深海采矿羽流的流变学特性：对西太平洋海域沉积物性质的依赖性

深海采矿沉积羽流具有非牛顿流体特性，其流变行为受浓度、颗粒分布、矿物成分和pH共同影响。实验表明高浓度羽流表现出更强的剪切稀化效应，且矿物成分差异导致流变参数变化显著，kaolinite主导体系黏度最高。建立密度依赖的幂律流变模型可有效预测羽流流动机理，为环境影响评估提供理论支撑。

　　
本文系统研究了深海采矿过程中产生的沉积物羽流流变学特性及其影响因素，重点揭示了沉积物浓度、矿物成分和pH值对羽流流变行为的作用机制。研究通过实验室模拟不同类型沉积物羽流（西太平洋海底沉积物羽流、高岭土-海水羽流、高岭土-纯水羽流）的流变学特性，结合多组对比实验，建立了适用于深海环境的沉积物羽流流变学模型，为深海采矿环境影响评估提供了理论支撑。

### 研究背景与科学问题
深海矿产资源（多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物等）因其战略价值备受关注。全球已开展多项深海采矿可行性研究，但沉积物羽流对海底生态系统的长期影响仍是亟待解决的科学问题。现有研究多将羽流简化为低浓度牛顿流体进行建模，但实际羽流具有复杂的非牛顿流变特性，且受多重环境因素耦合作用，导致传统模型难以准确预测羽流扩散行为。

### 实验设计与创新方法
研究团队通过构建三类典型羽流模型（表1），突破性地实现了对深海复杂流变特性的系统解析：
1. **西太平洋海底沉积物羽流**：采用2023年西太平洋调查站P1-19（19°N，149°E）的现场沉积物样本，模拟浓度为25-400 g/L的羽流体系。
2. **高岭土-海水羽流**：使用纯度>99%的高岭土与合成海水配比，控制pH值为8.1，模拟工业级采矿流体特性。
3. **高岭土-纯水羽流**：作为基准对照，排除海水离子场的影响，揭示矿物本征特性对流变行为的作用。

实验采用Discovery Hybrid流变仪（图2）结合平行板剪切装置，创新性地设置50秒线性递增剪切速率（0-25 s?1），精确捕捉深海羽流在低剪切速率下的非牛顿流变特征。通过动态黏度测试与流变模型拟合，建立了密度依赖的流变学模型（式4），显著提升了羽流扩散预测精度。

### 关键发现与机制解析
#### 1. 流变学模型构建
通过功率律模型（τ=Kγ?）对西太平洋羽流实验数据的拟合（R2>0.98），发现：
- **密度依赖性**：随着羽流密度从1.035 g/cm3增至1.234 g/cm3（对应浓度400 g/L），表观黏度增加2.4倍，但剪切稀化效应减弱。
- **矿物组成效应**：高岭土含量>25%时，羽流表现出显著的结构化流变特征，其黏弹性模量较天然沉积物羽流高1.5-2.0倍（图8）。
- **pH调节机制**：海水pH（8.1）环境促使高岭土形成面-面（F-F）结构，而纯水体系下形成边-边（E-E）结构，导致海水羽流在200 g/L浓度时黏度降低50%（图13）。

#### 2. 粒度分布调控机制
通过激光粒度分析仪（图10）揭示：
- **天然沉积物羽流**（D50=6 μm，D90=40 μm）：宽粒度分布（0.3-75 μm）导致絮凝结构松散，剪切稀化指数n=0.68。
- **高岭土-海水体系**（D50=0.8 μm）：纳米级颗粒占比达45%，形成致密絮团结构，n=0.72，剪切稀化能力更强。
- **纯水体系**：颗粒电泳作用增强，形成更稳定的网状结构，n=0.75。

#### 3. 矿物化学特性影响
XRD分析（图11）显示西太平洋沉积物含74.9%非黏土矿物（长石、云母、石英），仅25.1%黏土矿物。对比实验表明：
- **黏土矿物主导**：蒙脱石（CEC=84 meq/100g）体系黏度是伊利石（CEC=15 meq/100g）的3.2倍。
- **矿物表面电荷**：在pH>8.5时，黏土矿物表面负电荷占比超过60%，显著增强颗粒间静电吸引力，导致黏度增加率提升至120%。
- **结构稳定性差异**：高岭土形成的F-F结构在剪切速率>5 s?1时仍保持稳定，而蒙脱石形成的E-E结构在相同条件下断裂率高达40%。

#### 4. pH-黏度耦合效应
通过控制海水pH（8.1）与纯水体系（pH=7.0）的对比实验发现：
- **碱性环境抑制絮凝**：海水中的Na?（浓度119 mmol/L）与OH?（浓度0.03 mmol/L）形成缓冲体系，使高岭土颗粒表面负电荷密度降低18%，絮团粒径由2.5 μm缩小至0.8 μm。
- **酸碱敏感矿物识别**：伊利石在pH=8.5时黏度保持稳定（Δn<0.05），而蒙脱石在相同条件下黏度波动达±25%，揭示矿物表面电荷特性对环境响应的差异。

### 环境评估模型构建
研究提出密度-矿物双参数调控的流变学模型（图5），其核心创新点在于：
1. **密度依赖系数修正**：将传统幂律模型扩展为K=K?·ρ^α形式，α值经回归分析确定为0.23（R2=0.96），成功捕捉深海羽流密度从1.03 g/cm3到1.23 g/cm3时的非线性黏度变化。
2. **矿物类型校正因子**：引入矿物比表面积（m2/g）与阳离子交换容量（CEC，meq/100g）的耦合修正项，使模型预测误差降低至8%以下。
3. **pH敏感性模块**：建立pH-黏度关系曲线（图13），当pH>8.2时，每增加0.1 pH单位，黏度衰减率达15-20%。

### 环境影响评估启示
1. **扩散范围预测**：基于修正后的流变模型，计算显示400 g/L羽流在200 m水深处的扩散半径较传统模型预测值缩小30%，更符合实际观测数据。
2. **生态扰动阈值**：实验表明，当羽流浓度超过150 g/L且持续作用时间>30分钟时，会导致底质沉积物孔隙度下降>40%，直接影响底栖生物栖息环境。
3. **工程控制策略**：
- **矿物筛选**：优先选择D50<5 μm的沉积物区域进行开采，可降低羽流黏度20-35%。
- **pH调控**：通过添加碳酸钠（Na?CO?）将海水pH稳定在8.5±0.2，可使高岭土羽流剪切稀化指数n提升至0.82。
- **水力优化**：采用脉冲式排放方式（单脉冲时长≤10秒），可将羽流最大速度从2.85 m/s降至1.8 m/s。

### 研究局限与展望
当前模型主要受实验室条件限制（温度20±0.5℃，盐度32‰），与实际深海环境存在差异：
1. **温度效应**：需补充15-25℃低温环境下的流变实验数据。
2. **离子干扰**：海水中的Fe2?（浓度1.2 μmol/L）会显著改变黏土矿物表面电荷特性，需开展离子强度影响的专项研究。
3. **多尺度耦合**：现有模型未考虑羽流中粗颗粒（>75 μm）的分散-聚集效应，建议引入双连续介质理论进行改进。

后续研究计划开展深海原位流变测试，结合海底沉积物原位扰动监测系统（IPDMS），建立多物理场耦合的羽流扩散预测模型，为制定《国际海底区域开发环境管理指南》提供科学依据。