浅水碳酸盐岩作为表层海水镍同位素(δ60Ni)记录载体的保真性评估

本研究针对古海洋镍生物地球化学循环重建的关键难题，通过分析巴哈马滩现代碳酸盐岩的镍同位素(δ60Ni)分馏特征，首次系统评估了浅水碳酸盐岩记录表层海水镍同位素组成的保真性。研究发现初始沉积存在0.1-0.4‰的轻同位素分馏，并揭示不同成岩作用对原始信号的改造规律，为利用碳酸盐岩重建地球历史关键时期的镍供需动态提供了重要方法论基础。

　　

【研究背景】
地球与生命的协同演化过程中，镍(Ni)作为参与碳、氮、氧循环的关键生物必需金属，其海洋生物可利用度的变化深刻影响着早期生命演化轨迹。尽管前人已建立有机质富集沉积物记录深部海水镍同位素(δ⁶⁰Ni)的方法，但表层海水镍同位素记录的可靠载体尚未明确。浅水碳酸盐岩因其时空分布广泛且能同时记录多元素同位素(如δ¹³C、δ⁶⁶Zn)的特性，成为潜在理想载体。然而，碳酸盐岩在沉积和成岩过程中镍同位素的分馏机制及其保真性仍属未知领域。

【研究方法】
由美国团队主导的研究选取巴哈马滩现代碳酸盐平台为研究对象，采用多指标联用策略：通过电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定镍含量([Ni])，多接收器ICP-MS(MC-ICP-MS)分析δ⁶⁰Ni组成，结合X射线衍射(XRD)矿物定量和主微量元素分析。样本涵盖初始沉积(<18 cm浅层岩芯)及经历大气淡水成岩、海水埋藏成岩和白云石化等不同改造程度的碳酸盐岩，包括著名的Clino和Unda钻孔样品。

【研究结果】

1. 浅层滩顶沉积岩芯
   初始沉积碳酸盐岩δ⁶⁰Ni值(1.11-1.61‰)较推测的巴哈马海水(1.4-1.7‰)轻0.1-0.4‰，镍含量0.30-1.36 ppm。文石比例与δ⁶⁰Ni呈负相关，暗示矿物相控制初始分馏。

2. 非碳酸盐包裹体影响
   通过酸溶实验证实90%以上镍赋存于碳酸盐矿物晶格中，排除了碎屑或有机质吸附镍对信号的显著干扰。

3. 成岩作用影响
   大气淡水成岩使δ⁶⁰Ni进一步降低0.2-0.3‰，归因于轻同位素流体的加入；而经历沉积物缓冲的海水成岩样品(通过Ca同位素和Sr/Ca比验证)则保持初始δ⁶⁰Ni信号。白云石化样品显示δ⁶⁰Ni与Mg/Ca比无关，表明白云石化过程未引发显著再分馏。

4. 敏感性对比模型
   镍同位素对成岩重置的敏感度与Ca同位素和Sr/Ca比相当，建议将后两者作为δ⁶⁰Ni保真性的诊断指标。

【结论与意义】
该研究首次系统阐明浅水碳酸盐岩中镍同位素的双阶段分馏规律：初始沉积产生轻同位素偏好，而大气淡水成岩会进一步扰动原始信号。重要的是，证实经历沉积物缓冲的海水成岩碳酸盐岩能有效保存表层海水δ⁶⁰Ni信号。这一发现为重建地球历史关键转折期(如大氧化事件、雪球地球事件)的镍生物利用度变化提供了新工具，通过对比同期浅水与深水沉积物的镍同位素记录，未来可解析古海洋镍循环格局及优势生物群落演变。研究还定量估算现代碳酸盐沉积仅移除了海洋总镍输出的<10%，对全球镍预算影响有限。论文发表于《Geochimica et Cosmochimica Acta》，为古海洋金属循环研究开辟了新维度。