上次冰消期晚期以来西北极海域沉积物中汞对环境变化的响应

《Chemical Geology》：Response of mercury in sediments to environmental change in the Western Arctic Ocean since the late last deglaciation

　　

摘要
自上次冰消期以来，西北极大陆架经历了从陆地暴露到海洋淹没的剧烈环境转变。冻土在末次冰盛期广泛形成于北极地区，在冰期充当着巨大的有机碳和汞 (Hg) 储库，对气候变暖高度敏感。自晚更新世以来，白令海峡的开启及相关的海平面上升从根本上重塑了楚科奇海的沉积环境，进而影响了汞的埋藏和再分布。然而，沉积汞记录如何响应这一过程尚不清楚。本研究分析了西北极楚科奇海大陆架的一根沉积岩芯，时间跨度约为过去 13 千年，以重建汞埋藏通量的长期演化历史。我们的结果表明，从上次冰消期到全新世晚期，楚科奇海大陆架的沉积汞通量增加了 4.4 倍，主要由汞的再释放、埋藏增强和沉积增加的综合效应驱动。该地区在全新世早期和晚期经历了两次明显的汞释放峰值，驱动机制根本不同。全新世早期的峰值主要源于海侵期间与冻土有机碳相关的汞的释放和埋藏，以及广泛的海岸侵蚀和热融活动。第二次汞通量峰值与全新世晚期由太平洋水流入增强驱动的浮冰退缩事件密切相关。暖太平洋水流入的平流增加延长了无冰水期，提高了生物泵的效率。这反过来促进了海洋来源有机碳对水柱汞的清除，并可能增强了海洋对大气 Hg(0) 的吸收，从而增强了整体海洋汞汇。然而，我们注意到，由于环境中汞的有限性和微量性，汞埋藏可能主要受供给限制，这可能导致在大气/海洋汞可用性较低的时期，汞通量对环境变化不太敏感。本研究揭示的的人类活动前自然背景记录阐明了北极大陆架汞埋藏对气候强迫的阶梯式响应。它突出了冻土活化和海洋生物地球化学动力学在控制该污染物埋藏命运方面的响应，为评估北极汞的演化提供了历史类比。

引言
北极是全球变化的放大器，也是研究汞 (Hg) 循环的关键区域。汞作为一种高迁移性的全球污染物，其主要储库分布在大气、陆地环境（特别是土壤和冻土）以及海洋中 (AMAP, 2005; Amos et al., 2013; Obrist et al., 2018)。大气沉积后，部分汞通过光化和生物过程重新排放，而剩余部分则与有机碳 (OC) 结合，最终通过生物泵等途径埋藏在海洋沉积物中 (Driscoll et al., 2013; Mason and Sheu, 2002; Zaferani et al., 2018)。北极广阔的浅架被认为是汞的重要汇。最近对这些浅架汞输入增加观测表明，其在北极汞预算中的作用可能被严重低估 (Dastoor et al., 2022; Kohler et al., 2022)。在气候变暖背景下，冻土融化和海岸侵蚀加剧正在动员并运输越来越多的陆源汞到北极大陆架 (Dastoor et al., 2022)。同时，变暖引起的海洋生产力增加可能会增强毒性更大的甲基汞 (MeHg) 的产生，对脆弱的北极生态系统构成潜在威胁 (Soerensen et al., 2016)。

尽管在了解现代汞过程和动力学方面取得了显著进展，但在了解北极汞循环如何响应长期气候变化方面仍存在巨大的知识空白。现有的汞记录主要局限于工业革命后时期 (Soerensen et al., 2016)，而少数延伸至千年级的记录要么分辨率低，要么时间覆盖不足 (Zdanowicz et al., 2015; Zheng, 2015)。最近的研究开始通过重建全新世北极陆地和峡湾环境中的汞动力学来填补这一空白。例如，Roos-Barraclough 等人 (2002) 重建了 14,500 年的泥炭汞记录，从中提取的气候和火山信号表明，晚更新世时期汞的积累率大约增加了五倍。Griffore 等人 (2025) 记录了阿拉斯加一个湖泊流域在全新世早期水文气候变化和冻土融化响应下汞动员的增强，而 Son 等人 (2025) 揭示了全新世斯瓦尔巴群岛峡湾沉积物中汞来源的空间变化，将基岩侵蚀和颗粒有机碳运输与气候波动联系起来。尽管取得了这些进展，跨越全新世全期的开阔海洋北极汞记录仍然稀缺，限制了我们评估长期气候强迫下盆地尺度汞循环的能力。这一限制阻碍了我们区分人为影响与自然变异，以及理解冰期 - 间冰期时间尺度上北极汞循环的能力 (Segato et al., 2023)。因此，建立不受人类活动影响的高分辨率、长期沉积汞记录是评估自然气候变率下汞循环敏感性的先决条件。

为了了解北极汞循环如何响应冰期 - 间冰期气候转换，上次冰消期及其后的全新世提供了一个独特的“天然实验室”。在此期间，北极经历了从冰期到间冰期条件的剧烈转变：广泛的冰盖退缩，伴随海平面上升，淹没了先前暴露的广阔北极大陆架，导致形成了广阔的新冻土区和冰复合沉积物 (ICD; 耶多玛土) 区域 (Martens et al., 2020)。ICD 的特征是其极高的冰和有机碳含量 (Wild et al., 2022)。在形成过程中，它们封存了数千年来沉积的大气汞，使其成为巨大的汞储库 (597,000 兆克，0–3 米深度) (Lim et al., 2020)，比其他储库——如冰川冰 (约 2415 兆克) (Zheng, 2015) 和大气 (约 700 兆克) (Amos et al., 2013)——高出两到三个数量级。重要的是，ICD 中汞的封存和随后的释放都在千年到轨道时间尺度上运作。在晚更新世，大气汞在数千年间持续被封存于 ICD 中，而冰后海侵和冻土退化自上次冰消期以来一直在千年时间尺度上释放这种储存的汞 (Jones et al., 2023)。与大气或海洋储库（汞周转发生在年际到百年尺度）不同，ICD 中储存的汞在数千年间基本保持不动，直到气候转换期间被再动员。这种长期的储存 - 释放行为使得 ICD 成为一个响应缓慢的储库，在目前箱式模型中并未明确代表 (Amos et al., 2013)，但它对冰期 - 间冰期汞循环具有重要意义。冰后变暖和海侵引发了广泛的融化、海岸侵蚀和这些曾经冻结的 ICD 沉积物的再动员，为海洋提供了古碳和汞的来源 (Rydberg et al., 2010; Vonk et al., 2015)。这种由冻土退化驱动的动态陆源输入，连同海洋中相关的生物地球化学响应，共同被记录在受影响的浅架沉积物中。因此，这些沉积物档案作为解读冰后时期气候 - 冻土 - 海洋系统耦合演化的关键记录。

位于北太平洋和北极海洋之间的楚科奇海是一个受冻土源输入影响的典型浅架区域。该地区对海平面波动 (Jones et al., 2023)、太平洋水流入 (PWI) 变化、浮冰动力学以及海底冻土和相邻的西伯利亚海岸冻土（富含 ICD）的退化高度敏感。因此，楚科奇海作为捕捉冰后环境变化在汞循环中信号的理想地点 (Martens et al., 2022)。自上次冰消期以来，白令海峡的开启驱动了楚科奇海沉积环境从陆地暴露到海洋淹没的深刻转变 (Jakobsson et al., 2017)。海侵启动了海底冻土（通过淹没和变暖）和相邻海岸冻土（通过侵蚀和热崩）的退化，将先前封存的含汞材料释放到海洋领域。因此，楚科奇海提供了一个理想的自然环境，以解开陆地 - 海洋相互作用及其在延长时间尺度上对汞再动员和埋藏过程的调节。

在此，我们展示了从楚科奇海大陆架采集的沉积岩芯的高分辨率时间记录，时间跨度超过过去 13 千年，并伴有一组表面沉积物样品，以建立西北极海洋汞和有机碳的现代过程。通过整合多个指标——包括沉积速率、汞浓度和通量、总有机碳 (TOC) 含量及其稳定同位素 (δ13C)，以及用于量化海洋和陆地有机碳相对贡献的简单双端元混合模型。本研究旨在：(1) 重建自上次冰消期晚期以来西北极大陆架汞埋藏通量的演化历史；(2) 识别汞埋藏对关键环境转变的响应，如海侵、冻土融化和洋流变化；(3) 探索物理运输（冻土中的陆源汞释放）与生物地球化学过程（生物泵效率和“太平洋化”触发的浮冰调节）在不同气候背景下塑造沉积汞和有机碳记录中的相对作用。我们的发现提供了北极浅架汞循环的长期、人类活动前基线，以评估其气候敏感性并预测其在持续变暖下的未来轨迹。

章节片段
区域背景
楚科奇海位于西伯利亚和阿拉斯加之间的西北极海洋，是连接北太平洋和北极海洋的唯一通道 (Xiao et al., 2024)。南临白令海峡，北接大陆坡，这一边缘海底地形复杂。从西向东，海底特征包括黑尔得尔峡谷、黑尔得尔浅滩、中央通道、汉娜浅滩和巴罗峡谷——这种配置深刻影响了区域

样品采集
沉积岩芯 ARC2-R11（以下简称 R11；72.01° N, 169.67° W；水深：51 米；岩芯长度：315 厘米）是在第二次中国北极科学考察 (CHINARE-2) 期间，在“雪龙”号科考船上使用重力取样器从楚科奇海中央通道的外大陆架获取的 (图 1)。回收后，岩芯在 4°C 下运输和储存，以模拟海底条件并确保其物理化学性质的保存。在连续

AMS14C 年龄
岩芯 R11 上部的年龄模型由三个源自碳酸盐材料（贝壳）的 AMS14C 年龄约束 (Li et al., 2025)，得出的校准年龄范围为 2.22 至 7.61 千年（对应深度 76–250 厘米；表 2），覆盖全新世中晚期。顶部序列中未观察到岩性突变边界，允许在定年点之间进行简单的线性插值。最上部部分（现代至 7.61 千年前）的线性沉积速率为

年龄模型
在大多数情况下，源自总有机碳的 AMS14C 年龄由于存在预老化或老碳而得出显著老于真实沉积年龄的年龄 (Andrews et al., 1999)。在海洋沉积物中，大量的陆源有机碳输入可能导致特别大的年龄偏移（可能超过 10 千年），特别是在极地地区 (Suzuki et al., 2021)。鉴于岩芯 R11 中 AMS14C 年龄和 δ13C 值的共变和非随机分布 (图 S1b)，传统的 AMS14C

结论
本研究基于楚科奇海岩芯 R11 过去 13.48 千年的连续沉积记录，重建了自上次冰消期晚期以来西北极大陆架汞埋藏通量的演化历史。通过整合表面沉积物分布模式、有机地球化学指标和区域古海洋学记录，我们阐明了不同气候背景下控制汞埋藏的主导机制。主要结论如下：供给

CRediT 作者贡献声明
赵松：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，软件，资金支持，正式分析，数据整理，概念化。崔超：写作 – 审阅与编辑，可视化，软件，资源，方法论，数据整理。张维斌：写作 – 初稿，监督，资源，项目管理，数据整理。

刘阳光：写作 – 审阅与编辑，指导，资源，经费获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作是中国北极科学考察（CHINARE）的贡献之一，我们感谢第 2、3 和 6 次航次期间“雪龙”号科考船上的所有成员和科学家。感谢刘建兴就详细的古地磁数据进行讨论，感谢中国极地研究中心保存和提供沉积物样本。作者感谢李娜、朱爱梅和毛源在实验室分析方面提供的技术协助。
经费
赵松 | 崔超 | 刘阳光
中国青岛 266061，自然资源部第一海洋研究所海洋分析测试中心