CN116844657B - 一种海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法，属于海洋沉积物地球化学和海洋地质研究领域，根据沉积物中各地球化学过程（有机质的降解、硝酸根还原、铁还原、锰还原、硫酸根还原、产甲烷过程、自生碳酸盐的沉淀和甲烷的厌氧氧化过程等）对沉积物碳酸盐平衡体系的影响，然后结合孔隙水pH变化，利用反应‑扩散数值模型，模拟评估沉积物中自生碳酸盐的固碳效率。本发明构建沉积物自生碳酸盐固碳效率模型以准确地评估沉积物中各地球化学过程对自生碳酸盐固碳效率的影响，对研究海洋沉积物碳循环对区域甚至全球碳循环的影响具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于海洋沉积物地球化学和海洋地质研究领域，具体涉及到一种海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法。
背景技术
沉积物碳库包括有机碳、生物碳酸盐以及自生碳酸盐，三者构成了地球表面最主要的碳汇。生物碳酸盐是底栖和浮游生物通过生物化学和物理作用直接建造钙质骨骼，如深海软泥中的钙颗粒就是由颗石藻死亡后形成。在陆架边缘海区域，由于大量陆源风化产物的输入和强烈的有机碳矿化分解作用，通常会加速自生碳酸盐的生成。自生碳酸盐作为海洋沉积物中第三碳库，在形成与埋藏过程中，一方面移除沉积物孔隙水中的DIC，同时能够释放CO2，故对海洋系统碳循环产生重要的影响。由于其在陆架边缘海的生产量只占海洋中总生产量的小部分，因此它的形成过程长期被忽略。
然而，近期的研究表明，边缘海沉积物中存在快速的自生碳酸盐矿物的形成，其在边缘海沉积物碳迁移与转化过程中的作用需重新审视。此外，尽管目前估算出的海洋沉积物中自生碳酸盐的占比很低，但是考虑自生碳酸盐中的碳来源于海洋沉积物底部的甲烷具有相对偏轻的碳同位素组成（~-60‰），故其对沉积物碳同位素组成有着不可忽视的影响。
自生碳酸盐的固碳效率与沉积物中发生的各地球化学过程密切相关。因为自生碳酸盐的沉淀与沉积物碳酸盐平衡体系密切相关，而维持碳酸盐体系平衡的二氧化碳、碳酸根和碳酸氢根由沉积物发生的各地球化学过程产生/消耗。现阶段海洋沉积物自生碳酸盐固碳效率的模型存在的主要问题是仅仅通过单一的钙离子拟合剖面来计算自生碳酸盐的生成速率，而忽略了沉积物中发生的地球化学反应对自生碳酸盐形成的影响，这导致已有模型无法准确计算沉积物中自生碳酸盐的固碳效率。
因此，构建准确的沉积物中各地球化学过程相关的自生碳酸盐固碳效率模型，不仅可以精确地评估沉积物中各地球化学过程对自生碳酸盐形成的关键因素，同时对于评估沉积物自生碳酸盐过程对区域碳循环的影响具有重要意义。
发明内容
为解决现有模型中未考虑沉积物中各地球化学过程对自生碳酸盐固碳效率影响的缺陷，本发明提出一种海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法，结合沉积物中各地球化学过程对沉积物碳酸盐平衡体系的影响，对沉积物自生碳酸盐固碳过程进行评价。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法，包括以下步骤：
步骤A、对沉积物中发生的地球化学过程进行建模分析，地球化学过程包括有机质的降解、硝酸根还原、铁还原、锰还原、硫酸根还原、产甲烷过程、自生碳酸盐的沉淀和甲烷的厌氧氧化过程；
步骤A1、基于对数正态分布的连续性海洋沉积物有机质降解模型模拟采样站点内有机质的降解过程；
对数正态分布的连续性有机质降解模型表示为：，
式中，G(t)表示有机质含量随时间的变化，G(0)表示沉积物-海水界面处有机质的含量，k表示有机质的活性，t表示时间，g(k,0)为对数正态分布：，
式中，ln μ是ln k的平均值，σ 2是ln k的方差，μ体现有机质活性的整体大小，有机质活性越高，μ值越大，σ体现有机质活性的范围。
步骤A2、基于步骤A1有机质的降解过程，模拟沉积物中有机质的有氧消耗、硝酸根还原、锰还原、铁还原、硫酸根还原和二氧化碳还原过程；
步骤B、根据A中反应产生的碳酸根、二氧化碳和碳酸氢根速率，模拟沉积物中溶解无机碳和总碱度，构建沉积物碳酸盐平衡体系，并建立沉积物孔隙水中pH值的分布模型；
（1）沉积物中溶解无机碳DIC、总碱度TA和pH值表示如下：
，
，
，
其中，括号代表各自离子的浓度。
（2）沉积物孔隙水中pH值的分布模型表示如下：
，
其中，DIC表示溶解无机碳，TA表示总碱度，和/>分别表示二氧化碳和碳酸氢根的水解动力学系数。
步骤C、根据B中得到的沉积物碳酸盐平衡体系和孔隙水pH分布，建立孔隙水中钙离子饱和度分布模型，并结合反应-扩散模型，构建沉积物自生碳酸盐固碳效率模型，定量计算沉积物自生碳酸盐固碳效率；
（1）孔隙水中钙离子饱和度分布模型表示如下：
，
式中，表示钙离子饱和度，[Ca]为钙离子浓度，[CO3 2-]为碳酸氢根浓度，K SP *为化学计量学溶解常数。
（2）沉积物中自生碳酸盐的沉淀速率R AC与钙离子的饱和度线性相关，沉积物自生碳酸盐固碳效率模型表示如下：
，
式中，k Ca为一阶动力学自生碳酸盐形成速率反应系数。
进一步的，所述步骤A2中，对沉积物中有机质的降解的还原反应表示如下：
，
式中，R Red为还原过程的反应速率，R OM为有机质降解速率，f c为还原反应对应的化学平衡系数，f O，f N，f M，f F，f s，f D分别为有机质通过氧气参与的有氧降解、硝酸根还原、锰还原、铁还原、硫酸根还原和二氧化碳还原的控制模型；
（1）当有机质通过氧气参与的有氧过程降解时，f O为1，其余控制系数的值为0，当沉积物孔隙水中氧气含量高于8%时，有机质通过有氧消耗降解，则f O表达如下：
，
式中，erfc为误差函数，[O2]为氧气浓度，C O *为氧气的阈值含量，b为控制转换的调节系数；
（2）当有机质通过硝酸根还原过程降解时，f N为1，其余控制系数的值为0，当沉积物孔隙水中氧气含量低于8%，高于5%时，有机质通过硝酸根还原过程消耗降解，则f N表达如下：
，
式中，erfc为误差函数，erf为误差余函数，[O2]为氧气浓度，C1O *和C2O *为氧气的阈值含量，分别为8%和5%，b1和b2为控制转换的调节系数；
（3）当有机质通过锰还原过程降解时，f M为1，其余控制系数的值为0，当沉积物孔隙水中氧气含量低于5%，高于3%时，有机质通过硝酸根还原过程消耗降解，则f M表达如下：
，
式中，erfc为误差函数，erf为误差余函数，[O2]为氧气浓度，C1O *和C2O *为氧气的阈值含量，分别为5%和3%，b1和b2为控制转换的调节系数；
（4）当有机质通过铁还原过程降解时，f F为1，其余控制系数的值为0，当沉积物孔隙水中氧气含量低于3%，高于2%时，有机质通过铁还原过程消耗降解，则f F表达如下：
，
式中，erfc为误差函数，erf为误差余函数，[O2]为氧气浓度，C1O *和C2O *为氧气的阈值含量，分别为3%和2%，b1和b2为控制转换的调节系数；
（5）当有机质通过硫酸根还原过程降解时，f S为1，其余控制系数的值为0，当沉积物孔隙水中氧气含量低于2%，高于0%时，有机质通过硫酸根还原过程消耗降解，则f S表达如下：
，
式中，erfc为误差函数，erf为误差余函数，[O2]为氧气浓度，C1O *和C2O *为氧气的阈值含量，分别为2%和0%，b1和b2为控制转换的调节系数。
（6）当有机质通过二氧化碳还原过程降解时，f D为1，其余控制系数的值为0，沉积物中有机质通过产甲烷过程降解主要发生在硫酸根浓度低于1mM的环境中，则f D表达如下：
，
式中，erfc为误差函数，[SO4 2−]为硫酸根浓度，C S *为硫酸根的阈值浓度，b为控制转换的调节系数。
进一步的，所述步骤C中，反应-扩散模型表示如下：
，
式中，x表示沉积物内的模拟深度，t为模拟时间，φ是沉积物的孔隙度，D i 为溶解态元素i的分子扩散系数，τ为孔隙的迂曲度，τ 2=1-ln（φ 2），v为溶解态元素的对流速率，C i为溶解态元素的浓度或者为固体物质的含量，∑R为所有与研究元素相关的反应速率。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本方案充分考虑了沉积物中发生的各地球化学过程，包括有机质通过氧气参与的有氧降解、硝酸根还原、锰还原、铁还原、硫酸根还原和二氧化碳还原等过程对沉积物自生碳酸盐沉淀的影响，克服了其他模型忽略这些过程对自生碳酸盐的影响，简单的拟合孔隙水钙离子剖面模拟自生碳酸盐形成的缺陷。本方案的实施不仅可以量化沉积物中各地球化学关系对自生碳酸盐形成速率的影响，也有助于理清影响沉积物自生碳酸盐形成的关键环境因素。本方案更加合理、准确地模拟了沉积物中自生碳酸盐的形成过程，为量化全球海洋沉积物自生碳酸盐过程对海洋生态系统的变化和全球碳循环的影响起到关键的技术支撑，同时也为同为自生碳酸盐形成还原、揭示地质时期内发生的重大地质时间提供理论依据。
附图说明
图1为本发明实施例所述自生碳酸盐固碳过程评价方法示意图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
本实施例提出一种海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法，综合考虑沉积物中发生的地球化学过程对孔隙水pH和孔隙水钙离子饱和的影响，准确模拟沉积物中自生碳酸盐的形成过程，综合评估沉积物地球化学过程对自生碳酸盐固碳效率的影响，如图1所示，包括如下步骤：
步骤A、对沉积物中发生的地球化学过程进行建模分析：
步骤A1、基于对数正态分布的连续性海洋沉积物有机质降解模型模拟采样站点内有机质的降解过程；
对数正态分布的连续性有机质降解模型中通过对数正态分布描述有机质的活性分布，结合衰退方程，对数正态分布的连续性有机质降解模型表示为：
(1)
式中，G(t)表示有机质含量随时间的变化，G(0)表示沉积物-海水界面处有机质的含量，k表示有机质的活性，t表示时间，g(k,0)为对数正态分布，如下：
(2)
式中，ln μ是ln k的平均值，σ 2是ln k的方差，μ体现出有机质活性的整体大小（即有机质活性越高，μ值越大），σ体现出有机质活性的范围，与有机质组分的多少相关。将式（2）代入到式（1）中，并对时间项进行求导，即可得到有机质的降解速率R OM。
步骤A2、基于步骤A1有机质的降解过程，模拟沉积物中有机质的有氧消耗、硝酸根还原、锰还原、铁还原、硫酸根还原和二氧化碳还原产甲烷过程；
依据电子吉布斯自由能的分布，沉积物中有机质的降解依次通过如下顺序的还原反应进行：氧气参与的有氧降解、硝酸根还原、锰还原、铁还原、硫酸根还原以及二氧化碳还原。依据A1中对数正态分布的连续性有机质降解模型，上述反应过程可表示为：
(3)
式中，R Red为还原过程的反应速率，R OM为有机质降解速率，f c为还原反应对应的化学平衡系数，f O，f N，f M，f F，f s，f D为有机质通过氧气参与的有氧降解、硝酸根还原、锰还原、铁还原、硫酸根还原和二氧化碳还原的控制模型，本方案通过误差函数建模。
当有机质通过氧气参与的有氧过程降解时，f O为1，其余控制系数的值为0。当沉积物孔隙水中氧气含量高于8%时，有机质通过有氧消耗降解，则f O表达如下：
(4)
式中，erfc为误差函数，[O2]为氧气浓度，C O *为氧气的阈值含量（~8%），b为控制转换的调节系数。
当有机质通过硝酸根还原过程降解时，f N为1，其余控制系数的值为0。当沉积物孔隙水中氧气含量低于8%，高于5%时，有机质通过硝酸根还原过程消耗降解，则f N表达如下：
(5)
式中，erfc为误差函数，erf为误差余函数，[O2]为氧气浓度，C1O *和C2O *为氧气的阈值含量，分别为8%和5%，b1和b2为控制转换的调节系数。
当有机质通过锰还原过程降解时，f M为1，其余控制系数的值为0。当沉积物孔隙水中氧气含量低于5%，高于3%时，有机质通过硝酸根还原过程消耗降解，则f M表达如下：
(6)
式中，erfc为误差函数，erf为误差余函数，[O2]为氧气浓度，C1O *和C2O *为氧气的阈值含量，分别为5%和3%，b1和b2为控制转换的调节系数。
当有机质通过铁还原过程降解时，f F为1，其余控制系数的值为0。当沉积物孔隙水中氧气含量低于3%，高于2%时，有机质通过铁还原过程消耗降解，则f F表达如下：
(7)
式中，erfc为误差函数，erf为误差余函数，[O2]为氧气浓度，C1O *和C2O *为氧气的阈值含量，分别为3%和2%，b1和b2为控制转换的调节系数。
当有机质通过硫酸根还原过程降解时，f S为1，其余控制系数的值为0。当沉积物孔隙水中氧气含量低于2%，高于0%时，有机质通过硫酸根还原过程消耗降解，则f S表达如下：
(8)
式中，erfc为误差函数，erf为误差余函数，[O2]为氧气浓度，C1O *和C2O *为氧气的阈值含量，分别为2%和0%，b1和b2为控制转换的调节系数。
当有机质通过二氧化碳还原过程降解时，f D为1，其余控制系数的值为0。沉积物中有机质通过产甲烷过程降解主要发生在硫酸根浓度低于1mM的环境中，则f D表达如下：
(9)
式中，erfc为误差函数，[SO4 2−]为硫酸根浓度，C S *为硫酸根的阈值浓度（~1mM）,b为控制转换的调节系数。
步骤B、建立沉积物碳酸盐平衡体系
步骤B1、根据A中反应产生的碳酸根、二氧化碳和碳酸氢根速率，模拟沉积物中溶解无机碳和总碱度，构建沉积物碳酸盐平衡体系；
孔隙水碳酸盐体系中有三个重要的参数：（1）溶解无机碳（DIC，式（10））,（2）总碱度（TA，式（11）），（3）pH值（式（12））。
(10)
(11)
(12)
上式中，括号代表各自离子的浓度。式中二氧化碳、碳酸根和碳酸氢根的变化根据A中建立的地球化学模型求解，依此可求解沉积物孔隙水中DIC和TA的浓度。
步骤B2、根据B1中构建的沉积物碳酸盐平衡体系，建立沉积物孔隙水中pH值的分布模型。
依据式（10）和式（11），结合碳酸盐平衡体系，求解孔隙水中pH值，表达如下：
(13)
将式（13）代入到式（12）即可求解孔隙水pH值。
其中，和/>分别表示二氧化碳和碳酸氢根的水解动力学系数。
步骤C、自生碳酸盐沉淀过程建模：建立沉积物地球化学过程的自生碳酸盐形成模型，评估沉积物各地球化学过程对自生碳酸盐形成的影响，定量计算沉积物自生碳酸盐固碳效率。
步骤C1、沉积物中自生碳酸盐的形成速率与孔隙水中钙离子的饱和度密切相关，根据B中得到的碳酸盐平衡体系和孔隙水pH分布，建立孔隙水中钙离子饱和度分布模型（Ω）；
(14)
式中，[Ca]为钙离子浓度，[CO3 2-]为碳酸氢根浓度，K SP *为化学计量学溶解常数。
沉积物中自生碳酸盐的沉淀速率（R AC）与钙离子的饱和度线性相关，沉积物自生碳酸盐固碳效率模型表示如下：
(15)
式中，k Ca为一阶动力学自生碳酸盐形成速率反应系数。
步骤C2、基于反应-扩散模型，结合上述提到的沉积物中与自生碳酸盐固碳过程相关的反应过程及其数值模型（式1--9），以及沉积物中自生碳酸盐固碳效率数值模型（式10--15），模拟多地球化学过程耦合的自生碳酸盐固碳过程，其中反应-扩散模型如下：
(16)
式中，x表示沉积物内的模拟深度（主要与研究的样品长度相关），t为模拟时间，φ是沉积物的孔隙度，D i 为溶解态元素i的分子扩散系数，τ为孔隙的迂曲度，其大小与孔隙度相关，具体计算方式如：τ 2=1-ln（φ 2），v为溶解态元素的对流速率，C i为溶解态元素的浓度或者为固体物质的含量，∑R为所有与研究元素相关的反应速率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.一种海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、对沉积物中发生的地球化学过程进行建模分析，地球化学过程包括有机质的降解、硝酸根还原、铁还原、锰还原、硫酸根还原、产甲烷过程、自生碳酸盐的沉淀和甲烷的厌氧氧化过程；
步骤A1、基于对数正态分布的连续性海洋沉积物有机质降解模型模拟采样站点内有机质的降解过程；对数正态分布的连续性有机质降解模型表示为：
式中，G(t)表示有机质含量随时间的变化，G(0)表示沉积物-海水界面处有机质的含量，k表示有机质的活性，t表示时间，g(k,0)为对数正态分布；
步骤A2、基于步骤A1有机质的降解过程，模拟沉积物中有机质的有氧消耗、硝酸根还原、锰还原、铁还原、硫酸根还原和二氧化碳还原过程，表示如下：
RRed＝fC·fO·fN·fM·fF·fS·fM·ROM
式中，RRed为还原过程的反应速率，ROM为有机质降解速率，fc为还原反应对应的化学平衡系数，fO，fN，fM，fF，fs，fD分别为有机质通过氧气参与的有氧降解、硝酸根还原、锰还原、铁还原、硫酸根还原和二氧化碳还原的控制模型；
步骤B、根据A中反应产生的碳酸根、二氧化碳和碳酸氢根速率，模拟沉积物中溶解无机碳和总碱度，构建沉积物碳酸盐平衡体系，并建立沉积物孔隙水中pH值的分布模型；
沉积物孔隙水中pH值的分布模型表示如下：
其中，DIC表示溶解无机碳，TA表示总碱度，KC1和KC2分别表示二氧化碳和碳酸氢根的水解动力学系数，H+表示氢离子浓度；
步骤C、根据B中得到的沉积物碳酸盐平衡体系和孔隙水pH分布，建立孔隙水中钙离子饱和度分布模型，并结合反应-扩散模型，构建沉积物自生碳酸盐固碳效率模型，定量计算沉积物自生碳酸盐固碳效率；
沉积物中自生碳酸盐的沉淀速率RAC与钙离子的饱和度线性相关，沉积物自生碳酸盐固碳效率模型表示如下：
RAC＝kCa·(Ω-1)
式中，kCa为一阶动力学自生碳酸盐形成速率反应系数，Ω表示钙离子饱和度。
2.根据权利要求1所述的海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法，其特征在于：所述步骤A1中，g(k,0)为对数正态分布，表示如下：
式中，lnμ是ln k的平均值，σ2是ln k的方差，μ体现有机质活性的整体大小，有机质活性越高，μ值越大，σ体现有机质活性的范围。
3.根据权利要求1所述的海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法，其特征在于：所述步骤A2中：
(1)当有机质通过氧气参与的有氧过程降解时，fO为1，其余控制系数的值为0，当沉积物孔隙水中氧气含量高于8％时，有机质通过有氧消耗降解，则fO表达如下：
式中，erfc为误差函数，[O2]为氧气浓度，CO *为氧气的阈值含量，b为控制转换的调节系数；
(2)当有机质通过硝酸根还原过程降解时，fN为1，其余控制系数的值为0，当沉积物孔隙水中氧气含量低于8％，高于5％时，有机质通过硝酸根还原过程消耗降解，则fN表达如下：
式中，erfc为误差函数，erf为误差余函数，[O2]为氧气浓度，C1O *和C2O *为氧气的阈值含量，分别为8％和5％，b1和b2为控制转换的调节系数；
(3)当有机质通过锰还原过程降解时，fM为1，其余控制系数的值为0，当沉积物孔隙水中氧气含量低于5％，高于3％时，有机质通过硝酸根还原过程消耗降解，则fM表达如下：
式中，erfc为误差函数，erf为误差余函数，[O2]为氧气浓度，C1O *和C2O *为氧气的阈值含量，分别为5％和3％，b1和b2为控制转换的调节系数；
(4)当有机质通过铁还原过程降解时，fF为1，其余控制系数的值为0，当沉积物孔隙水中氧气含量低于3％，高于2％时，有机质通过铁还原过程消耗降解，则fF表达如下：
式中，erfc为误差函数，erf为误差余函数，[O2]为氧气浓度，C1O *和C2O *为氧气的阈值含量，分别为3％和2％，b1和b2为控制转换的调节系数；
(5)当有机质通过硫酸根还原过程降解时，fS为1，其余控制系数的值为0，当沉积物孔隙水中氧气含量低于2％，高于0％时，有机质通过硫酸根还原过程消耗降解，则fS表达如下：
式中，erfc为误差函数，erf为误差余函数，[O2]为氧气浓度，C1O *和C2O *为氧气的阈值含量，分别为2％和0％，b1和b2为控制转换的调节系数；
(6)当有机质通过二氧化碳还原过程降解时，fD为1，其余控制系数的值为0，沉积物中有机质通过产甲烷过程降解主要发生在硫酸根浓度低于1mM的环境中，则fD表达如下：
式中，erfc为误差函数，[SO4 2-]为硫酸根浓度，CS *为硫酸根的阈值浓度，b为控制转换的调节系数。
4.根据权利要求1所述的海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法，其特征在于：所述步骤B中，沉积物中溶解无机碳DIC、总碱度TA和pH值表示如下：
pH＝log10([H+])
其中，括号代表各自离子的浓度。
5.根据权利要求1所述的海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法，其特征在于：所述步骤C中，孔隙水中钙离子饱和度分布模型表示如下：
式中，Ω表示钙离子饱和度，[Ca]为钙离子浓度，[CO3 2-]为碳酸氢根浓度，KSP *为化学计量学溶解常数。
6.根据权利要求1所述的海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法，其特征在于：所述步骤C中，反应-扩散模型表示如下：
式中，x表示沉积物内的模拟深度，t为模拟时间，是沉积物的孔隙度，Di为溶解态元素i的分子扩散系数，τ为孔隙的迂曲度，/>v为溶解态元素的对流速率，Ci为溶解态元素的浓度或者为固体物质的含量，∑R为所有与研究元素相关的反应速率。
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