研究簡介:本研究聚焦于現(xiàn)代海洋中大陸架沉積物對溶解態(tài)錸（Re）和鈾（U）的還原性匯作用。Re和U是重建過去海洋氧化還原演化的重要指標(biāo)，其在沉積物中的積累和釋放對理解海洋的地質(zhì)和生物地球化學(xué)過程至關(guān)重要。盡管Re和U在氧化海水中的行為相對保守，但在次氧化和無氧條件下，它們會被還原為不溶性物種并沉積到沉積物中。因此研究大陸架沉積物對Re和U的還原性去除作用，對于準(zhǔn)確評估海洋中這些元素的循環(huán)和預(yù)算具有重要意義。研究主要在東海（ECS）大陸架進(jìn)行，該區(qū)域接收大量的懸浮沉積物和有機(jī)碳（OC）負(fù)荷，沉積速率較高。通過在夏季和冬季采集沉積物樣品，并測量孔隙水中的Re和U濃度，結(jié)合224Ra/228Th不平衡方法，研究團(tuán)隊估計了Re和U的還原性去除通量。研究結(jié)果表明，孔隙水中的Re和U濃度在不同深度和季節(jié)間存在顯著差異，冬季的去除通量比夏季高約3-4倍。這一發(fā)現(xiàn)與預(yù)期相反，因為夏季的OC供應(yīng)和季節(jié)性缺氧達(dá)到最大值。研究認(rèn)為，冬季強(qiáng)烈的沉積物再工作/灌溉作用是導(dǎo)致Re和U去除通量較高的原因。進(jìn)一步的分析顯示，Re和U的還原性去除與沉積物中的OC分解速率呈正相關(guān)，表明OC分解是控制Re和U去除的關(guān)鍵因素。通過對全球大陸架的Re和U去除通量進(jìn)行評估，研究發(fā)現(xiàn)大陸架沉積物是Re和U的重要匯，其匯的強(qiáng)度可能被低估。這表明現(xiàn)代海洋中Re和U的預(yù)算可能存在不平衡，或者它們的來源被嚴(yán)重低估。因此，本研究不僅提供了對現(xiàn)代海洋中Re和U循環(huán)的新見解，還強(qiáng)調(diào)了大陸架沉積物在海洋氧化還原演化研究中的重要性。通過揭示大陸架沉積物對Re和U的還原性去除作用，這項工作為理解海洋氧化還原條件的變化提供了新的視角，并可能對評估海洋中其他元素的循環(huán)產(chǎn)生影響。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極系統(tǒng)被用于測量東海陸架沉積物孔隙水中的溶解氧（DO）濃度。Unisense微電極的尖端能夠穿刺到沉積物內(nèi)部，測量不同深度的DO濃度。這種高分辨率的測量能力隊能夠精確地描繪出沉積物孔隙水中的DO濃度梯度，從而更好地理解沉積物中的氧化還原條件。unisense微電極測試數(shù)據(jù)和放射性同位素224Ra/228Th的不平衡分析，能夠定量評估陸架沉積物對Re和U的還原性去除通量。這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步揭示了沉積物中的有機(jī)碳分解速率和沉積物耗氧速率與Re和U去除通量之間的顯著正相關(guān)關(guān)系。

實驗結(jié)果

在東海大陸架進(jìn)行的實地采樣和分析，揭示了大陸架沉積物對溶解態(tài)錸（Re）和鈾（U）的還原性去除作用。研究發(fā)現(xiàn)大陸架沉積物對Re和U的還原性去除是一個重要的匯，其強(qiáng)度與次氧化/無氧環(huán)境中的匯相當(dāng)或更高。研究的結(jié)果表明，大陸架沉積物對Re和U的還原性去除通量顯著高于之前認(rèn)為的次氧化/無氧環(huán)境中的匯。Re的還原性去除通量在大陸架沉積物中可達(dá)112 pmol/m2/day，而U的還原性去除通量可達(dá)30 nmol/m2/day。冬季的Re和U去除通量顯著高于夏季，這與沉積物的再工作/灌溉作用有關(guān)，而不是水柱中的氧氣條件。冬季強(qiáng)烈的沉積物再工作/灌溉作用促進(jìn)了有機(jī)碳的分解，從而創(chuàng)造了更強(qiáng)烈的還原條件，有利于Re和U的還原性去除。Re和U的還原性去除與沉積物中的有機(jī)碳分解速率呈正相關(guān)。這表明有機(jī)碳分解是控制Re和U去除的關(guān)鍵因素。沉積物中的有機(jī)碳分解速率越高，Re和U的還原性去除通量也越高。

圖1、東海陸架沉積物中孔水Re和U的濃度及散裝224Ra/228Th不平衡。東海陸架沉積物中孔水中Re和U的垂直剖面（a，b）及沉積物中的224Ra/228Th不平衡（c）。樣品分別在2017年夏季的10天內(nèi)、2021年夏季的5天內(nèi)及2018年冬季的5天內(nèi)采集。水平虛線表示沉積物-水界面。224Ra/228Th面板中的豎直條形表示224Ra/228Th比值的總體不確定性，低于左邊界的值表示224Ra從沉積物中釋放。

圖2、東海沉積物中Re和U的還原去除通量的空間變化。a，b分別為Re和U的通量。冬季和夏季調(diào)查站點分別用藍(lán)色和紅色圓圈標(biāo)記。

圖3、東海沉積物中Re和U的還原去除與沉積物地球化學(xué)參數(shù)的相關(guān)性。東海沉積物中Re和U的還原去除與沉積物面積放大因子（a，b）、有機(jī)碳的厭氧分解速率（通過氨的凈產(chǎn)生確定；c，d）和沉積物氧消耗速率（e，f）的相關(guān)性。三角形和圓圈分別代表夏季和冬季的數(shù)據(jù)。異常的通量在St.E1-W站點的線性回歸中已被排除。

圖4、全球陸架中Re和U的沉積物去除通量位置的分布。a東海。b東西伯利亞海和北美西岸（參考文獻(xiàn)13,46）。c北美東岸。

圖5、全球陸架Re和U的面積沉積物還原去除通量匯總。Re（a）和U（b）的面積沉積物去除通量分為兩個組別：陸架（灰色）與陸架外（深灰色）。匯總的通量包括從孔水剖面估算的擴(kuò)散通量、224Ra/228Th不平衡法推導(dǎo)的總通量（本研究），以及來自參考文獻(xiàn)13–15,28,36,46的陸架沉積物中的自生固體相，以及用于氧化（氧穿透深度（OPD）>1 cm）、亞氧（OPD≤1 cm）和厭氧（無溶解氧（DO））環(huán)境的陸架外代表性沉積率（參考文獻(xiàn)3,20）。箱體上下的誤差條表示第90和第10百分位數(shù)。箱體中的黑色水平線表示第75、第50和第25百分位數(shù)。

結(jié)論與展望

錸（Re）和鈾（U）是重建過去海洋氧化演化的重要代理元素。然而，之前對它們在大陸架沉積物中的去除作用，作為早期成巖作用的熱點，曾被視為海洋中不重要的定量匯。本研究通過利用東海大陸架中的224Ra/228Th不平衡，探討了錸和鈾的沉積物還原性去除及其與有機(jī)碳分解的耦合關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)它們的去除通量與沉積物氧消耗率或有機(jī)碳分解速率之間存在正相關(guān)。這些相關(guān)性使得我們能夠評估全球陸架還原性匯，其通量與（錸）之前已確定的次氧/缺氧匯相當(dāng)，或者（鈾）更高（約為4倍）。Unisense微電極系統(tǒng)用于測量東海陸架沉積物孔隙水中的溶解氧（DO）濃度。研究人員利用Unisense微電極的高空間分辨率和快速響應(yīng)特性，精確測量了沉積物孔隙水中的DO濃度分布。這些測量結(jié)果對于理解沉積物中的氧化還原條件至關(guān)重要，因為這些條件直接影響了錸（Re）和鈾（U）的還原性去除過程這些發(fā)現(xiàn)表明，現(xiàn)代錸和鈾的預(yù)算可能存在潛在的不平衡，或者它們的源頭被大幅低估。因此本研究強(qiáng)調(diào)了陸架沉積物還原性去除作為現(xiàn)代海洋中錸和鈾的重要但被忽視的匯。本研究強(qiáng)調(diào)了大陸架沉積物在現(xiàn)代海洋Re和U循環(huán)中的重要性，并揭示了其對Re和U還原性去除的顯著貢獻(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)為理解海洋氧化還原條件的變化提供了新的視角，并可能對評估海洋中其他元素的循環(huán)產(chǎn)生影響。