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方法文章

在无氧条件下对沉积物岩心进行分段及孔隙水提取

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DOI：

10.3791/53393

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2016年3月7日

 ,  ,  ,  , 
1Department of Chemistry, Vassar College, 2Division of Geochemistry, Lamont-Doherty Earth Observatory, 3Department of Geosciences, Auburn University

本文内容

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8、受污染的湖泊9和湿地10。所展示的代表性数据表明，还原条件可以得到有效保持。除离心机外，所用材料成本低廉，该方法可广泛应用于多种地球化学和地球微生物学研究问题。

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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" 在这块胶合板中。
  3. 在一块约2英尺×1.5英尺的胶合板中心，使用孔锯钻一个略大于岩心衬管外径的孔。对于直径为10 cm的岩心衬管，钻取直径10.5–11.5 cm的孔较为合适。该木板即为岩心导向板。
  4. 核心挤出器（柱塞）的制备
    1. 获取一个能紧密贴合在岩心衬管内部的橡胶实验室塞子。若无合适尺寸，可使用剃刀将其削至合适大小。切勿使用过小的塞子。
    2. 将实验室塞子拧到一根长约1'-1.5'、直径为1的管子上" 直径为 dowel 或扫帚柄。用防水电工胶带覆盖塞子正面的螺丝头部。
      注意：塞子较大的一侧应朝向远离销钉的方向。
  5. 将一段长约1.5英尺的PVC管切割成约6段" 长片段
    注意：内径应大于步骤 1.4.2 中的圆柱销，但小于步骤 1.4.1 中的塞子。本方案假设使用标准 2" 外径为2.375的PVC"这些PVC部件是核心延长件。
  6. 组装材料清单中列出的所有其他所需设备。
    注意：应在本地实验室收集并带至野外实验室。

2. 建立野外实验站

  1. 搭建手套袋
    1. 将核心导向板夹紧在工作台面（台面、实验台表面）上 等等。确保岩心衬管的孔洞位于工作台面上方，但保持开口状态。
    2. 将一次性手套袋套在核心导向板上，并将手套袋的管路入口端的管路连接至氮气调压阀2 储液罐。确保使用气瓶台钳将储液罐安全固定。
    3. 用胶带将管路固定在手套袋上，用电工胶带围绕管路外部缠绕手套袋的入口处，以密封该入口点。确保约8" 一段管路伸入手套袋内部。将管夹滑至手套袋内的管路上，并保持该管夹处于打开状态。
    4. 剪切一个 "X" 在手套袋底部的核心导向板孔洞上方，使用美工刀或直刃剃刀划出一个“X”形切口。该“X”形切口应小于核心衬管的直径。
    5. 将手套袋中放置以下物品： 表1.
  2. 建立核心装置
    1. 将实验室千斤顶放置在手套袋固定位置下方的工作区域地面处。将岩心穿过 "X" 在步骤 2.1.4 中，于手套袋底部进行切割，并保持其直立位置。
      注意：约 4-6" 核心的末端应高于核心稳定板。
    2. 固定核心部分，以便研究员2执行步骤2.2.3至2.2.6。
    3. 将核心部分用胶带固定在塑料手套袋周围 "X"，使用大量优质的密封电工胶带。
    4. 将核心挤出器的手柄插入2" 直径，约6" 长PVC间隔管，后接一个约3" 长接头连接，后接另一个间隔件。重复此模式，直至PVC完全覆盖手柄；PVC可略微超出手柄末端一小段距离。将核心挤出器（带PVC间隔件和接头）放置在核心底部下方。
    5. 使用实验室千斤顶支撑核心挤出器，以便挤出器能够支撑岩心。此时，应尽量降低千斤顶高度，并尽可能使用岩心间隔垫片。
    6. 使用美工刀小心地沿底部岩心帽周围切割。切割后，应在岩心衬管外侧留下一圈环状的岩心帽，同时在岩心材料端面保留一个平整的圆形岩心帽部分。
    7. 将双手插入手套袋中（研究人员1）。固定住岩心，防止其在岩心稳定板上方进一步移动，同时研究人员2开始缓慢转动实验室千斤顶以抬升岩心。岩心推出器应进入岩心衬管，并像推雪糕一样开始将沉积物向上推出。
    8. 如有需要，可轻轻左右晃动芯体推出器以将其插入芯体衬管（研究员2）。插入时应留意可能会有轻微的弹响。
    9. 继续上推岩心，直至岩心顶部到达或接近岩心筒衬管顶端（研究人员1和2）。注意，在此过程中岩心帽应始终保持在岩心顶部。
  3. 密封手套袋
    1. 仔细检查所有必需的物品是否均已放入手套袋中；开启便携式氧气检测仪。
    2. 打开所有离心管、水瓶及其他含有滞留空气的物品。如果岩心样品中存在积水上方的顶空，应打开顶部盖子以排出该顶空。
    3. 打开调节阀，使氮气以适中流速通过管道进入手套袋。通常情况下，当所有阀门均打开时，最后一级调节阀的压力约为15 psi较为合适。
      注意：风速应足够快，以使皮肤感觉像有强风拂过，但又不能过强，以免吹散手套袋中的物品。
    4. 将氮气吹入手套袋的各个区域，并尽量从主开口处排出氮气。关闭氮气。
    5. 重复步骤 2.3.6 至 2.3.9，共进行三次，以对手套袋进行三次净化。
      注意：一个人也可以完成此操作，但由两人协作可能更为方便，以便其中一人可将双手保持在手套袋附带的手套中。
    6. 用1-2根弹力绳将手套袋的主开口缠绕数圈以密封。打开氮气，调节至与2.3.3步骤相似的流速。将研究人员1的手伸入手套袋的内置手套中。
    7. 将氮气管从袋内一个区域移动到另一个区域，以使手套袋充满氮气。将管口指向任何缝隙处，例如已打开的离心管、喷瓶中水面以上区域等。 等等。
    8. 关闭氮气，即关闭导管夹。注意，此操作可在不将研究者1的手移出手套袋的情况下完成。
    9. 打开手套袋的前部，利用研究人员1的身体尽可能将袋内的气体排出。
      注意：此时袋子内部的物品周围应保持平整。
    10. 用夹子关闭氮气管路，将手套袋充气至适宜压力。可能需要经过几次尝试才能找到合适压力，因为充气过满会导致手臂活动困难，而充气不足则会影响视野和操作物体。若发现手套袋有缓慢漏气或因其他原因逐渐变空，可短暂打开氮气管路夹子进行补气。若袋内压力过高导致不适，可打开袋体前部释放少量氮气。
    11. 使用便携式氧量仪检测溶解氧水平，应低于1%。
    12. 将手套袋内的手套套上一次性手套，以提高操作灵活性。一旦手套变脏或破损，应立即更换，并丢弃至袋内废弃物容器中。

3. 芯样切片

注意：此步骤由两名研究人员协作完成更为简便。

  1. 使用注射器移除积水。用注射器滤器过滤该水样，并转移至50 ml离心管中。
  2. 取出一段岩心
    1. 将岩心切割环置于岩心衬管顶部上方。将岩心向上提升（步骤3.3），直至沉积物顶部与切割环顶端齐平。
    2. 将岩心切片刀插入岩心衬管顶部与切割环之间。此时沉积物段已位于切片刀上方。
    3. 使用一次性勺子将沉积物转移至50 ml离心管中。装满后立即盖紧管盖。
    4. 用超纯水冲洗岩心切片刀和岩心切割环；将冲洗产生的废液挤入手套箱内的废液容器中。一次性勺子可根据使用数量决定冲洗后重复使用或丢弃。用纸巾将岩心切片刀和岩心切割环擦干。
    5. 重复步骤3.2，直至无剩余岩心材料。
  3. 提升岩心
    1. 在执行步骤3.2过程中需持续提升岩心。使用实验室千斤顶以小幅度逐步提升。当千斤顶完全伸展后，执行以下三个步骤。
    2. 在手套箱内用手固定岩心位置（操作者1）。
    3. 将实验室千斤顶降至最低位置（即完全压缩状态）（操作者2）。确保岩心在手套箱内由操作者1的手固定，同时操作者2的手从下方提供支撑。
    4. 在岩心推出装置底端与千斤顶之间填充PVC垫片和连接件。在松开岩心顶部前，确保岩心已由岩心延长装置牢固支撑。

4. 提取孔隙水

  1. 打开手套袋，取出离心管架。
  2. 根据需要清理手套袋，使用纸巾和水擦拭内部，去除任何土壤、液体或冷凝物。 等等。 清空废液容器。
  3. 用弹力绳将手套袋 loosely 重新密封。
  4. 称量已装有切片沉积物的离心管（如需要）。
  5. 用电工胶带包裹离心管管口，以密封管盖与管身的连接处。
  6. 用胶带固定后称量离心管以平衡重量。通过增减电工胶带，使各管重量差异控制在0.5 g以内。
    注意：通常情况下，岩心顶部取出的管子颜色较浅，而底部取出的管子颜色较深。
  7. 将试管放入离心机，以最大加速度离心20分钟（推荐1,100 × g）。
    注意：更高的离心速率将有助于更充分地分离孔隙水。
  8. 离心结束后，将离心管从离心机中取出，放回试管架，并返回手套袋中。在将离心管返回手套袋之前，用刀片切割或撕去离心管上的电工胶带。
  9. 在手套袋中添加另一套离心管、注射器和注射器滤器。这些新离心管用于盛装孔隙水，可预先贴好标签。
  10. 再次按照步骤2.3.5排空手套袋。如果手套袋仅短暂打开以取出试管，且未进行清洁，则排空两次即可接受。如果使用了氧气监测仪，需确保手套袋内的气氛达到 <1% O₂2不要忘记打开新添加的离心管并排空。
  11. 将手插入手套袋中的手套内；与之前相同，再戴上一次性手套。
  12. 打开一个管子。使用注射器移除沉积物上方的孔隙水，然后在注射器尖端安装一个注射器滤器。如果孔隙水与沉积物已充分分离，可将孔隙水直接倒入已移除筒身、尖端装有注射器滤器的注射器中。
  13. 将水通过注射器滤器推入相应的离心管中。
    注意：需要施加一定力度；每个样品可能需要使用多个注射器滤器。
  14. 更换含有沉积物的离心管和含有孔隙水的试管的管盖。
  15. 对每个样本重复步骤 4.13 至 4.15。
  16. 打开手套袋并取出样品。可对沉积物和孔隙水试管重新称重。
  17. 若需要，立即分析孔隙水。分析可包括（但不限于）主要离子的离子色谱法11，用于铁形态分析的菲罗嗪12，伏安法砷形态分析13，以及硫化物形态分析14.
  18. 将孔隙水和沉积物在干式液氮运输罐（约 -80 °C）中冷冻，以保存化学形态，供后续分析使用（若计划的分析方法需要）。也可将样品置于密封容器中或氮气吹扫的铝箔袋中低温保存，视具体情况而定。
  19. 如需，可重复使用手套袋进行第二个岩心采样（从2.2.2步骤开始）。完成两个岩心采样后，通常需要更换手套袋。

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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，...

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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...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究部分得到了美国国家科学基金会快速响应研究计划（NSF-1048925、1048919 和 1048914）对 Alison Keimowitz、Ming-Kuo Lee、Benedict Okeke 和 James Saunders 的资助。

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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-AldrichZ106089-1EA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VWR55850-478或类似产品
若干英尺可适配减压阀的软管VWR89403-862或类似产品
用于固定气罐的安全装置VWR60142-006
可调节软管夹VWR62849-112
防水且密封性良好的电工胶带ScotchSuper 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VWR16650-082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VWR21008-951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-CoulterAllegra 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-CoulterSX-4250
50 ml 塑料注射器（筒身无黑色橡胶头）VWR66064-764 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VWR28143-310 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VWR13890-148
实验室天平VWR10205-008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）VWR82005-416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Watermark77280可从Forrestry Suppliers公司购买
岩心端盖Ben Meadows218105
岩心切割器McMaster Carr8707K111将其切割成9个3×3的方块
PVC间隔管McMaster Carr48925K96切割成短段使用
PVC接头McMaster Carr4880K76大约需要12个
木销广泛可得
实验室塞子VWR59580-400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VWR89260-826
夹具广泛可得
便携式氧气监测仪RKI instrumentsOX-07

参考文献

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