《Quaternary Science Reviews》：The evolution of Upper Circumpolar Deep Water in the Southwest Pacific Ocean since 30 ka: evidence from Neodymium isotopes
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自30 ka以来，西南太平洋上绕极深层水（Upper Circumpolar Deep Water, UCDW）的演化特征尚缺乏有效约束。本研究基于Chatham Rise东部海洋沉积柱状样MD97-2115（水深2160 m），对混合浮游有孔虫进行了钕同位素
自30 ka以来，西南太平洋上绕极深层水（Upper Circumpolar Deep Water, UCDW）的演化特征尚缺乏有效约束。本研究基于Chatham Rise东部海洋沉积柱状样MD97-2115（水深2160 m），对混合浮游有孔虫进行了钕同位素（εNd）分析，分别对浮游有孔虫Globigerina bulloides和底栖有孔虫Cibicidoides wuellerstorfi进行了氧同位素（δ18O）和碳同位素（δ13C）分析，并对浮游有孔虫进行了AMS放射性碳定年，以研究30 ka以来西南太平洋UCDW的演化历史。岩芯MD97-2115位于现代改造型北太平洋深层水（modified North Pacific Deep Water, mNPDW）与UCDW的边界附近，是追踪这两种上深层水相互作用的理想位置。通过将新的有孔虫εNd记录与南大洋及太平洋已有数据进行对比，研究人员利用二元混合模型定量估算了mNPDW和UCDW相对贡献的历史变化。此外，研究人员重建了相对于下绕极深层水（Lower Circumpolar Deep Water, LCDW）的垂向εNd梯度，以评估深层水结构和层化程度的变化。与其他替代指标重建结果及气候模型模拟的对比突显了南极和南大洋在启动末次冰期终止中的关键作用。
研究背景：南大洋在全球热量和碳吸收中发挥关键作用。在太平洋扇区，南大洋来源的深层水与太平洋来源的深层水相互作用，后者构成最大的深海碳库，并与不同时间尺度的过去大气CO2变化密切相关。因此，重建南大洋太平洋扇区深层水的变率对于理解过去环流变化及其对碳循环和气候变化的影响至关重要。钕同位素（εNd）具有500–1000年的滞留时间且各局部海盆来源不同，在现代南太平洋中被视为准保守水团示踪剂，具有指纹识别水团来源的巨大潜力。然而，上绕极深层水（UCDW）及其前体太平洋来源深层水的演化仍缺乏有效约束。已有εNd和碳同位素（δ13C）记录表明，冰期时北大西洋来源的水体基本 absent于南大洋，而太平洋来源水体可能扩张进入大西洋。但UCDW的演化历史尚不清楚。研究人员开展本项研究，旨在重建30 ka以来西南太平洋UCDW的演化，并探讨其与大气CO2变化的关系。
研究人员开展了什么研究及结论：研究人员分析了Chatham Rise东部海洋沉积柱状样MD97-2115上部190 m（对应过去30 kyr）的混合浮游有孔虫εNd、浮游有孔虫G. bulloides的δ18O、底栖有孔虫C. wuellerstorfi的δ13C以及浮游有孔虫AMS放射性碳定年。通过将新的有孔虫εNd记录与南大洋和太平洋已有数据结合，利用二元混合模型定量估算了mNPDW和UCDW相对贡献的历史变化，并重建了相对于LCDW的垂向εNd梯度以评估深层水结构和层化程度变化。结论表明：εNd记录呈现三阶段演化——19.2 ka之前逐渐向更放射性值偏移；19.2–14.3 ka向非放射性值显著偏移；此后趋于稳定。定量混合分析结合垂向εNd梯度揭示了过去30 ka环流的显著重组，可识别四个主要阶段：（1）30–20 ka期间mNPDW占主导；（2）20–14.5 ka期间mNPDW快速向北退缩，UCDW影响增强；（3）14.5–11.4 ka期间mNPDW重新逐渐增强；（4）11.4 ka之后建立相对稳定的全新世条件。这些结果突显了南极和南大洋在塑造全球海洋环流中的关键作用，以及海洋环流与碳循环之间复杂且非线性的关系。冰期时富含呼吸碳的太平洋来源深层水的扩张对维持低CO2大气发挥了关键作用。约20 ka时，太平洋来源水的早期退缩以及南大洋来源水在太平洋的重新活跃先于全球冰消期的启动，表明南大洋可能在设定启动冰期-间冰期转型的海洋学先决条件中发挥了关键作用。此外，西南太平洋上深层水几何形态的重大变化可以在大气CO2没有相应响应的情况下发生，表明深层水几何形态的变化不一定直接转化为大气或碳循环的变化。尽管海洋环流对调控海-气CO2交换过程的影响已得到充分确立，但将水团几何形态与大气CO2联系起来的精确机制仍未解决。
重要意义：本研究提供了30 ka以来西南太平洋UCDW演化的高质量εNd记录，揭示了冰期时太平洋来源深层水在西南太平洋的扩张及其对深海碳储存的贡献，并表明约20 ka时南大洋来源水的重新活跃先于大气CO2上升和全球冰消期启动，暗示南极过程可能为冰期终止预置了海洋学条件。
关键技术方法：研究人员对西南太平洋Chatham Rise东部岩芯MD97-2115（43°6′30″S, 171°29′7.8″W, 水深2160 m，1997年IMAGES III-IPHIS航次采集）上部190 m以10 cm间隔采样。采用8个AMS14C年代（浮游有孔虫）建立年龄模型，全新世应用ΔR = ?16 ± 74年，前全新世应用Heaton et al. (2023)的CS情景ΔR = 234年。浮游有孔虫G. bulloides δ18O和底栖有孔虫C. wuellerstorfi δ13C分别用Finnigan Mat252和GV Isoprime质谱仪测定。εNd分析采用弱酸淋滤法（stepwise 0.5 M HNO3），经TRUspecTM和LNspecTM萃取色谱分离Nd，用MC-ICP-MS（Thermo Fisher NeptunePlus）测定143Nd/144Nd比值，JNdi-1标准重复分析结果为0.512113 ± 0.000007（2σ, n = 42）。εNd记录时间跨度为约30.6–5.7 ka，平均沉积速率约7.4 cm/ka，平均时间分辨率约1.3 ka/样。
研究结果：
Chronological framework（年代学框架）：通过8个AMS14C年代建立岩芯MD97-2115年龄模型，考虑南大洋ΔR的时间变率，全新世和前全新世分别采用不同ΔR校正方案，εNd记录跨度为约30.6–5.7 ka，平均沉积速率约7.4 cm/ka，平均时间分辨率约1.3 ka/样。
Foraminiferal stable oxygen isotope（有孔虫稳定氧同位素）：G. bulloides δ18O记录显示显著的冰期-间冰期变率，冰期（约30–20 ka）δ18O值较高（约2.32–3.29‰），最高值出现在约27–25 ka，与南极末次冰期盛期一致；冰消期δ18O相对稳定（2.25–2.67‰）；此后呈下降趋势（2.74–1.10‰）。
Benthic foraminiferal carbon isotope record（底栖有孔虫碳同位素记录）：C. wuellerstorfi δ13C值范围为?0.15‰至0.72‰，冰期δ13C值较低，约31.3–21.6 ka期间从约0.13–0.20‰略降至21.6 ka的最低值（?0.15‰）；21.6–11.4 ka期间总体上升至约0.64‰；11.4 ka之后持续较高（0.52–0.72‰）。
Foraminiferal Nd isotope composition（有孔虫钕同位素组成）：εNd记录显示30.6–19.2 ka期间逐渐增加约0.7个单位，19.2–14.3 ka期间从?3.78显著降至?4.71（约0.9个单位），14.3–10.9 ka期间相对稳定在约?4.7，10.9 ka之后从?4.59略降至?5.04，此后稳定在约?5。总体呈现冰期向更放射性值偏移、19.2 ka以来向非放射性值偏移的趋势。
The application of εNd as a water-mass proxy in the Southwest Pacific（εNd作为西南太平洋水团示踪剂的应用）：岩芯顶部εNd值（?4.91 ± 0.21）与附近海水εNd值高度一致，表明有孔虫εNd主要反映深层海水εNd信号。南太平洋深部内部保守性海水εNd行为被广泛观测到，OMPA预测值与实测值在误差范围内一致。研究区底层水εNd值与南大洋来源LCDW相似，与局部碎屑输入显著不同，表明沉积物输入对底层水溶解Nd同位素组成不起主要控制作用。
The evolution of upper deep-water masses in the Pacific Ocean since 30 ka（30 ka以来太平洋上深层水团的演化）：εNd的冰期-间冰期变率与底栖δ13C记录具有可比性。OMPA计算表明岩芯位置现代水团以UCDW（约50%）和mNPDW（约45%）为主。AAIW和NPIW的影响被评估为次要。二元混合模型计算显示岩芯顶部UCDW比例约40–50%，与现代比例（约50%）一致，支持混合模型的稳健性。侧向混合和垂向梯度重建共同定义了西南太平洋上深层水演化的四个主要阶段：（1）30–20 ka：UCDW比例逐渐下降，垂向梯度增大，表明冰期太平洋来源水渗透逐渐增强；（2）20–约14.3 ka：UCDW比例显著增加，垂向梯度相应下降，表明南大洋来源水在西南极主要变暖事件（W1）之前突然复苏；（3）14.3–11.4 ka：UCDW比例逐渐下降，垂向梯度上升，反映南大洋来源水影响减弱；（4）11.4–5.7 ka：UCDW比例和垂向梯度均相对稳定，反映早至中全新世西南太平洋深层水环流体制稳定，接近现代条件。
Circulation evolution mechanism and implication（环流演化机制与启示）：重建表明末次冰期盛期西南太平洋以mNPDW为主，约20 ka时UCDW影响逐渐增强，早于南极变暖事件1。该演化并不直接镜像大气CO2趋势，表明西南太平洋深层水几何形态变化 alone不能解释冰消期CO2上升。冰期时太平洋来源深层水富含呼吸碳且δ13C值较低，其扩张与深海碳储存增加一致，可能有助于维持冰期低大气CO2浓度。约20 ka以来西南太平洋深层水结构和环流发生重大重组。20–17.5 ka期间南极海冰退缩而深海层化相对稳定，北大西洋来源水尚未穿透南大洋，UCDW的快速增加似乎与南极/南大洋系统变化的关系更为密切，而非北大西洋来源水的直接侵入。尽管发生了显著的水文和环流变化，大气CO2浓度在W1开始前保持相对稳定，表明初始深层水重组和环流增强并未立即伴随有效的碳释放。W1期间（17.5–14.5 ka），mNPDW贡献下降伴随垂向εNd梯度减小，表明太平洋来源深层水进一步减弱、南大洋来源水在西南太平洋日益占主导，这与南大洋盆地尺度向更非放射性εNd值的趋势一致。ACR和W2期间，mNPDW贡献增加、垂向εNd梯度增强，表明部分回归层化水团几何形态并持续至全新世，与大气CO2持续上升不平行。总体而言，尽管太平洋来源深层水储存了大量碳，但其空间分布的变化 alone不能完全解释冰消期大气CO2上升。
讨论部分总结：研究讨论了εNd作为西南太平洋水团示踪剂的适用性，验证了岩芯位置水团为mNPDW和UCDW持续混合的假设，并通过二元混合模型和垂向εNd梯度重建了30 ka以来上深层水团演化的四阶段历史。讨论将环流变化与碳储存和释放机制联系，指出冰期时太平洋来源深层水的扩张与深海碳储存增加一致，约20 ka时南大洋来源水的重新活跃先于全球冰消期启动，表明南大洋可能为冰期-间冰期转型预置了海洋学先决条件。同时指出深层水几何形态变化与大气CO2之间的脱耦表明水团几何形态变化不一定直接转化为大气或碳循环变化，将水团几何形态与大气CO2联系起来的精确机制仍未解决，需要更多εNd重建和多指标数据集加以约束。
研究结论翻译：本研究呈现了来自西南太平洋Chatham Rise东部岩芯MD97-2115（过去5.7–30.6 ka）的重建海水εNd记录。有孔虫εNd记录呈现三阶段演化：（1）19.2 ka之前逐渐向更放射性值偏移；（2）19.2–14.3 ka期间向非放射性值显著偏移；（3）此后趋于稳定。岩芯MD97-2115记录的εNd变率可能反映西南太平洋上深层水团混合比例的变化。定量混合分析结合垂向εNd梯度揭示了过去30 ka环流的显著重组，可识别四个主要阶段：（1）30–20 ka期间mNPDW占主导；（2）20–14.5 ka期间mNPDW快速向北退缩，UCDW影响增强；（3）14.5–11.4 ka期间mNPDW重新逐渐增强；（4）11.4 ka之后建立相对稳定的全新世条件。这些结果突显了南极和南大洋在塑造全球海洋环流中的关键作用，以及海洋环流与碳循环之间复杂且非线性的关系。冰期时富含呼吸碳的太平洋来源深层水的扩张对维持低CO2大气发挥了关键作用。约20 ka时，太平洋来源水的早期退缩以及南大洋来源水在太平洋的重新活跃先于全球冰消期的启动，表明南大洋可能在设定启动冰期-间冰期转型的海洋学先决条件中发挥了关键作用。此外，西南太平洋上深层水几何形态的重大变化可以在大气CO2没有相应响应的情况下发生，表明深层水几何形态的变化不一定直接转化为大气或碳循环的变化。尽管海洋环流对调控海-气CO2交换过程的影响已得到充分确立，但将水团几何形态与大气CO2联系起来的精确机制仍未解决。更多εNd重建和多指标数据集对于更好地约束这些相互作用及其气候意义至关重要。
