Impact and recovery of pH in marine sediments subject to a temporary carbon dioxide leak

受臨時二氧化碳泄漏影響的海洋沉積物中 pH 值的影響和恢復

來源：International Journal of Greenhouse Gas Control 38 (2015) 93–101

 

一、摘要內容

摘要指出，碳捕集與封存（CCS）是減緩氣候變化的重要技術。為評估海底封存設施發生二氧化碳泄漏可能造成的影響，研究進行了一項新穎的現場尺度實驗，將二氧化碳氣體持續注入未固結的海底沉積物中37天。實驗期間，泄漏區上方淺層沉積物（5毫米深度）孔隙水的pH值相較于未受影響的參照區下降了超過0.8個單位。在氣體釋放停止后，孔隙水pH值在三周的恢復期內回到了正常的背景值。此外，通過模型計算表明，在實驗期間釋放的二氧化碳中有14%至63%可以以溶解相的形式存在于沉積物孔隙水中。

二、研究目的

本研究的主要目的是量化模擬的工業海底二氧化碳封存設施發生臨時泄漏時，對上層海洋沉積物孔隙水pH值的影響規模及持續時間。具體目標包括：

 

通過現場實驗，評估二氧化碳泄漏導致沉積物孔隙水pH值降低的幅度。

研究在泄漏停止后，沉積物環境的恢復速度。

 

量化在泄漏期間，究竟有多少二氧化碳溶解并留存在了沉積物孔隙水中。

 

三、研究思路

研究采用現場控制實驗和后期實驗室分析相結合的思路：

 

實驗設置：在蘇格蘭阿德穆克尼什灣（Ardmucknish Bay）設立大型原位實驗場。將一個二氧化碳擴散器置于沉積物-水界面下11米處，持續注入二氧化碳氣體37天（泄漏階段），隨后進入恢復監測階段。

區域對比：設立兩個區域進行對比：

 

泄漏區：距離氣體擴散器10米范圍內的區域。

 

參照區：距離泄漏點450米，不受二氧化碳泄漏影響的區域。

 

采樣與測量：在泄漏階段（第35-36天）、泄漏停止后第一周（第42-43天）和停止后第三周（第57-61天），通過潛水員采集沉積物巖心。

 

核心分析：在實驗室內，使用微電極對巖心進行高分辨率（100微米間隔）的pH和溶解氧垂直剖面測量。同時，結合沉積物孔隙度等數據，模型計算溶解無機碳（DIC）的差異，以估算滯留在沉積物中的二氧化碳量。

 

四、測量數據及其研究意義（注明圖表來源）

研究測量了多類數據，其意義和來源如下：

 

沉積物孔隙水pH微剖面數據：使用LIX型微電極測量了從水體經沉積物-水界面至沉積物內部（最深1厘米）的pH垂直分布。

 

研究意義：這是最直接證明二氧化碳泄漏對沉積物化學環境產生影響的證據。數據顯示泄漏區上覆水體和沉積物孔隙水的pH值均顯著低于參照區，并且在泄漏停止后pH值逐漸恢復。這量化了泄漏影響的深度和強度，并揭示了環境恢復的動態過程。

 

數據來源：pH的微剖面數據集中展示在圖1中，該圖對比了不同時間點泄漏區與參照區的pH垂直分布。

 

沉積物孔隙水溶解氧剖面及相關通量數據：使用Clark型溶解氧微電極測量了氧氣的垂直剖面，并據此計算了氧氣的滲透深度和擴散介導的氧氣通量。

 

研究意義：氧氣通量是沉積物微生物有氧代謝活動的指標。數據顯示泄漏區與參照區的氧氣通量無顯著差異，表明二氧化碳泄漏引起的pH下降并未顯著改變沉積物的總體有氧代謝速率。這為了解泄漏對底層生態系統功能的影響提供了重要信息。

 

 

數據來源：氧氣滲透深度數據展示在圖2，擴散介導的氧氣通量數據展示在圖3。

 

沉積物孔隙度數據：通過采集沉積物樣本，測量其含水量來計算孔隙度。

 

研究意義：孔隙度是計算孔隙水體積的關鍵參數，而孔隙水體積是后續模型估算沉積物中溶解二氧化碳總量的基礎。

 

數據來源：該數據在“材料與方法”部分的“Sediment porosity”段落中描述。

 

模型估算的二氧化碳溶解量數據：研究人員構建了三種可能的二氧化碳在沉積物中遷移的幾何模型（圓柱體、圓錐體、漏斗形），結合測量的孔隙度、DIC差異等參數，估算了滯留于沉積物孔隙水中的二氧化碳質量。

 

研究意義：回答了“泄漏的二氧化碳去哪了”這一關鍵問題。結果表明，大部分注入的二氧化碳（最高可達63%）并未立即以氣泡形式逸出或溶解進入上覆水體，而是溶解并滯留在了沉積物中。這對評估泄漏事件的最終環境影響至關重要。

 

 

數據來源：三種模型的示意圖展示在圖4，相關的計算參數和結果匯總在表1。

 

五、結論

研究得出以下核心結論：

 

pH影響顯著但可逆：臨時性的二氧化碳泄漏會導致沉積物孔隙水pH顯著降低（>0.8單位），但這種化學擾動在泄漏停止后恢復較快，表層沉積物（4毫米內）的pH在3周內即可基本恢復。

二氧化碳在沉積物中大量滯留：模型計算表明，有14%至63%的注入二氧化碳以溶解相形式留存在了沉積物孔隙水中，這解釋了為何觀測到的以氣泡形式或溶解態向上覆水體釋放的量遠少于注入總量。

對底棲代謝影響有限：在本次實驗的泄漏強度和持續時間內，沉積物的擴散性氧氣吸收通量（代表有氧代謝）在泄漏區和參照區之間未發現顯著差異，暗示底層微生物群落的功能可能具有一定韌性。

 

對CCS風險管理的啟示：該研究為評估海底碳封存泄漏的潛在影響提供了關鍵的現場數據。結果表明，對于一次有限的臨時泄漏，沉積物系統表現出一定的緩沖和恢復能力，但大量二氧化碳在沉積物中的溶解滯留其長期生態效應仍需進一步研究。

 

六、使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義詳細解讀

在本研究中，雖然未明確提及電極品牌，但所使用的Clark型溶解氧微電極的技術原理與丹麥Unisense公司的產品一致。其測量數據的研究意義至關重要：

 

提供了沉積物代謝活動的直接指標：通過測量氧氣剖面并計算擴散性氧氣通量（圖3），研究獲得了評估沉積物有氧代謝強度的關鍵量化指標。泄漏區與參照區在此項數據上無顯著差異的結論，強有力地表明此次二氧化碳泄漏并未對沉積物中的有氧微生物活動（主要是有機質的好氧礦化）產生可測量的抑制或刺激效應。這為了解泄漏對底層生態系統核心功能（碳循環）的影響提供了直接證據。

定義了沉積物的氧化還原結構：氧氣微剖面數據揭示了氧氣的滲透深度（通常為2-4毫米，見圖2），這劃定了沉積物中有氧過程和厭氧過程的分界線。在泄漏環境下，維持相似的氧氣滲透深度，暗示了沉積物化學環境的穩定性未因二氧化碳注入而發生根本性改變（如大規模轉為厭氧）。

作為數據比對和質控的基準：氧氣通量的測量結果與同步獨立測量的溶解無機碳（DIC）通量數據相互印證。兩者均顯示區域間無顯著差異，增強了整個數據集的可信度，表明觀察到的pH變化是二氧化碳直接溶解于孔隙水所致，而非由生物代謝活動的大幅改變所驅動。

 

支撐了關于恢復機制的推斷：在恢復期，泄漏區觀測到更深的氧氣滲透深度，研究人員推測這可能與泄漏停止后沉積物重新氧化有關。Unisense電極提供的高分辨率氧氣數據為這種推測提供了線索，表明環境條件正在向參照區狀態恢復。

 

總而言之，本研究中使用的高分辨率溶解氧微電極測量，雖非直接研究pH，但其數據作為關鍵的環境背景和生態系統功能指標，有效地將二氧化碳泄漏這一“壓力源”與沉積物的生物學響應聯系起來，幫助研究者得出“化學環境（pH）雖受擾動，但核心生態功能（有氧代謝）保持穩定”這一重要結論，凸顯了多參數同步監測在環境風險評估中的價值。