新生代期间，太平洋深渊沉积物对海水中钾（K）和镁（Mg）的吸附作用

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Pacific abyssal sedimentary sinks of seawater K and Mg through the Cenozoic

钾和镁通量；深海沉积物；反向风化；火山灰；多变量统计；硅质沉积物；碳酸盐沉积物；化学分离；地球化学过程；Cenozoic气候变化

　　本研究探讨了海洋自生黏土形成对全球海洋钾（K）和镁（Mg）预算的潜在影响。科学家们通过分析来自太平洋深海沉积物的约2000个样本，利用多元统计方法来评估这些沉积物中来自尘埃、火山灰以及“过剩”钾和镁的含量。研究结果揭示了在新生代时期，太平洋不同区域的海洋沉积物中存在多种类型的火山灰，并且这些火山灰在海洋化学和地质学中的分布具有一定的规律性。然而，研究还指出，仅靠大陆和火山来源无法完全解释沉积物中所含的钾和镁，因此推测这些“过剩”的元素可能来自海水。这一发现对于理解海洋化学循环和地球系统中的元素平衡具有重要意义。

海洋自生黏土的形成是平衡海洋中溶解阳离子和碱度的重要机制之一。这一过程被称为逆风化，最初在20世纪60年代被提出，但当时由于缺乏实证支持，被认为是一个次要的元素去向。随着海底热液喷口的发现，这一过程被认为是能够帮助平衡海洋预算的新机制之一。然而，尽管近年来在实验室实验、矿物学研究和孔隙水分析方面取得了一些进展，但关于海洋自生黏土如何影响碳循环以及其在气候调节中的作用仍存在诸多不确定性。因此，科学家们希望通过本研究，进一步厘清海洋自生黏土在元素循环和全球气候变化中的具体角色。

本研究的一个关键挑战在于区分沉积物中来自碎屑矿物（如尘埃或火山灰）的钾和镁与来自海水的钾和镁。在深海沉积物中，由于碎屑矿物的混入和生物物质的稀释作用，自生矿物通常含量较低。在开放海域，碎屑矿物和自生矿物的粒径及成分相近，使得两者的分离变得困难。此外，即使能够区分自生矿物和碎屑矿物，自生矿物也可能继承来自碎屑矿物、海水或两者共同的钾和镁。因此，如何准确量化自生矿物中钾和镁的来源，成为研究的核心问题之一。

研究团队通过多元统计方法，对来自太平洋深海的约2000个低碳酸盐沉积物样本进行分析，以确定其中尘埃和火山灰的含量。接着，他们评估了在排除碎屑贡献后，剩余的钾和镁是否可以归因于海水来源。研究结果表明，某些样本中“过剩”的钾和镁含量较高，这些样本同时也富含生物成因的二氧化硅和/或铁-锰氧化物。这说明在某些沉积物中，海水中的钾和镁可能通过特定的矿物形成过程被固定下来。通过初步计算和全球海底的扩展，研究团队估计了现代地质时期海水中的钾和镁进入富含二氧化硅的深海沉积物的通量，分别为0.032 ± 0.027 Tmol K/yr和0.067 ± 0.058 Tmol Mg/yr。

研究还发现，钾和镁的吸收速率似乎具有一定的间歇性，并且受到局部条件和沉积速率的影响。大多数样本显示，从海水中吸收的钾和镁含量相对较低，但整体趋势表明，从新生代早期到现代，这种吸收过程呈现出逐渐减少的趋势。如果这些钾和镁是通过逆风化反应进入海洋自生黏土的，那么这一趋势支持了逆风化过程在新生代期间的减弱。这一发现对于理解海洋化学循环和全球气候变化的长期趋势具有重要意义。

在分析海洋自生黏土的来源时，研究团队关注了多个元素，包括镧（La）、钪（Sc）、钍（Th）、钒（V）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）、锆（Zr）、铪（Hf）、铷（Rb）和铬（Cr）。这些元素在深海黏土中通常显示出显著的富集，这与来自氢化或热液来源的碎屑矿物相比更为明显。然而，这些元素的浓度也可能受到其他因素的影响，例如沉积物的粒径分选、搬运过程中的物理化学作用以及局部的矿物形成反应。因此，研究团队在分析过程中，特别关注了这些元素在沉积物中的变化趋势，以区分不同来源的贡献。

研究团队还探讨了影响海洋自生黏土化学成分的四个主要过程：来源、风化强度、搬运过程中的粒径分选以及自生反应。他们假设，在深海环境中，粒径的均一性足以排除粒径分选对元素比例的主要影响。首先，研究团队分析了自生黏土的来源，然后探讨了风化和自生反应对元素含量的影响。通过这些分析，研究团队试图揭示不同来源对海洋自生黏土中钾和镁含量的贡献。

研究的最终目标是通过分析太平洋深海沉积物中钾和镁的吸收趋势，评估其在全球海洋化学循环中的作用。研究团队认为，这一研究不仅有助于理解海洋自生黏土的形成机制，还可能为未来的研究提供指导，特别是在局部来源模型、矿物学特征分析、同位素研究以及其他工具的应用方面。通过这些方法，科学家们希望能够更深入地揭示去除海洋中钾和镁的反应过程，并进一步探讨其对全球气候和海洋化学循环的影响。

研究团队在数据处理过程中，首先对来自太平洋深海的约2000个低碳酸盐沉积物样本进行了全面的分析，这些样本涵盖了多个地质时期和不同的沉积环境。通过多元统计方法，他们能够识别出这些样本中来自碎屑矿物的含量，并进一步区分出可能来自海水的“过剩”元素。这一方法不仅提高了数据处理的准确性，还为理解海洋自生黏土的形成过程提供了新的视角。

研究还发现，某些沉积物中“过剩”的钾和镁含量较高，这可能与这些沉积物中同时存在的生物成因二氧化硅和/或铁-锰氧化物有关。这表明，在某些沉积物中，海水中的钾和镁可能通过特定的矿物形成过程被固定下来。这种固定过程可能受到局部环境条件的影响，例如水体的化学组成、温度、压力以及生物活动等因素。因此，研究团队认为，理解这些因素对海洋自生黏土中钾和镁含量的影响，是进一步揭示海洋化学循环机制的关键。

研究团队在分析过程中，还考虑了不同类型的自生矿物形成机制。例如，自生矿物可能通过封闭系统中的溶解-再沉淀过程形成，也可能通过不完全风化过程在陆地或海底形成。这些过程可能对元素的吸收和释放产生不同的影响，例如，某些过程可能导致元素的净吸收，而另一些过程可能导致元素的净损失。因此，研究团队认为，准确量化这些过程对元素吸收的影响，是理解海洋自生黏土在元素循环中的作用的重要前提。

研究的结论指出，区分海洋自生黏土中来自海水的钾和镁与来自尘埃或火山灰的钾和镁，一直是限制海洋钾和镁预算以及逆风化过程规模的关键问题。通过本研究的统计方法，研究团队对一个包含2015个样本的大规模多元素数据集进行了分析，以区分不同来源对钾和镁含量的贡献。研究结果表明，自生矿物中的钾和镁含量可能受到多种因素的影响，包括来源、风化强度、搬运过程以及局部的化学环境。这些因素的综合影响，使得研究团队能够更准确地估算海水中的钾和镁进入深海沉积物的通量，并进一步探讨其在全球海洋化学循环中的作用。

研究团队还指出，这一研究虽然不能直接证明钾和镁是通过逆风化反应进入海洋自生黏土的，但它为未来的研究提供了重要的指导。未来的研究可以更加关注局部来源模型、矿物学特征分析、同位素研究以及其他工具的应用，以进一步揭示去除海洋中钾和镁的反应过程。这些研究将有助于更全面地理解海洋化学循环的机制，并为全球气候变化的预测提供科学依据。

此外，研究团队在研究过程中得到了多个机构的支持，包括深海钻探项目（DSDP）、海洋钻探计划（ODP）、综合海洋钻探计划（IODP）以及国际海洋发现计划（IODP）。这些机构提供了重要的样本数据，使得研究团队能够对海洋自生黏土的形成和元素来源进行深入分析。同时，研究团队还感谢了多位评审专家和同行的评论，这些反馈对研究的完善起到了重要作用。

研究团队认为，海洋自生黏土的形成不仅对元素的循环具有重要意义，还可能在气候调节中发挥关键作用。例如，自生黏土的形成可能通过吸收碳元素来影响碳循环，从而对全球气候产生一定的调节作用。然而，目前关于这一机制的具体作用仍存在诸多不确定性，因此需要更多的研究来进一步验证。研究团队希望通过本研究，为未来的研究提供新的思路和方法，以更全面地理解海洋自生黏土在元素循环和全球气候变化中的作用。

研究的最终目标是通过分析太平洋深海沉积物中钾和镁的吸收趋势，评估其在全球海洋化学循环中的影响。研究团队认为，这一研究不仅有助于理解海洋自生黏土的形成机制，还可能为未来的研究提供重要的指导，特别是在局部来源模型、矿物学特征分析、同位素研究以及其他工具的应用方面。通过这些方法，科学家们希望能够更深入地揭示去除海洋中钾和镁的反应过程，并进一步探讨其对全球气候和海洋化学循环的影响。