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PreSens OXY-1系统可以快速测量封闭沉积物岩心中的孔隙水氧化

发表时间:2022-07-18  |  点击率:251

  深海沉积物中氧含量从高到低和零的转变在沉积孔隙水中引发了许多重要的氧化还原反应,这引起了地球化学家的高度关注。然而,打开沉积岩芯会产生引入大气 O 2的危险,因此可能会影响孔隙水 O 2的测量。用氧敏感箔制备透明沉积岩芯可以在岩芯回收后,但在大气氧气产生影响之前,通过岩芯壁快速且不受干扰地测量沉积孔隙水的 O 2含量。

  深海沉积物含有有机碳,微生物降解有机碳会降低沉积孔隙水中的氧含量。在大多数海洋沉积物中,基本上所有的氧气都在沉积物柱的上部 20 厘米内被消耗掉。孔隙水 O 2含量的这种梯度引起了许多有趣的离子在沉积物柱的小间隔中的孔隙水中的扩散反应。然而,打开沉积岩芯进行 O 2测量会导致大气 O 2的污染,从而影响测量。在这项研究中,我们准备了一个透明的 60 cm 长的带有氧敏感箔的核心筒的内部,以测量界面和孔隙水 O 2取芯后立即在研究船甲板上取出内容物。该方法可以快速且不受干扰地测定孔隙水中的 O 2含量。

图1:MUC芯筒制备:制备带有氧敏感箔条的芯筒(A);具有 12 个内核的多核处理器,包括位置 11 (B+C) 的准备好的内核。

材料与方法

  我们从一个 12 芯承载多核 (MUC) 装置制备了一个 60 厘米长的透明芯筒,在筒的内部带有氧敏感箔 (SF-PSt3,PreSens)(图 1)。我们使用了三个 20 厘米长的箔片,并在使用前一天多用硅胶将它们粘在芯壁上,注意各个条纹覆盖每个约 2 厘米的重叠芯间隔。M151 巡航期间的两个 MUC 站与北大西洋中部的研究船 Meteor 在 1.5 和 2.7 公里的水深处成功进行,并回收了 11 和 8 厘米的沉积物。假设用于测量调整的孔隙水盐度和温度等于先前使用 CTD(电导率-温度-深度)探头测量的海底水。对于第一个沉积岩心,在沉积物芯的顶部和底部用橡胶塞盖住后,在实验室测量了两次氧气(图 2 A)。对于第二个沉积岩芯,在将多芯钻固定在甲板上之后和对准备好的岩芯进行任何操作之前立即进行测量(图 2 B+C);在从设备中取出芯筒并用橡胶塞盖住末端后,在实验室中重复测量。使用带有光纤的 OXY-1 SMA 氧气计 (PreSens) 进行测量,并使用测量带从沉积物表面测量深度。2 B+C); 在从设备中取出芯筒并用橡胶塞盖住末端后,在实验室中重复测量。使用带有光纤的 OXY-1 SMA 氧气计 (PreSens) 进行测量,并使用测量带从沉积物表面测量深度。2 B+C); 在从设备中取出芯筒并用橡胶塞盖住末端后,在实验室中重复测量。使用带有光纤的 OXY-1 SMA 氧气计 (PreSens) 进行测量,并使用测量带从沉积物表面测量深度。

图 2:孔隙水氧测量:在实验室中用深海沉积物制备沉积岩芯 - 光纤以氧敏感箔为中心,用于测量孔隙水 O 2含量 (A)。在将多核仪固定在甲板上后直接测量孔隙水氧含量 (B+C)。

结果

  在船舶实验室进行孔隙水氧测量之前,将沉积物芯 MUC1 从多芯框架中取出并用橡胶塞密封。两次重复测量相隔大约 10 分钟,显示出很好的重现性,除了 4 cm 深度的一个外围数据点。测量结果表明,沉积物底部被大气 O 2污染在从取芯器框架上取下取芯筒的过程中,在安装橡胶塞之前。因此,在取出堆芯筒并将其暴露于空气之前,直接在甲板上测量了第二个堆芯 MUC2。结果表明,使用这种方法可以防止污染。不幸的是,两个沉积物岩心都太短且氧化程度太高,无法恢复缺氧沉积物层,但氧气含量的陡峭梯度已经表明微生物消耗从底部水域扩散到沉积物中的氧气的效率。

图 3:来自两个沉积物多核的溶解氧测量值。10 分钟后重复测量核心 1(蓝色)以测试再现性。数据清楚地表明,在从多芯机架中取出芯筒时,芯 1 的底部被空气污染。在将设备固定在甲板上之后,在打开岩心筒之前立即进行岩心 2(红色)的测量。

申请评估

  准备一个带有氧敏感箔的透明芯筒,以便在任何干扰之前测量孔隙水的氧含量,结果证明工作非常好、简单、快速。因此,可以在取回沉积岩芯后立即收集有价值的信息,以计划进一步的采样、沉积物处理和运输时间。箔似乎没有受到高压和深海环境的影响,而且它似乎没有受到岩芯筒插入沉积物的影响,即它没有脱胶或断裂。

  该应用程序中最复杂的部分是将三个箔条固定在核心筒的内壁上,而不会将胶水粘在所有条带上,这可能会妨碍它们的正常运行。一个特殊设计的塑料棒可能有助于将条纹附着在光滑的表面上而不会打滑。此外,在测量过程中,将光纤指向氧敏感箔的中心很重要。用于水平固定光纤的简单小工具,例如圆形容器适配器 ARC (PreSens) 可用于更轻松的测量。或者,可以使用显微操纵器进行精确定位,但必须测试其在研究船甲板上的应用是否可行。最后,孔隙水和氧敏箔的温度是最显着的不确定性。对于这种应用来说,将氧气探头与光学温度读数相结合将是理想的,因为温度探头对于光滑的外芯筒壁的温度读数是不切实际的。假设孔隙水和氧敏感箔与芯筒具有相同的温度,光学温度读数将允许直接温度补偿,从而提高氧气读数的准确性。

  同样的方法也可以用较小的圆形氧敏感点(SP-PSt3,PreSens)代替条纹进行。优点将是成本更低和更精确的深度定位,但深度分辨率更低。此外,这种方法还使用“推芯"进行了测试——一个 20 厘米长的透明芯筒,可以直接从遥控车辆 (ROV) 推入沉积物中。不幸的是,在 M151 巡航期间,ROV 没有遇到适合推取芯的沉积物,但一般应用看起来很有希望。


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