博士生徐思南在《Chemical Geology》发表研究成果

海洋沉积物有机碳（Oganic Carbon，OC）、生物碳酸盐（Biogenic Carbonate，BC）以及自生碳酸盐（Authigenic Carbonate，AC）构成了地球表面最为重要的碳汇。自生碳酸盐广泛分布于海洋沉积物中，尤其是大陆架区域。由于自生碳酸盐的平均碳同位素值约为−20.5±3.5‰，明显比生物碳酸盐（0–1‰）更为偏负，故海洋沉积物自生碳酸盐的形成会影响整个地质历史时期的碳循环及其同位素质量平衡。

相比传统上通过实验室分析测试对沉积物生物地球化学过程的定性化描述方式，数学模型可突破时间和空间尺度上的限制，实现海洋沉积物不同碳循环途径反应速率及其通量的定量化获取，这对于深入理解环境演变与碳循环过程之间的相互关系，进而评估其全球碳循环影响与贡献，具有重要意义。目前，已有很多研究借助数学模型方法定量化评估AOM对自生碳酸盐沉淀的影响，但这些研究大多基于沉积物稳态条件的假设基础上。事实上，由于沉积环境的变化，陆架边缘海沉积物的沉降速率、有机碳输入通量等会随时间而发生变化，故非常有必要开展非稳态沉积条件下的相关研究。

本研究工作基于中德合作航次在南海北部湾采集的重力柱样品，利用已有沉积物及其孔隙水的关键地球化学数据，借助沉积物反应-运移模型，发现沉积物底部甲烷通量增大引起的非稳态条件可显著促进甲烷-硫酸盐转化带（SMTZ）中自生碳酸盐的形成，导致孔隙水中出现较高的Sr²⁺/Ca²⁺（>0.02）和Mg²⁺/Ca²⁺（>20），SMTZ中最主要的自生碳酸盐类型为高镁碳酸盐（占比~80%）（图1）。

图1. 不同沉积环境下沉积物及其孔隙水中Sr/Ca和Mg/Ca比的关系，以及在SMTZ内观测到高镁方解石

利用参数敏感性分析，发现自生碳酸盐形成对沉积物碳酸盐碳同位素产生显著影响。由于AOM过程产生较轻的碳同位素，即使沉积物中自生碳酸盐占比仅增加1%，也会导致SMTZ内总碳酸盐碳同位素的显著负偏（从−1‰到−2‰）（图2）。

图2. 非稳态条件AOM对自生碳酸盐形成的影响

另外，末次冰期后海平面上升导致北部湾发育陆-海相沉积过渡带。对这一非稳态沉积过程进行模拟，发现在陆地河流相沉积层中自生碳酸盐沉淀相对较慢，但其自生碳酸盐的占比（11%）要高于海相沉积（1%），从而导致陆相河流沉积层中碳酸盐的碳同位素变得更负（−5‰）（图3）。

图3. 陆-海相沉积过渡带非稳态沉积条件对自生碳酸盐及其碳同位素的影响

本研究建立的非稳态条件下自生碳酸盐及其碳同位素模型，考虑了缺氧沉积物中发生的主要生物地球化学过程，未来可基于全球不同环境条件下海洋沉积物相关地球化学数据整合，建立更准确的自生碳酸盐沉淀与AOM之间的关系，以更好地评估全球陆架边缘海沉积物自生碳酸盐埋藏及其碳同位素的影响。  

论文第一作者是我室博士生徐思南（现为青岛海洋地质所博士后），通讯作者是吴自军教授，合作者包括德国波罗的海海洋研究所Michael Böttcher教授、德国亥姆霍兹海洋极地研究中心柳波博士等。该研究受国家重点基础研究发展计划（2016YFA0601100）、国家自然科学基金（41976057、42276059）及德国BMBF基金项目（03F0607A）资助。