0 引言
深水沉积过程通常是指在海洋深水环境(水深>200 m或非浅海陆架区域[1])沉积物-水界面附近发育的各类沉积动力过程,其展现形式具有多样化特征。半远洋/远洋沉积为深水沉积格局提供了重要物质基础,重力流与底流造就了丰富的深水沉积侵蚀-搬运-堆积样式,极端生境(如热液、冷泉等)携带特殊物质参与深水沉积体系之中。上述各动力机制既可单独发育,亦可同地存在、多期次互相改造[2],构建起丰富的深水沉积模式。深水沉积过程本质是海洋物质运移的环节之一,其参与全球物质循环,深刻影响地球表层气候与环境演替。碳元素与含碳物质作为构建有机生命活动与适宜气候环境的核心要素,系统揭示其输运与埋藏机制具有重要意义。一方面,碳元素的迁移从本质上推动碳基生命向更高级形式演化,促进地表生命更加复杂且丰富的栖居及生活方式;另一方面,含碳物质的循环从地质时间尺度上控制着地表气候环境的改变[3]。因此,地表系统碳研究(包含地表碳元素及含碳物质的微观、中观、宏观不同尺度下的来源、迁移、循环、埋藏以及最终归宿等相关研究)已成为目前国际上地球科学研究的前沿和热点[4-5]。
“温室效应”机制研究是科学家最早关注地表碳的契机之一。在碳循环早期研究中,地球系统中与人类活动“直接”交互的圈层受到更多关注,如地表风化层、内陆水系、滨岸-浅海生物圈、大气体系等;而深海环境、远洋-深渊生物圈、地球内部深层碳库等则研究较少甚至被忽略[6]。此种研究格局导致现今海洋有机碳呈现两大研究体系并且发展不均,一是“陆地-海岸-浅水陆架有机质连续输运体系”(简称“浅水体系”),二是“陆架边缘-陆坡-深海盆地有机质连续输运体系”(简称“深水体系”)。浅水体系以河口海岸带为核心研究区,着重探析有机质向海迁移过程中的动力机制、地球化学机理以及迁移规律,构建陆地至浅水陆架的有机质输运模型,计算各类溶解有机质与颗粒有机质的输送、转化及沉积埋藏的效率与通量[7-9]。浅水体系研究程度相对较高,已具有相对完善的地质理论模式,为初步建立全球碳循环格局填补了海洋系统的空缺[10]。与之相对,深水体系以陆坡为核心研究区,着重研究有机质从陆架向深海盆地输运过程中的动力机制、地球化学机理以及埋藏规律,并特别关注深海极端生态环境对于海洋碳循环的影响。深水体系研究整体处于探索阶段,研究实例较为匮乏,未有系统性模式与框架。
有机碳深水体系与浅水体系发展不均衡的格局导致了一个科学问题的产生,即“陆源有机碳丢失”。陆地净初级生产力约为56 Pg·a-1[11],其中只有约0.45 Pg·a-1的陆源有机质(包含溶解态与颗粒态)通过内陆水系输送至近岸海域,0.10~0.35 Pg·a-1的陆源有机质输送至开阔大洋[12-13],并再次接受海洋降解与矿化。海洋自生生产力约为49 Pg·a-1[11],其中约0.3%得以保留,最终埋藏于深海沉积物中[14]。现代全球海洋有机碳埋藏通量为0.1~0.2 Pg·a-1[15],占上述全球总生产力的0.1%~0.2%,其中只有约30%为陆源有机碳[16-17],大部分陆源有机质在向海迁移过程中被消耗且降解途径不明,因此导致了“丢失”现象。海洋作为净异养系统[18],接受大量陆源有机碳,与海洋自生生产力共同维持海洋生态系统运转[19],但其沉积物最终埋藏的有机碳量远小于陆地河流、海岸侵蚀、大气等外源系统注入与海洋自生有机碳的总和,绝大部分有机质在海水中高效降解或在沉积物中再矿化,海洋有机质降解、矿化全链路过程至今仍是未解之谜[20]。事实上,上述统计数据与分析结论大多是在浅水体系研究基础上总结形成[21],但有机碳迁移并不止于浅水体系,陆坡与深海盆地亦是有机碳的重要储库,深水体系有机碳数据的匮乏与浅水体系数据充足的采样偏差现象在一定程度上间接导致了“丢失”的表象。因此,有机质输运路径、降解矿化机制的不明与深水环境有机质埋藏特征研究的匮乏共同导致了“陆源有机碳丢失”现象。
重力流、底流等典型深水动力机制是塑造陆架边缘-陆坡形态的最重要因素[22-23],也是沟通陆架与深水盆地间物质输运的桥梁,是研究深水体系的核心突破口。大西洋东北部一次超大规模海底浊流便可携带约25倍的全球河流年输沙总量迁移近800 km[24],其有机质搬运能力完全可比肩河流、风尘、冰川等传统地表宏观系统[25]。重力流与底流不仅是有机碳快速迁移的高效载体,其所对应的地质沉积物如浊积体、漂积体等沉积单元亦是有机质的优良储库[26-27],但上述深水沉积单元在有机碳输运、埋藏中的作用机制仍未明晰。除此之外,深部构造地质作用如流体渗漏对于上覆沉积有机碳的改造方式,深海生物过程中的有机质沉降与重力流、底流以及深部构造地质作用的耦合交互作用亦是认知有限。事实上,现今陆地-海洋连续体系(land-to-ocean aquatic continuum,LOAC)研究仅将传统单一的碳长程循环(即陆地至开阔大洋)细化至“1+1”格局,即两个短程循环(陆地至内陆水系与海岸至开阔大洋)[10]。这种“1+1”格局主要对应于陆地碳循环和浅水体系,并未充分考虑深水环境的碳循环过程。因此,本研究以典型深水沉积动力过程及其有机碳埋藏效应为核心内容,着重分析重力流、底流等因素对于深水有机碳埋藏(deep-sea organic carbon burial,DOCB)的制约方式,强调陆架边缘-陆坡-深海盆地有机质连续输运体系的重要性,并在此基础上初步提出“深水有机碳埋藏金字塔模型”,阐释其理论内容与地质意义,并对深海沉积有机碳领域的未来发展方向提出相关见解。
1 深水沉积过程分类及其碳埋藏效应
图1 海洋沉积有机质连续输运体系模式图(深海沉积有机质迁移埋藏由(微)生物碳泵、浊流碳泵、底流碳泵、深地碳泵四者共同主导,并与浅水体系、陆地体系耦合,形成“1+2”格局的海洋沉积有机质连续输运体系。陆地体系:土壤-内陆水系有机质连续输运体系;浅水体系:陆地-海岸-浅水陆架有机质连续输运体系;深水体系:陆架边缘-陆坡-深海盆地有机质连续输运体系。FLI:土壤至内陆水系有机碳迁移通量;FIS:内陆水系有机碳埋藏通量;FIA:内陆水系有机碳逸散通量;FIE:内陆水系至海岸有机碳迁移通量;FEC:海岸至浅水陆架有机碳迁移通量;FWS+FES:海岸有机质埋藏通量; FAW-FEA:海岸有机碳吸收通量;FCS:陆架有机质埋藏通量;FAC:陆架水体有机碳吸收通量;FCO:陆架至深海有机碳迁移通量[10]。) Fig.1 Schematic diagram of the continuous transport system of marine sedimentary organic matter (The transport and burial of deep-sea sedimentary organic matter are governed by four synergistic pumps: the biological & microbial carbon pump, turbidity current carbon pump, bottom current carbon pump, and deep stratigraphic carbon pump, coupled with shallow-water and terrestrial systems, forming a “1+2” continuum transport system. Terrestrial system: Soil-Inland water organic matter continuous transport system; Shallow-water system: Land-Coast-Shallow shelf organic matter continuous transport system; Deep-water system: Shelf edge-Slope-Deep sea basin organic matter continuous transport system. FLI: Flux from land to inland waters; FIS: Burial in inland waters; FIA: Outgassing from inland waters; FIE: Flux from inland waters to estuaries; FEC: Flux from estuaries to continental shelf waters; FWS+FES: Carbon burial in tidal wetlands and estuaries; FAW-FEA: Carbon uptake by estuarine; FCS: Burial on continental shelves; FAC: Shelf water organic carbon uptake flux; FCO: Shelf-to-Deep sea organic carbon flux[10].) |
(半)远洋沉积建立起海洋表层水体有机质与广阔沉积底质的关联,现有研究将其归纳为两类碳泵:生物碳泵(biological carbon pump,BCP)与微生物碳泵(microbial carbon pump,MCP)[29]。关于生物碳泵已有近50年的研究历史,其主要包含颗粒有机碳从表层海水向下输送的一系列生物地球化学过程,生物碳泵的沉降通量随海水深度增加急剧衰减,仅极小一部分颗粒有机碳能够抵达海底并长期封存[30]。微生物碳泵作为近年来兴起的科学领域,不依赖有机质物理沉降,主要涉及细菌、古菌、病毒等微生物对于水体溶解有机质的利用等过程,是顽固溶解性有机碳(refractory dissolved organic carbon,RDOC)的主要来源。海洋沉积物中的海源有机质成熟度较低、易被利用或降解、保存效率较低(约为0.25%~1.30%),其埋藏通量是经过较充分自然筛选、化学反应活性相对较低、保存效率较高(约为9%~17%)的陆源有机质的2倍,说明两者的输入量存在巨大差别[16]。海源与陆源有机质在海底沉积物中的分布存在显著空间异质性,在河口三角洲,陆源有机质埋藏比例可高至67%±24%,而在陆架区域只有16%±4%[16]。空间差异格局的形成也表明海底沉积动力差异可能是根本因素。海洋沉积物中有机质体系呈现出的复杂行为结果,也是“陆源有机碳丢失”谜题提出的原因之一[31]。
重力流与底流是深水体系重要的物质来源,其对有机质的“储存”是最具沉积特色的有机碳埋藏机制。深水重力流是在重力驱动下,将沉积物从陆架边缘向盆地搬运的过程及其所形成的沉积体,主要包括碎屑流、颗粒流和浊流[32]。这些类型并非完全独立的分类体系,而是随着搬运过程可相互演化的连续体系[33]。在深水有机碳实际研究中,由于重力流的动态观测极具难度,因此常采用静态视角分析其最终的埋藏效果。浊流作为重力流演化体系的最终形态,在海底峡谷及深海盆地中广泛发育,因此,学者多以浊流碳埋藏作为研究命题。事实上,现今“浊流碳埋藏”一词不仅包括狭义的以湍流为特征的浊流及其沉积体,也涵盖碎屑流、块体流、陆坡滑塌、冰川作用等以重力因素作为动力的碳埋藏过程[26]。
极高埋藏效率、超大搬运规模、超远输运距离及难以现场观测是浊流碳埋藏吸引学者的核心原因。高埋藏效率多出现在高程梯度显著的区域,例如山地岛屿环境。在太平洋西缘及大洋洲,如印度尼西亚、巴布亚新几内亚、菲律宾和新西兰等诸多岛屿每年有7 000 Tg碎屑沉积物[34]以及约占全球总量20%~40%的颗粒有机碳输入海洋[35]。上述区域多处于主动大陆边缘与板块汇聚处,受狭窄的陆架地形影响,河流往往直接与海底峡谷相连,能够以浊流形式快速将有机质输运至深海。例如,台湾岛高屏峡谷体系的有机碳埋藏效率可达70%~100%,类似机制对于深海CO2的高效封存具有重要意义[36]。大型海底滑坡是形成超大搬运规模、超远迁移距离的浊流的关键因素,滑塌块体崩解与海水混合形成浊流可以向深海输送大量有机质。如发育于北大西洋陆坡的Storegga海底滑坡面积达95 000 km2,搬运约3 000 km3沉积物至挪威盆地[37];起始于西非刚果河入海口的浊流通过刚果海底峡谷迁移超过1 130 km[38]。又如发生于2011年的Tohoku-oki大地震向日本海沟一次性输送了超过1 Tg的有机碳[39],相当于喜马拉雅侵蚀体系每年通过恒河-雅鲁藏布江水系输入孟加拉扇有机碳总量的四分之一[40],其碳泵效率远高于由(半)远洋沉积主导的正常深海有机质沉降通量(约1 g·m-2·a-1)[41]。如此庞大规模的深海碳埋藏是大气CO2地质封存研究的绝佳案例。深海锚系观测技术的快速发展,逐步突破了浊流碳埋藏难以观测的限制[42]。例如,通过南海东缘马尼拉海沟深水锚系现场观测,精确获悉了海沟底部泥沙的输运过程,厘清了浊流与非浊流机制对海沟有机碳输运的作用方式。相关研究表明,浊流主要携带岩源有机碳进入马尼拉海沟,特征为间歇性输送,与季节降水密切相关;非浊流过程主要搬运海源有机碳,特征为持续性输送,两者的沉积通量处于同一量级,但浊流的碳埋藏效率更高[43]。现场动态观测技术为揭示深水碳埋藏机制提供了关键实测数据,用以佐证计算机数值模拟、水槽实验等室内浊流机制研究。
深水底流是大尺度温盐环流控制下,由海洋底层水团运动性质主导的持续性沉积动力过程及其所形成的沉积体,通常形成漂积体-环槽系统、沉积物波等海底地貌[44]。底流对于深水碳输运具有重要作用,不仅在于其沉积体广泛分布于深海盆地,还在于底流深度参与浊流沉积的改造过程,形成复合(混合)沉积体[2,45]。然而,深水底流碳埋藏的研究程度远不及浊流。已有研究多关注其有机碳含量高低,而对底流沉积的有机碳沉积速率、埋藏效率及其控制机制知之甚少。最新研究通过汇总全球47个典型底流沉积体数据,发现其平均有机碳埋藏通量为0.09 g·cm-2·ka-1,高于周围正常远洋沉积的对应值[27]。底流沉积与全球大洋环流密切相关,这些环流建立起大气与海底之间的输送通道,深度参与海水内部碳循环,将大气与水体中多种形式的碳向深海转移,而底流沉积体正是这些碳的最终归宿之一。持续性容纳有机质的能力、较高的埋藏速率及其作为天然连续地质档案的独特价值,是底流碳埋藏吸引研究人员的核心原因。因此,明晰底流碳埋藏潜力,对于重建古气候环境、预测未来全球气候变化具有重要科学意义[46]。
(微)生物碳泵、浊流碳泵(turbidity current carbon pump)、底流碳泵(bottom current carbon pump)是深海碳库最主要的成因机制。除此之外,深地碳泵(deep stratigraphic carbon pump)将深部沉积层乃至地球内部碳向上迁移至沉积物-水界面附近,参与并改造海底碳储库。深海特殊生境孕育了独特的有机质形成区域,如甲烷水合物释放区、冷泉热液区、海底火山区。化能异养微生物利用深海流体合成或转化形成特殊有机质,构建了相对独立于传统机制的特殊有机碳埋藏体系。陆架边缘、陆坡、深海盆地等深水高压环境赋存大量天然气水合物,这些水合物对环境非常敏感,受构造活动、海平面变化影响而失稳后会释放大量甲烷逸散至海水与大气中,其本质是碳埋藏的逆过程,不利于全球温室效应的缓解及治理,造成潜在的气候隐患[47-48]。在这一过程中,渗漏流体经海底次表层硫酸盐-甲烷过渡带(sulfate-methane transition zone,SMTZ),其中的微生物可消耗部分甲烷并生成特殊有机化合物与无机碳酸盐,但这些特殊碳汇机制至今仍不清楚[49-50]。事实上,深地碳泵并非自成门户,其与浊流、底流等碳泵存在密切的交互作用(图2)。例如,在欠压实地层中,流体沿断层或其他渗漏结构向上运移形成的海底麻坑,其存在就是深地碳泵对海底塑造能力的有力证明[51]。麻坑的发育不仅受流体渗漏控制,还受到底流活动的改造,长条形、月牙形麻坑的成因即是底流对于圆形麻坑的再次塑造[52],这在一定程度上也改变了麻坑的有机质分布模式。深地碳泵具有成因机制特殊、多与其余碳泵呈现交互样式的特征,对其的相关研究对认识生命起源、探究深海碳物源机理具有重要作用。
图2 深水体系有机碳泵交互耦合模式图(蓝色方框:具有鲜明特征与独立体系的碳泵端元; 黄色方框:不同碳泵端元间的典型交互方式或地质实例。) Fig.2 Schematic of the interacting-coupled model for the deep-sea organic carbon pump (Blue boxes: Represent carbon pump end-members with distinct characteristics and independent systems. Yellow boxes: Denote typical interaction mechanisms or geological examples between different carbon pump end-members.) |
四类碳泵作为深水体系有机碳循环的核心引擎,共同构筑起深海碳循环的基本框架。本研究认为,深水碳体系应被视为一个独立的循环体系。由陆地循环与浅水、深水双循环共同构成的“1+2”格局,有助于进一步厘清地球系统中有机碳的输送方式与迁移通量,同时也突显了深水体系在全球碳循环中的重要地位(图1)。
2 深水浊流碳埋藏体系
深水浊流碳泵是地表规模最大的有机碳输运与埋藏机制,但其在碳循环中的重要性被广泛认知仅有近十年的历程。早期的碳循环研究基本忽略了深水体系,普遍假设陆地-海洋有机碳连续体系终止于大陆架,并在此基础上计算各类通量数值[19,31,53]。例如,BLAIR等[19]将陆地河流向海输送有机碳的体系划分为三种类型:第一类如亚马孙河和长江水下三角洲体系,具有较高的耗氧速率、较长的碳滞留时间及宽缓的陆架地形,导致有机质在输运过程中被高效降解,保存与埋藏效率一般或较低[8,54];第二类同样为大河体系,但是具有极高的沉积物堆积速率,如恒河-雅鲁藏布江体系,有机碳的保存与埋藏效率较高[40,55];第三类为小型山地河流体系,类似于新西兰北岛的Waipaop沉积系统,有机碳的保存与埋藏效率极高[56-57]。这种划分方案较好地阐释了浅水体系的分类模式,但是并未充分涉及深水环境。事实上,BLAIR、BURDIGE等碳循环研究先驱在早期研究中忽略深水体系的最主要原因是未找寻到有效链接浅水与深水体系的碳输运桥梁及其支撑数据,即深水浊流及对其的观测数据。传统层序地层学认为,全新世高海平面导致绝大多数海底峡谷头部与河口脱离直接连接,现今全球约9 477条大型海底峡谷中,只有约180条峡谷与河口直接相连,占比极低[58-60]。因此,过往观点普遍认为以峡谷为主要发育背景的全球深水浊流体系整体处于休眠状态[61-62]。并且,这些与河口直接连接的大型海底峡谷位置较为集中,多位于地中海周缘、东非以及中南美洲西缘,全球分布不均衡,这也导致深水浊流在世界范围内受到较少关注[58]。随着科学认知的深入与观测技术的进步,海洋学家逐渐认识到现代深水浊流仍处于高度活跃期,并开始探究各类深水浊流体系。研究表明,与河流直接相连的陆架侵蚀型峡谷并非唯一的深水浊流发育地,发育于宽缓陆架的陆坡限制型海底峡谷、深海海底滑坡、峡湾系统、冰川系统、高侵蚀型山地河流等体系的深水浊流现象不胜枚举,广布于全球不同海域[26]。因此,对深水浊流碳泵进行实例探究与系统分类变得十分必要。
深水浊流碳泵研究的兴起对于重新认识深海碳库具有重要意义。在传统陆地-海洋连续体系研究中,全球河流向海洋输送的颗粒有机碳年通量约为200 Mt,不同模型估算结果略有偏差[19,53,63-64]。但是,是否将深水浊流碳泵纳入该连续体系,会严重影响不同模型的陆源有机碳埋藏统计结果。HILTON等[64]于2020年采用统计模型揭示,现今全球陆源有机碳埋藏通量约为40~80 Mt·a-1,埋藏效率约为10%~30%,与早期BURDIGE[53]的研究结果基本一致;另一统计模型计算所得埋藏效率略高,约为20%~44%[19]。这些以浅水体系为主要数据来源的统计结果似乎预示,陆源有机碳的埋藏效果并未达到理想预期。然而,在最新研究中,纳入深水浊流碳泵的陆地-海洋连续体系呈现出不同的埋藏效果,陆源有机碳埋藏通量提升至62~90 Mt·a-1,埋藏效率可达31%~45%,其中,陆源生物有机碳的埋藏效率最高可至51%。特别是在冰期陆架广泛出露时期,陆源有机碳埋藏效率更是高达60%~80%,远超过往认知[26,65]。上述新发现让我们意识到重新评估深水浊流碳封存与埋藏潜力迫在眉睫。
深水浊流碳泵依照地质背景可初步分为两大类别:一是发育于峡谷体系的浊流碳泵;二是非峡谷体系浊流碳泵。前者可进一步细分为两种模式:第一种模式为直接供给型,即峡谷头部与供给源直接相接;另一种模式是峡谷头部与物源间存在陆架阻隔(表1)。与碳供给源直接相接的峡谷是最吸引科学家的热点研究区域,这类体系通常具有极高的埋藏通量与效率(最高可达100%),是最能体现浊流碳埋藏能力的地质过程。长期以来,河流输送的有机碳约有90%埋藏于河口三角洲与陆架,仅有10%进入深海,是海洋学家的共识[53],例如TEGLER等[66]2024年的统计结果表明,约92%的有机碳沉积于水深<1 200 m的区域。但是这种认知正在受到挑战,人们意识到深海碳库被严重低估。刚果峡谷碳泵体系是峡谷头部与供给源直接相连的典型实例,仅由一个系统输送的溶解与颗粒有机碳占全球河流总输运量的7%[67],规模全球排名第五[68],其体系末端的沉积朵体有机碳埋藏通量为0.42 Mt·a-1,相当于南大西洋3 000 m以深海域有机碳总埋藏通量的19%[69]。与此类似的直接供给型浊流碳泵还有台湾岛高屏峡谷、地中海Var峡谷等[70-71],这些新发现促使人们重新审视河流输送有机碳在陆架和深海盆地埋藏的比例。最新研究揭示了刚果峡谷、高屏峡谷等高通量、高频次浊流碳泵的形成机制,即幂式浊流(时间序列上阶段型发育的浊流)是维持体系高碳输送埋藏通量的主要原因[67,72]。持续性的潮汐背景流与间歇性浊流是刚果峡谷颗粒有机碳输运的两种方式,在一个为期三个月的现场实际监测中,浊流发生时间仅占约35%,但其有机碳输运能力比潮汐背景流高出3至6倍[67]。高屏峡谷下游的马尼拉海沟也观测到类似的浊流现象,前人将这种搬运能力强、运移速度快、发生时间短、间歇性不定期的浊流形象地称之为“野兔”[73]。在南海东部马尼拉海沟北端,单次浊流事件所埋藏的有机碳量相当于正常深海环境700年的累积量,并且后续的细粒沉积物质形成“泥帽”,可以有效封存浊流有机碳,是浊流碳埋藏的典型实例[74]。全球不同源区河流输送的有机碳种类也有所不同,发育于被动陆缘的刚果峡谷体系携带的岩源有机碳含量极低,以新鲜有机质为主;而高屏峡谷体系携带岩源有机碳或老碳占比可高达60%~70%,多由山地河流风化剥蚀形成[36]。这些浊流碳泵的有机碳新老特征或放射性特征(Δ14C)一定程度上代表着碳埋藏的实际效果。刚果峡谷体系为典型的新-老模式,即河流输送新碳,但最终被海洋埋藏的多为老碳,年轻有机质在输运过程中被大量降解,其固定的CO2被重新释放回大气与海水中,不利于短期改善温室效应;高屏峡谷体系的老-老模式,对大气CO2的封存作用也相对有限[7]。
表1 深水体系浊流碳泵分类方案Tab.1 A classification scheme for the turbidity current carbon pump in deep-water systems |
| 分类方案 | OC埋藏效率a/% | 发育频率/(次·a-1) | 全球典型实例 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 充填型浊流b | 冲刷型浊流c | |||||
| 峡谷体系 | 直接供给型 海底峡谷 | 河口相连型 | 60~100 | ≥10 | 1/(20~50) | 刚果峡谷、高屏峡谷 |
| 沿岸供给型 | ≥10 | 1/(100~1 000) | 蒙特雷峡谷、拉霍亚峡谷 | |||
| 陆架阻隔型 海底峡谷 | 跨越陆架型 | 60~90 | ≥10 | <1 | 孟加拉扇 | |
| 陆坡活跃型 | ≥1 | 1/100 | Whittard峡谷体系 | |||
| 陆坡休眠型 | 10 | 基本不发育 | 基本不发育 | 亚马孙峡谷体系 | ||
| 非峡谷体系 | 峡湾 | 80 | 100 | ≥1 | Bute峡湾 | |
| 大型海底滑坡 | 1/(2 000~30 000) | Storegga滑坡 | ||||
除与河口直接相连的类型外,以沿岸沉积体为主要物源的系统也是直接供给型浊流碳泵的重要类型,北美蒙特雷峡谷体系即为典型代表。此类峡谷头部不存在大型河流,碳源来自沿岸流或海岸沉积体。蒙特雷峡谷横跨近30 km相对平缓的陆架,陆架平均坡度小于1°,峡谷轴向平均坡度为1.7°,从峡谷头部向下至末端沉积扇形成全长超过100 km的碳输运连续体,年沉积物输送量达1~3 Mt[75-76]。和前述刚果峡谷体系不同,蒙特雷峡谷虽然头部直接连接海岸,但与河口不相接,内潮汐是其搬运有机碳的主要动力,在浊流停歇期发挥主要作用[77]。与之类似的还有北美拉霍亚峡谷。该类峡谷的冲刷型浊流(规模大、输运距离长、频率低的浊流)发育频率也远低于河口相连型峡谷,百年至千年才发生一次大型浊流,并且该类系统的有机碳埋藏效率及过程也存在诸多未知之处[26,78]。
峡谷头部与物源间存在陆架阻隔是峡谷碳泵中最为普遍的类型,其数量约占全球峡谷总量90%以上[58-59],可细分为三类:第一类,陆架相对较窄,峡谷侵蚀部分陆架,河流携带沉积物可跨陆架直接抵达峡谷;第二类,发育于宽缓陆架背景的高活跃型陆坡峡谷;第三类,发育于宽缓陆架背景的低活跃型陆坡峡谷(表1)。恒河-雅鲁藏布江体系是第一类的代表性实例。青藏高原-喜马拉雅源区与孟加拉扇-印度扇汇区构建起世界上高程落差最大的碳源-汇体系,其河流沉积物搬运规模占全球河流总输运量的约五分之一,每年可输送3.1×1011 mol非岩源有机碳至孟加拉扇,埋藏效率高达80%~90%,是全球最主要的大气碳汇机制之一[40]。在新近纪,孟加拉扇有机碳埋藏通量约占全球埋藏总量的10%~25%,从古近纪约25 Ma(0.05 Tmol·a-1)至第四纪(0.64 Tmol·a-1),其有机碳埋藏规模持续增长[79-80]。通过IODP钻探长岩心分析发现,孟加拉扇有机碳含量存在显著的周期旋回,其蕴含的100 ka偏心率周期与全球冰川储量变化一致,21 ka岁差周期与印度夏季风强度演化规律相同。类似的天文旋回在有机碳埋藏上的展现是青藏高原-喜马拉雅系统向周缘输送有机碳的普遍特征。第四纪末次冰期,孟加拉扇-印度扇有机碳埋藏通量约为0.8×1012 mol·a-1,其中海源颗粒有机碳占据41%~45%,相当于吸收了末次冰期全球CO2下降总量的5%,充分展现了其巨大的碳储能力[81]。
第二类代表性实例是北大西洋的Whittard峡谷体系。该峡谷头部与最近海岸线距离长达300 km,远离陆源物质直接供给区,且主要发育于陆坡[82]。传统观点认为,此类陆地分离型峡谷在高海平面时期处于休眠状态,但是最新的现场观测结果显示,仅1年内Whittard峡谷就可发生6次浊流事件,浊流每次持续时间约0.7~4.2 h,最大流速为1.1~5.0 m·s-1。研究发现,季节变化、风暴潮、地震、潮汐均非浊流产生的影响因素,Whittard峡谷浊流发育不需要单一或主要触发因素,而是由沉积物微扰动逐渐累积所触发的随机事件。例如,Whittard峡谷在风暴潮频发季节并不发育浊流,相反,在风浪平静的季节,浊流活动更活跃。此类碳泵研究具有普适性意义,全球至少约75%的海底峡谷为陆架阻隔型峡谷,并且至少有10%的峡谷与Whittard峡谷体系类似,陆架宽度超过100 km。将此类碳泵纳入评估体系,对于重新认识全球浊流碳埋藏潜力具有重要意义[83]。
非峡谷体系浊流碳泵的系统性探索是有机碳埋藏领域的巨大进步,其代表体系主要包括峡湾与大型海底滑坡。峡湾是冰期高纬度地区冰川作用侵蚀海岸河谷形成的纵深长且深的狭窄河口地貌,面积仅占全球河口三角洲与陆架总面积的1/40,其埋藏通量却可达17~20 Mt·a-1,汇聚了全球陆源有机碳的约17%与总有机碳的约11%,是地表重要的碳汇之一[85]。对峡湾等特殊地貌的研究,对于解译引言中提及的“陆源有机碳丢失”之谜具有一定作用。海洋沉积有机碳总量远低于河流输入与海洋生产力之和,部分原因在于过往研究只将河流三角洲及其余大型体系纳入碳循环过程,忽略了峡湾等小型系统的重要性[86]。全球典型峡湾地貌多分布于阿拉斯加、加拿大东部、斯瓦尔巴群岛、格陵兰岛及南极洲等高纬地区。较高的沉积速率、寒冷的气候与低氧环境使得峡湾成为有机碳保存的“天然冰箱”,其沉积物中平均有机碳含量高达2.6%,远高于河口三角洲0.7%的平均水平[85]。加拿大Bute峡湾体系是典型案例,其上游河流有机碳年供给量为23±13 kt,峡湾埋藏速率为12~16 kt·a-1,埋藏效率高达62%±10%。Bute峡湾体系受控于浊流分异作用,63%的陆源有机质埋藏于砂质底质中(以水道和朵体为主,约占峡湾海底面积的17%),剩余37%则埋藏于泥质沉积物中(约占峡湾海底面积的83%)[87]。峡湾体系与刚果等河口相连型峡谷体系在有机碳埋藏方面具有一些相似特征:两者均表现出较高的埋藏通量,且随着研究的深入,其估算的埋藏效率均有升高的趋势。这主要源于两方面:其一,大型浊流事件中的砂质沉积物样品极难获取,导致早期统计不完整,后续补充的样品使估算的埋藏总量得以提高。其二,研究时间尺度存在差异。同一系统中,基于月-年尺度记录与千-万年尺度记录所得的埋藏效率可能存在不同,获取更长时间序列的样品,有助于揭示有机碳埋藏中的时间效应。
海底滑坡是浊流碳泵中最难攻克的体系之一,其主要特征为体量巨大且难以预测与观测。在前述的刚果峡谷体系中,约10%~20%的刚果扇沉积物来源于海底滑坡[88]。滑坡可以发育于峡谷侧壁,通过时移地形观测技术可以统计滑塌规模。例如在刚果峡谷,一次体积为0.09 km3的单体侧壁滑坡可将0.4 km3的沉积物截留于峡谷中,其中包含5 Mt的陆源有机碳,对峡谷有机质输送产生巨大影响。事实上,峡谷滑坡对于碳埋藏的贡献可能被严重低估,在现今9 477条已发现的海底峡谷中,仅4条峡谷具备时移地形观测数据,这束缚了滑坡碳埋藏效应的研究发展[89]。大型陆坡海底滑坡规模更甚,例如前文提及的Storegga超大型海底滑坡。有研究认为海平面变化可能是海底滑坡的诱因之一,晚更新世海平面快速上升与大规模海底滑坡事件在时间上相吻合[90]。然而,TALLING等[91-92]通过对68个体积大于1 km3的大型陆坡海底滑坡分析表明,陆坡滑坡与海平面变化并不存在预想的紧密关系。POPE等[93]统计了全球大型海底滑坡发生时间的分布规律,也发现受制于实例数据不足,很难证实海平面变化对于滑坡的主控作用,该类碳泵的埋藏效率也是未解之谜。
综上所述,浊流碳泵是全球气候变暖的负反馈机制,碳泵强度的改变在地质时间尺度上制约大气CO2的水平。现今浊流碳泵研究仍以沉积物岩心、多波束海底地形、多道地震等为主要方法,仅在少数区域开展了时移地形观测,但这些方法所获数据的本质是浊流的“静态照片”,难以捕捉其动态过程与演化规律。海洋观测技术的局限在一定程度上制约了浊流碳泵研究的深入,在未来的研究中,应加强动态观测技术的推广与应用,在全球典型浊流体系内布放连续监测装置,获悉浊流的“动态规律”。此外,当前研究多聚焦于浊流碳泵体系的全局效能,对于浊流碳泵的局部细节、单元构造、更高时间与空间分辨率的认知仍有限,有待深入探析。
3 深水底流及深地作用碳埋藏体系
深水底流对于深海沉积地貌与沉积物时空分布的影响极其显著,其不仅能形成丘状漂积体、席状漂积体、侵蚀沟槽、沉积物波等标志性地貌,还能深刻影响峡谷、水道等重力流地貌的形成与演化,进而控制浊流碳泵的输运路径与浊积体的展布格局[23]。相较于重力因素主导的浊流碳泵,底流碳泵与海洋环流关系更为紧密,南海底流演化很好地揭示了这一过程。约10 Ma前,连接印度洋与南海的苏拉威西深水通道关闭,极地深层水无法进入南海,显著改变了南海洋流格局。这导致原先由深层水驱动形成的底流漂积体在10 Ma后停止加积,转为受浊流改造的沉积体。深水通道的关闭直接制约南海底流碳泵的输送与埋藏能力,改变中-晚中新世全球气候与海洋条件,并可能最终导致中-晚中新世全球气候变冷事件[95]。全球底流碳泵的埋藏通量可达118~124 Mt·a-1,在全球海洋年大气CO2吸收贡献中占比4%~5%[27],由此可知,底流碳埋藏对于区域乃至全球气候演化具有重要调控作用。
早期底流碳泵研究聚焦于简单的有机碳含量分析。STOW等[96]于20世纪80年代对北大西洋底流漂积体进行系统分析时指出,底流沉积的识别需要结合岩相特征、沉积序列和地质背景进行综合分析,在这一过程中发现底流沉积体有机碳含量普遍偏低(<1%),如邻近格陵兰岛与冰岛的Eirik、Björn、Gardar底流漂积体的有机碳含量仅为0.09%~0.72%[97]。然而,在部分硫化环境中,底流沉积体可表现出较高的有机质含量,如波罗的海底流沉积体的有机碳含量可达2%~15%,其部分沉积物因极高的海洋生产力和缺氧条件甚至呈橄榄灰-黑色[98-99]。气候变化与深层水通风条件是波罗的海底流碳埋藏的控制因素,在中世纪气候异常期与全新世极热期,水体分层加剧,垂向交换减弱,底层水持续缺氧与温暖气候条件共同促进了高有机碳含量(>10%)沉积物的保存;而在小冰期,强烈的水体交换为底层水补充氧气,有机碳含量回落至2%~4%的相对低值水平[99]。上述案例基本局限于有机碳含量分析,底流碳泵沉积速率、埋藏通量与效率、埋藏机制及其全球碳汇效应的系统研究仍处于起步阶段[27]。
底流碳泵的重要价值亟待发掘,YIN等[27]于2024年系统整理了全球典型底流沉积体的有机碳数据,发现其平均有机碳含量为0.54%,较周缘底质有机碳含量低约20%,较全球同一水深带沉积物有机碳含量低约40%。因此,仅从含量角度解析,无法展现底流沉积的真实碳储能力。但是,从通量角度分析,全球约85%的底流沉积体的有机碳埋藏通量相较于其周缘区域(半径100 km以内)高19~24倍,较全球同一水深带平均水平高出约5倍[27]。由上述分析可知,较高的沉积速率是底流实现高效碳埋藏的主控因素,展现出与浊流碳泵相似的特征,这表明沉积物的沉积速率是制约深海碳库的核心因素之一。已有研究指出,陆源沉积物供给与底流流速是底流沉积速率的两大控制因素[100]。虽然陆源物质供给受控于海平面变化,但统计数据表明,过去50 Ma以来,底流沉积速率与海平面变化不存在显著耦合关系,因此,底流流速才是其沉积速率变化的主控因素[27]。由于底流是洋流的重要组成部分,这说明全球海洋环流模式的改变或强度变化会直接影响大气CO2的封存进程。目前,围绕底流沉积体碳埋藏机制及演化的典型实例仍相对缺乏,在后续研究中,需要针对不同底流沉积体的碳埋藏差异进行刻画,系统梳理出底流碳泵分类模式。
深地碳泵是一类特殊的碳汇机制,其代表深部地质过程对于沉积碳埋藏的贡献作用。烃类物质向上迁移是深地碳泵的核心动力,诸如甲烷气体渗漏、石油渗漏等过程,这些过程可为渗漏区域提供约五分之一的有机碳物源[49,101]。生存于沉积物中的甲烷厌氧氧化古菌(anaerobic methanotrophic archaea,ANME)与硫酸盐还原菌(sulfur-oxidizing bacteria,SRB)是将甲烷等深部运移物质转化为浅表有机质的核心媒介之一。在这一过程中,深部化石碳的信号会被继承至新合成的有机质中,因此,可以通过同位素手段示踪有机碳源。深部甲烷流体的δ13C约为-70‰,经微生物吸收转化后,甲烷衍生有机质的δ13C可负偏至-120‰[101],这导致甲烷渗漏区域沉积有机碳稳定同位素数值均偏负,同时,Δ14C信号也呈现出化石碳的特征。例如,南海F冷泉沉积物有机质的δ13C为-28.3‰,低于背景值-23.8‰,Δ14C为-592.4‰,同样远低于背景值-490.6‰[49],表明深地碳泵是该区域重要的碳汇机制。深地碳泵与海水中(微)生物碳泵的最大区别在于前者合成有机碳无需氧气介导,这对于地质历史上海洋缺氧时期的有机碳埋藏机制的研究具有重要意义。深地碳泵的另一大特征为无光环境驱动有机质合成(dark carbon fixation,DCF)。DCF固碳规模与传统海洋沉积物有机碳埋藏通量相当,可达370 Tg·a-1,其中约22%发生在陆坡、深海盆地等深水环境[102]。在深水环境中,化能自养微生物可以利用甲烷厌氧氧化(anaerobic oxidation of methane, AOM)过程中产生的硫化物,在SMTZ带重新合成有机质,形成AOM-DCF耦合机制,进而为有机碳埋藏提供物质来源[103]。
4 深水有机碳埋藏金字塔模型
海洋深水有机碳埋藏是多种因素共同作用的复杂结果,各个因素的作用周期、频率、强度以及效果不尽相同,并且各因素在不同时空尺度上累积、互斥或叠加,共同塑造了当前的沉积有机碳分布格局。尽管关于海洋有机碳埋藏的机理及实例研究已有长足发展,但是前沿认知仍在持续更新,主要原因在于有机碳研究与新分析视角及仪器技术发展紧密相关,每一种新分析视角的引入,都会涌现出相应的有机碳新作用机制与影响因素。由于研究视角愈加多元化,现今海洋沉积有机碳正处于重大研究范式革命阶段,即由“有机碳固有化学反应性”主导埋藏,转向关注“沉积生态环境”对埋藏结果的综合影响[14]。这意味着单一的化学手段已不能阐明复杂真实的海底碳埋藏过程,需要综合地质、生物与物理方法探讨有机碳埋藏。一些早期研究已经暗含此类综合思维,例如有研究指出有机碳在10-3~107 年的不同时间尺度上,依次经历由分子特异性主导的选择性保存、非生物地质聚合作用以及物理保护机制,并且这些机制在地质历史中存在并动态变化,其贡献比例随时间尺度不同而有所差异[53,104]。早期有机碳埋藏控制因素的整合性研究或提出的模型具有如下局限性:一是仅涵盖部分埋藏机制;二是不区分浅水或深水体系,仅作为理想条件下的通用解释模型提出。深水体系远离陆地环境,与浅水体系差异巨大。因此,本研究初步构建了适用于深水环境的沉积有机碳埋藏控制因素概念模型,并整合各制约因素的贡献程度,最终以金字塔形式展现(图3)。
图3 深水沉积有机碳埋藏金字塔模型(本模型依据时间尺度、解译视角等方面将深水有机碳埋藏制约因素分属为两大类:宏尺度主要从地质-古海洋视角探讨碳源制约因素,微尺度主要从生物-化学视角探讨碳消耗、保存的制约因素,并依据各制约因素的相对重要性进行层级排序。) Fig.3 The pyramid model of organic carbon burial in deep-water sediments (This model classifies the constraints on deep-water organic carbon burial into two categories based on temporal scale and interpretive perspective: the macro-scale, which examines source constraints from a geological & paleoceanographic viewpoint, and the micro-scale, which focuses on consumption and preservation constraints from a biological & chemical viewpoint. These constraints are hierarchically ranked based on their relative importance.) |
为构建并理解深水有机碳埋藏控制因素的概念模型及其层级关系,需要回溯有机碳迁移与埋藏的本质过程。前文所述深水体系中的四类碳泵较为全面地揭示了深海沉积有机碳的迁移演化过程,因此在一定程度上,四类碳泵的控制因素与导致有机碳埋藏结果的控制因素具有密切的内在联系,为模型构建提供了基础要素。现有区域性深海沉积有机碳研究多聚焦于一至两类碳泵或其核心控制因素。例如,刚果峡谷中冲刷型浊流可以高效迁移并埋藏有机碳,其与陆地洪水和季节性短期气候因素相关[94];又如,北美西海岸峡谷流体渗漏区域沉积有机碳含量制约甲烷向溶解有机质的生物转化过程,这与微生物因素密切相关[105]。在机理层面,研究则更多关注新发现或关键控制因素。例如,溶解有机质可以通过矿物吸附与地质聚合作用形成沉积有机碳,弥补了传统计算中仅考虑颗粒有机碳埋藏统计的偏差,该过程与矿物因素密切相关[106];又如铁结合态颗粒有机碳的保存机制,主要与海洋理化条件密切相关[107]。然而,这些控制因素仍相对零散,需要一条完整且符合自然规律的逻辑链将各因素串联起来。因此,本研究以“碳物源-碳迁移-碳沉积消耗”作为逻辑链构建概念模型。在此逻辑框架下,时间尺度直接制约各因素在模型中的作用与贡献程度,反映在深海中即是有机碳的沉积旋回性。沉积物作为有机碳的最终载体,其地层旋回嵌套与有机碳埋藏旋回通常具有吻合性,不同时间尺度的旋回分析有助于更好地剥离并厘清各控制因素间的相对关系。但是旋回性的应用需要格外谨慎,有机碳作为地层中最活跃的组分之一,其与生物、化学作用的密切程度远超构成地层旋回主体的无机矿物,因此,具有良好旋回性的地层存在不呈现有机碳埋藏旋回或两者关联较弱的可能。如微生物甲烷生成[108]以及生物扰动作用[109-110]均可显著影响有机碳分布,而这些影响在深海中是相当普遍的。
有机碳源是构建模型的起始,所有复杂的迁移及转化机制均受限于碳供给,深水环境以海洋自生有机碳为主,平均占比>60%,陆地仅提供少量有机碳。在中国南海北部,海源有机碳占比63%±9%,在吕宋半岛近海占比78%±14%[17],在渤海占比66.5%,在黄海占比68.8%,在东海占比70.6%[8]。在大西洋,受亚马孙体系影响的开阔大洋,海源有机碳占比86%[54]。而在一些特殊深海海域,其他物源有机碳比例升高,如台西南海域以岩源有机碳为主,占比57%±10%[17],但此种情况仅出现在少数海域。海源有机碳的生产效率受限于生物碳泵与微生物碳泵,而这两类碳泵的效率由气候、温度、营养盐等条件限制,并由气候主导[4,111-112];事实上,占深海沉积有机碳少数比例的陆地有机质生产效率也由气候等因素主控[113-114],并由有机质连续输运体系传导至深海[19-20]。气候是太阳辐射、温度、海平面的综合体现,并从根本上限制了光合作用与初级生产力,作用于有机碳合成过程,最终传导至深海埋藏。通过对有机碳长时间序列的分析,我们可以观察到宏观尺度气候变化是调控深海有机碳埋藏的首要因素。近150 ka以来,全球范围内海洋有机碳埋藏通量与冰期旋回具有显著同相位变化,冰盛期有机碳埋藏通量高出间冰期50%,埋藏了数量可观的有机碳,并进一步对气候产生正反馈效应[65]。冲绳海槽近200 ka沉积记录完整揭示了MIS2、MIS4、MIS6寒冷气候时期与有机碳埋藏通量的同步变化[115]。更长时间尺度的地质记录进一步证实了这种关联,新近纪约23~3 Ma时间范围内有机碳埋藏通量与大气CO2重建含量吻合,表明温室地球或冰室地球与碳循环具有内在关联[3]。因此,本研究将天文周期控制的气候旋回作为宏尺度深海有机碳埋藏的首要因素,也是最大尺度的旋回因素。天文旋回或轨道旋回在沉积有机碳中表现为有机碳含量或属性的周期性变化。南海近2.5 Ma的地层研究中识别出170 ka的有机碳含量周期,单周期对应地层厚度约12 m[116]。相似的170 ka周期或更长周期同样在陆地有机碳中被发现,如内陆盆地与湖泊[117-118],这些发现进一步佐证气候旋回对于陆地和海洋有机碳合成的共同限制。有机碳同位素信号(δ13C)也表现出强周期性,在5~1.6 Ma全球海洋沉积中,有机碳同位素信号具有普遍性的400 ka周期[119]。同位素信号表征碳源类别,表明气候旋回不但控制有机碳总量变化,而且制约有机碳合成途径。现今表层沉积物由于时间尺度较短,更聚焦于短期气候波动与有机碳的耦合方式。代表性机制如海因里希事件改变生物碳泵效率,导致海洋表层有机碳输出量减少16%,其影响传导至深海,导致埋藏量下降[120];而在特殊海域会导致碳泵效率提升,如菲律宾西北部[121]。天文旋回与短期气候波动以制约有机碳源的方式在深海有机碳埋藏中发挥首要作用,并为地质历史时期全球深海有机碳通量剖面奠定基本样式。
有机碳迁移机制将陆地或海洋合成有机质在深海中重新分布,深水体系四类碳泵作为迁移的核心动力机制,其分布受到深海地形地貌限制。(微)生物碳泵有机质合成及输送效率与海洋环流及营养盐供给密切相关[122],深海地形作用于洋流分布,而陆海距离与洋流又共同作用于营养盐输入,进而与地形存在耦合关系,因此,深海地形可以作为生物碳泵强度研究的切入点。地质历史时期大陆构型的变化改变陆海格局,制约全球洋流模式与上升流分布。现代南北向为主的海岸线分布相较于中生代特提斯洋东西向为主的海岸线分布,其全球上升流通量变化高达5倍,进而影响水体生物地球化学过程与生物碳泵效率,相关地质记录保留在165 Ma以来海洋沉积物的碳氮同位素中[123]。对于现代海洋,有机质通过重力因素沉降是生物碳泵中最经典的模式。但最新研究表明,物理驱动泵群(即混合层泵、涡旋俯冲泵与大尺度俯冲泵)、动物驱动泵群与重力泵共同驱动现代生物碳泵运转,其中物理驱动泵群对有机碳向下输送的贡献巨大,其与深海地形及洋流运动密切相关,非重力因素碳泵可占生物碳泵总输出量的40%~60%[124-125]。相较于深海地形地貌对(微)生物碳泵的间接影响,深海地形地貌直接塑造了浊流碳泵与底流碳泵的发育位置。全球深水浊流碳泵基本发育于陆坡环境,形成以海底峡谷为主体的有机碳迁移系统,而深水底流碳泵基本沿地形等深分布。浊流碳泵效率及强度与迁移路径及地形的耦合关系极其复杂,通过对全世界典型浊流体系的陆海迁移距离及物质供给量的统计研究,发现其规律性仍不明晰。在迁移距离或陆架宽度近似为0的情况下,如刚果峡谷、高屏峡谷、Var峡谷、蒙特雷峡谷等体系,浊流碳泵物质的供给规模可跨越2个量级,但有机碳埋藏效率普遍处于高值水平;在迁移距离更长的情况下,浊流碳泵物质供给规模差异性更大,横跨4个量级,如恒河-雅鲁藏布江、亚马孙峡谷、Eel峡谷、Whittard峡谷等体系,且埋藏效率规律性更弱,埋藏效率受本文金字塔模型中的微尺度因素影响更大[26]。底流碳泵强度展现出更为复杂的样式,通过对全世界典型漂积体分布深度与其表层有机碳埋藏通量分析发现,水深<2 000 m的底流沉积体有机碳埋藏通量波动较大(4.5×10-3~5.7×10-1 g·cm-2·a-1),>2 000 m水深的底流沉积物有机碳埋藏通量则分布集中(6.9×10-4~2.1×10-1 g·cm-2·a-1),具有随地形深度增大通量减小的微弱趋势[27]。整合海底剪切应力、沉积物供给速率与实测底流数据可以预测全球底流沉积分布。模拟结果表明,底流沉积区约占全球海底面积的12%,主要发育于受边界流影响的大陆坡(如北大西洋边界流、南极绕极流)、地形障碍区(海山、台地等)以及受斜压涡流控制的深海平原,而约占全球海底面积1%的底流侵蚀区则分布于地形狭窄处与强边界流大陆坡,可以看到地形对于底流沉积与侵蚀具有决定性作用,进而控制底流碳泵效能[126]。深海地形限制迁移路径,并进一步制约海域的具体沉积碳泵类型,这两个层级控制因素在全球气候旋回的基础上,对各海域有机碳剖面作细节雕刻,因此,本研究将其作为宏尺度的次要控制因素。
深水体系四类碳泵将有机质输送至海底表层后,复杂的降解转化过程旋即开始。有机碳相对于地层主体组分无机矿物具有更复杂的生物地球化学行为,虽然无机矿物也存在海底风化、蚀变、生物利用等转化机制[127-129],但是其变化速率、化学复杂程度及生物作用的耦合性远不及沉积有机碳。因此,本研究意识到需要从宏观尺度中剥离出这些降解转化因素并独立考量。宏尺度金字塔模型从地质角度解译埋藏控制因素,侧重于碳源供给,并为微尺度金字塔模型中的各级因素提供实际环境条件,即宏尺度的碳源变化、迁移路径与沉积方式共同制约微尺度生物化学视角各因素。BERNER[130]指出沉积速率是有机碳埋藏效率的一阶控制因素, 而这一结论缺乏足够的解释深度。后续研究发现,沉积速率实际通过控制氧气暴露时间(oxygen exposure times, OET)来影响埋藏,而氧气暴露时间是控制海底有机碳埋藏的普适性主导因素[53,131]。氧气作为有机质氧化最佳电子受体,其存在可以增强有机质的反应活性[132]。然而,低氧条件可能并非有机碳埋藏的控制因素。最新研究发现,大陆边缘95%的有机碳沉降在氧浓度>50 μmol/L的非低氧区域,且底层水氧浓度不主导有机碳埋藏[66],这对于重新认知深海底层水中氧与有机质的关系具有重要意义。因此,本模型将以氧化水平为核心的海洋理化条件作为微尺度首要控制因素。有机碳的矿物保护作用、(微)生物交互及有机碳分子多样性是更为微观的三大影响机制。占据深海沉积物质量99%的无机矿物深刻影响有机碳的保存方式,生物扰动与微生物转化利用改变有机碳含量与类型,有机碳分子多样性则从分子自身结构特性决定埋藏效率,即选择性保存。在千年及更长时间尺度上,矿物结合是海洋有机碳保存的最重要方式,高活化能有机碳通过配体交换与螯合作用与矿物紧密结合,用以抵抗降解[133],其对地质历史时期大气氧气积累及历次大氧化事件具有重要驱动作用[134]。细粒黏土是深海沉积物最重要的粒级组分,纳米探针分析表明有机质与黏土矿物具有两类结合方式:一是表面覆盖型,有机质在黏土矿物表面呈离散斑状分布,常与富铁矿物密切共生;二是孔隙封闭型,有机质孤立存在于黏土矿物集聚体的孔隙中。其中铁元素是有机质选择具体结合方式的关键因素。在有机质迁移过程中,表面覆盖型有机质因与铁形成键合而更具化学稳定性,更易保存并通过碳泵体系输送至深海环境[135]。底栖生物扰动可以改变表层沉积有机碳的垂向分布与降解速率[110],如构筑栖息洞穴、形成移动路径、产生排泄物等各种方式。生物扰动系数与底栖生物密度和底质情况密切相关,表层有机碳通过生物扰动作用以0.09~1.14 mmol·cm-2·a-1的输送通量向深层沉积物传递[109]。传统研究仅聚焦生物垂向扰动作用,而生物水平扰动同样深刻影响深海碳循环过程,沉积物粒度、地形与洋流、硅酸盐含量是控制生物水平扰动的关键因素[136]。可以看到,深海环境中的无机组分对生物具有重要调控作用,在微尺度模型中占据更高层级位置。微生物类别与功能多样性决定其对有机碳的利用与转化能力。随着高通量测序及相关新技术快速发展,在深海沉积物中发现了大量细菌、古菌以及真菌类群,此外,病毒也以裂解微生物细胞的方式促进有机碳循环[137]。深海环境组学从深海沉积物中提取DNA、RNA、小分子代谢产物、蛋白质等,获悉微生物作用与能力,但现今只有少数DNA序列被明确其实际功能,亟待深入研究[14]。有机碳分子多样性取决于碳泵迁移路径、氧化降解过程及生物利用转化等机制,并在过程中产生选择性保存,受模型宏、微尺度其余因素共同制约。分子特异性或选择性保存的典型实例是陆源有机质在由陆向海长距离搬运过程中的降解差异,木质素是其中降解抗性最强的有机碳分子之一,也是示踪深海沉积物陆源信号的常用指标。研究表明,缺氧环境中木质素的降解速率是氧化环境中的3%~30%。然而,相较于缺氧环境,木质素在亚氧环境具有最高的保存效率,展现出陆源有机质复杂的分子属性[138]。
本研究提出的深水体系有机碳埋藏金字塔模型是对埋藏控制因素的综合性探索,旨在呼吁本领域研究人员以更加全面、系统的思维分析有机碳在深海沉积物中的归宿,并深入探析各影响因素之间的相互关系。若仅从单一或少数因素、单一视角出发研究深海沉积有机碳,可能会产生先入为主的主观性认知偏差,海洋有机碳的天然学科交叉特性预示了研究中整体性思维的必要性与重要性。
5 总结与展望
本文系统梳理了陆架边缘-陆坡-深海盆地有机质连续输运体系(即深水体系)中(微)生物碳泵、浊流碳泵、底流碳泵与深地碳泵四类碳泵的分布特征、有机质输运方式、埋藏通量与效率以及埋藏机制。研究表明,四泵体系是深水有机碳埋藏格局的决定性控制因素。在此基础上,本文系统总结了深水体系浊流碳泵分类方案,展示了底流碳泵的碳封存潜力,并提出深地碳泵的独特性。峡谷体系与非峡谷体系是浊流碳泵的两种类型,各子类型都具有独特的有机质输运方式,但对部分类型(如沿岸供给型、陆坡活跃型以及海底滑坡)的认知极不充分,亟待后续深入研究。最后,本研究拆解、梳理了深水体系有机碳埋藏的控制因素,并分析了各制约因素间的层级结构,初步构建了深水体系有机碳埋藏金字塔模型。
深水有机碳是全球有机碳循环不可或缺的一环,在未来研究中,可以从两方面入手推动该领域进展。一是发展新观测分析技术和深海原位监测装置。纳米级显微观测技术、微生物互作与基因组学、高分辨质谱与代谢组学等新技术发展或迁移应用在一定程度上可直接开拓深海沉积有机碳新领域,揭示新的有机碳转化或埋藏机制,从不同视角解译原有技术无法触及的理论盲区。推动深海原位监测装置普及化,并在此基础上构建全球或区域深海观测组网,实现深水体系碳过程的连续性、自动化监测,将为优化现有海洋碳循环模型提供关键数据支撑。二是构建地质-生物-化学跨学科的整体性分析模式。本研究提出的金字塔模型作为初步尝试,呼吁在未来的区域或全球有机碳研究模型中,纳入更全面、综合的影响因素,这对于深入理解全球碳循环与气候变化具有重要意义。最后,本文呼吁依托国际合作与国家级科学战略支持,尽早部署开展全球或区域深海碳储量重新核算计划,为构建数字宜居地球提供核心科学数据保障。