Diffusive transfer of oxygen from seamount basaltic crust into overlying sediments: An example from the Clarion–Clipperton Fracture Zone

海底山玄武巖地殼上覆沉積物的氧氣擴散轉(zhuǎn)移：來自于東太平洋克拉里昂與克拉伯頓斷裂帶

來源：Earth and Planetary Science Letters, 2016,433, 215–225

 

論文摘要

摘要指出，在太平洋的克拉里昂-克利珀頓斷裂帶（CCFZ）區(qū)域，深海沉積物中有機碳匱乏，氧氣可穿透至沉積物數(shù)米深。此外，該區(qū)域遍布眾多海山，這些海山可能作為低溫熱液海水在洋殼中循環(huán)的通道。本研究通過高分辨率孔隙水氧氣和營養(yǎng)鹽測量，檢驗了位于CCFZ內(nèi)一個名為Teddy Bare的小海山腳下三個位點（距離海山腳400米、700米和1000米）的基底-沉積物相互作用。研究發(fā)現(xiàn)，在所有位點，氧氣濃度隨深度先降低后增加，硝酸鹽濃度則呈現(xiàn)相反的鏡像變化。這些剖面表明，存在氧氣從海山殼內(nèi)循環(huán)的海水中向上擴散進入上覆基底沉積物，以及硝酸鹽從沉積物孔隙水向下擴散進入玄武巖殼的雙向擴散過程。鍶同位素數(shù)據(jù)進一步支持了這種擴散交換。運輸-反應模型顯示，從基底擴散來的氧氣通量超過了底部沉積物中的氧氣消耗，導致整個沉積柱保持完全氧化狀態(tài)。

研究目的

本研究旨在通過實地調(diào)查和建模，探究和驗證在CCFZ這樣的貧營養(yǎng)深海環(huán)境中，海山基底內(nèi)循環(huán)的流體是否以及如何通過擴散作用與上覆沉積物進行溶解物質(zhì)的交換，并評估這種交換對沉積物氧化還原狀態(tài)和生物地球化學過程的深刻影響。

研究思路

研究團隊采用了野外觀測與數(shù)學模型相結(jié)合的系統(tǒng)研究思路：

 

位點選擇：在Teddy Bare海山腳下沿著一條徑向斷面選擇了三個具有不同沉積厚度的位點（圖1和圖2），以考察與海山距離對交換強度的影響。

 

 

樣品采集：使用活塞取樣器（PC）、重力取樣器（GC）和多管取樣器（MUC）獲取了長達10.7米的沉積物巖芯。

高分辨率測量：

 

使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)對新鮮沉積物巖芯進行原位外高分辨率氧氣剖面測量。

對孔隙水進行取樣，分析硝酸鹽、磷酸鹽濃度和鍶同位素比值（??Sr/??Sr）。

 

對固體沉積物分析總有機碳（TOC）含量。

 

地球化學建模：建立一維反應-運輸模型（參數(shù)見表2和表3），量化氧氣、硝酸鹽等溶質(zhì)的擴散通量（表4）和有機質(zhì)降解速率，從而驗證觀測結(jié)果并深入理解其內(nèi)在機制。

 

 

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義（注明來源）

 

孔隙水氧氣剖面（來自圖3）：

 

數(shù)據(jù)：三個位點的氧氣剖面均顯示出獨特的“凹形”結(jié)構(gòu)：濃度從海底界面向下逐漸降低，在3-7米深處達到最小值（~30 μM），然后向基底方向逐漸增加（至60-90 μM）。

 

研究意義：這是證明存在額外底部氧氣源的關鍵證據(jù)。傳統(tǒng)的沉積物氧氣剖面只會因有機質(zhì)降解而單調(diào)遞減。這種深部氧氣的增加強烈暗示了氧氣從下伏的玄武巖基底向上擴散。

 

孔隙水硝酸鹽剖面（來自圖3）：

 

數(shù)據(jù)：硝酸鹽剖面與氧氣剖面大致呈“鏡像”對稱：濃度在中部深度達到峰值，然后向基底方向降低。

 

研究意義：這表明硝酸鹽除了向上覆水體擴散外，也向下擴散進入玄武巖基底。這支持了溶質(zhì)在沉積物-基底界面進行雙向交換的模型。

 

孔隙水鍶同位素比值（??Sr/??Sr）（來自圖4）：

 

數(shù)據(jù)：在SO205-59GC位點，深層沉積物孔隙水的??Sr/??Sr比值與底層海水的比值非常接近。

 

研究意義：通常，孔隙水??Sr/??Sr比值會因吸附作用隨深度降低。深層孔隙水比值與海水相近，表明有相對未蝕變的海水從基底混入，進一步證實了沉積物與基底流體的溝通。

 

固體相總有機碳（TOC）（來自圖3）：

 

數(shù)據(jù)：所有位點的TOC含量都很低（<0.2%），且在距離海山最近的BIO12-53PC位點含量最低。

 

研究意義：表明研究區(qū)域確實是典型的有機碳匱乏區(qū)。低位TOC含量意味著氧氣消耗速率慢，這為來自基底的氧氣能夠影響整個沉積柱創(chuàng)造了條件。最近位點的最低TOC可能與來自海山的沉積物滑塌稀釋作用有關。

 

研究結(jié)論

本研究得出以下核心結(jié)論：

 

證實了基底-沉積物擴散交換：研究提供了多證據(jù)鏈（氧氣和硝酸鹽剖面、鍶同位素），確鑿地證明了在CCFZ的海山區(qū)域，含氧海水在玄武巖殼中循環(huán)，并與上覆沉積物孔隙水發(fā)生顯著的擴散交換。

維持了完全氧化的沉積柱：從基底向上的氧氣擴散通量雖然只占總氧氣通量的一小部分（約1-2%），但在沉積物深部有機質(zhì)降解速率極低的情況下，該通量足以超越局地的氧氣消耗，從而維持從海底到基底的整個沉積物柱處于有氧狀態(tài)。

形成了獨特的氧化還原結(jié)構(gòu)：這種雙向擴散（氧氣上涌，硝酸鹽下滲）在沉積物中創(chuàng)造了一個由底部供給氧化劑的特殊生物地球化學環(huán)境，這與CCFZ非海山區(qū)域通常僅有的上部氧化層形成了鮮明對比。

 

具有廣泛意義：這種過程可能普遍存在于全球擁有海山或基巖露頭的深海區(qū)域，對有機質(zhì)保存、微生物群落結(jié)構(gòu)以及多金屬結(jié)核的形成都具有重要影響。

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義（詳細解讀）

使用丹麥Unisense公司生產(chǎn)的微電極所測得的氧氣微剖面數(shù)據(jù)（圖3），在本研究中起到了最直接、最關鍵的“發(fā)現(xiàn)和驗證”作用。

 

高分辨率探測異常剖面：Unisense微電極能夠以厘米級的高空間分辨率測量孔隙水中的氧氣濃度。正是這種高分辨率使得研究者能夠清晰地捕捉到氧氣濃度在沉積物中部達到最小值后，反常地向基底方向增加的細微變化。傳統(tǒng)的低分辨率取樣方法（如每20或50厘米取樣一次）很可能無法分辨或會平滑掉這種關鍵的“凹形”結(jié)構(gòu)，從而錯過這一重要發(fā)現(xiàn)。

提供交換過程的直接證據(jù)：觀測到的“凹形”氧氣剖面是流體從基底向上覆沉積物擴散的典型地球化學指紋。Unisense數(shù)據(jù)直接提供了這種異常剖面的存在證據(jù)，使其成為支撐整個研究核心假設的首要且最直觀的證據(jù)。

為模型提供關鍵約束：這些高分辨率的氧氣剖面數(shù)據(jù)為后續(xù)的反應-運輸模型提供了精確的邊界條件和驗證目標。模型必須能夠模擬出這種特殊的剖面形狀，才能被認可。因此，Unisense測量數(shù)據(jù)是連接觀測現(xiàn)象與定量化數(shù)學模型之間的橋梁，使得準確計算氧氣通量成為可能。

 

揭示非典型環(huán)境條件：在CCFZ這樣的貧營養(yǎng)區(qū)，通常預期氧氣穿透深度為2-3米。Unisense數(shù)據(jù)揭示的數(shù)米深度后氧氣濃度再次升高的現(xiàn)象，挑戰(zhàn)了僅由上覆水體擴散控制沉積物氧化性的傳統(tǒng)認知，揭示了海山基底作為深層氧化劑來源的重要角色。

 

綜上所述，丹麥Unisense微電極數(shù)據(jù)不僅是本研究中揭示未知現(xiàn)象的關鍵工具，也是定量化研究基底-沉積物相互作用的基石。它以其高精度的測量能力，將看不見的深部生物地球化學過程直觀地展現(xiàn)出來，使研究者能夠首次在CCFZ區(qū)域詳細描述并證實這種由海山驅(qū)動的地球化學交換過程。