海南研究院团队在深海采矿对沉积物-水界面地球化学方面取得进展
多金属结核作为一种重要的深海资源，在推动全球从石油基能源向低碳未来转型方面具有显著的潜力。深海多金属结核的采矿活动会产生悬浮沉积物羽流扰动和沉积物再沉积作用，不仅改变沉积物的物理结构，还会引发一系列复杂的生物地球化学反应，显著影响沉积物-水界面（SWI）的生物地球化学环境。理解这些变化对于评估深海采矿风险至关重要。然而，当前国内外很少有研究监测DSM作业期间扰动产生的羽流在SWI处的生物地球化学效应。因此，采矿活动对深海SWI界面的影响尚不明确。
针对上述问题，本研究设计了一套温度受控的深海采矿模拟实验装置，该装置由西太平洋多金属结核区采集的原位海水与沉积物、冷水循环系统和Unisense微电极系统构成。通过270多天连续监测深海采矿活动后SWI关键环境参数的变化。将高分辨率监测与预测性模拟相结合，以深入了解深海采矿活动引起的羽流扰动和再沉积过程。
结果表明，深海多金属结核勘探与开采活动预计将对海洋环境造成长期扰动，并可能对底栖生态系统产生严重影响。
沉积物羽流扰动影响了上覆水中的pH值、氧化还原电位、盐度、浊度、溶解氧（DO）和溶解有机碳（DOC）。羽流扰动引发了最初的物理混合阶段，降低了SWI表层沉积物的DO（溶解氧）、pH和Eh（氧化还原电位）。在100天内，该阶段转变为以地球化学作用为主的阶段，其特征是由有机质降解和铁/锰氧化物还原溶解驱动的显著孔隙水缺氧。180天时DO急剧下降至50 μmol/L（降幅超过70%）（图1），同时伴随部分层位孔隙水H2S气体的大量增加，增加了底栖生物缺氧及急性中毒的风险。
图1不同再沉积厚度下沉积物-水界面（SWI）溶解氧（DO）浓度随时间的变化
此外，羽流扰动显著影响了金属的行为，显著增加了孔隙水和上覆水中的微量金属浓度。孔隙水中As、V、Ni、Cu、U、Fe和Cr的浓度通常高于上覆水，但在这两个区域中表现出一致的时间变化趋势。上覆水与孔隙水之间的密切耦合驱动了微量金属和营养盐的同步释放。表明金属的迁移与形态分布主要受有机质降解和锰氧化物还原控制，而非仅仅受物理扩散控制。
本研究采用了两种模型，一种基于数值扩散，另一种基于动态地球化学原理，用于预测短期和长期时间尺度下深海沉积物-海水界面DO的变化（图2）。总体而言，这种耦合的方法学框架为解耦复杂的SWI过程提供了一种新途径，建立了一个稳健且保守的基线，该基线可直接用于提高未来深海采矿作业环境影响评估的准确性。
图2基于数值模型(a)和Phreeqc软件(b)模拟与实测的采矿扰动后沉积物DO剖面
深海沉积物展现出强大的生物地球化学恢复力。到第270天，包括DO、浊度、DOC（溶解有机碳）和大多数微量金属在内的大部分参数已恢复至背景水平。然而，Cu、Pb和Cr持续升高的浓度，以及偏高的碱度、盐度和营养盐，表明采矿扰动带来了长期的生态风险（图3）。
图3 深海采矿扰动的环境影响模型
本研究得到了国家重点研发计划项目（2022YFC2803902）和中国地质大学（北京）海南研究院项目（HNPY-202505）的支持。研究工作由中国地质大学（北京）海南研究院与海洋学院共同开展完成。通讯作者为刘宝林副教授，研究由刘宝林副教授、杨娟副教授、夏建新教授共同指导完成。
上述研究成果已发表于国际权威期刊《Journal of Sea Research》（JCR 1区），文章的引用信息如下：
Wenhui Weng, Juan Yang, Baolin Liu*, Han Wu, Peng Zhang, Shuaiya Zhang, Chunsheng Wang, Jianxin Xia. Deep-sea mining impacts on sediment-water Interface geochemistry: Alaboratory simulation. Journal of Sea Research. 2026;212: 102716
全文链接：
https://doi.org/10.1016/j.seares.2026.102716
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