晚第四纪白令海峡开启：西伯利亚西部北极沉积物中Nd同位素记录的示踪

《Global and Planetary Change》：Late Quaternary Bering Strait opening recorded by Nd isotopes in western Arctic sediments

　　

自巴拿马地峡闭合以来，浅水（约53 m）白令海峡构成了北半球唯一的太平洋-大西洋通道，通过北冰洋连接北太平洋与北大西洋。迄今，关于该海峡在全新世之前与海平面变化相关的开启，缺乏直接的地质证据。本文报道了取自楚科奇-阿拉斯加边缘的沉积物岩芯HLY0501-5JPC中可交换态钕（Nd）同位素组成（143Nd/144Nd以epsilon单位εNd表示）记录，用以重建西伯利亚西部北冰洋的太平洋水（Pacific Water）流入历史。中全新世至近代沉积物（<8 ka）显示放射成因εNd值为?5.9 ± 0.5（±1σ；n = 17），反映了强烈的太平洋来源Nd信号。更早层段则表现出大幅εNd波动，介于非放射成因值（?9.3 ± 1.4；n = 5；低至约?11.5）——与研究区现代类似的中层北大西洋水团特征相近——以及强烈的太平洋水影响特征（?5.4 ± 0.3；n = 6；高至约?5.0）之间。研究人员将该εNd值范围解释为环流格局从无太平洋流入到与晚全新世相当的条件的变动。该记录表明太平洋水流入随时间呈间歇性和可变性，可能受海平面阈值和/或区域环流变化控制。研究提示白令海峡在中全新世之前即已开启，可能发生于末次冰消期（约13–11 ka）或更早的高海平面期。对楚科奇-阿拉斯加边缘更长、定年更可靠的沉积记录进行Nd同位素测量，有助于揭示这一浅水海洋通道对海平面变化的敏感性，并阐明其在调节与大幅度气候变化相关的北太平洋-北大西洋潜在交换中的作用。

论文解读

一、研究背景与科学问题

白令海峡是连接北太平洋与北冰洋/北大西洋的唯一海洋通道，其浅水（约53 m水深）和狭窄（约82 km宽）的地形特征使其对海平面波动极为敏感。在第四纪期间，该海峡的开启与闭合深刻影响了北半球冰盖、北极淡水和热量收支、大西洋经向翻转环流（Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC）乃至全球气候系统。然而，全新世之前白令海峡开启/闭合的记录零散且存在争议，主要原因包括：北冰洋深水区沉积速率极低且受沉积物混合和再分配影响，放射性碳定年（¹⁴C）结果不可靠；陆架区冰期侵蚀强烈，沉积记录不连续；微体化石匮乏导致生物地层学定年困难。因此，建立连续、可靠的白令海峡开启历史记录是该领域的核心难题。

已有研究通过地球物理、地球化学和有孔虫数据将白令海峡淹没时间定为约11 cal. ka BP，与融水脉冲1B（Meltwater Pulse 1B）相关联。近年利用浮游有孔虫的高¹⁵N/¹⁴N比值重建了营养盐丰富的太平洋水（Pacific Water, PW）的过去流入，并提供了白令海峡在末次盛冰期（Last Glacial Maximum, LGM）之前开启的证据。但关于更早时期（如上新世-更新世）海峡状态的信息仍然零散。本研究旨在利用楚科奇-阿拉斯加边缘沉积物岩芯中Nd同位素这一水团来源示踪指标，进一步探讨白令海峡在晚第四纪的开启历史，特别是中全新世之前的状况。

二、研究内容与主要结论

研究团队分析了取自楚科奇-阿拉斯加陆架边缘约415 m水深的沉积物岩芯HLY0501-5JPC（简称5JPC，长16.725 m），该站位位于楚科奇陆坡流（Chukchi Slope Current, CSC）的路径上，该流由经白令海峡进入的太平洋水驱动，因此是重建太平洋水流入的理想位置。研究人员对岩芯黏土组分进行了可交换态（淋滤液）和残渣态Nd同位素分析，并结合已有的物理性质、矿物学、微体古生物学和地球化学数据进行综合解释。

研究识别出四个亚单元：亚单元1.1（岩芯顶部至约10.8 m）、1.2（约10.8–12.5 m）、2.1（约12.5–15.3 m）和2.2（约15.3 m至岩芯底部）。中晚全新世沉积物（亚单元1.1）淋滤液εNd平均值为?5.9 ± 0.5，残渣态为?9.6 ± 0.3，反映强烈的太平洋水Nd信号输入。亚单元2.2的淋滤液εNd平均值为?5.4 ± 0.3，残渣态为?8.4 ± 0.9，其放射成因特征甚至略高于中晚全新世，表明该层段沉积物可能来源于更南部的楚科奇陆架内部甚至白令海峡南部地区。亚单元2.1和1.2则表现出极低的εNd值（淋滤液低至?11.5，残渣态低至?12.3），接近早全新世北大西洋水团（约?13）和加拿大北极/麦肯齐河源区的特征，与劳伦泰德冰盖（Laurentide Ice Sheet, LIS）边缘的沉积物输入有关。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：1）黏土组分提取：基于斯托克斯定律（Stokes' Law）进行<2 μm黏土与2–10 μm细粉砂组分的分离；2）Nd同位素分析：采用Huang et al.（2021）开发的10秒Fe-Mn氧化物淋滤法提取可交换态Nd（淋滤液），残渣经HF-HNO₃混合酸完全消解后代表非交换态Nd（残渣态），随后经TRU Spec?和LN Spec?树脂柱进行Nd分离纯化，在VG Sector-54?质谱仪上以动态收集模式测定¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd比值，以εNd符号表示；3）孢粉学和冰筏碎屑（Ice-Rafted Debris, IRD）分析：对岩芯下部（约13.6–16.7 m）进行新孢粉学分析，IRD含量以>106 μm粗组分占干重的百分比计算；4）年代学框架：利用已有的AMS ¹⁴C测年（软体动物壳，Marine20校正曲线，ΔR = 315 ± 95）和岩芯间物理/矿物学剖面相关性建立年龄模型。

四、研究结果

4.1 物理性质和粗组分特征

亚单元2.2的湿容重（Wet Bulk Density, WBD）平均约1.6 g·cm^?3；亚单元2.1中WBD急剧增加至约1.9 g·cm^?3的峰值，并出现三个显著的IRD峰值（最大值约14.9%），与总有机碳（Total Organic Carbon, TOC）含量峰值吻合，表明共享的物源和/或搬运机制；亚单元1.2中WBD逐渐下降至约1.6 g·cm^?3，IRD平均约1.4%；亚单元1.1中WBD保持相对稳定，平均约1.4 g·cm^?3，IRD降至约0.3%。WBD和IRD剖面在亚单元2.2/2.1和单元2/1的转换处均表现出显著突变。

4.2 黏土组分Nd同位素

亚单元2.2残渣态εNd平均约?8.4；亚单元2.1和1.2中残渣态εNd在?12.3至?10.3之间波动；亚单元1.1中回升至约?9.6。淋滤液εNd在亚单元2.2和2.1中分别平均约?5.4和?7.4，在约12.7 m处（单元2/1转换处）出现异常低的?11.5值，亚单元1.2中降至约?8.3，亚单元1.1中从约?6.7逐渐增加至?5.3。Nd同位素在亚单元边界处的突变表明水团和/或陆源沉积物供应发生了显著变化。

4.3 孢粉学记录

单元2中沟鞭藻囊孢和有机质有孔虫内衬浓度低，指示低浮游和底栖生产力或高沉积输入稀释效应。亚单元2.2中Cymatiosphaera cf. invaginata（一种在上新世北大西洋和北太平洋沉积物中常见丰富的疑源类）的峰值指示了与亚单元2.1不同的碎屑沉积物来源。亚单元2.1中再沉积的前第四纪孢粉组合以双囊花粉和三维孢子为主，表明来自晚中生代至新生代沉积物的输入。单元1中孢粉含量高，以苔原植被花粉孢子、指示浮游生产的沟鞭藻囊孢和指示底栖生物活动的有机质有孔虫内衬为特征，表明显著的生产力和海底碳通量。

五、讨论与结论

研究人员将5JPC岩芯的Nd同位素数据分为三个聚类：中晚全新世聚类（亚单元1.1）、冰后期海平面上升聚类（亚单元1.2和2.1）和岩芯下部聚类（亚单元2.2）。冰后期聚类中极低的εNd值与劳伦泰德冰盖边缘/麦肯齐河源区的沉积物输入一致，白云石含量升高和石英/长石比值增大进一步支持加拿大北极的占主导贡献。淋滤液的非放射成因εNd值不太可能继承自加拿大北极来源沉积物：细粒组分中白云石不可检出，且Nd同位素与白云石含量之间缺乏相关性。冰后期εNd值的逐渐增加反映了沉积物来源从劳伦泰德冰盖边缘向东西伯利亚-楚科奇陆架的转变，以及随白令海峡加深而增强的太平洋水放射成因Nd输入。

关于岩芯5JPC的年代地层学存在两种竞争性年龄模型：Deschamps et al.（2018）基于恒定沉积速率假设提出岩芯底部年龄约11 cal. ka BP；Zhang et al.（2019）基于岩芯间物理和矿物学剖面相关性提出岩芯底部与末次盛冰期对应。研究人员指出两种模型均无法完全确定，强调了额外年代学工作的必要性，如过剩²³⁰Th（²³⁰Th_xs）分析和光释光（Optically Stimulated Luminescence, OSL）定年。

亚单元2.2的放射成因Nd同位素特征（淋滤液?5.4 ± 0.3；残渣态?8.4 ± 0.9）与中晚全新世相当甚至略高。若假定太平洋水的Nd同位素浓度和组成随时间恒定，则亚单元2.2中更放射成因的淋滤液Nd同位素反映该来源的贡献高于现代水平，指示白令海峡的早期开启。亚单元2.2中丰富的Cymatiosphaera和再沉积的前第四纪孢粉指示了前第四纪沉积物的侵蚀和冲刷沉积，该层段必然包含早更新世之前的海洋沉积物。研究人员提出，亚单元2.2的沉积物代表了一个较早高海平面时期的浅水楚科奇陆架沉积，在末次冰期期间被侵蚀再分配至陆架边缘，其原始沉积时代可能对应上一次间冰阶或间冰期。

综合来看，5JPC岩芯的Nd同位素记录表明白令海峡在中全新世之前即已开启，可能发生于末次冰消期（约13–11 ka）或更早的高海平面期。太平洋水流入随时间呈间歇性和可变性，受海平面阈值和/或区域环流变化控制。该研究发表在《Global and Planetary Change》，其意义在于：首次利用楚科奇-阿拉斯加边缘沉积物岩芯的可交换态Nd同位素记录，将白令海峡开启历史的时间框架延伸至中全新世之前，为理解这一浅水海洋通道对海平面变化的敏感性及其在调节北太平洋-北大西洋物质交换中的作用提供了新的地质证据。研究同时强调了在楚科奇-阿拉斯加边缘获取更长、定年更可靠的沉积记录的重要性，这将有助于更完整地重建白令海峡的开启历史及其与大幅度气候变化的关系。