海洋沉积物中氧化孔隙水的Nd同位素组成及其作为过去水体代用指标的潜力

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：The Nd isotope composition of oxic pore waters of marine sediments and implications for its use as a past water mass proxy

新鍘同位素（εNd）在深海环境中记录底层海水组成及氧化还原条件的可靠性研究，通过对比北大西洋和北太平洋孔隙水、底层海水及authigenic相的εNd值，发现表层（<10cm）各相εNd一致（偏差<1），表明authigenic相可靠保存海水信号；深层因颗粒-溶解相互作用可能产生εNd偏移，但需>1单位方可视为古信号。benthic fluxes贡献的Nd通量较小（-0.2到-3.3 pmol cm?2 yr?1），远低于边缘海，提示深海对全球Nd循环影响有限。

　　这是一项关于海洋沉积物中钕（Nd）同位素特征（ε_Nd）及其与深海循环关系的研究。研究团队通过分析北大西洋东北部和北太平洋中部的海洋沉积物的孔隙水、底部海水和沉积物相的钕同位素特征，探讨了这些特征在重建过去深海环流中的可靠性，以及在何种环境条件下，这些特征可能被改变或被其他过程覆盖。这项研究是首次在开放海域获得完整的氧化孔隙水、底部海水和沉积物相的钕同位素数据集，从而为深海区域的钕循环和稀土元素与钇（REY）的交换提供了重要的信息。

研究区域的特征是低有机碳含量、低沉积速率和氧化条件。在北大西洋东北部，孔隙水中的ε_Nd值（-9.8至-12.8）与对应的底部海水和沉积物中的自生相及碎屑相的ε_Nd值非常接近，表明在这些地区，自生相能够可靠地记录底部海水的钕同位素特征。而在北太平洋中部，孔隙水中的ε_Nd值（-3.5至-5.4）与底部海水和自生相的特征一致，但相对于碎屑相的特征向更放射性（更接近-3.5）的方向偏移了4.5至6个单位。这一发现表明，即使在氧化条件下，自生相中的钕同位素特征也可能受到不同因素的影响。

研究中提到，钕的同位素特征在不同沉积物相之间以及孔隙水和底部海水之间的一致性，可能是由于钕从水体中通过吸附过程进入沉积物，随后在表层沉积物的孔隙水中释放，并通过底部通量重新回到水体中。这种通量在氧化条件下相对较小，因此对底部海水的钕浓度和同位素组成影响不大。然而，在某些区域，如北大西洋的Porcupine Abyssal Plain（PAP）和Iberian Abyssal Plain（IAP），孔隙水和自生相的特征在较深的位置表现出明显的变化，这可能与早期成岩过程中发生的氧化还原反应有关。

研究还发现，在北大西洋和北太平洋的表层沉积物中，孔隙水和自生相的钕同位素特征一致，这表明在这些区域，自生相能够准确记录底部海水的特征。然而，孔隙水和自生相的特征在更深层的沉积物中可能会发生变化，这可能是因为沉积物中的有机物分解和pH值的变化导致钕的释放和重新吸附。这种现象在北大西洋的PAP和IAP地区都有体现，特别是在超过一定深度后，孔隙水和自生相的特征开始向更放射性方向偏移，这可能与沉积物中的氧化还原条件变化有关。

研究团队还分析了沉积物中稀土元素与钇（REY）的浓度和分布模式，发现这些模式与底部海水非常相似，表明钕可能通过吸附在颗粒物上从水体中进入沉积物。此外，研究中还考虑了沉积物中不同相的钕同位素特征，如自生相和碎屑相，并发现这些相的特征在某些情况下可能与底部海水特征一致，而在其他情况下则表现出显著的差异。

通过比较不同研究区域的钕通量，研究团队发现，深海区域的钕通量比近岸和边缘海区小几个数量级。这表明，边缘海区可能是钕进入海洋的主要来源，而深海区域的贡献相对较小。研究还指出，当前的分析方法和技术限制，使得在低浓度钕区域获取精确的同位素数据存在挑战，这也意味着需要更多的研究来准确评估深海区域的钕循环和同位素特征。

研究结果为理解钕同位素在海洋沉积物中的记录机制提供了重要线索。特别是在氧化条件下，沉积物中的自生相能够可靠地记录底部海水的特征，这对于重建过去的深海环流具有重要意义。然而，当孔隙水和自生相的特征变化超过1个ε_Nd单位时，这些变化可能反映了底部海水特征的变化，而不是沉积物内部过程的干扰。因此，研究结果强调了在氧化条件下，自生相能够可靠地记录深海水体的钕同位素特征，这对于地质时期的深海环流研究具有重要价值。

此外，研究还探讨了不同沉积物相对钕同位素特征的影响，发现碎屑相的钕同位素特征通常与自生相不同，这可能是因为碎屑相来自不同的陆源材料。在北大西洋，碎屑相的钕同位素特征与自生相相近，而在北太平洋，自生相的特征更为放射性，这可能与区域性的沉积物来源有关。

研究结果表明，深海区域的钕通量和同位素特征的变化主要受到早期成岩过程中发生的氧化还原反应的影响。在某些情况下，这些变化可能反映了水体的混合或输入，而在其他情况下，可能是由于沉积物中不同相之间的相互作用。总体而言，研究团队的发现为未来在深海区域进行钕同位素和REY循环的研究提供了重要的参考，并有助于更准确地解释过去深海环流的变化。

研究还指出，由于沉积物的氧化条件和低沉积速率，深海区域的钕同位素特征在某些情况下能够很好地保存，这对于使用沉积物记录过去的水体特征至关重要。然而，在高纬度区域，如南极洲附近，由于沉积物来源的差异，可能会出现不同的钕同位素特征，这需要进一步的研究来确认。

研究的结论强调了深海区域在钕循环中的重要性，但也指出其对全球海洋钕预算的贡献相对较小。因此，未来的研究需要更多关注边缘海区，因为这些区域可能是钕进入海洋的主要来源。同时，研究团队也建议，需要更多的综合分析，以更好地理解钕在海洋沉积物中的循环过程及其对深海环流重建的可靠性。