中中新世后北大西洋有机碳埋藏增强与深层水流形成的强化相关

《Global and Planetary Change》：Enhanced organic carbon burial in the North Atlantic linked to intensification of deep-water formation after the mid-Miocene

　　

摘要

有机碳（OC）的埋藏作为大气CO₂的长期汇发挥着至关重要的作用。由持续的海底洋流形成的等深流漂沙堆积是全球最有效的有机碳沉积陷阱。然而，有机碳向等深流漂沙的埋藏通量仍知之甚少，尤其是在北大西洋深层水形成区附近。对格陵兰岛西缘晚中新世等深流漂沙记录（IODP第400次航次，U1607站位）以及北大西洋其他若干类似站位的分析表明，北部成分水（NCW，北大西洋深层水的前身）在中新世中期之后加强，这通过改变底层洋流的强度增强了有机碳埋藏通量。全球有机碳埋藏量的稳定增加，包括北大西洋等深流漂沙，与新近纪期间大气CO₂的下降高度相关。这凸显了深层水环流对通过等深流漂沙系统储存有机碳从而影响长期碳封存的重要性。

引言

有机碳埋藏是调节大气和海洋碳储存的关键过程。底层洋流通过再分配沉积物并将有机质集中到称为等深流漂沙的大型快速沉积系统中，在长期碳封存中发挥着重要作用（Yin等，2024）。这些等深流漂沙系统作为有效的有机碳陷阱，存在于底层水环流强烈的陆缘区域。由于深层水和中间水的形成与输出，北大西洋及其周边盆地是最突出的等深流漂沙发育区域之一（Boyle等，2017）。

在新近纪期间，整个北大西洋的底层洋流路径和沉积模式因北部成分水（NCW，北大西洋深层水（NADW）的前身）的形成和加强而发生了剧烈变化（Poore等，2006）。在大陆坡和陆架上，NCW促进了巨大等深流漂沙系统的发育，特别是在深层水形成和溢流路径附近的区域（Sinnesael等，2025）。这些站位的高沉积积累速率有利于增强有机碳埋藏通量（De Castro等，2020；Paz等，2022）。等深流漂沙系统是全球海洋中沉积积累最快速的沉积中心之一，据估计每年埋藏约118–124兆吨（~1.18–1.24×10¹⁴ g C yr^?1）有机碳，占年海洋有机碳埋藏量的约38–73%（Burdige，2007；Smith等，2015；Yin等，2024），约为海洋年大气CO₂吸收量的约4–5%。我们注意到，这些数值反映的是总体积累量，并未区分新输出的生产力与底层洋流再加工的有机碳。然而，有机碳向等深流漂沙的埋藏通量仍知之甚少，尤其是在北大西洋深层水形成区。在现代时间尺度上，与NCW/NADW形成相关的区域，如拉布拉多海，也通过深层对流成为大气CO₂的重要汇，估计吸收量约为~39×10¹² g CO₂（DeGrandpre等，2006）。

海洋通道的构造变化，特别是格陵兰-苏格兰海岭（GSR）的出现和演化，被认为是新近纪以来北大西洋环流的一阶控制因素（St?rz等，2017；Wright和Miller，1996）。在现代条件下，GSR的显著浅滩深度小于500米，较深的通道约840米水深处，允许北欧海形成的密质水逃逸。当这些寒冷、密质水越过浅滩时，与较温暖、较轻的大西洋水混合形成NADW，后者构成大西洋经向翻转环流（AMOC）的下支。因此，即使是浅滩深度的微小变化也可能显著影响深层水交换和NADW的体积输运，可能导致全盆地范围的环流变化（Roberts和Wood，1997）。我们的结果支持了这样一个假设：NCW以及后来NADW强度的变化通过调节沉积速率、保存条件和沉积系统对有机碳埋藏施加了一阶控制。

漂沙沉积物是由底层洋流形成的显著地貌特征，间接记录了深层水溢流的变化，使其成为海洋环流的代用指标（McCave和Tucholke，1986；Wold，1994）。沉积物供给和洋流活动的变化决定了积累速率，这是影响漂沙沉积物几何形态的主要外部因素。因此，地震反射往往指示沉积或成分发生转变的边界，或者指示非沉积或侵蚀发生的区域。这些转变使一个漂沙体能够被细分为不同的地层单元（Cunningham等，2002）。东北巴芬湾格陵兰岛西缘的新近纪地层序列以由强力的陆架限定底层洋流形成的显著丘状漂沙和等深流沉积物为特征（Knutz等，2010）。这些沉积物出现在两个主要地层层面（中中新世晚期），表明在冰期开始之前陆架边缘就存在持续的旋进环流，类似于现代伊明格海流（Knutz等，2010）。漂沙沉积的开始标志着中新世中期海洋条件的显著转变。向洋流驱动的沉积方式的转变可能与北大西洋沿深层西边界流路径的大多数等深流漂沙的形成时间相吻合（Srivastava等，1989；Wold，1994）。南部巴芬湾和戴维斯海峡的漂沙积累始于中中新世，反映了大西洋来源底层水团的西边界流，与北大西洋主要等深流漂沙系统的演化一致（Nielsen等，2011）。北欧海溢流越过GSR的减少可能会降低NADW/NCW，进而减弱西边界流（Hayashi等，2020；Knutz等，2015），影响东部巴芬湾/格陵兰岛西缘陆架，该处的等深流漂沙反映了洋流活动的长期变化（Stanford等，2011）。新近纪漂沙在戴维斯海峡南北两侧的西部陆架均有出现，表明该海峡足够深，能够允许大西洋水团进入巴芬湾（Knutz等，2015）。虽然缺氧的深层水条件可以增强有机碳的保存，但鉴于先前研究中报告的普遍生物扰动（ODP第645站位），其持续存在于巴芬湾的可能性不大（Srivastava等，1987）。相反，在东部巴芬湾U1607站位（漂沙系统），快速沉积积累似乎是对有机碳保存的主要控制因素。

章节摘要

研究站位

国际海洋发现计划（IODP）第400次航次在巴芬湾东侧钻探了七个站位（图1）。本研究关注的站位为U1607（74°29.5499′N，60°34.9900′W，水深：~739米），钻探于东北巴芬湾内陆架、沿格陵兰岛西北部冰川化边缘（Knutz等，2025）。U1607站位的目标是早中新世至晚中新世与等深流漂沙相关的高积累速率沉积物。第400次航次的回收率约为77%

NCW驱动的底层洋流控制巴芬湾有机碳埋藏通量

东部巴芬湾U1607站位晚中新世漂沙沉积物的总有机碳（TOC）含量范围为0.23%至1.24%。U1607站位的有机碳埋藏通量最大值为1.24 g C cm^?2 kyr^?1，在约8至10 Ma区间内平均值为0.35 g C cm^?2 kyr^?1（图3a，b）。在约9.7 Ma达到最大值后，东部巴芬湾的碳埋藏通量出现下降（图3a）。这一增加是由于强底层洋流所致，如高的Zr/Rb比值所示（图3d）。这一下降是

结论

自新近纪以来，北大西洋等深流漂沙系统中海洋有机碳（OC）埋藏的长期变化受深层水环流强度的控制。GSR的构造运动影响NCW的强度以及格陵兰岛西缘陆架和北大西洋漂沙系统的沉积速率。NCW的持续存在，在约12 Ma之后增强，通过捕获有机碳于等深流漂沙系统中并充当

CRediT作者贡献声明

Biswaranjan Jena：撰写——审阅与编辑，撰写——原始稿件，概念化。 Manish Tiwari：撰写——审阅与编辑，监督，概念化。 Sakshi Mishra：撰写——审阅与编辑，方法学，数据整理。 Vikash Kumar：撰写——审阅与编辑，监督，概念化。

作者贡献

B.J.撰写了原始稿件，进行了数据分析，并处理了样品。V.K.参与了IODP航次，进行了野外采样，共同监督了实验室工作，并协助了数据处理。S.M.参与了样品处理和示意图草案的绘制。M.T.构思了该项目，监督了分析程序，并参与了数据分析和手稿撰写。所有作者均已审读当前版本的手稿。

未引用参考文献

Xing等，2026

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本文所报告工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

我们感谢印度地球科学部部长（MoES）以及国家极地海洋研究中心（NCPOR），果阿，总监的支持（NCPOR贡献编号：xxxx）。本研究使用了国际海洋发现计划的数据和样品。我们衷心感谢JOIDES号科学操作员（JRSO）、IODP第400次航次的船上科学和技术团队，以及IODP印度项目办公室。我们感谢NCPOR的Ms. Viola Rodrigues

Biswaranjan Jena | Manish Tiwari | Sakshi Mishra | Vikash Kumar

印度地球科学部国家极地海洋研究中心，Headland Sada，果阿邦，403804，印度