边缘海沉积物搬运过程中碎屑Hf-Nd同位素解耦的海平面与气候双重驱动机制：来自日本海的启示

《Chemical Geology》：Dual sea-level and climatic forcing of detrital Hf Nd isotope decoupling during marginal-sea sediment transfer: Insights from the Japan Sea

　　

摘要

钍(Hf)–钕(Nd)解耦在全球沉积系统中已被充分记录，但控制其在边缘海从源到汇沉积物传输过程中演化的过程仍知之甚少。在此，我们结合日本海西南部沉积物芯KCES1中<63 μm碎屑组分的高分辨率PbHf同位素和元素数据，以及已发表的Nd同位素和粒度记录，以研究过去约30千年BP期间控制HfNd解耦的机制。PbNd同位素系统学表明，尽管沉积物路由和物源贡献存在小幅时间变化，但仍持续表现出第一阶东亚大陆归属关系。相比之下，ε_Nd值仅变化约1.5 ε单位，而ε_Hf值跨度约8 ε单位，表明Hf同位素变异性主要由源后分馏控制而非物源变化。在冰期–末次冰期过渡阶段（30–14千年BP），Δε_{Hf Terr.}（定义为在给定ε_Nd值处与地球陆壳阵列的垂直偏移）、Nb/Zr比值和可分选粉砂平均粒度之间的强协变关系表明，锆石控制的水动力分选对Hf同位素组成具有主导控制作用。锆石富集在18–14千年BP达到峰值，此时海平面的快速上升可能重新动员了先前冰期低水位期间储存在出露的东海大陆架上的含锆石沉积物。14千年BP之后，可分选粉砂–Δε_{Hf Terr.}关系减弱，而较高的CIA、Δε_{Hf Terr.}值和Nb/Zr比值表明，在强化的冰后期单季风暴流和持续海平面上升条件下，锆石贫乏的风化衍生粉砂级沉积物输送增加。这些结果表明，海平面和气候变化驱动了HfNd解耦主导机制的转变，从冷期低水位期间的水动力分选转变为暖期高水位期间的化学风化。我们的研究强调了边缘海作为动态过滤器，在从源到汇沉积物传输过程中会显著修改大陆Hf同位素特征。

引言

钍(Hf)–钕(Nd)同位素系统学在大陆风化和随后的沉积物传输过程中常出现解耦，尽管它们在结晶源岩中广泛表现出耦合关系（Patchett et al., 1984; Bayon et al., 2006; van de Flierdt et al., 2007; Gar?on et al., 2013; Bayon et al., 2016）。这种解耦的产生是因为Hf和Nd分别赋存于不同的矿物相，从而对矿物学分选和非化学溶解性风化表现出不同的响应（Patchett et al., 1984; Bayon et al., 2009; Gar?on et al., 2013; Gar?on et al., 2014; Dausmann et al., 2019）。因此，沉积物中的碎屑Hf同位素组成保留了物源和源后分馏的混合特征，从而使得我们在理解从源到汇沉积物传输过程中HfNd同位素演化及其对海洋同位素预算的贡献时面临挑战（Albarède et al., 1998; van de Flierdt et al., 2007; Bayon et al., 2009; Rickli et al., 2013）。

边缘海是破解碎屑HfNd同位素行为的理想天然实验室，因为它们作为动态过滤器，在大量陆源沉积物输出到开阔大洋之前对其进行调节（Pang et al., 2021; Jang et al., 2026）。在东亚边缘海及邻近的西太平洋，来自亚洲大陆的巨量沉积物输入在第四纪气候旋回中与显著的海平面波动、水动力分选和单季调节的风化相互作用（Clift, 2006; Yang et al., 2007; Li et al., 2014; Zhao et al., 2018）。这种动态相互作用为理解地表过程如何控制HfNd解耦机制提供了关键见解。尽管如此，对东亚边缘海沉积物中HfNd同位素的系统研究仍然缺乏（Vervoort et al., 2011; Pang et al., 2021; Jang et al., 2026）。

日本海（东海）接收来自多个东亚大陆物源的碎屑物质，并保存了相对连续的晚第四纪沉积记录（Nagashima et al., 2011; Xu et al., 2014; Zou et al., 2021）。作为一个半封闭深水盆地，日本海仅通过四个浅海海峡与周边海域相连，其中最深的对马海峡目前深度约130 m（Tada et al., 1999）。这种受限的通道配置使得沉积物路由和大陆物质供应对冰期–间冰期海平面波动极为敏感。此外，该盆地对东亚单季节变率响应强烈，单季调节着陆源沉积物输入、海洋生产力和深层水通风（Tada et al., 1999; Lim et al., 2011; Gallagher et al., 2018）。其对多样沉积物物源输入、海平面驱动的沉积物再分配和单季相关风化的敏感性使得日本海特别适用于评估碎屑HfNd同位素特征在边缘海沉积物传输过程中如何被修改。

在此，我们报告了来自日本海西南部沉积物芯KCES1（图1）细粒（<63 μm）碎屑组分的新PbHf同位素及主要和微量元素数据，时间跨度为过去约30千年BP。通过将这些数据与先前发表的Nd同位素（Zou et al., 2021）和粒度记录（Liu et al., 2010）相结合，我们评估了物源、沉积分选和风化对边缘海环境中碎屑HfNd解耦的相对贡献。我们的记录揭示了一个受海平面和气候调节的解耦机制转变，从上次冰期–末次冰期过渡期间以锆石为主的水动力分选转变为冰后期增强的风化相关粉砂级沉积物供应。

节段摘要

沉积物芯和年代模型

沉积物芯KCES1（35°56′N, 130°42′E；长度10.20 m；水深1464 m）采集于日本海西南盆地。该芯的详细岩性、年代模型和粒度数据信息已由Liu et al. (2010)报告。本研究分析的顶部495 cm跨越了过去约30千年BP，主要由灰绿色粉砂质黏土、黏土质粉砂和粉砂层组成。KCES1芯的年代模型是通过一个AMS ¹⁴C年龄并使用Marine20

结果

KCES1的垂向沉积学、地球化学和同位素剖面定义了过去约30千年BP期间的三个主要阶段：30–18千年BP、18–14千年BP和14–0千年BP，分别大致对应于冰期低水位、末次冰期快速海平面上升和气候条件改善下的冰后期大陆架淹没（图2；表S2-S3）。

在30至18千年BP之间，大多数代用指标表现出相对有限的变化。线性沉积速率（LSR）通常保持在以下水平

KCES1的HfNd同位素特征：观测与解释框架

在ε_Nd–ε_Hf空间中，陆地岩石及其衍生沉积物通过ε_Hf和ε_Nd的广泛协变关系定义了"地球陆壳阵列"，这受地壳滞留历史和源岩岩性控制（Vervoort et al., 1999; Vervoort et al., 2011）。偏离这一基线反映了过程诱导的HfNd解耦。因此，这种解耦的程度可以使用Δε_{Hf Terr.}进行量化，定义为在给定ε_Nd值处样本与地球陆壳阵列之间的垂直偏移

结论

本研究证明，KCES1的<63 μm碎屑组分在过去约30千年期间持续保留了第一阶东亚大陆归属关系，而Hf同位素组成在边缘海沉积物传输过程中受到了强烈覆盖。ε_Nd的狭窄变化范围（约1.5 ε单位）相对于更宽的ε_Hf范围（约8 ε单位），表明HfNd解耦主要由Hf特定的源后分馏控制而非物源变化。在

CRediT作者贡献声明

Ruxi Dou: 撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，可视化，验证，软件，形式化分析。Jianjun Zou: 撰写–审阅与编辑，资金获取，概念构思。Aimei Zhu: 方法论。Baohua Han: 撰写–审阅与编辑。Xinru Xue: 撰写–审阅与编辑。Haonan Zhu: 撰写–审阅与编辑。Xuguang Feng: 撰写–审阅与编辑。Junyao Li: 方法论。Yanguang Liu: 撰写–审阅与编辑，资源。Xuefa Shi: 撰写–审阅与编辑，

未引用参考文献

Dou et al., 2016

Zhao et al., 2017

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，这些可能影响本论文所报告的工作。

致谢

本研究由中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFF0804600）和国家自然科学基金（项目编号：41206059，41420104005）资助。

Ruxi Dou|Jianjun Zou|Aimei Zhu|Baohua Han|Xinru Xue|Haonan Zhu|Xuguang Feng|Junyao Li|Yanguang Liu|Xuefa Shi

国家海洋局第一海洋研究所，海洋地质与金属成矿重点实验室，山东青岛266061