研究简介:本研究聚焦于现代海洋中大陆架沉积物对溶解态铼（Re）和铀（U）的还原性汇作用。Re和U是重建过去海洋氧化还原演化的重要指标，其在沉积物中的积累和释放对理解海洋的地质和生物地球化学过程至关重要。尽管Re和U在氧化海水中的行为相对保守，但在次氧化和无氧条件下，它们会被还原为不溶性物种并沉积到沉积物中。因此研究大陆架沉积物对Re和U的还原性去除作用，对于准确评估海洋中这些元素的循环和预算具有重要意义。研究主要在东海（ECS）大陆架进行，该区域接收大量的悬浮沉积物和有机碳（OC）负荷，沉积速率较高。通过在夏季和冬季采集沉积物样品，并测量孔隙水中的Re和U浓度，结合224Ra/228Th不平衡方法，研究团队估计了Re和U的还原性去除通量。研究结果表明，孔隙水中的Re和U浓度在不同深度和季节间存在显著差异，冬季的去除通量比夏季高约3-4倍。这一发现与预期相反，因为夏季的OC供应和季节性缺氧达到最大值。研究认为，冬季强烈的沉积物再工作/灌溉作用是导致Re和U去除通量较高的原因。进一步的分析显示，Re和U的还原性去除与沉积物中的OC分解速率呈正相关，表明OC分解是控制Re和U去除的关键因素。通过对全球大陆架的Re和U去除通量进行评估，研究发现大陆架沉积物是Re和U的重要汇，其汇的强度可能被低估。这表明现代海洋中Re和U的预算可能存在不平衡，或者它们的来源被严重低估。因此，本研究不仅提供了对现代海洋中Re和U循环的新见解，还强调了大陆架沉积物在海洋氧化还原演化研究中的重要性。通过揭示大陆架沉积物对Re和U的还原性去除作用，这项工作为理解海洋氧化还原条件的变化提供了新的视角，并可能对评估海洋中其他元素的循环产生影响。

Unisense微电极系统的应用

Unisense微电极系统被用于测量东海陆架沉积物孔隙水中的溶解氧（DO）浓度。Unisense微电极的尖端能够穿刺到沉积物内部，测量不同深度的DO浓度。这种高分辨率的测量能力队能够精确地描绘出沉积物孔隙水中的DO浓度梯度，从而更好地理解沉积物中的氧化还原条件。unisense微电极测试数据和放射性同位素224Ra/228Th的不平衡分析，能够定量评估陆架沉积物对Re和U的还原性去除通量。这些数据进一步揭示了沉积物中的有机碳分解速率和沉积物耗氧速率与Re和U去除通量之间的显著正相关关系。

实验结果

在东海大陆架进行的实地采样和分析，揭示了大陆架沉积物对溶解态铼（Re）和铀（U）的还原性去除作用。研究发现大陆架沉积物对Re和U的还原性去除是一个重要的汇，其强度与次氧化/无氧环境中的汇相当或更高。研究的结果表明，大陆架沉积物对Re和U的还原性去除通量显著高于之前认为的次氧化/无氧环境中的汇。Re的还原性去除通量在大陆架沉积物中可达112 pmol/m²/day，而U的还原性去除通量可达30 nmol/m²/day。冬季的Re和U去除通量显著高于夏季，这与沉积物的再工作/灌溉作用有关，而不是水柱中的氧气条件。冬季强烈的沉积物再工作/灌溉作用促进了有机碳的分解，从而创造了更强烈的还原条件，有利于Re和U的还原性去除。Re和U的还原性去除与沉积物中的有机碳分解速率呈正相关。这表明有机碳分解是控制Re和U去除的关键因素。沉积物中的有机碳分解速率越高，Re和U的还原性去除通量也越高。

图1、东海陆架沉积物中孔水Re和U的浓度及散装224Ra/228Th不平衡。东海陆架沉积物中孔水中Re和U的垂直剖面（a，b）及沉积物中的224Ra/228Th不平衡（c）。样品分别在2017年夏季的10天内、2021年夏季的5天内及2018年冬季的5天内采集。水平虚线表示沉积物-水界面。224Ra/228Th面板中的竖直条形表示224Ra/228Th比值的总体不确定性，低于左边界的值表示224Ra从沉积物中释放。

图2、东海沉积物中Re和U的还原去除通量的空间变化。a，b分别为Re和U的通量。冬季和夏季调查站点分别用蓝色和红色圆圈标记。

图3、东海沉积物中Re和U的还原去除与沉积物地球化学参数的相关性。东海沉积物中Re和U的还原去除与沉积物面积放大因子（a，b）、有机碳的厌氧分解速率（通过氨的净产生确定；c，d）和沉积物氧消耗速率（e，f）的相关性。三角形和圆圈分别代表夏季和冬季的数据。异常的通量在St.E1-W站点的线性回归中已被排除。

图4、全球陆架中Re和U的沉积物去除通量位置的分布。a东海。b东西伯利亚海和北美西岸（参考文献13,46）。c北美东岸。

图5、全球陆架Re和U的面积沉积物还原去除通量汇总。Re（a）和U（b）的面积沉积物去除通量分为两个组别：陆架（灰色）与陆架外（深灰色）。汇总的通量包括从孔水剖面估算的扩散通量、224Ra/228Th不平衡法推导的总通量（本研究），以及来自参考文献13–15,28,36,46的陆架沉积物中的自生固体相，以及用于氧化（氧穿透深度（OPD）>1 cm）、亚氧（OPD≤1 cm）和厌氧（无溶解氧（DO））环境的陆架外代表性沉积率（参考文献3,20）。箱体上下的误差条表示第90和第10百分位数。箱体中的黑色水平线表示第75、第50和第25百分位数。

结论与展望

铼（Re）和铀（U）是重建过去海洋氧化演化的重要代理元素。然而，之前对它们在大陆架沉积物中的去除作用，作为早期成岩作用的热点，曾被视为海洋中不重要的定量汇。本研究通过利用东海大陆架中的224Ra/228Th不平衡，探讨了铼和铀的沉积物还原性去除及其与有机碳分解的耦合关系。研究发现它们的去除通量与沉积物氧消耗率或有机碳分解速率之间存在正相关。这些相关性使得我们能够评估全球陆架还原性汇，其通量与（铼）之前已确定的次氧/缺氧汇相当，或者（铀）更高（约为4倍）。Unisense微电极系统用于测量东海陆架沉积物孔隙水中的溶解氧（DO）浓度。研究人员利用Unisense微电极的高空间分辨率和快速响应特性，精确测量了沉积物孔隙水中的DO浓度分布。这些测量结果对于理解沉积物中的氧化还原条件至关重要，因为这些条件直接影响了铼（Re）和铀（U）的还原性去除过程这些发现表明，现代铼和铀的预算可能存在潜在的不平衡，或者它们的源头被大幅低估。因此本研究强调了陆架沉积物还原性去除作为现代海洋中铼和铀的重要但被忽视的汇。本研究强调了大陆架沉积物在现代海洋Re和U循环中的重要性，并揭示了其对Re和U还原性去除的显著贡献。这些发现为理解海洋氧化还原条件的变化提供了新的视角，并可能对评估海洋中其他元素的循环产生影响。