现代地中海自生与碎屑钕同位素组成：对古环流代用指标的启示

本文推荐研究人员针对古海洋学中钕同位素(εNd)作为水团示踪剂的可靠性问题，通过对地中海表层沉积物的自生相与碎屑相钕同位素组成进行配对分析，发现除最东部海区外自生εNd值能有效记录底层水信号，并通过敏感性测试揭示了地中海海水εNd分布受大西洋流入、深层水形成和局部底质通量的综合控制，证实了该指标在地中海古环流重建中的适用性。

　　

在地球科学领域，钕同位素组成(¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd或ε_Nd)长期以来被视为现代和古海洋水团来源的关键示踪剂。这种方法的理论基础在于：大陆输入物质通过河流、风尘等途径向海洋输送具有特定同位素特征的钕元素，这些特征信号会被水体继承并随洋流传播。在理想情况下，沉积物中的自生相（包括沉积物浸出液、有孔虫壳体、鱼类牙齿等）应当能够记录底层水的同位素特征，从而为重建古海洋环流模式提供重要依据。

然而近年来，这一经典理论受到严峻挑战。新的研究表明，沉积物中的部分碎屑组分（特别是反应性矿物相）可能在埋藏过程中发生部分溶解，通过孔隙水中的钕释放改变原始的自生信号。更引人关注的是"底质通量假说"——该假说认为海底普遍存在钕的扩散通量，这些局部来源可能显著影响海水和自生相的同位素组成。如果局部来源的影响超过水团平流效应，那么钕同位素作为准保守性水团示踪剂的适用性将受到根本性质疑。

地中海作为研究这一科学问题的天然实验室具有独特优势：其水循环和海水ε_Nd分布已有较好约束；碎屑组分的同位素特征相对明确；特别是东部海区因尼罗河沉积输入而富含蒙脱石（一种高反应性矿物），为研究反应性矿物相的影响提供了理想场所。为了解决自生ε_Nd值作为底层水来源代用指标的可靠性问题，并探明地中海海水钕同位素特征对钕源和环流状态变化的响应机制，由Kazuyo Tachikawa领导的研究团队开展了系统研究。

研究人员采用多技术整合的研究策略：首先采集了沿地中海纬向断面（从西经2°到东经33°）的24个表层沉积物样品，通过分级化学处理分离自生相和碎屑相；运用多接收器电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)技术精确测定各相的钕同位素组成；使用ICP-MS和ICP-OES分析浸出液的元素组成以评估实验过程中的碎屑溶解效应；最后通过箱式模型和分数阶乘设计分析量化不同因素对地中海海水ε_Nd分布的影响。样品来源包括2013年GEOTRACES-A04N航次采集的沉积物岩心以及ODP站点977、SL95和MD04-2722等补充样品的表层沉积物。

3.1 自生钕同位素组成

研究发现自生ε_Nd值呈现明显的纬向变化趋势，从西部的-9.0逐渐增加到东部地区的-3.9。除最东部的黎凡特海和爱琴海区域外，大多数站位的自生ε_Nd值与相应水团的底层水信号吻合良好（偏差在±1ε单位内）。浸出液和有孔虫测试结果之间没有系统性偏差，表明分析方法可靠。

3.2 浸出液元素组成

通过Al/Nd比值、Mn/Fe比值和稀土元素配分模式等指标评估，确认除6c和32a站位的样品可能存在碎屑溶解影响外，大多数样品的浸出过程未引起显著的碎屑相溶解。所有浸出液均显示中稀土富集特征，这与未脱碳浸出液的典型特征一致。

3.3 碎屑ε_Nd分布及其与自生值的关系

碎屑ε_Nd值变化范围较大（-12.1至-4.3），空间分布呈现斑块状格局，反映了局部物源的影响。虽然全海盆尺度上自生与碎屑ε_Nd值存在正相关(r=0.72)，但在黎凡特海和爱琴海区域，自生值稳定在-5至-4之间，而碎屑值变化范围达6个ε单位，表明该区域的相关性被高估。

4.1 自生ε_Nd值与沉积物性质的关系

东部海区的高自生ε_Nd值(-5至-4)与该区域高蒙脱石含量（>60%）密切相关，表明反应性矿物的存在是影响自生相同位素组成的重要因素。碳酸盐含量（30-50%）可能提供的缓冲保护作用似乎不足以完全阻止天然条件下铁氧化物和火山源物质的溶解释放。

4.2 深海底质通量对地中海的贡献

通过海水与碎屑ε_Nd

值的相关性分析发现，在0-200米水深范围内两者存在显著相关(r=0.74)，但在1500米以深这种相关性消失(r=0.25)。这表明反应性碎屑钕主要在浅水区释放，而非普遍存在于深海海底，反驳了"底质通量假说"在地中海的普适性。

4.3 控制现代地中海海水ε_Nd分布的主要因素

箱式模型计算表明，地中海全海盆的局部源通量（底质通量）约为4.9×10⁵ mol/年，其中东部地中海的通量比西部高一个数量级。分数阶乘设计分析揭示：大西洋流入水的同位素组成对所有深度水体的ε_Nd值都有强烈影响；深层水形成区的同位素特征对深水盒子起主导作用；局部钕源和纬向水通量也具有重要影响。

本研究通过系统分析地中海表层沉积物的自生和碎屑钕同位素组成，得出以下核心结论：自生ε_Nd值在大部分海区能有效记录底层水信号，但在黎凡特海和爱琴海等富含反应性矿物的区域存在显著正偏移；碎屑相的影响主要发生在浅水区域（<200米），深海盆底并不存在普遍性的底质通量控制；地中海海水钕同位素分布同时受大西洋流入、深层水形成、纬向水交换和局部底质源的综合影响。这些发现支持钕同位素在地中海古环流重建中作为水团示踪剂的适用性，但强调需要结合多海盆记录和模型模拟来进行稳健解释。该研究成果对准确解读古海洋环流演变具有重要意义，特别是在理解地中海东部有机质富集层（sapropel）形成时期的古环境变化方面提供了关键约束。论文发表于《Geochimica et Cosmochimica Acta》，为海洋同位素地球化学研究提供了重要案例。