研究简介:本研究通过实验室模拟实验，探究了深海采矿活动对沉积物-水界面（SWI）地球化学过程的影响。研究指出，深海采矿预计会通过悬浮沉积物羽流和沉积物再沉积造成严重的环境影响，但SWI的详细地球化学响应，特别是在受控实验室条件下的变化，仍知之甚少。实验中，采集自西太平洋多金属结核区的深海沉积物和海水样本被用于一项温度控制的扰动实验，该实验包含模拟底层细颗粒物低能夹带的阶段一以及高浓度浆液排放的阶段二。


结果显示，羽流扰动显著改变了金属行为，使孔隙水和上覆水中的痕量金属浓度升高，并影响了pH、盐度、浊度、溶解氧（DO）和溶解有机碳（DOC）等参数。扰动后100天内，界面孔隙水中的DO显著耗竭，增加了底栖生物缺氧的风险，但实验末期表层沉积物DO恢复到较高水平。研究将大多数痕量金属和营养盐的迁移转化主要归因于有机质降解以及铁和锰氧化物的还原溶解。到扰动后第270天，上覆水和孔隙水中的大多数痕量金属浓度已恢复至或低于背景水平，DO、浊度和DOC也呈现类似恢复趋势；然而，铜、铅、铬的浓度以及碱度、盐度和营养盐（如硝酸盐、铵盐和磷酸盐）在实验结束时仍显著高于背景，暗示采矿扰动对深海生态系统存在长期影响。研究还采用了基于数值扩散和动态地球化学原理的两种模型来预测SWI处DO的短期和长期变化，模型预测与120天观测数据的相关性分别达到0.9983和0.9986，为评估未来深海采矿的环境影响建立了稳健的基线。这项耦合了方法框架的研究为解耦复杂的SWI过程提供了一种新方法，有助于提高环境影响评估的准确性。


Unisense 野外微电极研究系统的应用


Unisense微电极被用于测量沉积物-水界面（SWI）处的溶解氧（DO）、氧化还原电位（Eh）、硫化氢（H₂S）和pH值，以高空间分辨率获取垂直剖面数据。实验装置将微电极安装在一个由软件控制的电机驱动金属框架上，能够精确地将传感器定位到SWI 。在第二阶段浆液释放实验开始后，研究者在对应六个再沉积厚度（1至4厘米）的位置，使用配备有氧（OX-100）、Eh（RD-100）、H₂S和pH电极的微电极系统监测SWI，其中DO的步长为100 μm，Eh、pH和H₂S的步长为200 μm 。该设备的核心作用在于提供了扰动前后SWI关键化学参数的精细垂直变化数据，使研究者能够捕捉到DO在短期内急剧耗竭、H₂S生成、Eh和pH的动态演变等信息，从而为评估深海采矿羽流对底栖地球化学过程的影响以及后续的模型预测（如数值扩散与PHREEQC模拟）提供了高精度的实测依据。


实验结论


羽流扰动显著改变了上覆水的理化性质，实验与对照组在阶段一初期pH从7.6下降至7.2，阶段二实验组pH、盐度、DO和DOC均显著高于对照组，浊度在阶段一和阶段二初期出现两个峰值随后迅速稳定。在沉积物-水界面，扰动后100天内孔隙水DO显著耗竭，增加了底栖生物缺氧风险；浆液释放一天后DO介于180–210 μmol/L，至第180天急剧降至50 μmol/L（降幅超过70%），而对照组未检出H₂S的实验组在第210天后广泛检出H₂S，最高达12000 μM；浆液释放对pH的最大影响出现在第15天，变化达0.6个单位。


孔隙水中大多数痕量金属（如As、V、Ni、Cu、U、Fe、Cr）浓度高于上覆水但时间变化趋势一致，上覆水与孔隙水的紧密耦合驱动了痕量金属和营养盐的同步释放，其迁移转化主要受有机质降解和锰氧化物还原控制。到第270天，多数指标（DO、浊度、DOC及大多数痕量金属）已恢复至背景水平，但铜、铅、铬浓度以及碱度、盐度和营养盐（硝酸盐、铵盐、磷酸盐）仍显著高于背景，表明采矿扰动对深海底栖生态系统存在长期影响。基于数值扩散和改进的PHREEQC动力学模型的预测与120天实测数据高度一致（相关系数R>0.998），成功解耦了物理混合与地球化学过程，为国际海底管理局等机构评估深海采矿环境风险提供了保守的、最坏情景下的基线。 。

图1、在第二阶段浆液释放实验后，不同再沉积厚度下，实验组（a）和对照组（b）在1天（c）、15天（d）、30天（e）、60天（f）、90天（g）和120天（h）时，SWI处DO浓度随时间的变化。

图2、在第二阶段浆液释放实验后1天（a）、15天（b）、30天（c）、60天（d）、90天（e）和120天（f）时，实验组与对照组在不同再沉积厚度下SWI中Eh的变化。

图3、在第二阶段泥浆释放实验后1天（a）、15天（b）、30天（c）、60天（d）、90天（e）和120天（f）时，实验组与对照组在不同重沉厚度下，沉积物-水界面处H2S随时间的变化。

图4、在第二阶段浆液释放实验后，不同再沉积厚度下，实验组和对照组在1天（a）、15天（b）、30天（c）、60天（d）、90天（e）和120天（f）时，SWI处pH值的变化。

图5、采用改良的“Press-F9法”（a）和Phreeqc软件（b）在泥浆排放后沉积物中模拟和测量的溶解氧（DO）分布


结论与展望


本研究围绕深海多金属结核采矿扰动对沉积物-水界面（SWI）地球化学过程的影响开展了一项受控实验室模拟研究，填补了以往大量关注羽流物理扩散与底栖生物效应、但对SWI精细地球化学响应机制理解不足的空白。研究所用深海沉积物与海水原位采集自西太平洋多金属结核区（约12°43′N, 153°36′E，水深5972 m），经灭菌处理后构建两套平行玻璃水槽系统（对照罐与控制变量实验罐），在3°C恒温条件下分两阶段运行：第一阶段为为期约5个月的低能床面细粒再悬浮与系统平衡期，第二阶段通过向实验罐中柱水中注入预制细粒沉积物流浆，模拟采矿作业中产生的高浊度悬浮羽流释放与表层再沉积过程（再沉积厚度梯度1–4 cm），并利用Rhizon孔隙水采样器与微电极（DO、Eh、H₂S、pH，步长100–200 μm）对SWI及其两侧进行高分辨率、长时间序列（至扰动后约270 d）监测，辅以ICP‑MS/OES、TOC/DOC、离子色谱与XRD矿物学等手段定量金属、营养盐与酸碱度/盐度/浊度等关键参数。


本研究依托Unisense 优尼森 微电极系统（DO、Eh、H₂S、pH电极，步长100–200 μm）实现了沉积物–水界面的微尺度原位监测。通过在3°C恒温下对对照与实验罐开展长达270天的高频剖面扫描，该设备精准捕捉了采矿羽流扰动引发的SWI微环境剧变：从扰动初期DO脉冲式跃升至210 μmol/L，到中期孔隙水DO耗竭与Eh陡降，再到后期检出高达12000 μM的H₂S。这些高分辨率数据是论文机制阐释的核心基石，证实了微量金属迁移主要受控于有机质降解与Fe/Mn氧化物还原溶解的氧化还原接力过程，同时为数值扩散模型与PHREEQC动力学模型提供了关键边界条件与验证基准，将不可见的界面过程转化为可量化的预测依据。