Alkaline mineral addition to anoxic to hypoxic Baltic Sea sediments as a potentially efficient CO2-removal technique  

在缺氧至低氧波罗的海沉积物中添加碱性矿物作为潜在高效二氧化碳去除技术  

来源：Front. Clim. 6:1338556  

《气候前沿》第6卷，文章编号1338556  

 

摘要内容：  

研究通过在波罗的海缺氧至低氧沉积物中添加橄榄岩（dunite）和方解石（calcite），评估其增强底栖风化（EBW）对二氧化碳去除的潜力。实验模拟夏季底层水低氧条件，发现方解石和橄榄岩的添加分别使碱度通量增加2.94和1.12 μmol cm⁻² d⁻¹，显著高于冬季条件下的结果。缺氧阶段碱度通量最高，钙（Ca）和硅（Si）通量证实矿物溶解是主要贡献。方解石溶解速率与北太平洋实测值一致，橄榄岩溶解速率符合实验室动力学模型。研究提出在波罗的海季节性缺氧区域，方解石是更高效的EBW材料，底层水腐蚀性是矿物溶解的主要驱动力。  

 

研究目的：  

评估缺氧至低氧条件下碱性矿物（方解石、橄榄岩）的底栖风化效率，验证其作为海洋二氧化碳去除（mCDR）技术的可行性，并为区域模型提供可靠的矿物溶解动力学参数。  

 

研究思路：  

实验设计：从波罗的海Eckernförde湾采集沉积物岩芯，添加方解石和橄榄岩，模拟夏季缺氧条件（底层水pCO₂ 2,300–3,300 μatm）。  

 

控制条件：持续通入脱氧、富CO₂的底层水，监测溶解氧（DO）、pH、碱度（TA）、钙（Ca）、硅（Si）等参数。  

 

机制解析：通过通量计算、矿物溶解动力学模型（如Ωcalcite饱和度）和固相分析（TIC含量），区分自然风化与增强风化贡献。  

 

对比验证：与前期富氧条件实验结果对比，评估季节缺氧对EBW效率的影响。  

 

测量数据及研究意义（对应图表）：  

碱度（TA）通量（图1B、表2）：  

 

 

 

方解石组平均TA通量3.69±1.15 μmol cm⁻² d⁻¹，橄榄岩组1.87±0.26 μmol cm⁻² d⁻¹，对照组0.75±0.34 μmol cm⁻² d⁻¹。  

 

意义：量化EBW对碱度提升的贡献，验证方解石的高效性（缺氧条件下TA通量比富氧条件高2.5倍）。数据来源：图1B显示TA通量随缺氧阶段显著升高，表2对比不同处理组的通量差异。  

钙（Ca）通量（图3B、表2）：  

 

 

 

方解石组Ca通量1.24±0.36 μmol cm⁻² d⁻¹，显著高于对照组（0.11±0.22 μmol cm⁻² d⁻¹）。  

 

意义：直接反映方解石溶解，验证底层水腐蚀性（Ωcalcite<1）是主要驱动力。数据来源：图3B显示方解石组Ca通量持续高于其他组。  

硅（Si）通量（图2B、表2）：  

 

 

 

 

橄榄岩组Si通量0.45±0.09 μmol cm⁻² d⁻¹，高于对照组（0.34±0.08 μmol cm⁻² d⁻¹）。  

 

意义：指示橄榄岩（以橄榄石为主）的溶解，其动力学常数（log₁₀krSi=-9.76）与理论模型一致。数据来源：图2B显示橄榄岩组Si通量后期保持高位。  

溶解氧（DO）动态（图4）：  

 

 

缺氧阶段（DO≈0 μmol l⁻¹）TA通量最高（图7），富氧阶段TA被H₂S等还原物质氧化消耗。  

 

 

意义：揭示EBW效率与底层水氧化状态的强相关性，指导实际应用时机选择（夏季缺氧期最佳）。数据来源：图4显示DO周期性波动，图7展示TA通量与DO负相关。  

固相总无机碳（TIC）（图6）：  

 

 

方解石组表层沉积物TIC含量达28%，显著高于对照组（≤4%）。  

 

意义：证实添加的方解石滞留于沉积物表面，未因生物扰动埋藏，支持底层水直接溶解机制。数据来源：图6显示TIC垂向分布。  

 

结论：  

缺氧条件下方解石的EBW效率（TA通量3.69 μmol cm⁻² d⁻¹）显著高于富氧条件，底层水腐蚀性（Ωcalcite<1）是主要驱动力。  

 

橄榄岩溶解速率（log₁₀krSi=-9.76）与实验室模型一致，但TA贡献效率仅为方解石的1/3，方解石是更优的mCDR材料。  

 

矿物溶解动力学参数（如方解石krCa=0.0025 μmol cm⁻² d⁻¹）可纳入区域模型，支持EBW规模化评估。  

 

实际应用需选择夏季缺氧期（6–9月），通过底栖通量舱监测Ca/Si释放。  

 

丹麦Unisense电极测量的溶解氧数据研究意义：  

使用Unisense微电极监测的DO数据（图4、图7）揭示了以下关键机制：  

 

缺氧阶段的高效风化：DO≈0 μmol l⁻¹时，TA通量达峰值（图7），表明缺氧促进还原物质（如H₂S）释放，间接提升碱度；同时底层水腐蚀性（低Ωcalcite）直接驱动方解石溶解。  

氧化-还原动态调控：富氧阶段（DO>50 μmol l⁻¹）TA通量下降，因H₂S等被氧化消耗碱度，凸显EBW需避开富氧窗口。  

实验控制验证：DO波动反映系统接近自然条件（如夏季缺氧-富氧交替），支持实验室数据的生态外推可行性。  

该数据直接关联矿物溶解效率与环境氧化状态，为EBW现场实施（如投放时机、区域选择）提供关键依据。