在无氧条件下对沉积物岩心进行分段及孔隙水提取

摘要

本文介绍了一种在无氧条件下对沉积物岩心进行切段并提取孔隙水的实验方案，以便对固体和流体中的氧化还原敏感性物质进行分析。

摘要

我们展示了一种在保持无氧条件下对沉积物岩心进行分段并提取孔隙水的方法。该方法构建了一个简单且低成本的系统，可运输至靠近野外采样点的临时工作区域，以便快速开展分析。岩心被推出至便携式手套袋中，在袋内进行分段处理，每段厚度为1–3 cm（取决于岩心直径），并密封于50 ml离心管中。随后在手套袋外通过离心分离孔隙水，再将其重新放入手套袋内以实现与沉积物的彻底分离。所提取的孔隙水样品可立即进行分析。对氧化还原敏感物种的即时分析，如硫化物、铁形态和砷形态，表明孔隙水的氧化程度极低；部分样品中还原态物种占比接近100%。 例如 100% Fe(II)，未检出 Fe(III)。沉积物和孔隙水样品均可保存，以维持其化学形态，供返回实验室后进一步分析。

引言

研究人员常常希望研究沉积物-水系统的氧化还原状态和地球微生物学特性。理想情况下，这需要利用来自沉积物和孔隙水的数据，因为孔隙水通常是该系统变化的敏感指示剂，也是生态系统暴露于氧化还原敏感型重金属的常见来源（尽管并非唯一来源）。¹ 例如砷和铀。孔隙水数据可被获取 原位 使用扩散平衡滤器，也称为 "鸣蛙，" 安装到沉积物中²窥管最常用于在野外工作开始前已知野外地点，并且能够在较长时间内多次访问该地点的情况下， 例如 Shotyk³因此，许多情况下无法使用窥视管，例如仅能短时间进入的场所，或需要采集多个探索性样本以确定进一步调查位置的场合⁴此外，采样器并未在进行水样采集的同时对沉积物进行采样。

当需要同时采集沉积物和水样，或在无法安装渗析装置的野外地点时，获取沉积物和水样的最常用方法是沉积物柱状取样。获得未混合的柱状样是本研究所述方法的关键前提⁵。获取柱状样后，可通过挤压⁶或离心法提取孔隙水；这两种方法各有优缺点。通常认为离心法是从沉积物柱状样中提取孔隙水最可靠的方法⁷，但必须注意防止沉积物或孔隙水发生氧化。

本方法描述了通过岩心挤出和离心来提取孔隙水，同时最大限度减少氧化的方法。作者已在多种环境中应用了本方法，包括海洋

方案

1. 仪器设备的准备

1. 核心衬管的制备
   1. 计算将要获得的核心切片的厚度 体积 = πr² x 厚度；最终体积必须为 <50 cm³使用直径为10 cm的岩心钻头，可获得厚度为2 cm的切片。
      注意：体积无需恰好为 50 ml，但所获得的孔隙水体积将相应减少。
   2. 使用曲线锯（或类似工具）将一个芯衬管或相同直径的塑料管切割成2厘米宽的环状（若使用不同直径的芯衬，则根据情况调整环的厚度）。获取3至5个环状切片。
   3. 清洁所有将与沉积物接触的塑料器材，包括岩心管、岩心帽、环刀、岩心切割器、离心管、注射器和一次性勺子。（将塑料器材在10% HCl中浸泡24小时，用超纯水（22 MΩ）冲洗3次，并将器材置于空气中晾干，最好在层流罩内干燥，然后包装。）
2. 实验室千斤顶的制备
   1. 使用曲线锯切割一块胶合板，以覆盖6" × 6" 实验室千斤顶顶板的尺寸，并使用电钻配备的孔锯附件在胶合板中心钻孔。
      注意：此孔直径应略大于PVC延伸管的直径；对于本文所用尺寸，孔径应为2 ¾英寸。
   2. 使用手钻或台钻配合普通钻头，在胶合板边缘钻四个小孔，使其与实验室千斤顶顶板上的孔位相对应。用扎带将胶合板固定在实验室千斤顶上。
      注意：不应有 "摆动" 在这块胶....

结果

获得的结果类型取决于所进行的分析以及岩心采样的地球化学环境。可对提取的孔隙水测定溶解氧，但在许多情况下，岩心最表层几厘米以下的溶解氧含量通常为零。通常能提供更有意义信息的分析包括铁形态分析（Fe II/Fe III）¹²、砷形态分析（As III/As V）¹³以及硫化物¹⁴。还原性物质（如硫化物）的存在表明环境处于还原状态，同时也说明在岩心分段和孔隙水提取过程中维持了足够的缺氧条件。其他组分浓度的测定，如溶解有机碳、主要离子或痕量金属，通常在返回实验室后对保存的样品进行。孔隙水中的地球化学梯度通常可以观察到，某些物质的浓度在特定深度可能出现峰值或最低值。

在“深水地平线”漏油事件发生约九个月后，从新奥尔良东南部的巴特斯特湾湿地采集了一个沉积物柱芯样品。该湿地区域受到了严重的油污染，根据采用Hach方法（http://hach.com）获得的沉积物柱芯数据表明，孔隙水中的硫化物浓度较高，.......

讨论

本文所述技术具有良好的灵活性，可针对多种地点、岩心尺寸、岩心切片厚度等情况进行调整。etc. 该系统包含三个基本组成部分。

首先，准备一个尺寸合适的岩心挤出系统，用于分析待测岩心。此处提供的说明基于约30"的岩心；更长的岩心可能需要更多的PVC延长段和PVC连接件才能完全挤出。请仔细规划挤出系统和包装方式，因为在野外进行修正会困难得多。

其次，确保手套袋已充分吹扫，且无泄漏或破损。本方案的目的是获取与地下原始氧化还原状态相同的孔隙水。若在孔隙切段或孔隙水提取过程中发生氧化，所获得的数据将无法使用。

第三，立即进行离心可实现孔隙水与沉积物的分离。如果在样品从环境中取出后，孔隙水与沉积物仍保持接触，则其中的化学反应可能持续进行并发生改变。例如，若流经岩心的水原本持续供给硝酸盐，则该条件会阻止原有微生物群落将铁作为末端电子受体；而在岩心从现场取出后，硝酸盐浓度将开始下降，铁的形态也可能随之发生变化。因此，快速对岩心进行分段处理并立即离心，才能获得最准确.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
一次性手套袋	Sigma-Aldrich	Z106089-1EA	通常每处理两个岩心使用一个即可。
N2 气罐	Praxair		气体供应公司通常可直接将气罐运送至野外实验室。
氮气减压阀	VWR	55850-478	或类似产品
若干英尺可适配减压阀的软管	VWR	89403-862	或类似产品
用于固定气罐的安全装置	VWR	60142-006
可调节软管夹	VWR	62849-112
防水且密封性良好的电工胶带	Scotch	Super 33+	广泛可得
2–4 根短弹力绳			广泛可得
装有超纯水的挤压瓶	VWR	16650-082	任何类似瓶子均可；建议额外携带超纯水以供补充。
大量纸巾和Kimwipes擦拭纸			广泛可得
50 ml 离心管	VWR	21008-951	按方案描述进行酸清洗；每个岩心段至少需要2个。
若干永久性记号笔			广泛可得
若干直剃刀片和美工刀			广泛可得
离心机	Beckman-Coulter	Allegra X-22	转子速度越快，分离效果越好。
可容纳50 ml离心管的转子	Beckman-Coulter	SX-4250
50 ml 塑料注射器（筒身无黑色橡胶头）	VWR	66064-764	按方案描述进行酸清洗；每个岩心段至少需要1个，另加1个用于上覆水样。
适用于水溶液的注射器滤器	VWR	28143-310	可选用孔径为0.45 μm 或 0.20 μm 的滤器。每处理一个岩心段预计需要五个滤器。
塑料（一次性）勺子			广泛可得；按方案描述进行酸清洗。
若干盒一次性手套			广泛可得
大号塑料烧杯或其他可置于手套袋内的废液容器	VWR	13890-148
实验室天平	VWR	10205-008	现有天平即可满足需求；无需高精度
干式液氮运输罐（预先充装液氮）	VWR	82005-416	仅当样品需运回本实验室进行敏感性分析时才需要。
实验记录本			防水型可能更有用
岩心衬管	Watermark	77280	可从Forrestry Suppliers公司购买
岩心端盖	Ben Meadows	218105
岩心切割器	McMaster Carr	8707K111	将其切割成9个3×3的方块
PVC间隔管	McMaster Carr	48925K96	切割成短段使用
PVC接头	McMaster Carr	4880K76	大约需要12个
木销			广泛可得
实验室塞子	VWR	59580-400	需确认尺寸合适，能紧密嵌入岩心衬管内
用于制作岩心导向板和实验升降台顶部的胶合板			广泛可得
实验升降台	VWR	89260-826
夹具			广泛可得
便携式氧气监测仪	RKI instruments	OX-07