430 万年北极中央欧亚海洋冰盖与有机碳埋藏的神秘档案：解开极地古气候变迁之谜

为解决北极海洋晚第四纪古气候记录稀缺、准确年代测定困难等问题，研究人员对 PS115/2-2 沉积岩芯展开研究。结果重建了 430 kyr 间冰盖动态与有机碳（OC）埋藏关系，明确 OC 来源及沉积环境变化。该研究为北极古气候研究提供关键依据。

　　在地球气候的宏大篇章中，北极地区一直扮演着极为特殊的角色。它如同一个敏感的气候 “晴雨表”，强烈地反映着全球变暖的趋势，其快速且剧烈的变化深刻影响着全球气候系统。在地质历史的长河里，北极海洋的冰川经历了多次扩张与收缩的循环，大陆冰盖的消长、冰架的变化以及海洋环流模式和海冰覆盖范围的改变，都是这一复杂过程的重要组成部分。然而，长期以来，关于北极地区最大冰期的时间、范围以及它们与陆地和海洋环境变化之间的相互关系，始终存在争议，难以达成共识。同时，准确测定第四纪沉积物序列的年代，更是成为困扰北极研究领域几十年的重大难题。

在全球气候系统的众多环节中，有机碳（OC）循环至关重要。它涵盖了陆地和海洋中的生产、海洋及沉积物中的存储与埋藏、成岩作用或降解，以及向大气中释放温室气体等多个过程。就现代北极海洋的 OC 循环而言，陆地来源的 OC 占据主导地位，大量的陆地 OC 被埋藏在北极大陆架沉积物、土壤和泥炭中，或是冻结在永久冻土和冰复合体沉积物里。随着北极地区地表温度的升高，永久冻土广泛退化，海岸冰复合体沉积物崩塌侵蚀，水合物分解，这些变化可能导致大量的 CH₄和 CO₂释放到大气中，同时也会增强对古老的、先前冻结的土壤来源 OC 的活化和输出。而在地质历史时期，末次冰消期大气中 CO₂的增加，可能与大量古老陆地 OC 的释放和氧化有关；在冰期气候变冷、北极冰盖扩张和海平面下降的时期，大量富含 OC 的土壤、沉积物和岩石可能被冰川作用侵蚀并搬运到深海沉积物中，成为重要的地质 CO₂汇和存储库。但遗憾的是，关于晚第四纪冰期北极中央海洋的冰川作用、海洋过程、沉积物排放和 OC 埋藏速率等方面，精确记录十分有限，且主要集中于上一个气候周期。

为了深入探究这些科学问题，德国不来梅大学地球科学学院和海洋环境科学中心（MARUM）等机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们对 2018 年从极地 stern 号 PS115/2 航次中获取的 PS115/2-2 沉积岩芯进行了全面分析。该岩芯来自于 Gakkel Ridge 东翼 3600 米水深处的 Amundsen Basin，代表了过去 430 kyr 的四个冰川 / 间冰期旋回。研究人员通过多指标分析方法，建立了精确的年龄模型，详细研究了 OC 埋藏历史及其与欧亚冰盖（EIS）历史、沉积物和融水排放以及沉积环境之间的关系。这项研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解北极古气候演变提供了全新的视角和重要依据。

研究人员运用了多种关键技术方法。在年代测定方面，采用了磁学指标（包括地球磁场的倾角和相对古强度 RPI）、放射性同位素（²³⁰Th、²³¹Pa 等）以及 AMS¹⁴C 测年等方法。在成分分析上，运用有机地球化学指标，如总有机碳（TOC）含量、C/N 比、生物标志物分析等，确定 OC 的来源和成熟度；同时进行矿物学分析，通过 XRD 分析确定沉积物的矿物组成，以识别沉积物的来源区域和搬运路径。

研究结果

1. 沉积物特征和岩石地层框架：PS115/2-2 岩芯长 764 cm，主要由棕色至深棕色、浅橄榄棕色的粉质粘土，以及深灰色粉质粘土组成。深灰色层富含 OC，在其他沉积物岩芯中也有发现，但 PS115/2-2 岩芯包含七个深灰色、极细粒（无 IRD）的粉质粘土层，其独特的内部结构表明可能是远端浊流或等深流沉积，反映了沉积环境的周期性变化。然而，将岩石地层框架转化为可靠的年代地层框架一直是北极海洋沉积研究的难题，此前基于船上数据提出的初步年龄模型缺乏有力的年代约束点12。
2. 建立准确的年代学：研究人员利用多指标方法建立了 PS115/2-2 岩芯的年龄模型。通过对岩石磁性测量评估古地磁信号是否受成岩作用影响，确定了该岩芯的倾角记录可可靠反映地球磁场极性变化。利用²³⁰Th_ex和²³¹Pa_ex的灭绝年龄以及 AMS¹⁴C 年龄等独立年龄指标，确定了岩芯中多个地磁极性倒转事件的年龄，如葡萄牙孤儿、布莱克等地磁漂移事件。最终建立的年龄模型显示，该岩芯代表了过去 430 kyr 的沉积序列，沉积速率在 0.5 - 5 cm/kyr 之间变化34。
3. 冰川到间冰期有机碳来源和埋藏的变化：根据年龄模型和与全球底栖氧同位素对比，深灰色层（OC - 1 至 OC - 7）与寒冷气候阶段相关，其 TOC 含量高，主要来源于陆地（TerrOC），C/N 比高，含有大量陆地生物标志物和成熟的 TerrOC。而棕色 - 米色沉积物代表间冰期，TOC 含量低。冰川期 OC 积累速率比间冰期高 3 - 6 倍，表明北极深海沉积物在冰川期是重要的 TerrOC 汇。此外，冰川沉积物中还含有少量但显著的海洋藻类生物标志物，说明在冰川期欧亚大陆边缘可能存在偶尔的开阔水域（浅滩型）条件，有海洋和海冰藻类生产力56。
4. 碎屑沉积物来源、搬运过程和冰盖历史：通过对矿物学示踪剂的分析，发现 OC - 1 至 OC - 7 间隔的深灰色沉积物中，（斜）辉石、蒙脱石、高岭石和菱铁矿含量显著增加，其最可能的来源是泰梅尔半岛、北地群岛和卡拉海地区的古生代和中生代沉积岩。在冰川期，EIS 的推进和退缩导致冰盖侵蚀这些地区富含 OC 的沉积岩和土壤，沉积物被搬运到陆架并进一步向欧亚盆地输送。搬运过程包括浊流、沉积物从浊积层的沉降和 / 或超浓流，以及等深流的侧向搬运，最终在 PS115/2-2 站点发生 OC 埋藏78。

研究结论与讨论

本研究建立了可靠的年代地层框架，首次详细重建了过去 430 kyr 中央欧亚盆地冰盖动态与 OC 埋藏之间的关系，并将海洋和陆地冰盖历史记录进行了关联。研究表明，冰川侵蚀和大规模物质搬运过程是导致 PS115/2-2 站点 OC 埋藏速率升高的主要原因。冰川期高的 TerrOC 埋藏可能改变了沉积氧化还原条件，使环境从有氧变为无氧，从而有利于保存海洋藻类来源的 OC。此外，研究还发现了一个富含白云石的粉红色层（“Pink - White Layer 2”），可作为北极沉积物岩芯海洋范围内对比和定年的关键标志层。

这项研究成果对于北极地区的古气候研究具有重要意义。它为深入理解北极地区在地质历史时期的气候演变过程提供了关键依据，有助于揭示北极地区在全球气候系统中的作用和影响。同时，该研究确定的 PS115/2-2 岩芯可作为未来北极古气候重建研究的关键岩芯，为进一步研究北极地区的气候变化规律和预测未来变化趋势奠定了坚实基础。