Early diagenesis in the Congo deep-sea fan sediments dominated by massive terrigenous deposits: Part I- Oxygen consumption and organic carbon mineralization using a micro-electrode approach

剛果深海扇沉積早期成巖作用以大量陸源沉積物為主—微電極法耗氧和有機碳礦化

來源：Deep-Sea Research Part II 142 (2017) 125–138

 

論文摘要

本論文摘要指出，大陸邊緣是有機質(zhì)（OM）從陸地到海洋轉(zhuǎn)移和循環(huán)的關鍵區(qū)域。剛果深海扇的葉狀體復合體通過海底峽谷與河口相連，并由周期性濁流供給大量易分解的陸源有機質(zhì)，導致極高的沉降速率。這些輸入支持了富含Vesicomyidae貝類和微生物墊的化能合成生態(tài)系統(tǒng)（稱為“棲息地”）的發(fā)展。本研究作為CONGOLOBE項目的一部分，使用基于微電極剖面分析的原位和離位方法，在該活躍葉狀體復合體的六個站點測量了氧氣（O?）微剖面和擴散氧吸收率。數(shù)據(jù)集用于確定再礦化速率，并研究葉狀體區(qū)域不同生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學動力學，以比較堤壩/背景沉積物與主要濁流河道側(cè)翼發(fā)育的“棲息地”。研究表明，堤壩和背景沉積物的擴散氧吸收率顯著高于5000米水深的普通深海沉積物，而“棲息地”是有機質(zhì)再礦化的熱點區(qū)域，其擴散氧吸收率高出數(shù)倍。通過比較靠近活躍河道的站點與50公里外的站點，證明葉狀體與主濁流河道的連接對于維持密集的底棲生物群落至關重要。

研究目的

本研究的主要目的在于：

 

量化速率：量化剛果深海扇葉狀體區(qū)域的氧氣消耗速率和有機質(zhì)再礦化速率，以揭示該活躍扇系統(tǒng)的底棲功能。

比較生態(tài)系統(tǒng)：研究并比較葉狀體區(qū)域不同生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學動態(tài)，特別是對比濁流河道側(cè)翼發(fā)育的化能合成“棲息地”與堤壩及背景沉積物的代謝活性。

檢驗假設：驗證以下假設：這些“棲息地”是陸源和河流有機質(zhì)處理的重要熱點區(qū)域，并且它們的生存和繁榮依賴于濁流所輸送的有機質(zhì)。

 

評估方法：通過對比原位測量和船載離位測量的結(jié)果，評估微電極技術在如此復雜和高沉降速率環(huán)境中應用的可靠性和一致性。

 

研究思路

本研究遵循了“空間梯度設計 - 高分辨率測量 - 多方法驗證 - 統(tǒng)計分析”的系統(tǒng)思路：

 

站點選擇與梯度設計：在剛果深海扇終端葉狀體復合體上精心選擇了六個站點（A, B, C, D, E, F）。這些站點沿著活躍濁流河道從入口到外緣分布，并包括一個完全廢棄的葉狀體（站點E），從而構(gòu)建了一個濁流顆粒輸送強度和沉積物“年齡”的空間梯度。這允許研究沉積物代謝活性隨其與物源距離和聯(lián)系程度的變化。

沉積物采樣與分類：使用多管取樣器（MTB）采集背景/堤壩沉積物，并使用遙控潛水器（ROV）操作的推管取樣器（CT）精準采集化能合成“棲息地”（如貝類床、微生物墊、黑色還原沉積物）及其緊鄰的“裸露沉積物”的樣本。

高分辨率氧氣測量：

 

離位測量：在船上實驗室使用Unisense氧微電極對沉積物巖心進行高分辨率（100-200微米）垂直剖面測量。

 

原位測量：使用深海微剖面系統(tǒng)（DMPS）和自主呼吸計（RAP）等設備在海底直接進行氧氣微剖面測量，以獲取最真實的環(huán)境數(shù)據(jù)。

 

數(shù)據(jù)計算與分析：根據(jù)菲克第一定律，從每個氧氣剖面計算擴散氧吸收率（DOU）和氧氣滲透深度（OPD），將其作為有機質(zhì)再礦化速率的代表。結(jié)合沉積物的有機地球化學數(shù)據(jù)（有機碳含量、C/N比、穩(wěn)定同位素等），使用主成分分析（PCA）和多重因子分析（MFA）等多元統(tǒng)計方法，揭示控制氧氣消耗的關鍵環(huán)境因子，并區(qū)分不同類型的沉積物和棲息地。

 

結(jié)果闡釋：將地球化學速率與棲息地分布和沉積環(huán)境聯(lián)系起來，闡釋濁流輸入如何控制著這一獨特深海生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

研究測量了多個方面的數(shù)據(jù)，其意義和來源如下（數(shù)據(jù)均引用自文檔中的圖表）：

 

氧氣微剖面（直接揭示沉積物中的氧化還原過程）

 

測量指標：沉積物-水界面附近溶解氧濃度的垂直分布剖面。

研究意義：圖4展示了典型的氧氣剖面，直觀地揭示了不同環(huán)境下的代謝強度。在“棲息地”，氧氣在沉積物表層數(shù)毫米內(nèi)被迅速消耗，曲線陡峭，表明極高的微生物呼吸速率。而在背景沉積物中，氧氣能滲透到更深（厘米級）的深度，曲線平緩。這些剖面是計算DOU和OPD的基礎，直接反映了沉積物中的生物地球化學活性。

 

數(shù)據(jù)來源：圖4。

 

擴散氧吸收率（DOU）與氧氣滲透深度（OPD）（量化沉積物代謝活性的核心指標）

 

測量指標：DOU（單位時間單位面積沉積物消耗的氧氣量，單位 mmol O? m?2 d?1）和OPD（氧氣濃度降至檢測限以下的深度，單位 mm）。

研究意義：這是本研究最核心的數(shù)據(jù)集。表1和表2詳細列出了所有站點的DOU和OPD值。圖5的箱線圖清晰地對比了不同站點和棲息地類型的DOU。數(shù)據(jù)顯示，活躍葉狀體站點（A, C）的堤壩沉積物DOU（2-5 mmol m?2 d?1）已高于典型深海平原（1.5-2.5 mmol m?2 d?1），而化能合成“棲息地”的DOU更是高達8-40 mmol m?2 d?1，是背景值的5-20倍，確證了其作為“熱點”的地位。OPD則呈現(xiàn)相反趨勢，在“棲息地”最淺（通常<2mm），在背景沉積物中最深。這些數(shù)據(jù)直接量化了有機質(zhì)礦化速率的空間異質(zhì)性。

 

 

 

數(shù)據(jù)來源：表1， 表2， 圖5。

 

沉積物地球化學特性（提供代謝活性的物質(zhì)基礎背景）

 

測量指標：沉積物中有機碳（OC）含量、C/N比、δ13C和δ1?N穩(wěn)定同位素值等。

研究意義：這些數(shù)據(jù)（在文中通過PCA和相關性分析引用）用于解釋DOU差異的原因。例如，研究發(fā)現(xiàn)DOU與OC含量呈顯著正相關，與δ13C值（指示有機質(zhì)海陸來源）呈顯著負相關。這說明來自陸地的、相對新鮮的有機質(zhì)（更負的δ13C值）是驅(qū)動高頻氧氣消耗的主要燃料。這支持了“棲息地”依賴濁流輸入的陸源有機質(zhì)的假說。

 

數(shù)據(jù)來源：文中第3.1節(jié)、表3和圖6的PCA分析。

 

棲息地類型與空間分布（將化學數(shù)據(jù)與生物學觀察相結(jié)合）

 

測量指標：通過ROV影像記錄的棲息地類型（如Vesicomyid貝類、微生物墊、黑色沉積物等）及其精確位置。

研究意義：圖7的MFA分析將不同的DOU和OPD值與具體的棲息地類型聯(lián)系起來。分析表明，Vesicomyid貝類床、微生物墊和黑色沉積物具有相似的高DOU、低OPD特征，而背景沉積物、裸露沉積物和近貝類沉積物則形成另一集群。這將高代謝活性的“熱點”與特定的化能合成生態(tài)系統(tǒng)直觀地關聯(lián)起來，表明這些生物群落的存在和活動是導致異常高氧氣消耗的直接原因。

 

數(shù)據(jù)來源：圖7及文中的棲息地描述。

 

研究結(jié)論

 

活躍葉狀體是深海碳循環(huán)熱點：剛果深海扇活躍葉狀體復合體的沉積物，即使是在堤壩背景區(qū)域，其有機質(zhì)礦化速率（以DOU衡量）也顯著高于同水深的典型深海平原。這證明了由濁流輸入的陸源有機質(zhì)極大地增強了該深海底棲系統(tǒng)的代謝活動。

化能合成“棲息地”是超級熱點：在活躍河道側(cè)翼發(fā)現(xiàn)的化能合成生態(tài)系統(tǒng)（貝類、菌席）是有機質(zhì)再礦化的“超級熱點”，其DOU可達背景值的20倍。這表明這些生態(tài)系統(tǒng)不僅本身是生物多樣性的綠洲，也是碳轉(zhuǎn)化的高強度反應器。

有機質(zhì)輸入是生態(tài)系統(tǒng)存在的關鍵：研究發(fā)現(xiàn)了清晰的空間梯度。遠離活躍河道、已廢棄的站點（如站點E）的DOU最低，OPD最深，代謝活性與普通深海無異。而部分活躍的站點（如站點B）則處于中間狀態(tài)。這強有力地證明，化能合成生態(tài)系統(tǒng)的存在和活力與來自剛果河的、由濁流持續(xù)輸送的新鮮陸源有機質(zhì)密切相關。一旦這種輸送被中斷（如河道改道），這些生態(tài)系統(tǒng)將衰退消失。

微電極技術的可靠性：原位（DMPS, RAP）和離位（船載）測量獲得的DOU值具有良好的一致性。這表明在嚴格控制條件下（如保持原位溫度），船載離位微電極測量能夠可靠地反映沉積物的真實代謝狀況，為在難以進行頻繁原位測量的區(qū)域開展研究提供了信心。

 

對全球碳循環(huán)的啟示：盡管該區(qū)域單位面積的礦化速率很高，但將其外推至整個葉狀體區(qū)域后，估算出的總碳礦化量僅占剛果河輸入有機碳的很小一部分（約1%）。這暗示著在剛果深海扇系統(tǒng)中，有機碳的埋藏可能是比再礦化更重要的歸宿，但需要進一步的質(zhì)量平衡研究來確認。

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense氧微電極是獲取核心科學數(shù)據(jù)的關鍵工具，其研究意義深遠且不可或缺，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

 

實現(xiàn)高分辨率、原位化的界面過程測量：剛果深海扇沉積物，尤其是“棲息地”的氧消耗發(fā)生在毫米甚至亞毫米尺度。傳統(tǒng)的分層取樣-培養(yǎng)法無法捕捉如此細微的梯度。Unisense微電極的尖端直徑僅為100微米，能夠以100-200微米的垂直分辨率精確描繪氧氣從底部水體進入沉積物后的濃度變化曲線（圖4）。這種高分辨率對于準確計算界面氧通量（DOU）和確定OPD至關重要，尤其是在梯度極陡的“棲息地”沉積物中，任何較粗的分辨率都會嚴重低估代謝速率。

準確區(qū)分和量化“熱點”的代謝強度：本研究的核心發(fā)現(xiàn)是“棲息地”作為代謝“熱點”的存在。這一結(jié)論完全依賴于微電極提供的精確、可量化的DOU數(shù)據(jù)。如表2所示，在“棲息地”內(nèi)部（如COL-C-PL491 CT3， Vesicomyid "Heart"），DOU高達~20 mmol m?2 d?1，而僅在幾十厘米外的“裸露沉積物”（COL-C-PL491 CT14），DOU迅速降至~2.6 mmol m?2 d?1。這種數(shù)量級上的差異以及其極短的空間尺度，只有通過微電極在ROV的輔助下進行精準定位測量才能揭示。它證明了高代謝活性嚴格局限于化能合成生物群落所在的特定斑塊。

驗證離位測量方法的可靠性：由于原位測量成本高昂且復雜，評估船載離位測量的可靠性對推廣該技術至關重要。本研究通過系統(tǒng)對比原位設備（如DMPS）和船載微電極對同一地點沉積物的測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者獲得的DOU和OPD值高度一致（文中統(tǒng)計檢驗無顯著差異）。這一發(fā)現(xiàn)證明，只要保持低溫等關鍵條件，Unisense微電極的離位測量可以忠實地反映原位情況，大大增強了在更廣泛海域使用此技術獲得數(shù)據(jù)的可信度。

 

支撐空間梯度分析和機理推斷：Unisense電極提供的高質(zhì)量、可比的DOU數(shù)據(jù)集是進行后續(xù)空間梯度分析和統(tǒng)計（如PCA、MFA）的基礎。正是基于這些精確數(shù)據(jù)，研究者才能令人信服地展示從活躍站點（A, C）到半廢棄站點（B）再到完全廢棄站點（E）的代謝活性遞減梯度（圖5），并將此梯度與有機質(zhì)輸入量（由δ13C等指標指示）聯(lián)系起來，最終得出“濁流輸送的陸源有機質(zhì)驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)”的結(jié)論。沒有微電極提供的精確通量數(shù)據(jù)，這些機理性的推論將缺乏直接證據(jù)。

 

綜上所述，丹麥Unisense氧微電極在本研究中扮演了“終極顯微鏡”的角色。它通過提供無可替代的高分辨率化學剖面，使研究者能夠“看到”并精確量化沉積物-水界面發(fā)生的隱秘而關鍵的碳循環(huán)過程。這項技術的應用，是成功揭示剛果深海扇這一獨特深海棲息地中，由地質(zhì)過程（濁流）驅(qū)動、由化能合成生態(tài)系統(tǒng)執(zhí)行的高強度有機質(zhì)礦化作用這一完整故事線的技術基石。