上海海洋大学极端海洋团队发现深渊海底活跃的碳硅耦合循环

近日，上海海洋大学海洋科学与生态环境学院罗敏教授团队联合国内外学者在《Geology》发表题为“Rapid burial and intense degradation of organic matter drives active silicate weathering in the subsurface sediments of the ocean’s deepest realm”的研究成果，揭示了深渊海底快速有机质埋藏和降解驱动活跃硅酸盐风化的碳硅耦合循环。

深渊海沟（水深大于6000米）代表着海洋中最深且研究程度最低的区域。最近的研究表明深渊海沟是深海有机碳埋藏和微生物呼吸的热点区。这些热点区的形成被认为与俯冲带频发的地震导致的事件沉积有关。尽管我们对深渊海底有机碳有氧矿化速率有一定了解，但是关于微生物驱动的有机碳厌氧降解和甲烷循环的过程和速率还不清楚，最主要的原因是在深渊海沟中缺乏长的沉积物钻孔。同时，由于火山作用频发，深渊沉积物通常富含反应活性高的火山成因硅酸盐矿物。研究团队猜想，深渊环境快速有机碳沉积和活跃的微生物呼吸作用可能促进强烈的硅酸盐风化的发生，提出深渊海底的碳硅耦合循环概念模型（图1）。

图1. (A) 研究区和采样站位；(B) 深渊海底碳硅耦合循环概念图

研究团队首先分析了国际大洋发现计划IODP 386航次采集于日本海沟的12个站位的孔隙水地球化学数据，发现了海底硅酸盐风化发生的关键证据：异常高的总碱度（高达100 mM）、Mg离子含量随沉积深度增加而显著增加以及⁸⁷Sr/⁸⁶Sr低于海水值。利用反应-运移模型对沉积物和孔隙水进行数值模拟并外推，获得了区域上有机碳埋藏速率、有机碳降解速率、甲烷厌氧氧化速率、硅酸盐风化速率、自生碳酸盐和粘土矿物形成速率，结果表明日本海沟的有机碳埋藏和降解速率以及甲烷厌氧氧化速率与全球大陆边缘沉积物水平相当（图2），且速率高值区均与沉积物输送量大的区域以及海底峡谷连通至海沟内部的位置对应的很好，可能与地震引起的沉积物失稳造成块体滑移或者大规模的沉积物再悬浮，将浅水区沉积物向海沟凹陷区输送有关。这些相对活性有机碳的快速堆积，导致活跃的产甲烷作用，促进硅酸盐风化的发生，将产甲烷过程伴生的CO₂转化为HCO₃^-，使得产甲烷带内的孔隙水碱度迅速升高，进而有利于自生六水方解石的形成和保存。进一步研究发现，沉积物中存在硅酸盐风化驱动的隐匿Ca循环，即沉积物自生碳酸盐矿物形成所需的Ca大部分来自于钙长石风化的贡献（高达~90%），而非过去认为的主要来自于海水（图3）。而辉石、云母等富Mg矿物风化释放的Mg绝大部分又以形成自生坡缕石和蒙脱石保留在沉积物中（图3）。

 图2. 日本海沟区域上有机质硫酸盐还原、产甲烷、甲烷厌氧氧化、有机碳埋藏速率与全球其他海域比较

图3. 日本海沟区域上硅酸盐风化速率、自生碳酸盐矿物沉淀速率和自生粘土矿物形成速率

该研究发现深渊海底事件沉积引起的快速有机碳埋藏和降解、进而驱动活跃硅酸盐风化以及自生碳酸盐和粘土矿物形成的碳硅耦合循环过程，对厘清俯冲带碳收支、深化深部生物圈和深海元素循环过程的认知有重要启示意义。论文的第一兼通讯作者为罗敏教授，研究获得国家自然科学基金面上项目、上海市曙光计划项目和IODP中国办公室的资助。

论文信息：M. Luo, M. Zheng, K. Wallmann, A.W. Dale, M. Strasser, M.E. Torres, M. Koelling, N. Riedinger, C. März, T. Rasbury, R. Bao, T. Itaki, K. Ikehara, J.E. Johnson, P. Bellanova, Y. Nakamura, M. Yu, J. Xie, D. Chen; Rapid burial and intense degradation of organic matter drive active silicate weathering in the subsurface sediments of the ocean’s deepest realm. Geology 2025; doi: https://doi.org/10.1130/G53131.1

原文链接：https://pubs.geoscienceworld.org/gsa/geology/article-abstract/doi/10.1130/G53131.1/654355/Rapid-burial-and-intense-degradation-of-organic?redirectedFrom=fulltext