Sedimentary organic matter contents and porewater chemistry at upper bathyal depths influenced by the 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake and tsunami

受2011年日本東北部太平洋沿岸地震海嘯影響，深海沉積物上層有機質含量及孔隙水化學特征

來源：J Oceanogr (2016) 72:99–111

 

論文總結

一、摘要概述

本論文研究了2011年日本東北地震和海嘯后，太平洋沿岸上深海（upper bathyal）沉積物中有機質含量和孔隙水化學的變化。摘要指出，地震一年后（2012年3月），在東北部8個上深海站點采集沉積物巖心，發現所有站點均存在1-7厘米厚的事件沉積（如濁積巖），表明該區域受到地震或海嘯引起的沉積事件影響。事件沉積中總有機碳（TOC）和總氮（TN）濃度較低，且碳氮同位素組成和C/N比顯示事件沉積由局部短距離搬運的沉積物組成。營養鹽通量與表層TOC和底層水溶解氧（DO）濃度相關，但事件沉積厚度與氧或營養鹽通量無顯著相關性。事件沉積的有機質含量與下伏沉積物相似，因此對營養鹽通量無顯著影響。結果表明，擾動區生物地球化學循環不僅受事件沉積厚度影響，還取決于沉積物來源。

 

二、研究目的

本研究的主要目的包括：

 

評估地震擾動的影響：探究2011年東北地震和海嘯引發的事件沉積（如濁積巖）如何改變上深海沉積物的有機質分布和孔隙水地球化學。

揭示生物地球化學響應：分析事件沉積對營養鹽通量（如NO??、NH??）和溶解氧動態的影響，理解擾動后沉積物-水界面的元素循環。

 

比較局部與遠程沉積物來源：通過同位素和粒度數據，判斷事件沉積是有機質富集的遠程搬運物質，還是有機質相似的局部沉積物，以預測其對生態系統恢復的影響。

 

三、研究思路

研究采用多站點對比與高分辨率采樣的系統方法：

 

站點選擇與采樣：基于地震前調查，在東北沿岸設置3個斷面（N、M、S線），涵蓋310-880米水深的8個站點（Table 1）。2012年3月使用多管采樣器采集沉積物巖心，確保樣品代表擾動后狀態。

 

事件沉積識別：通過沉積結構、21?Pb、13?Cs和13?Cs剖面識別事件沉積層（如濁積巖），厚度1-7厘米（Fig. 2）。

 

地球化學分析：

 

有機質參數：測量TOC、TN濃度、δ13C和δ1?N同位素（Table 2），計算C/N比，評估有機質來源和降解狀態。

 

 

孔隙水化學：提取孔隙水，分析營養鹽（NO??、NH??、PO?3?、SiO?2?）濃度（Fig. 5）；使用丹麥Unisense氧微電極以200 μm分辨率測量沉積物-水界面的溶解氧（DO）剖面（Fig. 4）。

 

通量計算：基于Fick定律計算營養鹽和氧擴散通量（Fig. 6），考慮孔隙度和溫度校正。

 

數據關聯分析：使用統計方法（如相關性分析）關聯事件沉積厚度、TOC、DO和營養鹽通量（Table 3），檢驗擾動的影響。

 

四、測量數據及研究意義（注明來源）

本研究測量了多類數據，其來源和研究意義如下：

 

事件沉積厚度與粒度（來自Fig. 2和沉積學分析）：

 

數據：Fig. 2顯示事件沉積厚度1-7厘米，粒度較粗（如站點M-320平均粒徑大）。TOC在事件沉積層較低（如M-320站<1%）。

 

研究意義：這些數據直接證實地震引起廣泛沉積擾動。粗粒事件沉積表明高能搬運過程，但低TOC暗示有機質在搬運中損失或稀釋，突出了事件沉積的物理特性而非化學組成的主導作用。

 

有機質組成與同位素（來自Table 2和Supplementary Figs）：

 

數據：Table 2列出各站點TOC（0.5-5.0%）、TN（0.05-0.6%）、C/N比（7.4-8.2）、δ13C（-22.2‰至-19.2‰）和δ1?N（4.7-5.9‰）。C/N比接近海洋浮游植物值（~6），δ13C與海洋有機質一致。

 

研究意義：同位素和C/N比指示有機質主要為海洋來源，非陸源輸入。事件沉積與下伏沉積物相似性說明局部搬運，解釋了為何擾動未顯著改變營養鹽循環。這強調了來源一致性在生態系統恢復中的重要性。

 

溶解氧剖面（來自Fig. 4，由丹麥Unisense微電極測量）：

 

數據：Fig. 4顯示DO在沉積物表層快速消耗，氧滲透深度（OPD）10-20毫米，淺水站點OPD更深（如M-320站20毫米）。底層水DO隨深度增加而降低（Fig. 1）。

 

研究意義：高分辨率DO剖面量化了氧化還原梯度，OPD與TOC負相關，證實有機質降解耗氧。淺水站點高OPD反映較低礦化率，為理解擾動后氧化條件恢復提供基準。

 

營養鹽濃度與通量（來自Fig. 5和Fig. 6）：

 

 

數據：Fig. 5顯示孔隙水NO??隨深度消耗，NH??和PO?3?積累；Fig. 6計算通量，如NO??通量在深水站點較高。

 

研究意義：營養鹽剖面反映有機質礦化路徑（如反硝化、銨化）。通量與表層TOC和底層水DO相關（Table 3），但與事件沉積厚度無關，表明早期成巖過程由背景環境控制，而非擾動強度。這挑戰了事件沉積厚度主導生物地球化學的傳統觀點。

 

相關性分析（來自Table 3）：

 

數據：Table 3顯示事件沉積厚度與通量無顯著相關；TOC與NO??通量正相關（r=0.875），與NH??通量負相關；底層水DO與NO??通量負相關。

 

研究意義：相關性突出TOC和DO為關鍵驅動因子，而非事件沉積本身。這為預測擾動后營養鹽動態提供了簡化模型，強調有機質負荷和氧化條件的核心作用。

 

五、研究結論

本研究主要結論如下：

 

事件沉積的局部性：事件沉積由局部海洋沉積物短距離搬運形成，有機質來源與下伏沉積物相似，因此未引入新碳源，對營養鹽通量影響有限。

通量控制因素：營養鹽和氧通量主要受表層TOC和底層水DO控制，事件沉積厚度不是顯著影響因素，表明生物地球化學循環在擾動后一年內已趨于穩定。

 

生態啟示：在頻繁擾動區，沉積物來源一致性可能促進生態系統快速恢復，而遠程富有機質輸入可能延長影響。研究強調了局部環境背景在評估地震擾動效應中的重要性。

 

六、丹麥Unisense電極測量數據的詳細研究意義

本研究中使用丹麥Unisense氧微電極獲得的數據具有關鍵研究意義，體現在以下方面：

 

高分辨率氧化還原梯度量化：Unisense微電極以200 μm的垂直分辨率實時測量沉積物-水界面的DO濃度剖面（Fig. 4）。這種高空間分辨率精確揭示了氧滲透深度（OPD）的毫米級變化，例如顯示OPD在淺水站點（如M-320）達20毫米，深水站點（如S-880）僅10毫米。這些數據直接驗證了有機質礦化對氧消耗的控制，OPD與TOC的負相關（r=-0.678）為理解氧化層厚度提供了實證基礎。

關聯物理擾動與生物響應：DO剖面顯示事件沉積層（如粗粒濁積巖）中氧消耗速率變化，將沉積物結構與微生物活動鏈接。例如，在站點M-840，濁積巖層對應低TOC和較高OPD，表明事件沉積可能通過改變孔隙結構影響氧擴散路徑，進而調節好氧/厭氧過程平衡。

支持通量計算與模型驗證：基于微電極數據計算的氧擴散通量（Fig. 6）是營養鹽通量分析的基準。DO梯度與營養鹽通量的相關性（如與NO??通量負相關）證實了氧化還原條件對氮循環的調控作用，微電極數據為Fick定律計算提供了可靠輸入，減少了傳統取樣帶來的誤差。

揭示擾動后恢復動態：地震一年后DO剖面已顯示穩定梯度，表明氧化層快速重建。微電極數據提供了擾動后早期成巖恢復的高時間分辨率快照，暗示在頻繁擾動區，沉積物系統可能具韌性，氧動態主要受持續有機質輸入而非單次事件控制。

 

技術優勢與應用價值：Unisense電極的原位、無損測量避免了船載采樣擾動，確保了DO數據的真實性。在管理層面，這些數據可用于評估沿海擾動區的碳匯功能，為地震災害后生態系統監測提供技術標準。

 

總之，丹麥Unisense電極數據不僅是描述氧變化的工具，更是解碼擾動沉積物生物地球化學的關鍵，通過提供微尺度環境證據，提升了我們對事件驅動下海洋碳氮循環的理解。