近日，国际知名地学期刊《Geological Society of America Bulletin》发表了我室袁伟副教授最新研究成果，题为“Glacial–interglacial oxygen variability and respiratory carbon storage in the deep western Pacific: quantified reconstruction by a novel iron-based proxy in Fe–Mn crust”。该研究利用水成型铁锰结壳（Fe-Mn crust）中的铁（Fe）含量，建立了定量重建深海溶解氧的一个新模型，并量化揭示了西太平洋过去45万年来深海溶解氧浓度的变化历史，为理解冰期碳循环机制提供了新指标方法和数据支撑。
深海是地球表层系统中最重要的碳储库之一。冰期-间冰期旋回中，深海如何吸收和储存二氧化碳，一直是古海洋学的关键问题。溶解氧（DO）作为反映海洋生物地球化学过程的“晴雨表”，其浓度变化与深海呼吸碳的储存量紧密关联。然而，长期以来，能够可靠且定量重建过去深海溶解氧波动的代用指标相对匮乏。目前，已发展出沉积物氧化还原敏感金属（如Mo、U、Mn）、浮游有孔虫I/Ca比值、底层水与孔隙水碳同位素梯度等指标，可以推断底水氧含量（BWO）。但这些指标往往受限于特定的沉积环境或DO浓度范围，在深海区域的应用面临挑战。此外，由于太平洋深海碳酸盐补偿深度（CCD）较浅及碳酸盐溶解作用强烈，依赖碳酸盐的代用指标在太平洋深海‒深渊区域存在严重局限。
图1 海山Fe-Mn crust表层微环境中Fe（III）沉积和周围海水溶解氧示意图
为了突破这一瓶颈，该研究将目光投向了生长极其缓慢的深海铁锰结壳（3-5毫米/百万年）。作为从海水中直接沉淀的化学沉积物，铁锰结壳能够高效富集微量元素，且不受沉积物成岩作用的干扰。通过收集全球海山铁锰结壳最外层的铁含量数据，并与WOA18中的原位溶解氧数据进行对比，发现这些铁锰结壳中的铁富集实际上反映了表层海洋铁通量与深海海水氧化动力学之间的动态平衡（图1）。
图2 全球大洋水成铁锰结壳最表层Fe含量与周围海水溶解氧关系统计
基于上述机制，该研究引入了Gompertz生长模型，成功构建了铁锰结壳铁含量（wt%）与环境海水中的溶解氧浓度之间的非线性定量关系（图2）。这一经验公式的建立，为利用铁锰结壳定量反演古海水溶解氧提供了一个实用工具。
为了验证这一全新指标，该研究对南海的一块铁锰结壳进行了U-Th测年、磁性地层学和轨道调谐，建立了一个跨越过去45万年（MIS 1-12期）的可靠年代框架。高分辨率电子探针（EMPA）的重建结果表明：在过去三个冰期旋回中，尤其是冰期和冰消期，西太平洋深海出现了反复且显著的溶解氧最低值现象；特别是在末次盛冰期（LGM），西太平洋深海封存的呼吸碳显著多于太平洋中层海水。
图3 西太平洋深层水过去450ka溶解氧定量重建和其它记录对比
该研究不仅提供了一种规避深海碳酸盐溶解偏差的新型古海水DO定量指标，也为理解冰期深渊太平洋的巨大“碳汇”作用提供了实证数据，为解释冰期大气CO2浓度下降提供了新证据。未来，如能进一步完善深海水成型铁锰结壳的铁-氧定量指标框架，有望更完整呈现气候演变中深海深渊溶解氧变化的图景。
论文第一作者和通讯作者为我室袁伟副教授，合作者包括德国不莱梅大学，首都师范大学，西安交通大学，浙江生态文明干部学院和南方科技大学的多位学者；周怀阳教授为共同通讯作者。该项研究得到国家自然科学基金的资助。
全文链接：https://doi.org/10.1130/B38887.1