斯科舍海中自生铀的保存机制与底层水体氧气化过程

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Authigenic Uranium Preservation and Bottom Water Oxygenation in the Scotia Sea

国际海洋发现计划Site U1537的沉积物铀同位素研究表明，authigenic uranium（aU）可作为底水通风和沉积物垂直通量的代理指标。通过结合δ234U、孔隙水铀浓度及生物钡数据，发现aU浓度与高生产力期（如间冰期）相关，而末次冰期（23-17.5 ka）aU上升指示底水通风减少，可能因Weddell海深层水（WSDW）出口减少或水体分层增强。研究提出了一种通过比较实测与模型δ234U值检测detrital因子时间变化的方法，并证实了Scotia海在末次冰期低生产力环境下的底水低氧状态。

　　海洋沉积物中的铀（U）和钍（Th）同位素是评估海底水体氧化还原条件、沉积物来源以及垂直沉积速率的重要代理指标。本文通过研究国际海洋钻探计划（IODP）位于斯科舍海的站点U1537，探讨了自生铀（aU）是否可以作为深海通气程度的指示。同时，研究还提供了基于Th标准化的垂直沉积速率和沉积物聚焦因子。此外，该数据集还结合了沉积物的δ23?U值、孔隙水铀浓度以及生物源钡（Ba_bio）等信息。文章还引入了一种方法，通过比较实测与模型预测的δ23?U值，来检验时间尺度上沉积物中碎屑因子的变动情况。研究发现，在距今70千年前的沉积层中存在部分铀的再迁移现象，这通过δ23?U异常值和孔隙水铀浓度的变化得以识别。在间冰期，自生铀的积累受到大量有机物分解的影响，最终由高生产力和相关的颗粒有机碳（POC）沉降速率所控制。相反，在冰期，低生产力与低自生铀浓度并存，这表明海底水体处于较好的氧化状态。然而，在最后一次冰期最大值（LGM）期间，自生铀的增加可能暗示了通气的减弱，可能与斯科舍海中水体分层增强以及Weddell Sea Deep Water（WSDW）的减少或缺失有关。

自生铀在斯科舍海的形成主要受控于有机物沉降速率和其在海底水体界面的氧化与再矿化过程。对于北半球的北大西洋，已有研究表明，海底水体氧浓度需下降至约220 μmol/kg以下才能促使自生铀的沉淀。然而，要准确重建海底水体的氧浓度，需要独立地约束有机物的供应量。此外，自生铀的再分布也会对它的使用产生干扰。高沉积速率的沉积物通常更少受到氧化作用的影响，从而能更好地保留自生铀的信号。因此，研究中关注了δ23?U值的异常变化，特别是那些超出现代海洋水体中铀同位素比值的情况，这可能与沉积后铀的再分布有关。

在斯科舍海的南半部，多个研究指出冰期期间生产力下降，且尘埃沉降与生产力呈现相反的变化趋势。这表明，斯科舍海的生产力在冰期与间冰期之间存在显著差异。研究还发现，沉积物中的自生铀与生物源钡和硅/铝比值（Si/Al）具有良好的相关性，这进一步支持了生产力与自生铀之间的联系。此外，通过分析孔隙水中的铀浓度，研究揭示了不同时间尺度下自生铀的变化模式。在较浅的沉积层中，孔隙水铀浓度接近现代海洋水体的平均水平，而在更深的沉积层中，铀浓度显著增加，这可能意味着自生铀的再沉淀或迁移。

研究还指出，在冰期最盛时期，斯科舍海的生产力显著下降，导致自生铀浓度降低。这与冰期期间低有机物沉降速率以及较弱的海底水体通气有关。在这些时期，自生铀的沉淀主要依赖于有机物的供给，而若供给减少，则可能暗示海底水体的氧化程度下降。然而，在某些沉积层中，自生铀的浓度却异常升高，这可能与孔隙水中的铀再迁移和重新沉淀有关。通过比较模型预测与实测的δ23?U值，研究确认了在某些较早的沉积层中，自生铀的再迁移现象较为显著，而这一现象在近70千年内则较为罕见。

通过将自生铀与其他生产力指标（如生物源钡和硅/铝比值）进行比较，研究进一步验证了斯科舍海在冰期期间生产力较低的结论。这些结果表明，斯科舍海的生产力在冰期与间冰期之间存在显著的差异，尤其是在冰期最盛时期，这种差异尤为明显。此外，研究还探讨了自生铀在南大洋不同区域的分布情况，发现北半球区域的自生铀浓度在冰期较高，而南半球区域则较低。这种差异可能与不同区域的生产力变化、水体通气情况以及沉积物来源有关。

在斯科舍海的背景下，研究还强调了南极环流（ACC）的移动性变化对海底水体通气的影响。最近的研究表明，南极环流在冰期期间有所减缓，这可能与纬度方向上的西风带变化以及水体密度梯度的增强有关。这些变化可能影响了Weddell Sea Deep Water（WSDW）的形成和输送，从而对斯科舍海的海底水体通气产生了重要影响。通过分析δ23?U的变化趋势，研究发现，在冰期最盛时期，自生铀的增加可能暗示了海底水体通气的减少，这与WSDW的输送减弱以及水体分层的增强密切相关。

总的来说，这项研究为理解斯科舍海在不同气候阶段的生产力和水体通气情况提供了重要的证据。通过分析自生铀与相关指标之间的关系，研究揭示了冰期与间冰期之间生产力和海底氧浓度的显著差异。同时，研究还指出，自生铀的再迁移和再沉淀可能对这些指标的解释产生影响，因此需要谨慎对待。未来的研究可以进一步探讨沉积物来源，以更深入地了解WSDW在斯科舍海的输送历史及其与南极环流变化之间的关系。这些发现不仅有助于理解过去海洋环境的变化，也为预测未来海洋系统的响应提供了基础。