南科大海洋磁学中心在西太平洋锰结核的古气候记录研究中取得进展

近日，南方科技大学海洋磁学中心（Centre for Marine Magnetism, CM2）团队在西太平洋海底锰结核的古气候记录研究中取得重要进展，相关成果以“Abyssal manganese nodule recording of global cooling and Tibetan Plateau uplift impacts on Asian aridification”为题在地球科学自然指数权威期刊《地球物理研究快报》(Geophysical Research Letters)发表。

粉尘是地球表层和大气间相互作用的重要产物，在气候和环境的长期演变中发挥着重要作用。远距离输送至海洋的粉尘，可为海洋提供铁元素等营养物质，提高海洋生产力，进而可以促进光合作用和大气二氧化碳的封存，是调节全球碳循环和气候变化的重要因素。亚洲粉尘源区是地球上最重要的粉尘源区之一，北太平洋处于西风带主轴上，粉尘的环境影响非常显著。然而,晚中新世以来亚洲粉尘在北太平洋的记录存在不一致的现象。此外，粉尘对生产力的影响也存在争议。

图1. 研究区域图。红色星星指示研究站位，粉色圆圈指示文章数据参考站位，黄色虚线指示西风带主轴，绿色线为太平洋底流（LCDW：低绕极深水），黑色和红色虚线分别指示北半球冬夏热带辐合带。

西太平洋海域由于远离大陆，陆源物质输入稀少，生产力极低。但该区处于西风带主轴的南端，理论上对粉尘输入非常敏感。同时，该海域广泛分布着大量的锰结核与结壳，这些沉积型矿产记录了丰富的古环境与古气候信息，是生物地球化学循环的信息储库，因此是研究该问题的理想介质。为此，海洋磁学中心团队对西太平洋低纬度地区锰结核进行了精细的分层切割，对切片样品进行了系统的地球化学、岩石磁学、古海洋学研究，建立年代框架、提取古环境和微化石信息。研究发现西太平洋锰结核记录了亚洲粉尘输入信息，粉尘输入对海洋生产力和底栖微生物活动造成了影响。本研究在以下三个方面取得了进展：

图2. 锰结核在深海海盆上的生长状态（深潜器海底摄像）。A-C 分别为锰结核横切面，海底摄像，单个锰结核手标本照片。

1.针对定年难题提出了新的定年方法。Co年代学与Be同位素联用是目前最常用的定年方法，但锰结核与结壳Co年代学涉及多个经验公式，在进行年代框架建立时发现样品适用于多个经验公式，而不同经验公式得出了不同的年代。为解决这个问题，本研究给出了Co年代学通式，利用Be同位素绝对年龄约束，基于贝叶斯方法进行计算，建立了可靠的年龄框架。

2.多指标联合厘定亚洲内陆干旱化事件。地球化学和岩石磁学的研究结果表明，锰结核记录了晚中新世以来两次显著的粉尘输入增强事件~8-7 Ma 和 ！3.6-0 Ma（图3），这两个时期表现为明显的生产力升高（P）、氧化还原变化（δCe）和生物磁小体含量变化（ARM）。这表明粉尘输入所具有的铁肥效应对西太平洋低纬度海域的生产力产生了积极作用，有机质向深海输入后又影响了海底氧化还原状态，而对氧化还原态敏感的趋磁细菌又响应了这个变化。

图3. 晚中新世以来代表性的全球和区域环境指标。A 全球底栖有孔虫δ18O曲线；B 中国黄土堆积速率；C 日本海基于伊利石/蒙脱石所指示的粉尘堆积速率；D 北太平885/886站位的粉尘堆积速率；E-G 锰结核全岩P、δCe、ARM变化趋势，三者分别指示生产力、氧化还原、生物磁小体化石的变化（红绿线分别指示锰结核核心两边对称取样的变化，蓝线指示二者的平均值，阴影指示90%的置信区间）；H 指示洋流变化的εNd。

3.鉴别晚中新世以来亚洲内陆干旱化的驱动因素。晚中新世以来的亚洲内陆干旱化驱动机制仍然在青藏高原隆升和全球变冷间存在争议，因为青藏高原隆升可阻挡印度洋输入亚洲内陆的水汽，而全球变冷可致使水汽向两极冰盖传输。本文统计了晚中新世以来全球各大洋的生产力变化，发现 8-7 Ma 时段生产力仅在亚洲边缘海和北太平洋具有显著变化，而3.6 Ma以来全球各个海域均出现了生产力升高现象。这表明这两次事件可能分别为区域性和全球性事件，二者也就对应于青藏高原隆升和全球变冷。

图4. 气候变化与底栖微生物活动间联系的概念图（OMZ = 最低含氧带, OC = 有机碳）。A 青藏高原隆升引起亚洲内陆干旱化（ 8-7 Ma），继而引起粉尘输入太平洋增强，增强的铁肥效应引起生产力升高-海底氧化还原态变化-微生物活动受影响。B 全球变冷（~3.6-0 Ma）所引起的生产力升高-海底氧化还原态变化-微生物活动反应链变化。

研究团队通过对西太平洋锰结核的系统研究，揭示了晚中新世以来青藏高原隆升和全球变冷加剧了亚洲内陆干旱化，干旱化所引起的粉尘通量增强通过铁肥效应影响了西太平洋生产力、深海氧化还原态、底栖微生物活动。本研究为研究亚洲内陆干旱化和太平洋环境协同演化提供了新的视角。

南方科技大学海洋科学与工程系研究助理教授蒋晓东为论文第一作者，讲席教授刘青松、助理教授周祐民为论文通讯作者，南科大是论文第一单位。该研究由澳大利亚国立大学、日本极地研究所、美国地质调查局等多个国际科研单位合作完成。以上研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科创委与南科大启动经费的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1029/2021GL096624

供稿：海洋科学与工程系

通讯员：颜莎

主图：丘妍

编辑：朱增光