冲绳海槽（位于西太平洋的一个边缘海盆）中20年来海水锇同位素变化记录：对气候变化的影响

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：A 20-kyr record of seawater osmium isotope variations in the Okinawa Trough, a marginal basin in the western Pacific: Implications for climate change

本研究通过分析冲绳海槽末次冰期以来（约20,000年）的高分辨率海水锇同位素记录，揭示了气候变迁对全球海洋锇信号的影响。结果显示，低温期海水锇同位素比值显著降低，可能与北大西洋中间水输入增加导致的不radiogenic锇来源增强有关；而温暖期同位素比值升高则反映了大陆风化作用增强和河流输入增加。该研究支持了全球海洋锇同位素信号对气候变化的整合响应。

　　

林东一（Dhongil Lim）| 金智勋（Jihun Kim）| 杨朱妍（Juyeon Yang）| 崔顺民（Sunmin Choi）| 金仁泰（Intae Kim）| 康正元（Jeongwon Kang）| 徐兆凯（Zhaokai Xu）| 大卫·塞尔比（David Selby）

韩国海洋科学技术院，釜山 49111，大韩民国

摘要

我们提供了过去约2万年间，位于西太平洋边缘海域的冲绳海槽（Okinawa Trough）海水锇同位素（¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os比率）变化的高分辨率记录。锇浓度范围为53.0至166.5 pg g^?1，¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os比率范围为0.993至1.073，大多低于现代海水的平均值（1.060 ± 0.010）。该记录显示了显著的波动（约5–8%），这些波动紧密跟随冰期-间冰期以及千年尺度的气候变化：在寒冷时期锇浓度较低，而在温暖时期较高。这种模式可能反映了全球海洋中锇含量的变化，这种变化受到温暖气候下大陆风化作用和河流径流增加的影响。值得注意的是，轨道尺度上的变化可能是由于冰消期风化过程中放射性锇（¹⁸⁷Os）释放增加所驱动的，尤其是在B?lling–Aller?d温暖期。尽管在最后一次冰川期中国河流直接流入该海域，但它们对海水锇同位素的影响有限（¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os比率仅变化了约0.03）。相反，在最后一次冰川期和其他寒冷事件（如Younger Dryas时期和4.2千年前的冷却期）中，锇同位素向非放射性值偏移的现象，这归因于相对非放射性的北太平洋中层水（North Pacific Intermediate Water）流入量增加，这与冰川期间大陆锇通量减少的趋势一致。我们的研究结合其他地区的记录，突显了冰期-间冰期锇同位素变化的全球一致性，为大陆风化对气候变化的响应提供了证据。

引言

海洋锇同位素（¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os比率）记录是一种有效的古海洋学工具，因为它对大陆表面风化过程敏感，能快速响应气候变化，并能够捕捉到全球海洋的信号（例如Peucker-Ehrenbrink和Ravizza，2000年；Ravizza和Peucker-Ehrenbrink，2003年；Sekine等人，2011年；Georg等人，2013年）。这一记录有助于揭示与气候变化相关的大陆表面风化变化（Ravizza等人，2001年；Burton等人，2010年；Dickson等人，2015年；Lim等人，2024年）。锇（Os）在海洋中的停留时间相对较短（约1–5万年，Levasseur等人，1999年；Oxburgh，2001年；Peucker-Ehrenbrink和Ravizza，2012年），因此能够记录由气候驱动的海水成分变化，即使在冰期-间冰期循环中也是如此（Williams和Turekian，2004年；Oxburgh等人，2007年；Burton等人，2010年；Peucker-Ehrenbrink和Ravizza，2012年；Ownsworth等人，2023年）。海水中的锇同位素组成反映了高度放射性的河流来源和非放射性的热液及宇宙成因锇输入之间的平衡（Levasseur等人，1999年；Peucker-Ehrenbrink和Ravizza，2000年）。热液来源的锇同位素特征接近现今地幔的值（¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os = 0.13），而来自上地壳风化的河流贡献则为海洋提供了放射性锇（¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os = 1.44）。因此，任何给定时间点海洋中溶解态锇的同位素组成反映了这些输入的不同比例组合，而轨道尺度上的气候驱动的大陆表面风化变化在调节全球锇信号中起着关键作用（例如Oxburgh等人，2007年；Percival等人，2016年；Sekine等人，2011年）。

晚更新世时期，包括印度洋的孟加拉湾（Burton等人，2010年）、大西洋的卡里亚科盆地（Oxburgh等人，2007年）、圣巴巴拉盆地（Williams和Turekian，2004年）以及太平洋（Oxburgh，1998年）在内的多个海洋盆地的锇同位素记录都显示出一致的冰期-间冰期变化。在这些记录中，海水中的锇同位素组成（¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os）在冰期和间冰期之间变化了约10%，表现为在冰消期期间从较不放射性的值向更放射性的值转变。这种全球性的变化与气候周期相关，可能是由大陆锇通量和/或河流输入组成的快速、显著变化所驱动的，例如在冰川期间全球河流通量减少了约30%，同时河流中的锇同位素组成也发生了约5%的变化（Burton等人，2010年）。因此，冰期期间海水¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os的减少被解释为大陆表面风化在10⁴–10⁵年时间尺度上的反馈。

然而，最近的研究表明，晚更新世时期的海洋¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os记录显示出明显的区域差异，几乎没有冰期-间冰期的对比，从而挑战了冰期期间向非放射性组成转变的全球性趋势这一观点。例如，Paquay和Ravizza（2012年）观察到不同海洋盆地之间的系统性差异，表明冰期期间海水中的锇同位素组成存在全球性异质性。同样，最近的研究（Rooney等人，2016年；Ownsworth等人，2023年；Taylor等人，2024年）提出锇在海洋中的停留时间比之前估计的（约10⁴年）要短（约10³年），支持了晚更新世期间不同海洋盆地之间锇同位素组成存在异质性的观点。这些结果突显了关于锇在海洋中的停留时间、其同位素组成的空间均匀性以及晚更新世期间气候驱动的风化记录的现有不确定性。此外，现有的晚更新世锇同位素记录仅限于少数几个地区——如日本海（Dalai等人，2005年）、阿拉伯海（Goswami和Singh，2012年）、卡里亚科盆地（Oxburgh等人，2007年）和孟加拉湾（Burton等人，2010年）——这凸显了需要来自更多不同海洋盆地的记录来更好地约束海水锇组成的区域性与全球性控制因素。

冲绳海槽（OT）位于西北太平洋的西部边界，是一个典型的边缘盆地，连接着东亚大陆和开阔的西太平洋（图1）。在最后一次冰川期间，当东海大部分大陆架暴露出来时， submerged的OT持续接收了长江和黄河带来的大量沉积物，保存了冰期-间冰期循环中的气候和环境变化记录（例如Zheng等人，2013年；Zou等人，2021年；Jing等人，2024年；Dou等人，2025年）。OT盆地还受到两个主要开放海洋水团的影响——表层黑潮（KC）和深层北太平洋中层水（NPIW）（图1）——这两个水团都表现出显著的冰期-间冰期变化。作为西太平洋的西部边界洋流，KC在冰期期间并未流入OT（Lim等人，2017年；Zou等人，2021年），而起源于黑潮-亲潮混合水域的NPIW则主导了该区域（Dou等人，2015年；Dou等人，2025年；Chang等人，2025年；Wang等人，2026年）。KC和NPIW的影响变化强烈调节了盆地的物理化学条件（Zhao等人，2021年；Zou等人，2021年；Dou等人，2025年）。鉴于OT靠近陆地且对这些海洋和气候变化的敏感性较高，它代表了评估晚更新世海水锇同位素变化是否反映了全球一致信号、区域特定响应或两者的组合的有效沉积档案。我们研究了OT中的锇同位素变化记录，这是一个代表性的西太平洋边缘盆地，以增进我们对冰期-间冰期气候循环区域响应的理解。

在这里，我们分析了OT中部区域（图1）一个沉积岩芯中的锇丰度和同位素组成（¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os），并提供了过去2万年间这些变化的详细记录，以研究最后一次冰期-间冰期（全新世）期间气候及相关风化通量引起的海洋化学变化。我们的结果通过补充额外数据，为全球冰期-间冰期锇同位素组成的变化提供了宝贵的见解。

材料与分析方法

2012年，我们在OT中部区域（27°28.690 N，126°27.120E）采集了一个长495厘米的沉积岩芯KX12–3，水深为1421米（图1）。该岩芯由细粒硅质沉积物组成，其中包含一层明显的Kikai-Akahoya（K-Ah）火山灰层（7.3千年前，Kitagawa等人，1995年），位于深度32–47厘米处。岩芯的年代是通过加速器质谱法对浮游有孔虫（G. sacculifer和/或G. ruber）的¹⁴C进行测年确定的。

结果

表1总结了KX12–3沉积岩芯的¹⁸⁷Os数据。OT沉积物样本中的铼（Re）浓度范围为1.56至7.09 ng g^?1（平均4.26 ± 1.59 ng g^?1），全新世时期的浓度相对较低（约4 ng g^?1）。锇浓度范围为76.9至166.5 pg g^?1（平均129.9 ± 24.7 pg g^?1），在全新世期间有显著增加（图2a）。所有这些锇浓度都超过了地壳中的丰度（约30–50 pg g^?1），远高于其他来源。

OT沉积物中的潜在锇来源

分析方法使用了CrO₃–H₂SO₄消化法，该方法能有效释放沉积物中的铼（Selby和Creaser，2003年；Rooney等人，2011年；Kendall等人，2013年；Du Vivier等人，2014年；Marquez等人，2017年）。OT沉积物中的锇浓度明显高于其他潜在来源（如中国河流沉积物、中国黄土、塔克拉玛干沙漠沙子以及UCC），表明沉积物中的锇主要来源于碎屑。

意义与结论

在过去2万年中，OT海水的高分辨率锇同位素记录显示出了明显的冰期-间冰期变化，在冰消期期间向更放射性的组成转变。这种¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os的增加趋势在多个具有不同海洋环境和沉积岩性的海洋盆地整合数据集中得到了一致验证（图5b），表明这是全球海洋的一个特征性信号。

CRediT作者贡献声明

林东一（Dhongil Lim）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，研究，资金获取，概念构思。金智勋（Jihun Kim）：撰写 – 初稿，数据管理。杨朱妍（Juyeon Yang）：方法学，正式分析。崔顺民（Sunmin Choi）：撰写 – 审稿与编辑，研究。金仁泰（Intae Kim）：方法学，正式分析。康正元（Jeongwon Kang）：撰写 – 审稿与编辑，研究。徐兆凯（Zhaokai Xu）：撰写 – 审稿与编辑，正式分析，数据管理。

未引用的参考文献

Luck和Allegre，1983

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢编辑和审稿人（亚利桑那州立大学的Ren Thomas C. Marquez教授）提出的建设性意见和建议，这些意见极大地改进了本文。这项研究是“探索中更新世温暖期作为21世纪阿拉伯海气候变化的古生物学类比：高分辨率地质记录和季风特征”项目的一部分，该项目由韩国国家研究基金会（NRF）资助。