南科大海洋磁学中心（CM2）团队发表古海洋环境研究成果

1. 南科大海洋磁学中心（CM2）团队发表古海洋环境研究成果

南方 科技 大学海洋科学与工程系（简称“海洋系”）海洋磁学中心（Centre for Marine Magnetism, CM2）团队在海洋结核与结壳的古环境研究中取得新进展，提出了一种全新的方法，可用来研究洋流活动。相关研究成果近日以“A magnetic approach to unravelling the paleoenvironmental significance of nanometer-sized Fe hydroxide in NW Pacific ferromanganese deposits”为题在地球科学期刊《地球与行星科学快报》(   Earth and Planetary Science Letters   )上发表。 
     
  铁元素是大洋环境演变中重要元素之一，对生物地球化学循环以及碳循环具有重要意义。大洋中铁的来源主要包括粉尘、河流物质、冰碛物和海底热液。大洋海水中的铁循环主要依靠微生物作用和氧化还原环境变化调节铁的颗粒态和溶解态转变。 
     
   图1. 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。  
  
 要想研究海洋铁循环，需要合适的载体。深海铁锰结核与结壳广泛分布于全球各个大洋，是地球表层系统中最重要的铁储库。据估算，仅太平洋克拉里昂和克里伯顿区（CC区）锰结核的铁储量就可达到1.3 109吨。这些含铁矿物相主要为纳米级非晶态铁氢氧氧化物。但是，由于对纳米非晶态的特征缺乏有效的表征和定量手段，其生物地球化学循环和古环境研究中的作用被长期忽视。
  
 海洋磁学中心研究团队创新使用加热方法，使样品中非晶态铁氢氧氧化物因受热脱水，而转变为纳米级的铁氧化物晶体（磁铁矿和赤铁矿等），提高了样品磁学响应的灵敏度，并可进一步进行高分辨率显微分析，确定其形态特征和磁学性质。这一种新方法（加热与磁学分析）实现了对锰结核与结壳中的纳米级非晶态铁氧化物进行特征化和定量化研究。
     
   图2. 加热700 C后新形成铁氧化物纳米颗粒的透射电镜分析结果。a-e 纳米矿物的形态特征。f-j 纳米矿物的花样衍射分析，这些新生成矿物主要是磁铁矿（f-g, i）以及磁赤铁矿（h）和赤铁矿（j）。  
  
 研究团队将该方法应用于西太平洋多个站位锰结核与结壳的表层样中（图3），发现这些铁氧化物与大洋水深具有明显的对应关系，尤其是在水深5000米处明显增多。这一分布特点与该区海水中颗粒态铁、氧化还原敏感的微量元素、指示洋流活动的钕（Nd）同位素分布一致。该研究区5000米水深处具有明显的来自南极的富氧底流活动，这意味着洋流活动引起了多个环境指标响应。锰结核与结壳非晶态纳米铁氧化物对洋流活动敏感。研究团队提出的新方法对研究海洋古环境具有重要意义。
     
   图3. 深海锰结核与结壳以及参考点的站位分布。a 站位和参考点在西北太平洋的空间分布（Fe-Mn nodules and crusts为铁锰结核与结壳）。b-c站位和参考点水深分布和研究区含氧量分布（OMZ最低含氧层，LCDW低绕极深水流）。  
  
 南科大海洋系研究助理教授蒋晓东为该论文的第一作者，助理教授周祐民和讲席教授刘青松为论文通讯作者。南科大为论文第一单位。该研究联合澳大利亚国立大学、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/10.1016/j.epsl.2021.116945

2. 海洋一所在陆架沉积自生铁硫化物环境磁学研究中取得新进展

近日，自然资源部第一海洋研究所石学法研究团队联合南方 科技 大学和中国科学院地质与地球物理研究所科学家在陆架沉积自生铁硫化物环境磁学研究中取得新进展。
  
 海平面变化是控制第四纪陆架环境演化的主要因素，然而目前除了冰期-间冰期尺度上的海侵-海退层序外，很难根据其他线索推断海平面变化。尤其是在更短时间尺度、沉积物粒度较细且岩性变化不太明显的情况下，这种困难显得更加突出。因此，在细粒陆架沉积序列中寻找一种可在短时间尺度上有效指示海平面变化的指标显得尤为重要。陆源沉积物中的磁性矿物在沉积后会根据其沉积环境氧化还原条件的变化而相应发生不同程度的改变，并伴随着一系列自生磁性矿物的形成。考虑到陆架沉积环境条件强烈受控于海平面变化的控制，那么有可能根据陆架沉积物中磁性矿物的变化序列来推测相应的海面变化。
  
 为了验证上述科学假设，海洋一所石学法研究团队联合南方 科技 大学和中国科学院地质与地球物理研究所科学家对东海外陆架DH03孔（孔深100 m，水深96 m; 图1）岩心沉积物开展了系统的岩石磁学以及针对性的矿物学和地球化学等研究。结果显示，DH03孔MIS 3中-晚期至MIS 2沉积物中的主要磁性组分呈现出黄铁矿（FeS2） 胶黄铁矿（Fe3S4） 磁铁矿（Fe3O4）的规律性变化，与海平面的变化趋势高度吻合（图2）。特别是MIS 3期沉积物为相对均一的细粒沉积物，从粒度和颜色等特征上很难识别出岩性的变化，而黄铁矿 胶黄铁矿的铁硫化物变化序列则很好地指示了对应海面的变化。此外，该项研究还发现中国东部陆架沉积物中的胶黄铁矿更容易在30-60 m的水深环境中富集，而其终极还原产物黄铁矿则更易于在60 m以深的环境中形成和保存。该研究为 探索 陆架海平面在轨道-亚轨道时间尺度上的变化提供了行之有效的参数，同时也暗示自生铁硫化物可以作为陆架古气候和古海洋学研究的潜在指标。上述研究成果发表在Nature-Index期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》上，刘建兴博士为第一作者，石学法研究员为通讯作者。
     
 图1 研究区概况和相关钻孔分布
     
 图2 DH03孔MIS 3中晚期-MIS 2期沉积物中磁性矿物和其他参数随深度的变化
  
 （图2a中各字母含义分别为：M (magnetite, 磁铁矿), H (hematite, 赤铁矿), G (greigite, 胶黄铁矿), P (pyrite, 黄铁矿)）