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、生物地球化學過程和元素通量的自然空間變異性

來源：Deep-Sea Research Part I（2018年，卷140，頁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、生物地球化學過程和元素通量的自然空間變異性。CCZ是一個富含多金屬結核的深海區域，具有低有機質沉積通量和米級氧氣滲透深度（OPD）的特征。研究通過多站點比較和反應-傳輸模型，揭示了沉積環境的高度異質性，評估了深海采礦潛在影響，并為環境管理計劃提供了關鍵基線數據。

1. 摘要核心內容

摘要指出，CCZ作為多金屬結核勘探熱點，其沉積物以低有機質通量（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。研究比較了四個歐洲合同區（BGR、IOM、GSR、IFREMER）和一個保護區（APEI3）的六個站點，發現：

 

OPD變異大：范圍1-4.5 m，部分站點全氧化（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，不能作為環境參考。

摘要強調，沉積物自然變異性遠超預期，未來管理需考慮空間異質性，APEI3的保護區設計需重新評估。

 

2. 研究目的

本研究的主要目的是：

 

量化自然變異性：評估CCZ東部不同勘探區沉積速率、生物擾動深度、氧化還原分帶和元素通量的空間差異。

識別控制機制：闡明POC通量、沉積速率和深層氧化如何影響OPD和生物地球化學過程。

提供基線數據：為深海采礦環境影響評估和ISA（國際海底管理局）環境管理計劃（EMP）提供科學依據。

 

驗證APEI代表性：檢查APEI3是否能代表合同區的生物地球化學條件。

 

3. 研究思路

研究采用了多站點采樣與模型模擬相結合的方法：

 

站點選擇與采樣：在CCZ東部選取六個站點（四個合同區+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）。

 

原位與實驗室測量：

 

微電極剖面：使用丹麥Unisense微電極系統（Clark型氧傳感器）測量沉積物-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Rhizon采樣器提取孔隙水，分析Mn2?、NO??等濃度（ICP-OES和流動分析儀）。

 

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

 

 

反應-傳輸模型：應用1D穩態模型（R軟件ReacTran包）模擬有機質降解過程（好氧呼吸、錳還原、反硝化等），量化通量和反應速率（圖5、表2）。

 

 

數據整合：結合水文數據（CTD測量）和地理信息（多波束地圖），分析空間變異性的驅動因素。

 

4. 測量數據、來源及其研究意義

本研究測量了多維度數據，其具體來源和科學意義如下：

 

氧氣滲透深度（OPD）數據（來自 圖2和 圖7）：

 

數據：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通量負相關（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，好氧呼吸主導有機質降解（占90%）。深層OPD受基底氧氣擴散影響，指示海底水文活動。

 

孔隙水化學數據（來自 圖2）：

 

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

 

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

 

固體相TOC數據（來自 圖3和 圖6）：

 

數據：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TOC高于APEI3（圖6）。

 

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

 

沉積速率和生物擾動數據（來自 圖4和 表1）：

 

數據：沉積速率0.2-1.15 cm kyr?1（APEI3和GSR最低）；生物擾動深度≤13 cm。

 

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

 

模型輸出數據（來自 圖5和 表2）：

 

數據：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：量化過程貢獻。模型驗證好氧呼吸主導，錳還原微弱，深層Mn2?氧化廣泛（如BGR站點9.25 m深度）。

 

5. 主要結論

論文得出以下核心結論：

 

自然變異性顯著：沉積和地球化學條件在CCZ內高度空間異質，OPD、TOC和反應速率差異大。

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

深層錳氧化普遍：基底氧氣擴散導致Mn2?氧化，影響氧化還原架構。

APEI3不具代表性：因POC通量最低，呼吸速率低於合同區，不能作為環境基準，呼吁重新設計保護區。

 

管理啟示：深海采礦影響評估需考慮局部變異性，ISA的EMP應納入多站點基線數據。

 

6. 詳細解讀：使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

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

測量數據：Unisense微電極以高空間分辨率（1 mm）測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）。電極響應時間<10秒，使用底部水體進行兩點校準（0%和100%飽和度）。數據通過PROFIX軟件記錄，精度高（誤差<5%）。

詳細研究意義解讀：

 

提供高分辨率OPD定量：Unisense電極的毫米級分辨率使能精確測定OPD（1-4.5 m），這是傳統采樣無法實現的。例如，圖2顯示BGR站點OPD為1 m，而APEI3全氧化，直接驗證了POC通量對氧化深度的控制。OPD數據是評估沉積物呼吸強度和碳循環效率的核心指標。

揭示氧化還原梯度動力學：電極數據揭示了氧氣濃度隨深度的指數下降（如BGR站點從表層144 μM降至底層近0），量化了氧化-亞氧化過渡帶。陡峭的氧氣梯度（如IOM站點-7 μM mm?1；表3）表明高效消耗，支持好氧呼吸主導的結論。

支持模型校準與驗證：高分辨率氧氣剖面用于校準反應-傳輸模型（圖5），準確模擬了好氧呼吸速率（1.44-1.92 mg C m?2 d?1）。無電極數據，模型無法可靠預測通量和反應速率，削弱機制解釋力。

檢測人為擾動與誤差：電極揭示了采樣 artefacts（如表層0.4 cm因大氣滲漏導致氧氣偏高），通過數據排除提高了準確性。這強調了原位測量的重要性，避免實驗室偏差。

識別深層氧化過程：在IFRE-1、IOM和BGR站點，電極顯示深層氧氣回升（如BGR站點~9.25 m），結合Mn2?下降（圖2），證實基底氧氣擴散導致Mn2?氧化。這一發現揭示了海底水文對沉積物化學的深遠影響。

技術優勢與應用價值：Unisense電極的快速響應、低侵入性和高穩定性使其適合深海環境。研究展示了在多種沉積類型（如硅質軟泥）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：電極數據直接證明APEI3條件異常（全氧化、低呼吸），支持其不能代表合同區的結論。這影響了ISA的保護區設計，凸顯了原位傳感在環境決策中的關鍵角色。

 

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，更是量化OPD、驗證模型、揭示深層過程和指導管理決策的核心證據。沒有這些數據，研究無法建立POC通量-OPD的定量關系或識別深層錳氧化，結論的深度和可靠性將顯著降低。這項工作強調了原位微電極技術在深海生物地球化學研究中的不可替代性，尤其對于評估人類活動對脆弱生態系統的影響。