海洋沉积物中有机质早期成岩矿化路径及其相对贡献.doc

文档介绍：第 26卷第 4期
2011年 4月

地球科学进展
ADVANCESI EARTH SCINCE

Vol26
Apr 2011
文章编号:1001166(2011)043550
海洋沉积物中有机质早期成岩矿化
路径及其相对贡献

朱茂旭,史晓宁,杨桂朋,李铁,吕仁燕
(中国海洋大学化学化工学院,海洋化学理论与技术教育部重点实验室,山东青岛 266100)
摘要:陆架边缘海沉积物是重要的生物地球化学反应器,海洋中 90%以上的有机质沉积于此并
在早期成岩作用过程中矿化。其矿化路径包括有氧呼吸、反硝化、锰氧化物还原、铁氧化物还原、
SO24- 还原和 CO2还原,并按生成自由能减少的顺序依次发生,构成理想的氧化还原序列。定量研
究有机碳矿化路径及其对有机质矿化的相对贡献对揭示能量分配和碳循环具有重要的生态学和环
境学意义,也是揭示铁、硫、磷及许多氧化还原敏感性微量组分生物地球化学循环的基础。介绍了
海洋沉积物中有机质早期成岩矿化路径的主要特点及不同路径对有机质矿化的相对贡献,重点阐
述了长期被忽略的铁锰氧化物异化还原路径的研究进展。总体而言,在远洋深海沉积物中,有氧呼
吸是有机质矿化唯一的重要路径;而近海沉积物中,铁异化还原和 SO24- 还原是最主要的厌氧矿化
路径,其中 SO24- 还原占(62±17)%。从远洋深海到近海陆架,沉积物中有氧呼吸和 SO24- 还原对
有机质矿化的相对贡献具侧向分带特征。最近的反应—传输模拟表明,在全球尺度上,有氧呼吸、
反硝化、铁异化还原以及 SO24- 还原对有机质矿化的相对贡献分别为 15%、%、%和 76%。
关键词:早期成岩作用;海洋沉积物;矿化路径;有机质
中图分类号: 文献标志码:A
1 有机质矿化的氧化还原序列
海洋沉积物特别是近海沉积物是海洋生态系统
中能量转化和碳循环的重要场所。海洋中 90% 以
上的有机质埋藏于陆架边缘海沉积物中,其中绝大
部分在早期成岩作用过程中矿化并释放营养盐。沉
积物中有机质的成岩作用经过微生物的系列分解过
程,消耗不同的电子受体(氧化剂),电子受体按自
-
3
2- [1,]
4 2

同矿化路径的相对重要性取决于底水的氧化还原条
件、沉积环境、沉积速率、沉积物组成、生物扰动强度
及水动力学条件(如再悬浮)等因素[5],使在沉积物
中可形成非渐变性小生境,导致实际情况比理想模
式复杂得多。因此,在沉积物剖面上极少形成理想
的氧化还原序列,常出现某些路径缺失,或在特定深
度多种路径共存,甚至出现氧化还原序列倒置。尽
管如此,理想的氧化还原序列仍然是研究沉积物早
期成岩作用的理论框架和探讨非稳态成岩动力学的
基本参考系。
1),在沉积物剖面上形成不同的氧化还原带
[4]
沉积物中有机质的成岩矿化是碳和营养盐循环
收稿日期:01038;修回日期:01019.
基金项目:海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室开放基金项目“受富营养化影响的沉积物中硫早期成岩循环及黄铁矿积累研
究”(编号:MASEG200811);国家自然科学基金项目“中国东海典型边缘海沉积物中硫的早期成岩循环及制约因素”(编
号:41076045)和“中国东海和黄海中生源硫的生产、分布、迁移转化与环境效应”(编号:41030858);教育部留学回国人员
科研启动基金项目“受富营养化影响的胶州湾沉积物硫酸盐还原速率(SRR)研究”资助.
作者简介:朱茂旭(1967,男,湖南常德人,教授,主要从事海洋沉积物生物地球化学及环境地球化学研究.
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8 1
由能变化从大到小依次为 O2、NO 、锰铁氧化物、
SO 和 CO
,从而构成理想的氧化还原序列(图
2
。不
2 0 2
)
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地球科学进展第 26卷
的主驱动力。不同矿化路径的相对强度不仅影响沉
积物—水界面有机碳矿化和营养盐再生,也影响 S、
Fe、Mn等氧化还原敏感元素及一些微量元素的地球
化学循环。在地质时间尺度上,有机质的成岩矿化
还控制大气中 O2的演化。自 20世纪 90年代起,沉
积物中有机质的成岩矿化路径及其相对贡献的定量
研究一直是海洋沉积物地球化学的研究热点之
一[6,7]。理论上讲,只要测出各电子受体的消耗速
率,按成岩反应计量关系就可计算出各路径对有机
质的矿化速率及相对贡献。但实际情况却复杂得
多,因为并非所有电子受体的消耗速率都能直接测

机物有足够的时间在水柱中降解,进入沉积物中的
有机质多为非活性组