尼罗河沉积物钛同位素示踪研究：揭示物源组成及三角洲水动力分选影响

本研究针对尼罗河三角洲水动力分选是否显著影响沉积物钛同位素（δ49Ti）信号的科学争议，通过分析卡伦湖和瓦迪纳特伦沉积物的Sr、Nd、Ti同位素组成，结合微量元素建模，证明尼罗河入海前已携带重δ49Ti特征（+0.149?‰），且长英质组分占比达44–68%，否定了三角洲分选主导同位素分馏的假说，支持Ti同位素作为大陆地壳组成重建的可靠指标。

　　

在地球科学领域，沉积物的同位素组成是揭示大陆地壳演化、地表环境变迁和气候变化历史的重要档案。近年来，钛稳定同位素（δ⁴⁹Ti）因其在基性岩（如玄武岩）和长英质岩（如花岗岩）之间的显著分馏特征（前者δ⁴⁹Ti≈0‰，后者可高达+0.3‰以上），被提出作为重建大陆地壳岩性组成的有效指标。然而，这一应用的前提是沉积物的δ⁴⁹Ti信号能够真实反映源区岩石组成，而非受到搬运过程中的水动力分选作用干扰。

尼罗河作为世界最长河流之一，其沉积物主要源自埃塞俄比亚高原的暗色岩区（以基性岩为主），但流域内还分布着古老基底、沉积盖层和长英质岩体。近期有研究指出，东地中海沉积物的重δ⁴⁹Ti信号（+0.14‰）可能并非原始物源特征，而是尼罗河三角洲内铁钛氧化物（如金红石、钛铁矿）因水动力分选富集于粗粒沉积物所导致——这些矿物通常携带轻δ⁴⁹Ti信号，从而导致细粒沉积物相对富集重同位素。这一质疑动摇了Ti同位素在古环境重建中的可靠性。

为厘清这一争议，由Nicolas Vilela、Amr S. Zaky、Mohamed A. Hamdan、Nahla A. Shallaly、Massimo Chiaradia和Nicolas D. Greber组成的研究团队对尼罗河流域的卡伦湖（Lake Qarun）和三角洲地区的瓦迪纳特伦（Wadi Natrun）沉积物开展了系统的Sr、Nd和Ti同位素分析，并结合已发表的微量元素数据，定量评估了沉积物中长英质组分的贡献。研究成果发表于地学期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》。

研究主要采用以下技术方法：首先，采集卡伦湖钻孔岩芯和瓦迪纳特伦表层沉积物样品，涵盖距今约100年至7700年的沉积记录；其次，通过锂硼酸盐熔融法提取样品，结合⁴⁷Ti–⁴⁹Ti双稀释剂技术，利用多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）高精度测定Ti同位素组成（δ⁴⁹Ti），精度达±0.03‰（2SD）；同时，采用离子交换色谱分离Sr和Nd，并通过MC-ICP-MS测定⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd比值；此外，整合已发表的尼罗河沉积物微量元素数据（如Th/Sc、Y/Co等），建立端元混合模型，计算长英质岩石占比；最后，通过Sr-Nd-Ti同位素空间耦合分析和地质图件比对，追溯沉积物源及贡献变化。

4. 结果

4.1. 钛同位素组成

所有沉积物δ⁴⁹Ti值介于+0.11‰至+0.20‰之间，平均为+0.149±0.015‰（2SE, n=14），显著高于典型基性岩（≈+0.02‰），且与东地中海沉积物（+0.133‰–+0.168‰）高度一致。卡伦湖样品随深度（年龄）增加呈轻微加重趋势，可能与白尼罗河贡献变化有关，但统计显著性有限。

4.2. 锶和钕同位素组成

卡伦湖沉积物的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值为0.70668–0.70837（均值0.70754），εNd（以现代CHUR为基准）为-3.9至-1.2（均值-2.5）。其Sr-Nd同位素组成介于苏丹段尼罗河与三角洲沉积物之间，且与东地中海沉积物中粉尘含量最低组分的εNd值吻合，进一步支持尼罗河入海前后沉积物同位素信号的一致性。

5. 讨论

5.1. 卡伦湖样品的Ti、Sr、Nd同位素在尼罗河沉积物中的背景

卡伦湖和瓦迪纳特伦沉积物的同位素特征无法用纯埃塞俄比亚暗色岩（以基性为主）解释，而需加入长英质组分。Sr-Nd同位素混合模型表明，蓝尼罗河和阿特巴拉河沉积物除暗色岩外，还受到埃塞俄比亚基底、努比亚石英砂岩、红海丘陵等古老岩石贡献，而风尘（如撒哈拉粉尘）贡献有限。微量元素比值（Y/Co、Th/Sc）建模排除了粉尘作为主要非基性源的可能性。

5.2. 通过微量元素浓度估算尼罗河沉积物中长英质岩石的比例及其对Ti同位素的影响

基于Th/Sc、Y/Co、Cr/Th等比值端元模型计算表明：阿特巴拉河沉积物长英质占比仅3±5%，蓝尼罗河为22±7%，白尼罗河高达81±12%（因其流经古老克拉通），苏丹段尼罗河为19±3%，而三角洲沉积物为44–68%。这一趋势与流域地质图显示岩性分布高度一致（如蓝尼罗河西南部长英质岩露头区对应沉积物更偏长英质）。

5.2.3. 将估算的长英质贡献与尼罗河沉积物的Sr和Nd同位素组成进行比较

长英质占比与Sr-Nd同位素（尤其是⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）呈良好正相关，说明放射性同位素变化主要受长英质组分添加控制。卡伦湖沉积物（均值εNd=-2.5, ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.70754）对应长英质占比约45%。

5.2.4. 通过元素比值端元建模推断进入尼罗河三角洲沉积物的Ti同位素组成

以苏丹段尼罗河沉积物（长英质占比19%，δ⁴⁹Ti≈+0.09‰）为基端，加入全球长英质地壳端元（δ⁴⁹Ti=+0.37‰）使总长英质占比升至44%时，理论δ⁴⁹Ti为+0.13‰，与实测值（+0.15‰）吻合，验证了模型可靠性。

6. 结论

本研究证明，尼罗河沉积物在进入三角洲前已携带重δ⁴⁹Ti信号（+0.149‰），该特征主要源于埃塞俄比亚暗色岩中20%的长英质岩性及流域内古老基底和沉积岩的贡献（总长英质占比44–68%）。东地中海沉积物的重Ti同位素信号无需归因于三角洲水动力分选，支持Ti同位素在全球页岩记录中作为物源指标的可靠性。这一发现对理解大陆风化过程、沉积物搬运机制及地球表面环境演化具有重要意义。