深海沉積物中氧含量從高到低和零的轉(zhuǎn)變?cè)诔练e孔隙水中引發(fā)了許多重要的氧化還原反應(yīng)，這引起了地球化學(xué)家的高度關(guān)注。然而，打開(kāi)沉積巖芯會(huì)產(chǎn)生引入大氣 O 2的危險(xiǎn)，因此可能會(huì)影響孔隙水 O 2的測(cè)量。用氧敏感箔制備透明沉積巖芯可以在巖芯回收后，但在大氣氧氣產(chǎn)生影響之前，通過(guò)巖芯壁快速且不受干擾地測(cè)量沉積孔隙水的 O 2含量。

  深海沉積物含有有機(jī)碳，微生物降解有機(jī)碳會(huì)降低沉積孔隙水中的氧含量。在大多數(shù)海洋沉積物中，基本上所有的氧氣都在沉積物柱的上部 20 厘米內(nèi)被消耗掉。孔隙水 O 2含量的這種梯度引起了許多有趣的離子在沉積物柱的小間隔中的孔隙水中的擴(kuò)散反應(yīng)。然而，打開(kāi)沉積巖芯進(jìn)行 O 2測(cè)量會(huì)導(dǎo)致大氣 O 2的污染，從而影響測(cè)量。在這項(xiàng)研究中，我們準(zhǔn)備了一個(gè)透明的 60 cm 長(zhǎng)的帶有氧敏感箔的核心筒的內(nèi)部，以測(cè)量界面和孔隙水 O 2取芯后立即在研究船甲板上取出內(nèi)容物。該方法可以快速且不受干擾地測(cè)定孔隙水中的 O 2含量。

圖1：MUC芯筒制備：制備帶有氧敏感箔條的芯筒（A）；具有 12 個(gè)內(nèi)核的多核處理器，包括位置 11 (B+C) 的準(zhǔn)備好的內(nèi)核。

材料與方法

  我們從一個(gè) 12 芯承載多核 (MUC) 裝置制備了一個(gè) 60 厘米長(zhǎng)的透明芯筒，在筒的內(nèi)部帶有氧敏感箔 (SF-PSt3，PreSens)（圖 1）。我們使用了三個(gè) 20 厘米長(zhǎng)的箔片，并在使用前一天多用硅膠將它們粘在芯壁上，注意各個(gè)條紋覆蓋每個(gè)約 2 厘米的重疊芯間隔。M151 巡航期間的兩個(gè) MUC 站與北大西洋中部的研究船 Meteor 在 1.5 和 2.7 公里的水深處成功進(jìn)行，并回收了 11 和 8 厘米的沉積物。假設(shè)用于測(cè)量調(diào)整的孔隙水鹽度和溫度等于先前使用 CTD（電導(dǎo)率-溫度-深度）探頭測(cè)量的海底水。對(duì)于第一個(gè)沉積巖心，在沉積物芯的頂部和底部用橡膠塞蓋住后，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量了兩次氧氣（圖 2 A）。對(duì)于第二個(gè)沉積巖芯，在將多芯鉆固定在甲板上之后和對(duì)準(zhǔn)備好的巖芯進(jìn)行任何操作之前立即進(jìn)行測(cè)量（圖 2 B+C）；在從設(shè)備中取出芯筒并用橡膠塞蓋住末端后，在實(shí)驗(yàn)室中重復(fù)測(cè)量。使用帶有光纖的 OXY-1 SMA 氧氣計(jì) (PreSens) 進(jìn)行測(cè)量，并使用測(cè)量帶從沉積物表面測(cè)量深度。2 B+C); 在從設(shè)備中取出芯筒并用橡膠塞蓋住末端后，在實(shí)驗(yàn)室中重復(fù)測(cè)量。使用帶有光纖的 OXY-1 SMA 氧氣計(jì) (PreSens) 進(jìn)行測(cè)量，并使用測(cè)量帶從沉積物表面測(cè)量深度。2 B+C); 在從設(shè)備中取出芯筒并用橡膠塞蓋住末端后，在實(shí)驗(yàn)室中重復(fù)測(cè)量。使用帶有光纖的 OXY-1 SMA 氧氣計(jì) (PreSens) 進(jìn)行測(cè)量，并使用測(cè)量帶從沉積物表面測(cè)量深度。

圖 2：孔隙水氧測(cè)量：在實(shí)驗(yàn)室中用深海沉積物制備沉積巖芯 - 光纖以氧敏感箔為中心，用于測(cè)量孔隙水 O 2含量 (A)。在將多核儀固定在甲板上后直接測(cè)量孔隙水氧含量 (B+C)。

結(jié)果

  在船舶實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行孔隙水氧測(cè)量之前，將沉積物芯 MUC1 從多芯框架中取出并用橡膠塞密封。兩次重復(fù)測(cè)量相隔大約 10 分鐘，顯示出很好的重現(xiàn)性，除了 4 cm 深度的一個(gè)外圍數(shù)據(jù)點(diǎn)。測(cè)量結(jié)果表明，沉積物底部被大氣 O 2污染在從取芯器框架上取下取芯筒的過(guò)程中，在安裝橡膠塞之前。因此，在取出堆芯筒并將其暴露于空氣之前，直接在甲板上測(cè)量了第二個(gè)堆芯 MUC2。結(jié)果表明，使用這種方法可以防止污染。不幸的是，兩個(gè)沉積物巖心都太短且氧化程度太高，無(wú)法恢復(fù)缺氧沉積物層，但氧氣含量的陡峭梯度已經(jīng)表明微生物消耗從底部水域擴(kuò)散到沉積物中的氧氣的效率。

圖 3：來(lái)自兩個(gè)沉積物多核的溶解氧測(cè)量值。10 分鐘后重復(fù)測(cè)量核心 1（藍(lán)色）以測(cè)試再現(xiàn)性。數(shù)據(jù)清楚地表明，在從多芯機(jī)架中取出芯筒時(shí)，芯 1 的底部被空氣污染。在將設(shè)備固定在甲板上之后，在打開(kāi)巖心筒之前立即進(jìn)行巖心 2（紅色）的測(cè)量。

申請(qǐng)?jiān)u估

  準(zhǔn)備一個(gè)帶有氧敏感箔的透明芯筒，以便在任何干擾之前測(cè)量孔隙水的氧含量，結(jié)果證明工作非常好、簡(jiǎn)單、快速。因此，可以在取回沉積巖芯后立即收集有價(jià)值的信息，以計(jì)劃進(jìn)一步的采樣、沉積物處理和運(yùn)輸時(shí)間。箔似乎沒(méi)有受到高壓和深海環(huán)境的影響，而且它似乎沒(méi)有受到巖芯筒插入沉積物的影響，即它沒(méi)有脫膠或斷裂。

  該應(yīng)用程序中最復(fù)雜的部分是將三個(gè)箔條固定在核心筒的內(nèi)壁上，而不會(huì)將膠水粘在所有條帶上，這可能會(huì)妨礙它們的正常運(yùn)行。一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的塑料棒可能有助于將條紋附著在光滑的表面上而不會(huì)打滑。此外，在測(cè)量過(guò)程中，將光纖指向氧敏感箔的中心很重要。用于水平固定光纖的簡(jiǎn)單小工具，例如圓形容器適配器 ARC (PreSens) 可用于更輕松的測(cè)量?；蛘?，可以使用顯微操縱器進(jìn)行精確定位，但必須測(cè)試其在研究船甲板上的應(yīng)用是否可行。最后，孔隙水和氧敏箔的溫度是最顯著的不確定性。對(duì)于這種應(yīng)用來(lái)說(shuō)，將氧氣探頭與光學(xué)溫度讀數(shù)相結(jié)合將是理想的，因?yàn)闇囟忍筋^對(duì)于光滑的外芯筒壁的溫度讀數(shù)是不切實(shí)際的。假設(shè)孔隙水和氧敏感箔與芯筒具有相同的溫度，光學(xué)溫度讀數(shù)將允許直接溫度補(bǔ)償，從而提高氧氣讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

  同樣的方法也可以用較小的圓形氧敏感點(diǎn)（SP-PSt3，PreSens）代替條紋進(jìn)行。優(yōu)點(diǎn)將是成本更低和更精確的深度定位，但深度分辨率更低。此外，這種方法還使用“推芯"進(jìn)行了測(cè)試——一個(gè) 20 厘米長(zhǎng)的透明芯筒，可以直接從遙控車(chē)輛 (ROV) 推入沉積物中。不幸的是，在 M151 巡航期間，ROV 沒(méi)有遇到適合推取芯的沉積物，但一般應(yīng)用看起來(lái)很有希望。