Organic matter diagenesis in hadal setting: Insights from the pore-water geochemistry of the Mariana Trench sediments

有機(jī)質(zhì)成巖作用馬里亞納海溝沉積物孔隙水-水地球化學(xué)研究

來(lái)源：Deep-Sea Research Part I 147 (2019) 22–31

 

論文摘要

本研究首次系統(tǒng)報(bào)道了馬里亞納海溝（Mariana Trench, MT） 從深海（abyssal, 5500m）到超深淵（hadal, 10257m）的深度斷面沉積物中孔隙水地球化學(xué)數(shù)據(jù)，旨在揭示超深淵沉積環(huán)境中有機(jī)質(zhì)（OM）成巖作用的路徑與速率。通過(guò)測(cè)量孔隙水中溶解氧（DO）、硝酸鹽（NO??）、銨（NH??）、硫酸鹽（SO?2?）的剖面分布，結(jié)合一維反應(yīng)-傳輸模型（PROFILE/REC） 計(jì)算，研究發(fā)現(xiàn)：總底棲耗氧量、硝化與反硝化的深度積分速率均與水深呈正相關(guān)，表明有機(jī)質(zhì)成巖作用在超深淵區(qū)域更為強(qiáng)烈。好氧呼吸是主導(dǎo)的OM降解途徑，但在最深的超深淵站位（AB11, 10257m），反硝化作用對(duì)總OM礦化的貢獻(xiàn)提升至~5%。研究進(jìn)一步揭示了硝化與反硝化過(guò)程的緊密耦合主導(dǎo)了沉積物中的氮周轉(zhuǎn)。盡管存在不確定性，本研究為理解地球最深處沉積物的生物地球化學(xué)循環(huán)提供了新見(jiàn)解。

 

研究目的

 

表征OM成巖路徑：區(qū)分并量化超深淵沉積物中有機(jī)質(zhì)降解的好氧（需氧呼吸）與厭氧（反硝化等）途徑。

量化反應(yīng)速率：計(jì)算OM礦化速率及氮周轉(zhuǎn)關(guān)鍵過(guò)程（硝化、反硝化）的速率，揭示其隨水深的變化規(guī)律。

 

評(píng)估超深淵環(huán)境的特殊性：探討超深淵作為有機(jī)質(zhì)“沉積中心” 的假說(shuō)，及其對(duì)全球元素循環(huán)的潛在貢獻(xiàn)。

 

研究思路

研究遵循“野外采樣-高分辨率測(cè)量-模型計(jì)算-機(jī)制解析”的系統(tǒng)思路：

 

樣品采集：在2016-2017年三次科考中，利用抓斗（BC）、重力柱（GC）、多管（MUC）及載人潛水器，沿馬里亞納海溝西南坡Challenge Deep區(qū)域，從5423m至10257m的深度斷面獲取了沉積物柱狀樣（圖1）。

 

原位與實(shí)驗(yàn)室高分辨率測(cè)量：

 

使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)在沉積物剖面上原位測(cè)量溶解氧（DO） 的毫米級(jí)分辨率微剖面（方法2.1）。

使用Rhizon采樣器提取孔隙水，實(shí)驗(yàn)室分析NO??、NH??、SO?2? 等溶質(zhì)濃度（方法2.1, 2.2）。

 

分析沉積物固相總有機(jī)碳（TOC）、總氮（TN） 含量及比值（方法2.2）。

 

模型計(jì)算與速率量化：

 

應(yīng)用PROFILE和REC模型，基于孔隙水溶質(zhì)剖面（圖2,4）和擴(kuò)散系數(shù)，計(jì)算O?消耗、NO??生產(chǎn)（硝化）與消耗（反硝化）的凈速率（Rnet） 及其深度積分通量（表3）。

 

 

 

 

通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算評(píng)估各OM降解路徑的能量學(xué)可行性（表2）。

 

數(shù)據(jù)整合與機(jī)制推斷：對(duì)比不同深度站位的反應(yīng)速率、穿透深度、通量等參數(shù)，結(jié)合TOC分布（圖3），解析OM成巖作用的主導(dǎo)路徑、強(qiáng)度及其與水深的關(guān)系。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義（注明來(lái)源）

研究測(cè)量了多維度數(shù)據(jù)，其意義和來(lái)源如下：

 

孔隙水溶質(zhì)濃度剖面（DO, NO??, NH??, SO?2?）：

 

意義：直接反映了沉積物中氧化還原梯度及生物地球化學(xué)反應(yīng)的活躍層位與強(qiáng)度。DO和NO??的穿透深度（OPD, NPD） 隨水深減小（圖2,5），表明深淵站位的氧化劑消耗更快，OM成巖作用更強(qiáng)。NH??濃度極低表明氮循環(huán)活躍，硝化-反硝化耦合緊密。

 

來(lái)源：數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2（濃度剖面）和圖5（穿透深度與水深關(guān)系）。

 

沉積物固相特性（TOC, TN, TOC/TN）：

 

意義：TOC含量及垂向分布（圖3）指示了OM的輸入與保存狀況。深淵站位TOC含量更高且剖面波動(dòng)大，證實(shí)了超深淵是有效的OM埋藏中心，可能與構(gòu)造活動(dòng)觸發(fā)的顆粒物輸入有關(guān)。TOC/TN比值（2.19-8.72）指示OM主要為海源。

 

來(lái)源：數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。

 

模型輸出的反應(yīng)速率與通量：

 

意義：模型計(jì)算出的O?消耗通量、硝化與反硝化速率（表3）直接量化了各路徑的絕對(duì)貢獻(xiàn)。數(shù)據(jù)顯示總OM氧化速率（27.19–118.82 μmol C m?2 d?1）、反硝化速率均隨水深增加（圖5），證實(shí)了超深淵區(qū)域OM降解的增強(qiáng)。

 

來(lái)源：數(shù)據(jù)見(jiàn)表3及圖4（速率剖面）、圖5（深度積分速率與水深關(guān)系）。

 

研究結(jié)論

 

有機(jī)質(zhì)成巖作用隨水深增強(qiáng)：總OM氧化速率、O?消耗通量、硝化與反硝化速率均與水深呈正相關(guān)（圖5），挑戰(zhàn)了“速率隨水深下降”的傳統(tǒng)認(rèn)知，證實(shí)超深淵是高活性有機(jī)質(zhì)成巖中心。

好氧呼吸主導(dǎo)，但厭氧過(guò)程不可忽視：好氧呼吸貢獻(xiàn)了絕大部分（>90%）的OM礦化。然而，在最深站位（10257m），反硝化貢獻(xiàn)了~5%的總礦化量，表明厭氧過(guò)程在超深淵環(huán)境中的作用比此前認(rèn)知的更重要。

氮循環(huán)以硝化-反硝化耦合為特征：硝化產(chǎn)生的NO??足以支持反硝化消耗，兩者緊密耦合，構(gòu)成了超深淵沉積物氮周轉(zhuǎn)的核心，并使該區(qū)域可能成為上覆水體的NO??源。

 

硫酸鹽還原作用微弱：SO?2?濃度無(wú)變化，H?S檢測(cè)不到，SR速率極低（<0.1 μmol C m?2 d?1），表明硫酸鹽還原在能量學(xué)上不占優(yōu)勢(shì)（表2），且低有機(jī)質(zhì)含量限制了該過(guò)程。

 

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

在本研究中，丹麥Unisense公司的微電極系統(tǒng)被用于原位、高分辨率地測(cè)量沉積物剖面的溶解氧（DO）濃度（方法部分2.1，結(jié)果部分3.2）。

詳細(xì)研究意義如下：

 

提供關(guān)鍵氧化還原梯度，精準(zhǔn)界定反應(yīng)區(qū)：Unisense微電極以毫米級(jí)分辨率原位測(cè)得的DO剖面（圖2a-b）清晰顯示，從沉積物-水界面（SWI）向下，DO濃度隨深度逐漸降低，但直至最大采樣深度（~110cm）也未被完全耗盡（除GT01站）。這直接證實(shí)了超深淵沉積物整體上處于氧化性環(huán)境，好氧呼吸是可行的。其提供的精確氧化還原梯度是后續(xù)模型計(jì)算O?消耗通量和速率的基礎(chǔ)輸入?yún)?shù)。

準(zhǔn)確計(jì)算耗氧通量，量化好氧呼吸強(qiáng)度：基于Unisense測(cè)量的高分辨率DO剖面，通過(guò)菲克第一定律計(jì)算得出的O?向沉積物內(nèi)部的擴(kuò)散通量（表3）是評(píng)估總OM礦化強(qiáng)度的最關(guān)鍵指標(biāo)之一。數(shù)據(jù)顯示，該通量從深海站位的~35.34 μmol m?2 d?1增至超深淵站位（GT01）的81.38 μmol m?2 d?1，為“OM成巖作用隨水深增強(qiáng)”的核心結(jié)論提供了最直接、定量的證據(jù)。

確定氧氣穿透深度（OPD），指示OM降解的限制因素：Unisense數(shù)據(jù)準(zhǔn)確顯示的DO穿透深度（OPD）隨水深增加而減小（圖5）。OPD淺意味著O?在淺層沉積物中即被快速消耗，這排除了氧化劑（O?）限制的可能性，反過(guò)來(lái)指示了有機(jī)質(zhì)（OM）的供給相對(duì)充足，是驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)降解的主要因素。沒(méi)有Unisense提供的精確OPD，這一關(guān)鍵推論將無(wú)法成立。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)保障數(shù)據(jù)真實(shí)性：與傳統(tǒng)采樣后實(shí)驗(yàn)室分析相比，Unisense微電極的原位、無(wú)損測(cè)量避免了樣品脫離原始環(huán)境后因壓力、溫度變化和暴露于空氣導(dǎo)致的O?濃度變化，獲得的DO數(shù)據(jù)最真實(shí)地反映了沉積物內(nèi)部的原位微環(huán)境。其高空間分辨率能捕捉到傳統(tǒng)間隔采樣無(wú)法分辨的微觀梯度，這對(duì)于模型準(zhǔn)確反演反應(yīng)速率至關(guān)重要。

 

綜上所述，丹麥Unisense微電極獲得的DO數(shù)據(jù)遠(yuǎn)非簡(jiǎn)單的濃度測(cè)量，它是解碼超深淵沉積物有機(jī)質(zhì)成巖作用的“基石”。通過(guò)提供高保真、高分辨率的原位氧分布影像，該技術(shù)不僅直接證實(shí)了好氧過(guò)程的主導(dǎo)地位，更重要的是為精準(zhǔn)量化好氧呼吸強(qiáng)度和推斷OM供給狀況提供了不可替代的關(guān)鍵參數(shù)，最終強(qiáng)有力地支撐了本研究關(guān)于“超深淵是有機(jī)質(zhì)高效降解熱點(diǎn)”這一核心結(jié)論。