大西洋与印度洋中231 Pa/230 Th比值的分布特征及其对海洋环流代用指标的挑战

本研究针对231 Pa/230 Th比值作为古海洋环流代用指标的假设缺陷，通过对比大西洋、印度洋和太平洋的水体及沉积物数据，发现该比值与水体年龄无显著相关性，揭示了颗粒物组成和清除强度的主导作用，对传统古环流重建方法提出重要修正。

　　

海洋中的放射性同位素²³¹
Pa和²³⁰
Th长期以来被用作重建古海洋环流和古生产力的"地质温度计"。这两种核素由铀同位素衰变产生，因其颗粒吸附特性（即可逆清除作用）而被广泛应用。传统理论认为，由于²³¹
Pa的水柱停留时间（100-200年）显著长于²³⁰
Th（20-40年），其比值应随水团年龄增加而升高，从而反映深层环流强度。这一假设支撑了数十年来对大西洋经向翻转环流（AMOC）历史变化的解读，特别是在解释末次冰期气候事件中发挥了关键作用。

然而，这一理论体系正面临根本性质疑。越来越多的证据表明，²³¹
Pa/²³⁰
Th比值可能同时受颗粒物组成、边界清除强度等多种因素干扰。特别是在现代海洋观测中，该比值与已知水团年龄的对应关系始终未能得到充分验证。这种认知缺口直接影响到我们对古气候记录的解释可靠性——我们究竟是在追踪真实的环流变化，还是仅仅记录了局地清除过程的波动？

为解答这一关键问题，来自美国哥伦比亚大学等机构的研究团队在《Quaternary Science Reviews》发表了开创性研究。研究人员系统采集了大西洋和印度洋的水体样本及沉积物岩芯，结合已有太平洋数据，首次实现了三大洋区²³¹
Pa/²³⁰
Th比值的跨盆地对比。通过高精度质谱分析，团队获得了溶解相和颗粒相核素活度数据，并运用OCIM（海洋环流同位素模型）进行水团年龄模拟。

关键技术方法包括：1）GEOTRACES计划标准采样流程获取全深度水体样本；2）铁氢氧化物共沉淀与阴离子交换色谱分离纯化Pa/Th同位素；3）电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定同位素比值；4）沉积物初始过剩活度计算中考虑陆源贡献和自生铀影响；5）结合World Ocean Atlas水文数据识别水团边界。

研究结果揭示了一系列挑战传统认知的发现：

【水柱²³¹
Pa/²³⁰
Th特征】
大西洋西北部和印度洋西部深层水的溶解²³¹
Pa/²³⁰
Th比值惊人相似（0.35-0.75），尽管两者水团年龄相差2-8倍。更关键的是，沿北大西洋深层水（NADW）传输路径，该比值未显示预期的随年龄增长趋势。在印度洋，尽管²³¹
Pa_xs
和²³⁰
Th_xs
活度向北递减，但其比值却保持恒定，表明清除过程对两种核素的去除效率相当。

【沉积记录空间格局】
大西洋与印度洋全新世沉积物的²³¹
Pa/²³⁰
Th比值分布高度相似（0.02-0.2），最高值出现在高生产力边缘海区（如阿拉伯海西北部达0.14）和南大洋硅藻带（最高0.256）。这种空间模式更符合清除强度梯度而非环流路径，特别是比值与水深呈负相关（浅水区比值更高），与边界清除理论预测一致。

【水团年龄相关性缺失】
OCIM模型显示大西洋深层水年龄梯度为100-400年，印度洋达700-800年，但溶解²³¹
Pa/²³⁰
Th比值与模拟年龄无显著相关性（r=-0.21）。最古老的北太平洋深层水（>1000年）比值仍与大西洋相当，彻底否定了比值随年龄累积的假设。

在讨论环节，作者提出了颠覆性解释：颗粒物组成（F值）和清除强度才是控制²³¹
Pa/²³⁰
Th比值的主导因素。通过大西洋颗粒物数据验证，发现溶解相与颗粒相比值存在稳定分馏关系（平均F=9），但在硅藻富集区（F→1）或锰结核区（F>35）会产生显著偏离。这解释了为何南大洋硅藻带成为²³¹
Pa的"陷阱"，以及为何边缘海区沉积物比值异常升高。

该研究的结论深刻改变了我们对海洋放射性核素示踪原理的理解：
1）²³¹
Pa/²³⁰
Th比值不能作为水团年龄或环流强度的独立代用指标；
2）古环流重建必须结合多指标（如ε_Nd
、δ¹³
C）以区分清除效应与真实环流信号；
3）冰期北大西洋沉积物比值升高可能反映硅藻生产力增加（F值降低），而非AMOC减弱。

这项研究为古海洋学领域树立了新的方法论标杆，其价值不仅在于纠正长期存在的认知偏差，更开创性地建立了颗粒物效应定量评估框架。未来研究需结合放射性核素箱式模型与沉积物地球化学指标，才能准确解译地质记录中的环流变迁信息。正如审稿人所言："这项工作终结了一个时代的简单假设，开启了海洋示踪剂研究的新篇章。"