一种海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法技术

本发明专利技术公开一种海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法，属于海洋沉积物地球化学和海洋地质研究领域，根据沉积物中各地球化学过程（有机质的降解、硝酸根还原、铁还原、锰还原、硫酸根还原、产甲烷过程、自生碳酸盐的沉淀和甲烷的厌氧氧化过程等）对沉积物碳酸盐平衡体系的影响，然后结合孔隙水pH变化，利用反应

【技术实现步骤摘要】
一种海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法


[0001]本专利技术属于海洋沉积物地球化学和海洋地质研究领域，具体涉及到一种海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法。

技术介绍

[0002]沉积物碳库包括有机碳、生物碳酸盐以及自生碳酸盐，三者构成了地球表面最主要的碳汇。生物碳酸盐是底栖和浮游生物通过生物化学和物理作用直接建造钙质骨骼，如深海软泥中的钙颗粒就是由颗石藻死亡后形成。在陆架边缘海区域，由于大量陆源风化产物的输入和强烈的有机碳矿化分解作用，通常会加速自生碳酸盐的生成。自生碳酸盐作为海洋沉积物中第三碳库，在形成与埋藏过程中，一方面移除沉积物孔隙水中的DIC，同时能够释放CO2，故对海洋系统碳循环产生重要的影响。由于其在陆架边缘海的生产量只占海洋中总生产量的小部分，因此它的形成过程长期被忽略。
[0003]然而，近期的研究表明，边缘海沉积物中存在快速的自生碳酸盐矿物的形成，其在边缘海沉积物碳迁移与转化过程中的作用需重新审视。此外，尽管目前估算出的海洋沉积物中自生碳酸盐的占比很低，但是考虑自生碳酸盐中的碳来源于海洋沉积物底部的甲烷具有相对偏轻的碳同位素组成（~
‑
60
‰
），故其对沉积物碳同位素组成有着不可忽视的影响。
[0004]自生碳酸盐的固碳效率与沉积物中发生的各地球化学过程密切相关。因为自生碳酸盐的沉淀与沉积物碳酸盐平衡体系密切相关，而维持碳酸盐体系平衡的二氧化碳、碳酸根和碳酸氢根由沉积物发生的各地球化学过程产生/消耗。现阶段海洋沉积物自生碳酸盐固碳效率的模型存在的主要问题是仅仅通过单一的钙离子拟合剖面来计算自生碳酸盐的生成速率，而忽略了沉积物中发生的地球化学反应对自生碳酸盐形成的影响，这导致已有模型无法准确计算沉积物中自生碳酸盐的固碳效率。
[0005]因此，构建准确的沉积物中各地球化学过程相关的自生碳酸盐固碳效率模型，不仅可以精确地评估沉积物中各地球化学过程对自生碳酸盐形成的关键因素，同时对于评估沉积物自生碳酸盐过程对区域碳循环的影响具有重要意义。

技术实现思路

[0006]为解决现有模型中未考虑沉积物中各地球化学过程对自生碳酸盐固碳效率影响的缺陷，本专利技术提出一种海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法，结合沉积物中各地球化学过程对沉积物碳酸盐平衡体系的影响，对沉积物自生碳酸盐固碳过程进行评价。
[0007]本专利技术是采用以下的技术方案实现的：一种海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法，包括以下步骤：步骤A、对沉积物中发生的地球化学过程进行建模分析，地球化学过程包括有机质的降解、硝酸根还原、铁还原、锰还原、硫酸根还原、产甲烷过程、自生碳酸盐的沉淀和甲烷的厌氧氧化过程；步骤A1、基于对数正态分布的连续性海洋沉积物有机质降解模型模拟采样站点内
有机质的降解过程；对数正态分布的连续性有机质降解模型表示为：，式中，G(t)表示有机质含量随时间的变化，G(0)表示沉积物
‑
海水界面处有机质的含量，k表示有机质的活性，t表示时间，g(k,0)为对数正态分布：，式中，ln μ是ln k的平均值，σ2是ln k的方差，μ体现有机质活性的整体大小，有机质活性越高，μ值越大，σ体现有机质活性的范围。
[0008]步骤A2、基于步骤A1有机质的降解过程，模拟沉积物中有机质的有氧消耗、硝酸根还原、锰还原、铁还原、硫酸根还原和二氧化碳还原过程；步骤B、根据A中反应产生的碳酸根、二氧化碳和碳酸氢根速率，模拟沉积物中溶解无机碳和总碱度，构建沉积物碳酸盐平衡体系，并建立沉积物孔隙水中pH值的分布模型；（1）沉积物中溶解无机碳DIC、总碱度TA和pH值表示如下：，，，其中，括号代表各自离子的浓度。
[0009]（2）沉积物孔隙水中pH值的分布模型表示如下：，
[0010]其中，DIC表示溶解无机碳，TA表示总碱度，和分别表示二氧化碳和碳酸氢根的水解动力学系数。
[0011]步骤C、根据B中得到的沉积物碳酸盐平衡体系和孔隙水pH分布，建立孔隙水中钙离子饱和度分布模型，并结合反应
‑
扩散模型，构建沉积物自生碳酸盐固碳效率模型，定量计算沉积物自生碳酸盐固碳效率；（1）孔隙水中钙离子饱和度分布模型表示如下：，式中，表示钙离子饱和度，[Ca]为钙离子浓度，[CO
32
‑
]为碳酸氢根浓度，K
SP*
为化学计量学溶解常数。
[0012]（2）沉积物中自生碳酸盐的沉淀速率R
AC
与钙离子的饱和度线性相关，沉积物自生碳酸盐固碳效率模型表示如下：，式中，k
Ca
为一阶动力学自生碳酸盐形成速率反应系数。
[0013]进一步的，所述步骤A2中，对沉积物中有机质的降解的还原反应表示如下：
，式中，R
Red
为还原过程的反应速率，R
OM
为有机质降解速率，f
c
为还原反应对应的化学平衡系数，f
O
，f
N
，f
M
，f
F
，f
s
，f
D
分别为有机质通过氧气参与的有氧降解、硝酸根还原、锰还原、铁还原、硫酸根还原和二氧化碳还原的控制模型；（1）当有机质通过氧气参与的有氧过程降解时，f
O
为1，其余控制系数的值为0，当沉积物孔隙水中氧气含量高于8%时，有机质通过有氧消耗降解，则f
O
表达如下：，式中，erfc为误差函数，[O2]为氧气浓度，C
O*
为氧气的阈值含量，b为控制转换的调节系数；（2）当有机质通过硝酸根还原过程降解时，f
N
为1，其余控制系数的值为0，当沉积物孔隙水中氧气含量低于8%，高于5%时，有机质通过硝酸根还原过程消耗降解，则f
N
表达如下：，式中，erfc为误差函数，erf为误差余函数，[O2]为氧气浓度，C1
O*
和C2
O*
为氧气的阈值含量，分别为8%和5%，b1和b2为控制转换的调节系数；（3）当有机质通过锰还原过程降解时，f
M
为1，其余控制系数的值为0，当沉积物孔隙水中氧气含量低于5%，高于3%时，有机质通过硝酸根还原过程消耗降解，则f
M
表达如下：，式中，erfc为误差函数，erf为误差余函数，[O2]为氧气浓度，C1
O*
和C2
O*
为氧气的阈值含量，分别为5%和3%，b1和b2为控制转换的调节系数；（4）当有机质通过铁还原过程降解时，f
F
为1，其余控制系数的值为0，当沉积物孔隙水中氧气含量低于3%，高于2%时，有机质通过铁还原过程消耗降解，则f
F
表达如下：，式中，erfc为误差函数，erf为误差余函数，[O2]为氧气浓度，C1
O*
和C2
O*
为氧气的阈值含量，分别为3%和2%，b1和b2为控制转换本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A、对沉积物中发生的地球化学过程进行建模分析，地球化学过程包括有机质的降解、硝酸根还原、铁还原、锰还原、硫酸根还原、产甲烷过程、自生碳酸盐的沉淀和甲烷的厌氧氧化过程；步骤A1、基于对数正态分布的连续性海洋沉积物有机质降解模型模拟采样站点内有机质的降解过程；步骤A2、基于步骤A1有机质的降解过程，模拟沉积物中有机质的有氧消耗、硝酸根还原、锰还原、铁还原、硫酸根还原和二氧化碳还原过程；步骤B、根据A中反应产生的碳酸根、二氧化碳和碳酸氢根速率，模拟沉积物中溶解无机碳和总碱度，构建沉积物碳酸盐平衡体系，并建立沉积物孔隙水中pH值的分布模型；步骤C、根据B中得到的沉积物碳酸盐平衡体系和孔隙水pH分布，建立孔隙水中钙离子饱和度分布模型，并结合反应
‑
扩散模型，构建沉积物自生碳酸盐固碳效率模型，定量计算沉积物自生碳酸盐固碳效率。2.根据权利要求1所述的一种海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法，其特征在于：所述步骤A1中，对数正态分布的连续性有机质降解模型表示为：，式中，G(t)表示有机质含量随时间的变化，G(0)表示沉积物
‑
海水界面处有机质的含量，k表示有机质的活性，t表示时间，g(k,0)为对数正态分布：，式中，ln μ是ln k的平均值，σ2是ln k的方差，μ体现有机质活性的整体大小，有机质活性越高，μ值越大，σ体现有机质活性的范围。3.根据权利要求2所述的一种海洋沉积物自生碳酸盐固碳过程评估方法，其特征在于：所述步骤A2中，对沉积物中有机质的降解的还原反应表示如下：，式中，R
Red
为还原过程的反应速率，R
OM
为有机质降解速率，f
c
为还原反应对应的化学平衡系数，f
O
，f
N
，f
M
，f
F
，f
s
，f
D
分别为有机质通过氧气参与的有氧降解、硝酸根还原、锰还原、铁还原、硫酸根还原和二氧化碳还原的控制模型；（1）当有机质通过氧气参与的有氧过程降解时，f
O
为1，其余控制系数的值为0，当沉积物孔隙水中氧气含量高于8%时，有机质通过有氧消耗降解，则f
O
表达如下：，式中，erfc为误差函数，[O2]为氧气浓度，C
O*
为氧气的阈值含量，b为控制转换的调节系数；（2）当有机质通过硝酸根还原过程降解时，f
N
为1，其余控制系数的值为0，当沉积物孔隙水中氧气含量低于8%，高于5%时，有机质通过硝酸根还原过程消耗降解，则f
N
表达如下：，
式中，erfc为误差函数，erf为误差余函数，[O2]为氧气浓度，C1
O*
和C2
O*
为氧气的阈值含量，分别为8%和5%，b1和b2为控制转换的调节系数；（3）当有机质通过锰还原过程降解时，f
M
为1，其余控制系数的值为0，当沉积物孔隙水中氧气含量低于5%，高于3%时，有机质通过硝酸根还原过程消耗降解，则f
M
表达如下：，式中，erfc为误差函数，erf为误...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐思南，张喜林，曹红，孙治雷，耿威，周渝程，张栋，李世兴，孙运宝，李鑫海，
申请(专利权)人：青岛海洋地质研究所，
类型：发明
国别省市：