Alkaline mineral addition to anoxic to hypoxic Baltic Sea sediments as a potentially efficient CO2-removal technique  

在缺氧至低氧波羅的海沉積物中添加堿性礦物作為潛在高效二氧化碳去除技術(shù)  

來源：Front. Clim. 6:1338556  

《氣候前沿》第6卷，文章編號1338556  

 

摘要內(nèi)容：  

研究通過在波羅的海缺氧至低氧沉積物中添加橄欖巖（dunite）和方解石（calcite），評估其增強(qiáng)底棲風(fēng)化（EBW）對二氧化碳去除的潛力。實驗?zāi)M夏季底層水低氧條件，發(fā)現(xiàn)方解石和橄欖巖的添加分別使堿度通量增加2.94和1.12 μmol cm?2 d?1，顯著高于冬季條件下的結(jié)果。缺氧階段堿度通量最高，鈣（Ca）和硅（Si）通量證實礦物溶解是主要貢獻(xiàn)。方解石溶解速率與北太平洋實測值一致，橄欖巖溶解速率符合實驗室動力學(xué)模型。研究提出在波羅的海季節(jié)性缺氧區(qū)域，方解石是更高效的EBW材料，底層水腐蝕性是礦物溶解的主要驅(qū)動力。  

 

研究目的：  

評估缺氧至低氧條件下堿性礦物（方解石、橄欖巖）的底棲風(fēng)化效率，驗證其作為海洋二氧化碳去除（mCDR）技術(shù)的可行性，并為區(qū)域模型提供可靠的礦物溶解動力學(xué)參數(shù)。  

 

研究思路：  

實驗設(shè)計：從波羅的海Eckernf?rde灣采集沉積物巖芯，添加方解石和橄欖巖，模擬夏季缺氧條件（底層水pCO? 2,300–3,300 μatm）。  

 

控制條件：持續(xù)通入脫氧、富CO?的底層水，監(jiān)測溶解氧（DO）、pH、堿度（TA）、鈣（Ca）、硅（Si）等參數(shù)。  

 

機(jī)制解析：通過通量計算、礦物溶解動力學(xué)模型（如Ωcalcite飽和度）和固相分析（TIC含量），區(qū)分自然風(fēng)化與增強(qiáng)風(fēng)化貢獻(xiàn)。  

 

對比驗證：與前期富氧條件實驗結(jié)果對比，評估季節(jié)缺氧對EBW效率的影響。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義（對應(yīng)圖表）：  

堿度（TA）通量（圖1B、表2）：  

 

 

 

方解石組平均TA通量3.69±1.15 μmol cm?2 d?1，橄欖巖組1.87±0.26 μmol cm?2 d?1，對照組0.75±0.34 μmol cm?2 d?1。  

 

意義：量化EBW對堿度提升的貢獻(xiàn)，驗證方解石的高效性（缺氧條件下TA通量比富氧條件高2.5倍）。數(shù)據(jù)來源：圖1B顯示TA通量隨缺氧階段顯著升高，表2對比不同處理組的通量差異。  

鈣（Ca）通量（圖3B、表2）：  

 

 

 

方解石組Ca通量1.24±0.36 μmol cm?2 d?1，顯著高于對照組（0.11±0.22 μmol cm?2 d?1）。  

 

意義：直接反映方解石溶解，驗證底層水腐蝕性（Ωcalcite<1）是主要驅(qū)動力。數(shù)據(jù)來源：圖3B顯示方解石組Ca通量持續(xù)高于其他組。  

硅（Si）通量（圖2B、表2）：  

 

 

 

 

橄欖巖組Si通量0.45±0.09 μmol cm?2 d?1，高于對照組（0.34±0.08 μmol cm?2 d?1）。  

 

意義：指示橄欖巖（以橄欖石為主）的溶解，其動力學(xué)常數(shù)（log??krSi=-9.76）與理論模型一致。數(shù)據(jù)來源：圖2B顯示橄欖巖組Si通量后期保持高位。  

溶解氧（DO）動態(tài)（圖4）：  

 

 

缺氧階段（DO≈0 μmol l?1）TA通量最高（圖7），富氧階段TA被H?S等還原物質(zhì)氧化消耗。  

 

 

意義：揭示EBW效率與底層水氧化狀態(tài)的強(qiáng)相關(guān)性，指導(dǎo)實際應(yīng)用時機(jī)選擇（夏季缺氧期最佳）。數(shù)據(jù)來源：圖4顯示DO周期性波動，圖7展示TA通量與DO負(fù)相關(guān)。  

固相總無機(jī)碳（TIC）（圖6）：  

 

 

方解石組表層沉積物TIC含量達(dá)28%，顯著高于對照組（≤4%）。  

 

意義：證實添加的方解石滯留于沉積物表面，未因生物擾動埋藏，支持底層水直接溶解機(jī)制。數(shù)據(jù)來源：圖6顯示TIC垂向分布。  

 

結(jié)論：  

缺氧條件下方解石的EBW效率（TA通量3.69 μmol cm?2 d?1）顯著高于富氧條件，底層水腐蝕性（Ωcalcite<1）是主要驅(qū)動力。  

 

橄欖巖溶解速率（log??krSi=-9.76）與實驗室模型一致，但TA貢獻(xiàn)效率僅為方解石的1/3，方解石是更優(yōu)的mCDR材料。  

 

礦物溶解動力學(xué)參數(shù)（如方解石krCa=0.0025 μmol cm?2 d?1）可納入?yún)^(qū)域模型，支持EBW規(guī)?；u估。  

 

實際應(yīng)用需選擇夏季缺氧期（6–9月），通過底棲通量艙監(jiān)測Ca/Si釋放。  

 

丹麥Unisense電極測量的溶解氧數(shù)據(jù)研究意義：  

使用Unisense微電極監(jiān)測的DO數(shù)據(jù)（圖4、圖7）揭示了以下關(guān)鍵機(jī)制：  

 

缺氧階段的高效風(fēng)化：DO≈0 μmol l?1時，TA通量達(dá)峰值（圖7），表明缺氧促進(jìn)還原物質(zhì)（如H?S）釋放，間接提升堿度；同時底層水腐蝕性（低Ωcalcite）直接驅(qū)動方解石溶解。  

氧化-還原動態(tài)調(diào)控：富氧階段（DO>50 μmol l?1）TA通量下降，因H?S等被氧化消耗堿度，凸顯EBW需避開富氧窗口。  

實驗控制驗證：DO波動反映系統(tǒng)接近自然條件（如夏季缺氧-富氧交替），支持實驗室數(shù)據(jù)的生態(tài)外推可行性。  

該數(shù)據(jù)直接關(guān)聯(lián)礦物溶解效率與環(huán)境氧化狀態(tài)，為EBW現(xiàn)場實施（如投放時機(jī)、區(qū)域選擇）提供關(guān)鍵依據(jù)。