The Congolobe project, a multidisciplinary study of Congo deep-sea fan lobe complex: Overview of methods, strategies, observations and sampling

剛果深海海扇復合體的多學科研究：方法、策略、觀察和抽樣的概述

來源：Deep-Sea Research II 142 (2017) 7–24

 

論文摘要

本論文摘要指出，剛果深海扇是目前正在活動的區域（稱為終端葉狀體或葉狀體復合體），是一個全球海洋中獨特的沉積區域。其獨特性在于它通過海底峽谷和河道-堤岸系統，由濁流輸送來自剛果河的大量有機碳。2011年，研究團隊執行了兩次航次（WACS航次第2航段和Congolobe航次），首次同步調查了剛果深海扇終端葉狀體的地質學、有機/無機地球化學以及微生物和宏生物生物學特征。采用多學科方法，研究人員刻畫了葉狀體的形態-沉積特征、有機質的來源和反應性、生物成因元素的循環和埋藏、沉積物中細菌和古菌群落的多樣性及功能，以及海底動物組合的生物多樣性和功能。在六個不同站點（沿活躍河道分布和橫切河道分布）的觀察揭示了高密度化學合成生態系統（包括大型共生性Vesicomyidae貝類集群和微生物墊）的存在，這些生態系統類似于冷泉生態系統。該區域的沉降速率極高（0.5 至 10 厘米/年），比一般深海環境高出2-3個數量級。這些特征使得剛果葉狀體復合體成為一個由陸源物質高輸入驅動的、高度特殊的深海棲息地。

研究目的

本研究作為Congolobe項目的總體概述，其主要目的是：

 

提供研究背景：描述對剛果深海扇終端葉狀體復合體進行多學科綜合研究的總體背景和基本框架。

闡述采樣策略：詳細說明在2011-2012年兩次航次（WACS和Congolobe）中，為涵蓋不同沉積環境和活動梯度而選擇的六個站點的選址依據、采樣策略和使用的技術手段。

展示初步觀察結果：呈現通過多種技術（如ROV高清地形測繪、海底觀測、沉積物巖心采樣等）獲得的關于該區域形態特征、棲息地類型和沉降速率的初步觀察結果。

 

引導深入研究：為本專題集中的其他深入研究報告（涉及地質、地球化學、微生物學、生物學等）提供統一的環境背景和基礎數據集，確保各研究結果之間具有可比性。

 

研究思路

本研究采用了“多航次協作-多技術集成-多站點對比”的系統性研究思路：

 

航次與站點設計：在2011年組織了兩次航次（WACS和Congolobe），在剛果深海扇終端葉狀體復合體上精心選擇了六個具有對比性的站點（A, B, C, D, E, F）。這些站點沿活躍河道從葉狀體入口到沉積區外緣分布（A, F, C, D），以及橫切河道、與活躍河道距離遞增分布（B, E），從而構建一個濁流顆粒輸送和沉積物年齡的梯度。

技術手段集成：

 

船舶操作：使用多管取樣器（MTB）和Calypso活塞取樣器（CS）采集保持原狀沉積物-水界面的沉積柱；部署海底著陸器，如呼吸計（RAP）測定海底溶質通量，沉積物捕集器測定顆粒通量。

 

遙控潛水器（ROV）操作：利用ROV Victor 6000進行高分辨率地形測繪、高清海底影像采集、原位測量（如微電極剖面儀）以及精準采樣（沉積物、水體、生物樣本）。圖2, 3, 4, 5, 6, 7清晰地展示了各站點的地形和操作分布。

 

 

 

 

 

 

 

多學科數據采集：對采集的樣本和環境數據進行多學科分析，包括：

 

地質與形態：地形學、沉積結構。

地球化學：沉積物和孔隙水的有機/無機地球化學特征。

 

生物學：微生物（細菌、古菌）和宏生物（特別是化能合成群落）的多樣性、分布和功能。

 

數據綜合與比較：將不同站點、不同技術獲得的數據進行整合和比較，以揭示葉狀體復合體的整體特征、空間異質性以及控制其生態系統結構和功能的關鍵過程。

 

測量數據及其研究意義

研究采集了多個方面的數據，其意義和來源如下（數據均引用自文檔中的圖表和表格）：

 

高分辨率海底地形（揭示微地貌與沉積過程）

 

測量指標：使用ROV搭載的多波束測深系統獲取的海底高程數據，生成分辨率達0.1-1米的地形圖。

研究意義：圖2（站點A）、圖4（站點F）、圖5（站點C）等地形圖揭示了葉狀體復合體復雜的微地貌特征，如河道分叉、侵蝕痕跡、塊體沉積、堤岸平滑化等。這些地貌細節是理解濁流沉積過程、識別活躍沉積區或廢棄區域、以及指導后續精準采樣的基礎。例如，地形圖顯示站點C的河道淺而寬，表明它是最新的沉積中心。

 

數據來源：圖2, 圖3, 圖4, 圖5, 圖6, 圖7。

 

海底棲息地觀測與影像（直接證實化能合成生態系統存在）

 

測量指標：通過ROV高清攝像頭獲取的海底照片和視頻。

研究意義：圖8, 圖9, 圖10, 圖11提供了化能合成生態系統的直接視覺證據。圖像顯示存在密集的Vesicomyidae貝類集群（圖8a, b, d, e）、微生物墊（圖9, 圖11a, b）和黑色還原性沉積物斑塊（圖8c, 圖11c）。這些生態系統與冷泉生態系統相似，表明該區域存在基于硫化物或甲烷的化能合成作用，這是深海通常有機質匱乏環境中罕見的生命支持模式。

 

 

 

 

數據來源：圖8, 圖9, 圖10, 圖11。

 

沉積物巖心與放射性核素測量（量化現代沉降速率）

 

測量指標：通過多管取樣器（MTB）和活塞取樣器（CS）采集沉積柱，測量放射性核素（21?Pb??, 13?Cs）的垂直分布剖面。

研究意義：圖12展示了不同站點的21?Pb??和13?Cs剖面。通過CFCS模型等計算出的沉降速率（表4）是本研究的關鍵發現之一。數據顯示，在活躍的葉狀體區域（如站點C），沉降速率極高（高達22厘米/年），而在堤岸或廢棄區域（如站點B, E），速率低得多（0.3-1厘米/年甚至更低）。這直接證明了濁流活動將大量陸源物質快速輸送并沉積在此，使其沉降速率比典型深海平原高出成百上千倍。

 

 

 

數據來源：圖12和 表4。

 

采樣操作記錄（提供完整的元數據背景）

 

測量指標：詳細記錄了每次采樣操作的時間、位置、水深、使用的設備標簽等。

研究意義：文檔中多個表格（如Calypso巖心、多管巖心、呼吸計部署等表格）提供了所有環境樣本和測量的精確元數據。這對于確保數據的可追溯性、可重復性以及后續各專題研究的準確關聯至關重要。例如，這些記錄明確了哪個生物樣本對應于哪個特定沉積物地球化學特征或地形位置。

 

數據來源：文檔中第3節和附錄部分的一系列表格。

 

研究結論

 

獨特的深海沉積與生態系統：剛果深海扇終端葉狀體復合體是一個全球罕見的深海棲息地。其獨特性源于剛果峽谷與河流的直接連接，使得陸源物質和有機碳能夠被濁流高效輸送至5000米深的深海平原，并形成快速沉積。

高沉降速率的熱點：該區域是全球沉降速率最高的深海區域之一，活躍沉積中心的速率可比一般深海環境高1000倍。這使其成為研究高沉積負荷下碳埋藏、早期成巖作用和生物群落響應的天然實驗室。

活躍的化能合成生態系統：研究首次在深海扇葉狀體環境中（而非傳統冷泉或熱液口）發現了密集的、基于化學合成的生態系統（Vesicomyidae貝類、微生物墊）。這表明由濁流輸入的有機質在沉積物中經微生物厭氧分解產生的還原性物質（如硫化氫）足以支持這些生態系統的生存。

空間異質性與演化序列：六個站點的觀察表明，棲息地類型（生態系統組成、活力）和沉積活動（沉降速率）存在明顯的空間梯度，與站點相對于活躍河道的位置密切相關。這為研究生態系統隨沉積環境變化（從活躍到廢棄）的演替序列提供了理想場所。

 

多學科方法的成功應用：研究證明了結合ROV高清測繪、原位測量、多種采樣技術和多學科分析的策略，是有效研究此類復雜、偏遠深海環境的必要條件，為未來類似研究提供了范本。

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense電極（特指溶解氧、pH、硫化物微電極，集成在深海微剖面系統（DMPS）中）的應用對于深入理解該化能合成生態系統的生物地球化學過程具有關鍵作用，其研究意義體現在以下幾個方面：

 

原位、高分辨率刻畫氧化還原界面：Unisense微電極能夠以亞毫米級的分辨率原位測量沉積物-水界面附近溶解氧（O?）、pH和硫化氫（H?S）等關鍵化學參數的垂直剖面。在化能合成生態系統（如微生物墊和貝類集群）中，這些參數的梯度變化極為劇烈。通過微電極測量，可以精確確定氧氣滲透深度、硫化物的產出深度和強度，從而直接揭示驅動化能合成作用的化能營養菌（如硫氧化菌、甲烷氧化菌）活動的微環境。這種高分辨率的測量是傳統的孔隙水分層取樣方法無法實現的。

量化溶質通量與代謝活動：通過非穩態模型或根據菲克第一定律，由微電極測得的濃度梯度可以計算出溶解氧消耗和硫化物等溶質從沉積物向上覆水擴散的通量。這些通量是量化沉積物-水界面物質和能量交換、以及底層微生物代謝活動速率（如硫酸鹽還原、甲烷厭氧氧化）的關鍵指標。例如，在Vesicomyidae貝類棲息地（圖11d, e），通過微剖面測量可以估算支持其體內共生菌所需的硫化物通量。

揭示化能合成生態系統的能量基礎：在站點C的“心臟”（CoL9）和“口部”（W15）等化能合成群落聚集區（圖5, 圖11d, e），部署Unisense微剖面儀（DMPS）成功獲得了O?、pH和H?S的深度剖面。這些數據直接證實了這些斑塊狀棲息地下方存在強烈的硫化物的產生和消耗。O?剖面在沉積物表層被迅速消耗，而H?S在次表層出現，這為硫氧化細菌創造了理想的生態位。這從生物地球化學角度證實了這些生態系統是依靠化學能而非太陽能維持的。

區分不同棲息地的生物地球化學狀態：研究在多個站點（A, F, C）觀察到了不同類型的化能合成棲息地（密集貝類、稀疏貝類、微生物墊、黑色還原沉積）。Unisense微電極測量可以幫助比較這些棲息地內部的氧化還原條件。例如，微生物墊覆蓋的沉積物（圖9, 圖11a, b）可能與大型貝類集群下的化學環境（硫化物通量、氧氣消耗速率）有所不同。這種比較有助于理解不同生物群落如何適應和改造其微環境，以及它們所依賴的流體化學性質的差異。

 

校準模型與理解系統動態：獲得的高質量原位微剖面數據可用于校準和驗證早期成巖作用模型。這些模型可以模擬有機質降解、礦物形成與溶解等過程，從而預測在如此高沉降速率下，化能合成生態系統如何維持以及它們對未來環境變化（如沉積物供給變化）的響應。

 

綜上所述，丹麥Unisense微電極系統在本研究中是揭示剛果深海扇葉狀體“不可見”的化學景觀的關鍵工具。它提供的原位、高分辨率化學剖面，使我們能夠“看到”并量化驅動這些特殊化能合成生態系統的底層能量流動和生物地球化學循環，從而將宏觀的生態系統觀察（貝類、菌墊）與微觀的微生物過程（硫化、氧化）直接聯系起來，極大地深化了我們對這個獨特深海棲息地功能的理解。