北极海洋中铁锰壳中精炼的Os同位素地层学研究及其对晚中新世以来极地环境变化的启示

《Sedimentary Geology》：Refined Os isotope stratigraphy of ferromanganese crusts from the Arctic Ocean and implications for polar environmental change since the late Miocene

北极地区四个铁锰结壳的Os同位素比值及元素组成分析显示，结合Be同位素年龄标定，可精确重建晚中新世至全新世气候与环境变化，包括冰期一间冰期交替与Fram Strait扩张引发的洋流改变。

　　本研究聚焦于北极地区长期环境演变的历史，主要通过分析氢生成的铁锰氧化物壳层（Fe-Mn crusts）中的锇（Os）同位素组成，以期建立更精确的地质年代框架。这些壳层主要形成于深海环境，其生长速率缓慢，通常为1至10毫米/百万年（mm/Myr），因此成为研究海洋化学变化、大陆风化作用及其他古环境条件的重要档案。然而，由于北极地区深海沉积记录的稀缺，特别是缺乏足够的微化石来确定沉积物的年代，传统的年代测定方法存在局限性。为此，研究团队采用了一种创新的方法，即通过对比壳层中的锇同位素比值与新生代海水的锇同位素曲线，结合铍（Be）同位素年龄数据，以提高对北极地区晚中新世和更新世时期环境变化的年代分辨率。

北极洋是全球最小的海洋，其地理特征决定了它独特的水文和沉积模式。北极洋被分为两个主要盆地——欧亚盆地和亚美盆地，二者通过隆姆索夫岭（Lomonosov Ridge）相隔。北极地区的河流输入量占全球河流总输入量的约11%，而广阔的大陆架则占北极洋总面积的54%。在北极洋的各个区域，海水的化学成分和物理特性受到不同水体输入的影响。例如，切库里海（Chukchi Sea）受到来自太平洋的较淡、较冷且富含营养的水流影响，这些水流通过白令海峡（Bering Strait）进入北极洋。而欧亚北极地区则主要受到来自北冰洋的暖而咸的北大西洋水流影响，这些水流通过巴伦支海通道（Barents Sea Opening）和弗拉姆海峡（Fram Strait）进入欧亚盆地。北极洋的水体结构具有明显的分层现象，表层水体因盐度差异而呈现低温和低盐度特征，而在海冰形成过程中，高密度的卤水会在大陆架上形成，并推动底部水体向海区深处移动，形成卤水层（halocline）。

在北极洋中，铁锰氧化物壳层的形成主要依赖于深水环境的化学条件。由于北极洋的深水主要通过弗拉姆海峡与大西洋交换，因此这些壳层的矿物成分和化学组成主要来源于大西洋。然而，壳层的形成过程也受到冰川搬运的陆源碎屑物质的影响，这种影响会随时间而变化。壳层内部的结构通常包含两个不同的生长速率过程：一种是缓慢的氢生成铁锰氧化物基质的形成，另一种是由于冰川搬运作用而引起的陆源碎屑物质的快速输入。这种双重的形成机制使得壳层成为研究北极洋环境变化的重要工具。

研究团队选取了四个不同的地点采集铁锰氧化物壳层样本，分别是北风岭（Northwind Ridge）、门捷列夫岭（Mendeleev Ridge）、基尼皮奇岭（Knipovich Ridge）和沃林斯普（Voring Spur）。这些样本的水深范围从1300米到3851米不等，涵盖了北极洋不同深度的环境条件。通过将样本划分为2至5毫米厚的子层，研究团队能够更细致地分析这些子层的化学和同位素组成。研究结果显示，锇同位素比值和浓度在不同子层之间表现出明显的年代变化趋势，这为北极洋的环境演变提供了新的视角。

锇同位素比值的变化可以反映海水化学成分的长期变化，这些变化与北极地区的气候趋势密切相关。例如，晚中新世的降温、早到中更新世的升温以及更新世北方冰盖的形成，都可能在铁锰氧化物壳层的化学组成中留下痕迹。研究团队通过对比壳层中的锇同位素比值与新生代海水的同位素曲线，确定了这些壳层的年代。这一方法的成功应用，使得研究团队能够更精确地重建北极洋的古环境变化，并为未来的地质年代研究提供新的数据支持。

此外，研究还发现，一些元素如钛（Ti）、钡（Ba）、铀（U）、稀土元素（REE）、钇（Y）、铌（Nb）、铪（Hf）、镉（Cd）、锆（Zr）和镍（Ni）在空间上表现出相似的行为，而另一些元素如铁（Fe）、钒（V）、砷（As）和钙（Ca）、钴（Co）、铅（Pb）、钍（Th）则在时间上呈现出不同的变化模式。这种元素行为的差异可能与不同时间段的海水化学条件、气候波动以及大陆风化作用的变化有关。通过分析这些元素的组成变化，研究团队能够进一步理解北极洋的环境演变过程。

研究团队还指出，铁锰氧化物壳层的生长速率在晚中新世时期发生了显著下降，这可能与弗拉姆海峡的最终拓宽和加深有关。弗拉姆海峡作为连接北极洋与大西洋的主要通道，其水文条件的变化会直接影响深水环境的化学组成，进而影响壳层的形成速率。这一发现为理解北极洋与大西洋之间的水体交换过程提供了新的证据。

研究团队的工作不仅填补了北极地区深海沉积记录的空白，还为全球气候变化研究提供了重要的数据支持。通过分析铁锰氧化物壳层的化学和同位素组成，研究团队能够重建北极洋在晚中新世和更新世时期的环境条件，从而为全球气候演变模型提供新的视角。此外，这些壳层的化学组成变化还可能反映出全球范围内大陆风化作用的波动，这对于理解地球系统的长期演化具有重要意义。

总之，本研究通过分析北极地区铁锰氧化物壳层的锇同位素组成，为北极洋的古环境重建提供了新的数据支持。这些壳层不仅记录了北极洋的环境变化，还反映了全球范围内海洋化学、气候波动以及大陆风化作用的长期趋势。研究团队的工作为未来的地质年代研究和古环境重建提供了重要的参考价值，同时也揭示了北极洋与大西洋之间水体交换过程的复杂性。这些发现对于理解地球系统的历史演变和未来变化趋势具有重要的科学意义。