深海采矿对沉积物-水界面地球化学的影响：一项实验室模拟研究

《Journal of Sea Research》：Deep-sea mining impacts on sediment-water Interface geochemistry: A laboratory simulation

　　

文辉·翁 | 胡安·杨 | 巴奥林·刘 | 韩武 | 彭张 | 水雅·张 | 春生·王 | 建新·夏

中国地质大学（北京）海南研究院，中国三亚 572000

摘要

预计深海采矿将带来严重的环境影响，主要通过悬浮沉积物羽流和沉积物再沉积实现。以往的研究主要集中在采矿扰动后沉积物羽流的物理动态以及底栖生物对环境变化的影响上。然而，沉积物-水界面（SWI）的详细地球化学响应仍知之甚少，尤其是在受控的实验室条件下。本研究通过实验室模拟，探讨了深海采矿活动后SWI关键环境参数的变化。

研究结果表明，羽流扰动显著影响了金属的行为，尤其是增加了孔隙水和上层水中的痕量金属浓度。沉积物羽流扰动还影响了上层水中的pH值、氧化还原电位、盐度、浊度、溶解氧（DO）和溶解有机碳（DOC）。此外，在扰动后的100天内，沉积物羽流扰动显著降低了孔隙水中的溶解氧含量，增加了底栖生物缺氧的风险；不过，实验结束时表层沉积物中的溶解氧水平恢复到了相对较高的水平。我们认为，大多数痕量金属和营养物质的迁移与转化主要是由于有机物的降解以及铁和锰氧化物（尤其是锰氧化物）的还原性溶解所致。斯皮尔曼相关性分析显示，上层水和孔隙水中的金属之间存在密切关联。扰动后的第270天，上层水和孔隙水中的大多数痕量金属浓度已恢复到或低于背景水平；溶解氧、浊度和DOC也呈现类似的趋势。然而，铜、铅和铬的浓度以及碱度、盐度和营养物质（如硝酸盐、铵和磷酸盐）在实验结束时仍显著高于背景水平，这表明采矿扰动对深海生态系统具有长期影响。

本研究采用了两种模型进行预测：一种基于数值扩散原理，另一种基于动态地球化学原理，用于预测深海沉积物-海水界面在短期和长期时间尺度上的溶解氧变化。模型预测结果与观测到的120天数据的相关系数分别为0.9983和0.9986。总体而言，这种耦合的方法框架为解耦复杂的SWI过程提供了一种新方法，建立了可靠的、保守的基准，可以直接用于提高未来深海采矿环境影响评估的准确性。