù)：為深海采礦環(huán)境影響評(píng)估和ISA（國(guó)際海底管理局）環(huán)境管理計(jì)劃（EMP）提供科學(xué)依據(jù)。

 

驗(yàn)證APEI代表性：檢查APEI3是否能代表合同區(qū)的生物地球化學(xué)條件。

 

3. 研究思路

研究采用了多站點(diǎn)采樣與模型模擬相結(jié)合的方法：

 

站點(diǎn)選擇與采樣：在CCZ東部選取六個(gè)站點(diǎn)（四個(gè)合同區(qū)+APEI3；圖1），使用多管采樣器（MUC）和重力巖心（GC）收集沉積物（0-10 m深度）。

 

原位與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量：

 

微電極剖面：使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（Clark型氧傳感器）測(cè)量沉積物-水界面的氧氣濃度（分辨率1 mm），確定OPD和氧化還原梯度（圖2）。

 

孔隙水分析：通過(guò)Rhizon采樣器提取孔隙水，分析Mn2?、NO??等濃度（ICP-OES和流動(dòng)分析儀）。

 

固體相分析：測(cè)量TOC含量（元素分析儀）和放射性同位素（23?Th/231Pa）以計(jì)算沉積速率（圖3、4）。

 

 

反應(yīng)-傳輸模型：應(yīng)用1D穩(wěn)態(tài)模型（R軟件ReacTran包）模擬有機(jī)質(zhì)降解過(guò)程（好氧呼吸、錳還原、反硝化等），量化通量和反應(yīng)速率（圖5、表2）。

 

 

數(shù)據(jù)整合：結(jié)合水文數(shù)據(jù)（CTD測(cè)量）和地理信息（多波束地圖），分析空間變異性的驅(qū)動(dòng)因素。

 

4. 測(cè)量數(shù)據(jù)、來(lái)源及其研究意義

本研究測(cè)量了多維度數(shù)據(jù)，其具體來(lái)源和科學(xué)意義如下：

 

氧氣滲透深度（OPD）數(shù)據(jù)（來(lái)自 圖2和 圖7）：

 

數(shù)據(jù)：OPD范圍1-4.5 m（BGR: 1 m; IOM: 3 m; IFRE-1: 4.5 m; APEI3和GSR全氧化）。OPD與POC通量負(fù)相關(guān)（r2=0.85；圖7）。

 

研究意義：直接表征氧化還原條件。OPD變異揭示沉積物呼吸速率差異，好氧呼吸主導(dǎo)有機(jī)質(zhì)降解（占90%）。深層OPD受基底氧氣擴(kuò)散影響，指示海底水文活動(dòng)。

 

孔隙水化學(xué)數(shù)據(jù)（來(lái)自 圖2）：

 

數(shù)據(jù)：Mn2?濃度在亞氧化帶達(dá)25 μM（BGR站點(diǎn)）；NO??濃度表層35-70 μM，深層降至35 μM。

 

研究意義：證實(shí)錳和硝酸鹽還原共存。Mn2?積累表明亞氧化條件，支持錳驅(qū)動(dòng)反硝化（Mn-annamox）潛力。硝酸鹽剖面反映硝化-反硝化動(dòng)態(tài)。

 

固體相TOC數(shù)據(jù)（來(lái)自 圖3和 圖6）：

 

數(shù)據(jù)：表層TOC含量0.2-0.6 wt%（APEI3最低），隨深度降至<0.1 wt%（圖3）。合同區(qū)TOC高于APEI3（圖6）。

 

研究意義：量化有機(jī)質(zhì)保存與降解。低TOC反映POC通量低和高效降解，APEI3的TOC最低證實(shí)其碳限制，支持其不代表性。

 

沉積速率和生物擾動(dòng)數(shù)據(jù)（來(lái)自 圖4和 表1）：

 

數(shù)據(jù)：沉積速率0.2-1.15 cm kyr?1（APEI3和GSR最低）；生物擾動(dòng)深度≤13 cm。

 

研究意義：揭示沉積動(dòng)力學(xué)。低沉積速率允許深層氧化，生物擾動(dòng)增強(qiáng)表層混合，影響氧化還原梯度。

 

模型輸出數(shù)據(jù)（來(lái)自 圖5和 表2）：

 

數(shù)據(jù)：好氧呼吸速率1.44-1.92 mg C m?2 d?1；錳還原和反硝化各占<1%。

 

研究意義：量化過(guò)程貢獻(xiàn)。模型驗(yàn)證好氧呼吸主導(dǎo)，錳還原微弱，深層Mn2?氧化廣泛（如BGR站點(diǎn)9.25 m深度）。

 

5. 主要結(jié)論

論文得出以下核心結(jié)論：

 

自然變異性顯著：沉積和地球化學(xué)條件在CCZ內(nèi)高度空間異質(zhì)，OPD、TOC和反應(yīng)速率差異大。

POC通量控制OPD：低POC通量（1-2 mg C??g m?2 d?1）導(dǎo)致深OPD，好氧呼吸主導(dǎo)碳循環(huán)。

深層錳氧化普遍：基底氧氣擴(kuò)散導(dǎo)致Mn2?氧化，影響氧化還原架構(gòu)。

APEI3不具代表性：因POC通量最低，呼吸速率低於合同區(qū)，不能作為環(huán)境基準(zhǔn)，呼吁重新設(shè)計(jì)保護(hù)區(qū)。

 

管理啟示：深海采礦影響評(píng)估需考慮局部變異性，ISA的EMP應(yīng)納入多站點(diǎn)基線數(shù)據(jù)。

 

6. 詳細(xì)解讀：使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense公司的微電極系統(tǒng)（Clark型氧傳感器）被用于關(guān)鍵的氧氣剖面測(cè)量，這些數(shù)據(jù)在方法部分（3.2節(jié)）描述并生成圖2的OPD和氧氣梯度。

測(cè)量數(shù)據(jù)：Unisense微電極以高空間分辨率（1 mm）測(cè)量了沉積物中的溶解氧（O?）垂直剖面，覆蓋表層至深層（最大7.5 m）。電極響應(yīng)時(shí)間<10秒，使用底部水體進(jìn)行兩點(diǎn)校準(zhǔn)（0%和100%飽和度）。數(shù)據(jù)通過(guò)PROFIX軟件記錄，精度高（誤差<5%）。

詳細(xì)研究意義解讀：

 

提供高分辨率OPD定量：Unisense電極的毫米級(jí)分辨率使能精確測(cè)定OPD（1-4.5 m），這是傳統(tǒng)采樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。例如，圖2顯示BGR站點(diǎn)OPD為1 m，而APEI3全氧化，直接驗(yàn)證了POC通量對(duì)氧化深度的控制。OPD數(shù)據(jù)是評(píng)估沉積物呼吸強(qiáng)度和碳循環(huán)效率的核心指標(biāo)。

揭示氧化還原梯度動(dòng)力學(xué)：電極數(shù)據(jù)揭示了氧氣濃度隨深度的指數(shù)下降（如BGR站點(diǎn)從表層144 μM降至底層近0），量化了氧化-亞氧化過(guò)渡帶。陡峭的氧氣梯度（如IOM站點(diǎn)-7 μM mm?1；表3）表明高效消耗，支持好氧呼吸主導(dǎo)的結(jié)論。

支持模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證：高分辨率氧氣剖面用于校準(zhǔn)反應(yīng)-傳輸模型（圖5），準(zhǔn)確模擬了好氧呼吸速率（1.44-1.92 mg C m?2 d?1）。無(wú)電極數(shù)據(jù)，模型無(wú)法可靠預(yù)測(cè)通量和反應(yīng)速率，削弱機(jī)制解釋力。

檢測(cè)人為擾動(dòng)與誤差：電極揭示了采樣 artefacts（如表層0.4 cm因大氣滲漏導(dǎo)致氧氣偏高），通過(guò)數(shù)據(jù)排除提高了準(zhǔn)確性。這強(qiáng)調(diào)了原位測(cè)量的重要性，避免實(shí)驗(yàn)室偏差。

識(shí)別深層氧化過(guò)程：在IFRE-1、IOM和BGR站點(diǎn)，電極顯示深層氧氣回升（如BGR站點(diǎn)~9.25 m），結(jié)合Mn2?下降（圖2），證實(shí)基底氧氣擴(kuò)散導(dǎo)致Mn2?氧化。這一發(fā)現(xiàn)揭示了海底水文對(duì)沉積物化學(xué)的深遠(yuǎn)影響。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用價(jià)值：Unisense電極的快速響應(yīng)、低侵入性和高穩(wěn)定性使其適合深海環(huán)境。研究展示了在多種沉積類型（如硅質(zhì)軟泥）中的成功部署，為全球深海基線研究提供了方法論范例。

 

管理意義：電極數(shù)據(jù)直接證明APEI3條件異常（全氧化、低呼吸），支持其不能代表合同區(qū)的結(jié)論。這影響了ISA的保護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)，凸顯了原位傳感在環(huán)境決策中的關(guān)鍵角色。

 

綜上所述，Unisense微電極在本研究中扮演了 “沉積物氧化還原偵察器”的角色。其提供的高分辨率氧氣剖面不僅是描述性參數(shù)，更是量化OPD、驗(yàn)證模型、揭示深層過(guò)程和指導(dǎo)管理決策的核心證據(jù)。沒(méi)有這些數(shù)據(jù)，研究無(wú)法建立POC通量-OPD的定量關(guān)系或識(shí)別深層錳氧化，結(jié)論的深度和可靠性將顯著降低。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了原位微電極技術(shù)在深海生物地球化學(xué)研究中的不可替代性，尤其對(duì)于評(píng)估人類活動(dòng)對(duì)脆弱生態(tài)系統(tǒng)的影響。