Laboratory Observation of the Buffering Effect of Aragonite Dissolution at the Seafloor  

实验室观察文石在海底溶解的缓冲效应  

来源：Journal of Geophysical Research: Biogeosciences  

《地球物理研究杂志：生物地球科学》  

 

摘要内容  

该研究通过实验室实验和模型模拟，探究了文石（aragonite）在海底溶解时对方解石（calcite）溶解的缓冲效应。研究发现，当文石溶解于方解石沉积物中时，其释放的碱性物质会提高局部pH值和碳酸盐浓度，从而减缓甚至抑制方解石的溶解。这一现象被称为“深海的碳酸盐电偶保护效应”（galvanization）。研究结合pH微剖面测量和成岩模型，揭示了文石溶解对海底碳酸盐循环的关键作用。  

 

研究目的  

验证文石溶解是否通过提高局部pH值和碳酸盐浓度来抑制方解石的溶解，并量化这一缓冲效应对海洋碳循环的影响。  

 

研究思路  

实验设计：  

 

旋转盘反应器实验（RDR实验）：模拟海底流体动力学条件，测量文石与方解石混合沉积物的碱度通量变化（表2）。  

 

 

比色皿实验（CUV实验）：在无流动条件下，通过丹麦Unisense微电极测量孔隙水pH的微剖面（图4），结合成岩模型（RADI模型）解析文石与方解石的溶解/沉淀速率。  

 

 

模型验证：通过对比实验数据与模型预测，验证文石溶解的缓冲效应机制。  

 

测量的数据  

孔隙水pH微剖面：使用Unisense微电极测量沉积物-水界面附近的pH梯度（图2、图4）。  

 

 

总碱度（TA）：通过滴定和分光光度法分析海水和孔隙水的碱度变化（表2）。  

 

饱和度状态（Ω）：计算方解石（Ωca）和文石（Ωar）的饱和度（表2、图3）。  

 

 

矿物组成：X射线粉末衍射（XRPD）分析沉积物中的矿物成分。  

 

数据的研究意义  

pH微剖面（图4）：揭示文石溶解导致的局部pH上升，验证其缓冲效应。  

 

碱度变化（表2）：量化文石溶解释放的碱性物质对方解石溶解的抑制作用。  

 

饱和度状态（图3）：表明文石溶解使环境接近方解石饱和状态，抑制其溶解。  

 

矿物组成：确认实验材料的纯度，排除其他矿物的干扰。  

 

结论  

文石溶解通过提高局部pH和碳酸盐浓度，抑制方解石溶解，甚至导致方解石沉淀。  

 

该缓冲效应在海底沉积物顶部毫米尺度内即可发生，且1天内即可观测到方解石沉淀（模型预测）。  

 

文石在海洋碳循环中具有关键作用，需在碳循环模型中纳入其对钙碳酸盐溶解动力学的调控。  

 

Unisense电极数据的意义  

丹麦Unisense微电极的高空间分辨率（100 μm）能够精确测量沉积物-水界面附近的pH梯度（图4）。这种高分辨率数据揭示了文石溶解引起的pH快速变化（如实验开始1小时内[H+]下降10.8 nM），直接验证了文石溶解的局部缓冲效应。此外，微电极捕捉到的pH变化趋势（如实验后期pH下降）为模型提供了关键约束条件，帮助量化了文石溶解速率（0.0166% day⁻¹）和方解石沉淀速率（411 mol/(m³·day)）等参数。这些数据是验证“电偶保护效应”假说的直接实验证据。