南海北部典型海域碳酸鹽體系的分布特征

謝雙蔚 張敏霞 尤啟明 尹曉娜 王玉如 陳超慧 盧楚謙 唐宏 葉劍軍

摘 要：【目的】通過(guò)2022年春、夏季在油田海域開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，探討碳酸鹽體系的分布特征?！痉椒ā繉?duì)春、夏兩季海水水溫、鹽度、pH值、溶解氧、總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳的平面和垂直分布進(jìn)行分析研究，并進(jìn)行要素間相關(guān)性分析?！窘Y(jié)果】調(diào)查海域水溫和鹽度水平分布均勻，變化較?。徽麄€(gè)海域pH值介于8.1～8.2；總堿度和溶解無(wú)機(jī)碳水平分布沒(méi)有明顯統(tǒng)一規(guī)律?！窘Y(jié)論】春、夏兩季水溫、pH值、溶解氧隨深度增加而降低，鹽度、總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳隨深度增加而升高；溫度、有機(jī)物再礦化、生物作用可能是引起水體總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳變化的主要因素。

關(guān)鍵詞：油田；南海北部；碳酸鹽體系；分布特征

中圖分類(lèi)號(hào)：TG333? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2023）08-0083-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.08.017

Distribution Characteristics of Carbonate Systems in Typical Waters in the Northern South China Sea

XIE Shuangwei1? ? ZHANG Minxia1? ? YOU Qiming1? ? YIN Xiaona1? ? WANG Yuru2，3

CHEN Chaohui2，3? ? LU Chuqian2，3? ? TANG Hong2，3? ? YE Jianjun2，3

（1. CNOOC Research Institute Co.， Ltd.， Beijing 100028， China; 2. South China Sea Environmental Monitoring Center， SOA， Guangzhou 510300， China; 3. Key Laboratory of Marine Environmental Survey Technology and Application， Ministry of Natural Resources， Guangzhou 510300， China）

Abstract： [Purposes] The distribution characteristics of the carbonate system were discussed by conducting on-site observations in oilfield waters in the spring and summer of 2022. [Methods] The horizontal and vertical distributions of seawater temperature， salinity， pH， dissolved oxygen， total alkalinity and dissolved inorganic carbon in spring and summer were analyzed and studied， and the correlation analyses between the parameters were also carried out. [Findings] The water temperature and salinity levels in the sea area were evenly distributed and the changes were small. The pH of the survey area was 8.1～8.2， and there was no apparent consistent distribution pattern of total alkalinity and dissolved inorganic carbon. [Conclusions] Water temperature， pH， and dissolved oxygen decrease with the increase of depth in spring and summer. In contrast， salinity， total alkalinity， and dissolved inorganic carbon showed different distribution trends， increasing with the rise in depth. Water temperature， organic matter remineralization， and biological effects might be the main factors causing changes in total alkalinity and dissolved inorganic carbon in water.

Keywords： oilfield; Northern South China Sea; carbonate system; distribution characteristics

0 引言

工業(yè)革命以來(lái)，尤其是化石原料得到大量開(kāi)發(fā)使用后，人類(lèi)生產(chǎn)生活排放的溫室氣體加重了全球氣候變暖程度，致使大氣二氧化碳濃度快速增加。2022年5月美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局和斯克里普斯海洋學(xué)研究所測(cè)得大氣中二氧化碳濃度超過(guò)420 ppm，比工業(yè)化前水平高50%以上，為數(shù)百萬(wàn)年以來(lái)最高值［1］。

海洋占據(jù)地球大約三分之二的表面積，是地球上最重要的碳匯和碳儲(chǔ)庫(kù)，吸收了約三分之一的人為排放二氧化碳［2-3］。大量二氧化碳進(jìn)入海洋，溶解在水中，水解成碳酸氫根、碳酸根、氫離子，導(dǎo)致海洋酸化，影響海洋的物理化學(xué)性質(zhì)。

南海是世界第三大邊緣海，是中國(guó)鄰近海域碳收支的關(guān)鍵區(qū)域之一。已有研究表明，南海北部碳循環(huán)在夏季十分活躍［4］；南海東北海區(qū)碳酸鹽體系主要以碳酸氫根形式存在［5］；南海中部總無(wú)機(jī)碳和碳酸氫根垂直分布趨勢(shì)一致，與溫度相反［6］；南海海盆的總堿度和溶解無(wú)機(jī)碳隨深度增加而升高［7］。

南海的碳酸鹽體系雖已有較多的調(diào)查研究數(shù)據(jù)，包括原國(guó)家海洋局對(duì)南海海域已進(jìn)行的多年調(diào)查研究，但以往的南海調(diào)查空間跨度大，空間分辨率不高，無(wú)法精確體現(xiàn)油氣區(qū)海域的情況。本研究以南海北部恩平油田海域?yàn)檠芯繀^(qū)域，揭示研究區(qū)碳酸鹽體系在春、夏季的時(shí)空分布特征，并探討相關(guān)化學(xué)參數(shù)的影響機(jī)制。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究海域位于中國(guó)南海北部恩平油田，水深小于100 m。監(jiān)測(cè)范圍面積為225 km2（15 km×15 km），監(jiān)測(cè)點(diǎn)位按照網(wǎng)格布設(shè)，間距最小為2.5 km，春季布設(shè)站位25個(gè)，夏季布設(shè)站位23個(gè)。監(jiān)測(cè)區(qū)域與站位示意如圖1所示，圖1中箭頭指示為采樣順序。

1.2 采樣和試驗(yàn)分析

2022年5月12日—5月13日開(kāi)展春季調(diào)查，2022年8月19日—8月20日開(kāi)展夏季調(diào)查，24 h連續(xù)不間斷作業(yè)，不分潮期漲落潮。水質(zhì)分析要素包括水溫、鹽度、pH值、溶解氧、總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳。

樣品的采集、貯存、運(yùn)輸、分析全過(guò)程按照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》（GB 17378—2007）、《海洋調(diào)查規(guī)范》（GB/T 12763—2007）、《海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》（HY/T 147.1—2013）、《海水總?cè)芙鉄o(wú)機(jī)碳的測(cè)定非色散紅外吸收法》（HY/T 196—2015）、《海水總堿度的測(cè)定敞口式電位滴定法》（HY/T 197—2015）等有關(guān)要求進(jìn)行。

海水樣品pH值采用thermo3-star pH計(jì)進(jìn)行分析；總堿度用阿波羅總堿度滴定儀AS-ALK2進(jìn)行分析；溶解無(wú)機(jī)碳用阿波羅無(wú)機(jī)碳分析儀AS-C3進(jìn)行分析；測(cè)量溫度、鹽度、深度、采樣用Sea-Bird SBE21 CTD。

pH值為4.01、7.00、10.01的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為T(mén)hermoOrion 910104、910107、910110，有效期分別至2024年4月29日、2024年4月22日、2024年3月7日；海洋二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)Batch#196的鹽度、總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳分別為33.519、2 264.75 μmol/L、2 063.88 μmol/L，生產(chǎn)日期為2021年5月20日。

2 結(jié)果與分布特征

2.1 水平分布特征

由表1可知，春季表層溶解氧、pH值、水溫、鹽度分布均勻，最值差（最大值與最小值之差）中總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳分別為84.4 μmol/L、31.3 μmol/L；10 m層溶解氧、水溫、鹽度分布均勻，最值差中pH值、總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳分別為0.95、69.1 μmol/L、27.2 μmol/L；50 m層pH值、水溫、鹽度分布均勻，最值差中溶解氧、總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳分別為0.94 mg/L、68.8 μmol/L、44.5 μmol/L；底層pH值、水溫、鹽度分布均勻，最值差中溶解氧、總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳分別為0.80 mg/L、88.8 μmol/L、29.0 μmol/L。夏季表層pH值、水溫、鹽度分布均勻，最值差中溶解氧、總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳分別為1.58 mg/L、30.9 μmol/L、21.2 μmol/L；10 m層溶解氧、pH值、水溫、鹽度分布均勻，最值差中總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳分別為62.6 μmol/L、30.0 μmol/L；50 m層pH值、鹽度分布均勻，最值差中溶解氧、水溫、總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳分別為1.23 mg/L、5.58 ℃、79.2 μmol/L、86.0 μmol/L；底層溶解氧、pH值、水溫、鹽度分布均勻，最值差中總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳分別為40.7 μmol/L、20.2 μmol/L。

春季水體水溫、鹽度各層分布均勻，溶解氧、pH值基本分布均勻；表層西北海域總堿度略低，北部海域溶解無(wú)機(jī)碳稍高于南部海域；10 m層中部偏南海域pH值略高，西部海域總堿度高于東部海域，中部海域溶解無(wú)機(jī)碳略低；50 m層西北和西南海域溶解氧略低，南部海域水溫略低，東南海域總堿度偏低，中部海域溶解無(wú)機(jī)碳偏低；底層西北海域總堿度偏低，中部偏東南海域溶解無(wú)機(jī)碳偏低。

夏季水體pH值、鹽度各層分布均勻，水溫、溶解氧基本分布均勻；表層西北海域溶解氧略高，南部海域總堿度略高，中部海域溶解無(wú)機(jī)碳略低；10 m層南部海域總堿度高于北部海域，中部海域溶解無(wú)機(jī)碳略低；50 m層南部海域溶解氧、水溫略低，南部海域總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳偏高；底層中部海域總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳偏低。

夏季表層、10 m層水溫明顯高于春季；50 m層水溫夏季略低于春季；底層水溫夏季低于春季。夏季與春季鹽度差異很小。夏季溶解氧整體低于春季。夏季總堿度表層、10 m層略低于春季，50 m層、底層差別不大。夏季溶解無(wú)機(jī)碳表層、10 m層低于春季，50 m層、底層差別不大。

2.2 垂直分布特征

如圖2所示，春、夏兩季水溫、pH值、溶解氧隨深度增加而降低，鹽度、總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳隨深度增加而升高。整個(gè)海域50 m以深海水的化學(xué)性質(zhì)與上部海水存在一些差異，如夏季溶解氧、pH值在部分站位50 m層位就出現(xiàn)高值。此外，夏季南部海域50 m水深左右存在相對(duì)低溫、高鹽、低pH值、低溶解氧、高總堿度、高溶解無(wú)機(jī)碳的區(qū)域，尤以C05號(hào)站明顯，而春季并沒(méi)有明顯出現(xiàn)這種情況。

3 討論

3.1 春夏差異原因分析

夏季水溫表層、10 m層高于春季，主要原因是季節(jié)轉(zhuǎn)換。夏季南海盛行暖濕的西南季風(fēng)，海表溫度變高；冬季盛行干冷的東北季風(fēng)，春季受到冬季遺留的海水質(zhì)量場(chǎng)控制，導(dǎo)致海表溫度降低［7］。

夏季表層總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳降低，表明夏季海水中二氧化碳含量低于春季。這是由于海表溫度的升高，夏季海洋生物光合作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致海水中溶解的二氧化碳減少。研究表明［8-9］，溫度是控制海水碳酸鹽體系變化的重要因素［8］，水溫的變化直接影響海水中CO2的溶解度和碳酸的解離常數(shù)，升溫時(shí)能夠增強(qiáng)碳酸氫根和水的解離，增加氫離子和碳酸根的濃度，從而降低總堿度和溶解無(wú)機(jī)碳。光合作用的實(shí)質(zhì)就是海水中的溶解無(wú)機(jī)碳被生物吸收轉(zhuǎn)換為有機(jī)碳［10］。

底層海水溶解無(wú)機(jī)碳、總堿度高于表層海水，表明中下層水體二氧化碳含量高于上部水體。一方面，南海北部表層碳循環(huán)在夏季十分活躍［4］，表層海水與大氣交換強(qiáng)烈，不斷向大氣釋放二氧化碳。另一方面，隨著海洋深度的增加，光照不斷減少，作為寡營(yíng)養(yǎng)鹽海域的南海北部的生物作用進(jìn)一步減弱，有機(jī)物再礦化過(guò)程凸顯，在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生二氧化碳進(jìn)入海水中，導(dǎo)致中下層水體總堿度和溶解無(wú)機(jī)碳增加。

此外，南海表層水是由太平洋表層水和南海陸地徑流混合而成，平均厚度約50 m，溫度范圍21～20 ℃，鹽度范圍33.3～34.5；黑潮熱水帶位于表層水下，其表層和次表層具有高溫高鹽特征，鹽度范圍34.5～34.8。同時(shí)，夏季南海北部陸架受到珠江沖淡水形成的沿岸流影響［7］，這可能是50 m水深左右存在相對(duì)低溫、高鹽、低pH值、低溶解氧、高總堿度、高溶解無(wú)機(jī)碳區(qū)域的原因。

3.2 各要素間相關(guān)關(guān)系

在顯著性水平P=0.05的情況下，對(duì)各要素進(jìn)行spearman相關(guān)系數(shù)計(jì)算，得到如圖3所示的相關(guān)系數(shù)?？倝A度、溶解無(wú)機(jī)碳都與各參數(shù)存在相關(guān)性，但是春季總堿度與其余參數(shù)的相關(guān)性相對(duì)較弱，尤其是溶解氧。這說(shuō)明本區(qū)域內(nèi)溶解氧、pH值、水溫、鹽度均能影響總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳，尤以水溫、鹽度為重。海水中保守性陽(yáng)離子和陰離子電荷數(shù)會(huì)隨鹽度變化而變化，所以鹽度與總堿度密切相關(guān)。

4 結(jié)論

①海域水溫和鹽度平面分布均勻，變化較?。籶H值介于8.1～8.2；總堿度和溶解無(wú)機(jī)碳平面分布沒(méi)有明顯統(tǒng)一規(guī)律。春、夏兩季水溫、pH值、溶解氧隨深度增加而降低，鹽度、總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳隨深度增加而升高。

②兩季鹽度差異很??；夏季溶解氧整體低于春季；夏季上層水體水溫明顯高于春季；總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳上部水體略低于春季，下部水體差別不大。相關(guān)性分析表明，溶解氧、pH值、水溫、鹽度均能影響總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳的含量，尤以水溫、鹽度為重。溫度、有機(jī)物再礦化、生物作用可能是引起水體總堿度、溶解無(wú)機(jī)碳變化的主要因素。

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收稿日期：2022-12-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家海洋局南海分局海洋科學(xué)技術(shù)局長(zhǎng)基金（180207）；中海石油（中國(guó)）有限公司北京研究中心課題“恩平油田CO2捕集和封存技術(shù)研究與示范應(yīng)用”。

作者簡(jiǎn)介：謝雙蔚（1988—），女，碩士，工程師，研究方向：環(huán)境影響評(píng)價(jià)、海域使用論證。

通信作者：王玉如（1995—），女，碩士，助理工程師，研究方向：海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋化學(xué)。