以钍-234示踪深海采矿沉积物羽流空间分布：建立羽流影响范围的地球化学基准

《Nature Communications》：Thorium-234 as a tracer for deep-sea mining sediment plume deposition

本刊推荐：为应对商业化深海采矿对海底环境的潜在影响，研究人员以具有强颗粒活性的短半衰期核素钍-234(234Th)为示踪剂，通过对克拉里昂-克利珀顿区NORI-D采矿试验区的沉积物采样分析，揭示了采矿羽流沉积的空间范围在直接开采区1-2公里内，建立了量化羽流沉积的地球化学方法，为环境管理阈值制定和累积影响监测提供了关键技术支撑。

　　

在广袤的太平洋东北部，克拉里昂-克利珀顿断裂带（Clarion-Clipperton Zone, CCZ）海底4000-6000米的深渊平原上，散布着价值连城的多金属结核。这些历经数百万年形成的锰、镍、铜、钴等关键金属矿藏，正成为绿色能源转型中的重要资源。然而，商业化深海采矿在获取这些资源的同时，也带来了巨大的环境挑战——采矿活动产生的沉积物羽流可能对脆弱的底栖生态系统造成长期影响。

深海环境的特殊性使得监测采矿影响变得异常复杂。CCZ地区的自然沉积速率极低，每千年仅0.2-1.15厘米，这意味着即使是微小的沉积变化也可能对生态系统产生显著影响。传统的自主水下航行器（AUV）影像技术虽然能够识别初始沉积模式，但随着采矿活动的重复进行，沉积物逐渐埋没结核，视觉对比度降低，影像技术的有效性将大打折扣。因此，开发能够区分新近沉积层的高分辨率监测工具至关重要。

在这一背景下，由Bryan J. O'Malley领衔的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项创新性研究，他们利用天然放射性核素钍-234(²³⁴Th)作为高分辨率地球化学示踪剂，首次对深海采矿试验产生的沉积物羽流空间范围进行了精确量化。²³⁴Th具有24.1天的短半衰期和强颗粒反应性，使其成为示踪近期沉积事件的理想指标。

研究团队在NORI-D合同区开展了系统性的工作。他们首先建立了多年环境基线（2021-2022年），通过对34个和26个沉积物样品的分析，明确了该区域表层沉积物中过量²³⁴Th（²³⁴Th_xs）活度的自然变异性。基线数据显示，²³⁴Th_xs活度普遍较低（2021年平均0.42±0.13 dpm g^-1，2022年平均1.07±0.15 dpm g^-1），反映了该地区的低沉积速率特征。

在2022年10-11月NORI进行原型采集车（PCV）试验后，研究团队立即开展了采样工作。他们设计了科学的采样方案，包括直接受影响轨道、潜在沉积梯度站点（距离轨道200米、500米、1公里、2公里、3公里）以及7公里外的对照区。这一设计确保了样品能够全面捕捉羽流沉积的空间分布特征。

关键技术方法包括使用Oktopus GmbH多管采样器采集沉积物岩心，通过高纯锗伽马能谱仪分析²³⁴Th活度，并采用国际原子能机构IAEA-447标准进行自吸收校正。所有样品在采集后90天内完成分析，并进行衰变校正，确保数据准确性。

结果与讨论

²³⁴Th的自然基线变异性

研究团队通过两年基线调查，建立了NORI-D合同区沉积物²³⁴Th_xs的自然变异性特征。采样区水深范围一致（4248-4336米），最大高差不足90米，最小化了深度因素对²³⁴Th分布的影响。2021年和2022年基线数据虽存在显著差异（平均差值为-0.6500 dpm g^-1，p=0.0129），但均保持在较低水平，反映了该区域的自然沉积特征。

PCV试验后分析

试验后数据揭示了明显的空间分布规律。对照区（距离开采区7公里西北方向）的²³⁴Th_xs活度（0.64±0.15 dpm g^-1）与基线水平无显著差异，AUV影像也证实该区域无可见沉积迹象。

直接开采区（TF_007站点）的²³⁴Th_xs活度相对较低（0.69±0.22 dpm g^-1），研究人员认为这可能是由于PCV剥离了自然表层沉积物，以及粗颗粒沉积物对²³⁴Th的清除效率较低所致。

随着距离增加，²³⁴Th_xs活度呈现先升后降的趋势。在距离轨道200米的TF_032站点，活度升高至3.50±0.4 dpm g^-1；500米处的TF_025站点更是达到5.88±0.14 dpm g^-1，较背景值提高3-8倍。这种显著升高被归因于羽流颗粒对水体中溶解²³⁴Th的清除作用。TF_025站点的异常高值可能还受到局部海底地形（10米凹陷）的影响，这种地形有利于沉积物聚集。

在1公里处的TF_033站点，²³⁴Th_xs活度（1.86 dpm g^-1）虽高于基线但仍处于自然变异性范围内，表明该位置处于羽流沉积的边缘地带。而2公里（STM_174）和3公里（STM_173）处的站点活度（平均0.49 dpm g^-1）已回归基线水平，AUV影像也显示无可见沉积特征。

研究结论与意义

本研究通过²³⁴Th_xs地球化学示踪，首次对深海采矿试验产生的沉积物羽流空间范围进行了量化界定。结果表明，采矿羽流的主要沉积影响局限于开采区1-2公里范围内，这一发现比先前模型预测的2.5-4公里更为保守，反映了局部海底地形和水动力条件的实际影响。

该方法的价值在于其能够提供约100天时间窗口内的沉积信号，克服了视觉方法在长期采矿活动中逐渐失效的局限性。随着商业化采矿的推进，多台采集车连续作业数十年可能导致重复沉积，²³⁴Th示踪技术将成为监测累积影响的关键工具。

研究结果直接支持国际海底管理局（International Seabed Authority, ISA）关于建立深海采矿环境监测最佳实践的建议，为制定操作阈值、验证羽流扩散模型提供了科学依据。未来研究可将²³⁴Th测量与生物生态指标结合，全面评估沉积对底栖群落的影响，同时结合²¹⁰Pb等长半衰期核素，构建完整的时间序列沉积记录。

这项工作不仅证明了²³⁴Th作为深海采矿羽流沉积示踪剂的敏感性，更重要的是建立了一个可操作的环境监测框架，为负责任地开发深海资源提供了科学基础。在商业深海采矿时代来临之际，此类高分辨率监测工具将成为平衡资源开发与环境保护的关键技术支撑。