北极楚科奇海沉积生物硅的分布及其硅质泵过程初探

依托第3次、第4次、第5次北极科学考察在北极楚科奇海采集的表层沉积物样品,通过碱液连续提取法对生物硅含量进行分析,以探讨楚科奇海的生物硅分布及硅质泵过程。结果显示,楚科奇海表层沉积物中生物硅的含量为1.23%~10.60%。高值区位于楚科奇海陆坡处72°N附近和楚科奇海南部阿纳德尔流和西伯利亚沿岸流的交界处68°N附近,低值区位于楚科奇海东部阿拉斯加沿岸流影响区域,其生物硅含量小于3%。楚科奇海表层沉积物中生物硅的分布与上层水体的初级生产力的分布格局较一致,而影响上层水体浮游植物生产的两个重要因素分别为楚科奇海环流格局(尤其是太平洋入流水的影响)和海冰融化。生物硅和有机碳之间存在很好的正相关关系,表层沉积物中蛋白石/有机碳(Sibio/Corg)的比值为1.6~2.02,与北太平洋中该比例相当,表明上层海洋硅质泵过程对楚科奇海碳埋藏的贡献较大,使得楚科奇海成为全球海洋吸收大气CO2重要的汇之一。     

北冰洋沉积物和海水叶绿素α浓度分布的区域性特征

2003年夏季中国第二次北极科学考察期间,在北冰洋楚科奇海陆架、楚科奇海台、陆坡流区、门捷列夫海岭和加拿大海盆等不同区域进行了200 m以浅海水和部分观察站沉积物表层叶绿素a浓度的现场观测。结果表明,观测水体叶绿素α浓度变化范围为0.002～39.008 μg/dm3。表层浓度分布范围为0.037～4.644 μg/dm3,平均值为0.612 μg/dm3;高叶绿素α浓度出现在水深20～30 m的次表层水。叶绿素α浓度分布具有明显的区域性特征,水柱平均浓度的次序为楚科奇海陆架区>陆坡流区>楚科奇海台区>加拿大海盆区>门捷列夫海岭区。表层沉积物叶绿素α浓度从未能检出～3.978 μg/g(湿重),平均浓度为0.954 μg/g(湿重),表现为沉积物表层的浓度高于下层,陆架和陆坡流区的浓度高于海岭区以及海台和海盆区的分布特征。     

长江口沉积物-水界面砷的迁移转化机制与微生物调控分析

为探析长江口沉积物-水界面砷的迁移转化机制,本文分析了2019年夏季长江口4个站位上覆水和间隙水中总As浓度及形态的剖面变化特征,耦合氧化还原敏感元素(Fe、Mn和S)的剖面变化剖析了沉积物-水界面砷循环的Fe-Mn-S控制机制,同时结合砷相关功能基因探讨了沉积物-水界面砷迁移转化的微生物调控过程,估算了沉积物-水界面总As的扩散通量。结果表明,除A7-4站位外,长江口其他3个站位间隙水总As以As³⁺为主要存在形态,且总As浓度均在上覆水中为最低值(0.748~1.57 μg·L^-1),而在间隙水中随着深度增加而逐渐增加并在6~9 cm深度达到峰值(7.14~26.9 μg·L^-1)。间隙水总As及As³⁺浓度的剖面变化趋势与溶解态Fe²⁺、Mn²⁺相似,其均在中间层出现高值,说明沉积物Fe/Mn还原带砷的释放可能是随固相Fe(Ⅲ)或Mn(Ⅳ)的还原而转移到间隙水中的。氧化层和Fe/Mn还原带过渡区间隙水砷浓度与砷异化还原菌功能基因arrA和arsC丰度存在对应关系(除A1-3站外),说明砷异化还原菌将溶解As⁵⁺或固相As⁵⁺还原为溶解As³⁺可能是该过渡层砷迁移转化的另一重要过程。硫酸盐还原带的间隙水总As和As³⁺浓度降低,但由于间隙水的低S^2-浓度不利于砷硫化物生成,因此深层间隙水砷可能与铁硫矿物结合而被移除。底层环境氧化还原条件是影响沉积物-水界面砷迁移转化的重要因素,随底层水DO浓度的降低,砷迁移转化更倾向于微生物还原控制。长江口沉积物-水界面总As的扩散通量为1.18×10^-7~2.07×10^-7 μmol·cm^-2·s^-1,均表现为沉积物间隙水中总As向上覆水释放,即沉积物是研究区域水体总As的来源之一。     

江汉平原西部浅层孔隙水水文地球化学特征

为了揭示地下水由江汉平原周缘向中心径流过程中的水质演化和复杂的水文地球化学作用,以江汉平原西部地区为例,通过数理统计、水化学、同位素地球化学、离子比值关系等方法,开展了江汉平原西部边缘地带浅层孔隙地下水的水文地球化学特征研究。结果表明: 平原区孔隙水以HCO₃-Ca·Mg型为主,丘岗区(丘陵和岗地)主要是HCO₃-Ca·Mg型,少量为HCO₃·SO₄-Ca·Mg型,还出现了HCO₃·NO₃-Ca·Mg型水,总溶解固体(total dissolved solids,TDS)升高主要是由于碳酸盐岩的溶解; 浅层孔隙水均来源于大气降水,蒸发作用对该地区孔隙水的影响较小; 方解石、白云石和石膏的溶解主导研究区的水文地球化学过程,也是孔隙水中Ca²⁺、Mg²⁺的主要来源,Na⁺和K⁺的主要来源是阳离子交换吸附。     

江汉平原西部浅层孔隙水水文地球化学特征

为了揭示地下水由江汉平原周缘向中心径流过程中的水质演化和复杂的水文地球化学作用,以江汉平原西部地区为例,通过数理统计、水化学、同位素地球化学、离子比值关系等方法,开展了江汉平原西部边缘地带浅层孔隙地下水的水文地球化学特征研究。结果表明: 平原区孔隙水以HCO₃-Ca·Mg型为主,丘岗区(丘陵和岗地)主要是HCO₃-Ca·Mg型,少量为HCO₃·SO₄-Ca·Mg型,还出现了HCO₃·NO₃-Ca·Mg型水,总溶解固体(total dissolved solids,TDS)升高主要是由于碳酸盐岩的溶解; 浅层孔隙水均来源于大气降水,蒸发作用对该地区孔隙水的影响较小; 方解石、白云石和石膏的溶解主导研究区的水文地球化学过程,也是孔隙水中Ca²⁺、Mg²⁺的主要来源,Na⁺和K⁺的主要来源是阳离子交换吸附。     

绿素对西北冰洋海源有机碳埋藏的指示意义

依托于2003年第2次北极科学考察航次,对西北冰洋25个表层沉积物样品用高效液相色谱仪(HPLC)进行绿素(chlorin)分析。结果显示,绿素含量值为0.04~125.29μg/g,平均18.92μg/g,远高于世界其他海域。楚科奇海陆架区绿素含量高,表明整体具有高的生产力。高营养盐的阿纳德尔流和白令海陆架流的输入促进了浮游植物的生长,加大了海源有机碳在楚科奇海陆架区的沉积,也加大了沉积绿素的输入。加拿大海盆区绿素含量低,主要因为海盆区营养盐含量低,加上海冰覆盖(光限制),藻类生产力低;另一个因素是,海盆区水深较大,绿素在沉降过程中更容易降解,不易保存在沉积物中。通过上层水柱中叶绿素积分与表层沉积绿素的对比也可以看出,陆架区的生物量普遍高于海盆区。由于时间尺度的不同,楚科奇海上层海洋叶绿素分布(代表瞬时)和表层沉积绿绿素分布(代表几年至十几年平均)存在空间差异。而总有机碳归一化处理后的绿素与有机碳的比值,则与海源有机碳的百分含量有较好的相关性。经过归一化以后的沉积绿素与有机碳比值可以为长时间尺度下北冰洋上层海洋生态环境变化提供重要的信息。     

楚科奇海-加拿大海盆表层沉积物中的氨基酸

对2003年中国第二次北极科学考察所获得的部分表层沉积物样品进行了总水解氨基酸(THAA)、氨基糖(HA)的测定。不同区域氨基酸主要成分不同,楚科奇海站位的氨基酸主要成分为甘氨酸(Gly)、谷氨酸(Glu),位于加拿大海盆的B80、B11、P27站THAA的主要成分为丝氨酸(Ser)。沉积物的总有机碳(TOC)、总氮(TN)、THAA、HA含量等特征随区域不同有较大差别,白令海峡的BS11站TOC、HA含量最低,加拿大海盆的B80站THAA、TN含量最低。楚科奇海R03站TOC、TN为最高,THAA在R11含量达最大值,HA在楚科奇海台的P11站最高。初步讨论了楚科奇海—加拿大海盆表层沉积物中氨基酸的空间分布,根据氨基酸选择性降解和主成份分析结果引入DI”指标,并对七个站位表层沉积物有机质新鲜程度进行了比较,新鲜度由大至小顺序为C15>BS11>R11>S11>P11>R03>B80,这与表层沉积物来源、水动力条件等有关,由此推测楚科奇海陆架、白令海峡沉积物有机质较楚科奇海台、加拿大海盆较为新鲜。     

河口沉积物孔隙水营养盐分布特征及扩散通量

通过2010年夏季在李村河口潮滩区3个站位的采样分析,研究了孔隙水营养盐的分布特征,并利用Fick第一定律估算了沉积物-水界面间营养盐的扩散通量。结果表明,孔隙水营养盐在不同站位间质量浓度不同,呈现出自河口上游向下游逐渐降低的分布趋势。NH₄⁺-N质量浓度为26.21~53.10 mg/L,是孔隙水中营养盐的主要组分。沉积物中有机物的降解反应主要在还原状态下进行,营养盐质量浓度在垂向上的变化受有机质含量及沉积物氧化还原环境改变的综合影响。除NO₃^--N外其他营养盐均由沉积物向上覆水体扩散,沉积物是底层水体营养盐的重要来源。     

湿地沉积物-水界面营养盐交换的定量估算

为有效控制湖泊内源营养盐的释放,探讨了不同物理改良措施(覆沙、底质疏松)对沉积物-水界面营养盐的释放通量控制效果。利用原位孔隙水采样技术(Peeper)来获得沉积物孔隙水剖面,对改良后湿地沉积物孔隙水营养盐的垂向分布及其扩散通量进行了研究。结果发现,改良后沉积含水率、孔隙率分别提高了91%和54%。水土界面附近,随剖面深度增加,孔隙水中PO₄3-、NH₄+、NO₃-及NO₂-浓度分布符合指数关系,PO₄3-、NH₄+在8 cm左右达到最大值。种植芦苇后沉积物孔隙水中PO₄3-、NH₄+均有不同程度的下降,改良措施能有效降低表层弱结合态磷在总磷中比例但增加铁磷的比例,种植芦苇可强化这一效应。运用Fick第一定律对剖面孔隙水营养盐的扩散通量进行估算,发现沉积物经疏松后,NH₄+、PO₄3-的扩散通量由57.47~72.19μg/(m2·d)和2.55~3.21μg/(m2·d)变为-95.54~-130.94μg/(m2·d)和1.50~2.05μg/(m2·d),可考虑疏松沉积物-水界面附近沉积物来作为控制湖泊内源污染的有效手段之一。     

稀有金属矿物溶解度对花岗伟晶岩成矿作用的制约

花岗伟晶岩型矿床是稀有金属矿床重要的类型之一。在花岗伟晶岩中,稀有金属元素Li、Be、Nb和Ta主要以独立矿物的形式存在,前人对稀有金属独立矿物在硅酸盐熔体中的溶解度及其影响因素展开了系统研究。本文综合分析了已有的实验数据,其结果表明,影响稀有金属独立矿物溶解度最为重要的2个参数是温度(T)和铝饱和指数(ASI)。因此本文建立了稀有金属独立矿物,尤其是铌锰矿和钽锰矿溶解度,与温度(T)和铝饱和指数(ASI)之间的定量关系: lg [w(Li)/10^-6]=-0.37×[1 000/(T/K)]+4.56,R²=0.44 lg [w(BeO)/10^-6]=-4.21×[1 000/(T/K)]+6.86,R²=0.91 lg [K_sp(Nb)/(mg²·kg^-2)]=-(2.86±0.14)×ASI_(Mn+Li)-(4.95±0.31)×[1 000/(T/K)]+(4.20+0.28),R²=0.86 lg [K_sp(Ta)/(mg²·kg^-2)]=-(2.46±0.11)×ASI_(Mn+Li)-(4.86±0.30)×[1 000/(T/K)]+(4.00+0.30),R²=0.80 式中,温度T为热力学温度,ASI_(Mn+Li)(ASI=Al₂O₃/(CaO+Na₂O+K₂O+Li₂O+MnO),摩尔分数比)和T的适用范围分别为0.6~1.2和1 073~1 373 K的范围内。上述公式为估算硅酸盐熔体中稀有金属含量提供了便利,为量化花岗伟晶岩成矿模型提供了基础。 稀有金属独立矿物溶解度随温度降低和铝饱和指数的增加而急剧降低,因此,在岩浆演化过程中,由岩浆侵位、分离结晶以及流体作用等因素引起的岩浆温度降低和铝饱和指数的增加,是导致稀有金属独立矿物结晶的主要机制。     

A potential nitrogen sink discovered in the oxygenated Chukchi Shelf waters of the Arctic

The western Arctic Shelf has long been considered as an important sink of nitrogen because high primary productivity of the shelf water fuels active denitrification within the sediments, which has been recognized to account for all the nitrogen (N) removal of the Pacific water inflow. However, potentially high denitrifying activity was discovered within the oxygenated Chukchi Shelf water during our summer expedition. Based on ¹⁵N-isotope pairing incubations, we estimated denitrification rates ranging from 1.8 ± 0.4 to 75.9 ± 8.7 nmol N₂ L^?1 h^?1. We find that the spatial pattern of denitrifying activity follows well with primary productivity, which supplies plentiful fresh organic matter, and there was a strong correlation between integrated denitrification and integrated primary productivity. Considering the active hydrodynamics over the Chukchi Shelf during summer, resuspension of benthic sediment coupled with particle-associated bacteria induces an active denitrification process in the oxic water column. We further extrapolate to the whole Chukchi Shelf and estimate an N removal flux from this cold Arctic shelf water to be 12.2 Tg-N year^?1, which compensates for the difference between sediment cores incubation (~ 3 Tg-N year^?1) and geochemical estimation based on N deficit relative to phosphorous (~ 16 Tg-N year^?1). We infer that dynamic sediment resuspension combined with high biological productivity stimulates intensive denitrification in the water column, potentially creating a nitrogen sink over the shallow Arctic shelves that have previously been unrecognized.     

Sediments and history of the Rottnest Shelf, southwest Australia: a swell-dominated, non-tropical carbonate margin

The Rottnest Shelf is a narrow, wave-dominated open shelf on the passive continental margin of southwest Australia, adjacent to a hinterland of low relief and sluggish drainage. High physical energy, low nutrients in cool subtropical waters, and rapid postglacial transgression have limited carbonate productivity, restricted grain types, and reworked the transgressed surface to form only a thin ( < 1 m) blanket of carbonate and relict sediment, with little terrigenous influx. Subaerial weathering of the shelf during Late Pleistocene emergence was followed by postglacial drowning, erosional shoreface retreat, and generation of a transgressive lag deposit. Establishment of the warm temperate biota, dominated by bryozoans and calcareous red algae, resulted in bioerosion of the shelf disconformity surface and generation of hardground veneers and thin skeletal carbonate sheets. Linear topographic ridges of Pleistocene limestone partition the shelf into systems with varying physical energy, biota and sediment supply. The Holocene sediments are a shallowing-upward coastal sequence; wave-ripple cross-stratified grainstone (Inner Shelf); and bioturbated bryozoan grainstone to skeletal wackestone (Outer Shelf to Upper Continental Slope), characterised by seaward fining and increasing percentages of planktic carbonate sediment.

Given sufficient time, the Rottnest Shelf could recover from drowning, and form blanket-like skeletal carbonates. Thin ( < 1 m) lags overlying disconformities, which underlie shallowing-upward coastal and shelf sediments a few metres thick, will be generated by glacio-eustatic cycles of sedimentation (10⁵ y duration). Thick (several tens of metres) sediment bodies, composed of wave-rippled to bioturbated skeletal carbonate sediment with a temperate biota, will be formed during longer term (1–10 My) sedimentation cycles. Such cycles have characterised passive margins during the Cenozoic. The Rottnest Shelf thus provides a facies model for temperate shelf sedimentation along passive continental margins.     

南伊沟水体水化学及氢氧同位素特征分析

南伊沟是林芝地区重要水源涵养区,研究南伊沟水体水化学和氢氧同位素特征,揭示“三水转化”规律,对提高林芝地区水体水文地球化学研究程度,支撑当地林水关系研究,服务高原地区水生态保护具有重要意义。运用水化学和氢氧同位素分析方法,分析了地区水化学特征、水岩作用情况和水循环特征。结果表明: 南伊沟水体为极低矿化度淡水,地表水水化学类型为HCO₃-Ca·Mg型和SO₄·HCO₃-Ca·Mg型,地下水水化学类型为HCO₃-Ca·Na型; 地表水和地下水的水化学离子成分主要受岩石风化控制,离子来源主要受碳酸盐岩溶解和硅酸盐岩风化影响,地表水中Na⁺、K⁺、Cl^-主要来源于盐岩溶解,同时还受降雨影响,地表水和地下水中Ca²⁺、Mg²⁺主要来源于碳酸盐岩矿物溶解; 地下水和地表水水岩作用较弱,对比上游雅鲁藏布江和拉萨河地表水,大部分δ¹⁸O、δD值具有明显的高度效应和大陆效应; 南伊沟枯水年内强烈的不平衡蒸发作用是导致地区大气降雨线斜率和截距偏小的主要原因之一。     

天津平原区浅层地下水水化学特征及碳酸盐风化碳汇研究

大气 CO₂浓度在控制全球气候变化方面具有至关重要的作用,研究碳循环、CO₂收支平衡和精确评估是制定区域CO₂减排策略和寻找新的碳汇途径最重要的组成部分。碳酸盐风化碳汇是全球碳循环研究的一个重要方向。为此,本研究以天津平原区浅层地下水为研究对象,通过对地下水调查及水样的采集与分析,运用水化学分析方法分析了地下水水化学特征,并估算了地下水总储存量、DIC储量和碳酸盐风化碳汇量。研究结果表明:浅层地下水化学场自北部山前平原向南部冲积平原和滨海平原,呈现出自北而南和由北西向南东的水平水化学分带规律,地下水由低浓度的淡水、微咸水变为高浓度咸水,沿此方向水化学类型由HCO₃-Ca·Na·Mg→Cl·SO₄-Na→Cl·HCO₃-Na→Cl-Na型转变;淡水区、微咸水区和咸水区面积分别为733、3 034和6 564 km²。地下水水化学组分中Ca²⁺、Mg²⁺和 {\mathrm{HCO}}_3^{-}主要来源于碳酸盐的溶解作用。研究区浅层地下水总储存量为2 241 640万m³,总DIC储量为8.13×10⁶ t,总碳汇量为4.11×10⁶ t。研究区浅层地下水淡水区、微咸水区和咸水区地下水储存量分别为157 799万、6 245 936万和1 459 247万 m³,DIC浓度分别为19200、19200和19342 mg/L,DIC储量分别为0.67×10⁶、1.65×10⁶和0.58×10⁶ t,碳汇量分别为0.22×10⁶、0.90×10⁶和2.98×10⁶ t。沿地下水流向,DIC、储量和碳汇量的空间分布均呈现出由低到高的趋势。     

黑潮与毗邻陆架海域的碳交换

作为沟通陆架边缘海与开放大洋的北太平洋西边界流,黑潮对毗邻中国陆架海域碳循环有着不可忽视的影响。分析总结了黑潮与毗邻陆架海域海水中溶解有机碳(DOC)、颗粒有机碳(POC)、溶解无机碳(DIC)和颗粒无机碳(PIC)分布与交换的现有研究成果。分析表明,黑潮通过表层水涡旋、入侵以及次表层以下水体上涌等形式携碳进入毗邻陆架海域。在黑潮与毗邻陆架海域,DOC和POC的分布受生物活动、水团混合以及沉积物—水界面相互作用的共同影响,表层与陆架水中含量较高,DIC受海水碳酸盐体系平衡影响,表层含量低于底层,在陆架海域与上升流区有高值,PIC含量较低。在台湾东北海域,DOC,POC和DIC由东海陆架海域向黑潮有净输出,输出量分别为2 431×109,1 051×109和21 733×109mol C/a,PIC通过陆架源悬浮颗粒物向黑潮主流输送,通量为1 852×109mol C/a。DOC,POC和PIC由南海经吕宋海峡向黑潮有净输出,输出量分别为2 652×109,1 009×109和230×109mol C/a,但DIC由黑潮向南海有净输出,通量为13 005×109mol C/a。台湾海峡碳循环受黑潮输运的影响,但影响机制及过程至今并不清楚。因此,黑潮与毗邻陆架海域的碳交换过程研究还有若干重大科学问题亟待解决,尚需深入系统的研究。     

松辽盆地北部中二叠统碳酸盐岩元素和稳定同位素地球化学特征与古环境

松辽盆地中二叠统哲斯组发育一套暗色泥岩、灰色砂砾岩与灰岩沉积组合,灰岩中产海相腕足类和双壳类化石。由于受钻井进尺和取心资料限制,前人对盆地覆盖区晚古生代地层及其沉积环境研究较少。对采自松辽盆地杜101井、杜103井剖面哲斯组的白云质灰岩进行了系统的稳定同位素和微量元素、稀土元素分析,首次获取了盆地覆盖区中二叠统灰岩元素地球化学资料。测试结果显示碳同位素δ¹³C_PDB值一般>0(均值为1.68‰),氧同位素δ¹⁸O_PDB值全部<-15‰(均值为-19.98‰),碳、氧稳定同位素关系图解显示二者呈正相关关系,表明白云岩化作用对灰岩同位素改造作用明显。稀土元素(REE+Y)总量为56.88×10^-6~143.72×10^-6,均值为108.92×10^-6,PAAS标准化后显示具有轻稀土相对于中稀土和重稀土亏损、δEu(均值0.94,最大值1.57)负异常、δCe(均值0.87,最大值1.06)普遍负异常和相对高的Y/Ho均值(均值34.59)等特点,与正常海相具有大体相同的稀土元素配分模式;而微量元素Ba(均值281.55×10^-6)、Zn(均值71.91×10^-6)、Y(均值17.44×10^-6)、Zr(均值117.75×10^-6)和Rb(均值66.84×10^-6)等元素含量整体较高,Sr/Ba(均值2.91)、Th/U(均值2.75)、V/Cr(均值1.45)和V/(V+Ni)(均值0.66)等比值适中,指示研究区哲斯组沉积时期主体为一种频繁受陆源碎屑混染作用影响的碳酸盐台地或滨海岸环境。