Deepsea redox conditions in the Southern Ocean indicating vertical ventilation during the Middle-Late Pleistocene: A cause study from IODP Expedition 374 Hole U1524A
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摘要:
大洋深部氧化还原条件是诊断大洋深部碳储存、释放的重要参数，在排除/扣除有机质耗氧的基础上，其主要指示大洋深部流通状况。然而，多数研究没有考虑侧向流通和垂向流通的解耦，而笼统地用该指标指示总体或侧向流通，这在垂向流通发育的海区（如南大洋）可能并不正确。针对该科学问题，本文在利用岩芯物理参数划分南极罗斯海IODP 374航次U1524A孔冰期-间冰期旋回基础上，通过蛋白石/Ti、氧化还原敏感元素比值（Mn/Ti和Mo/Ti）和ln (Zr/Rb)分别重建了生产力、深部氧化还原条件和底流流速强度（即侧向流通状况）记录。研究发现，中-晚更新世南极罗斯海生产力、深部氧化还原条件和侧向流通状况表现出明显的冰期旋回特征：冰期低氧化强度（即亚氧化条件）对应低生产力和强侧向流通状况；间冰期高氧化强度（即氧化条件）对应高生产力和弱侧向流通状况。将上述记录与表征环极深层水垂向上涌的南极绕极流强度记录对比，结果表明垂向流通是深部氧化还原条件的主控因素。具体机制为，冰期时西风带北移，同时南极绕极流减弱和海冰扩张，导致环极深层水上涌减弱，从而减弱深部相对氧化强度和深部对大气的碳释放，最终贡献大气pCO2降低。该研究表明，中-晚更新世南大洋深部氧化还原条件指示垂向流通状况，这暗示需谨慎利用大洋深部氧化还原条件笼统地反演深部流通状况。
Abstract:The redox conditions in the deep ocean are important parameters for diagnosing carbon storage/release in abyssal waters. After correcting the oxygen consumption by organic matter, deep-sea redox conditions are regulated mainly by deep-water ventilation. However, in most available studies, the decoupling between lateral and vertical ventilation was often ignored, but instead used this indicator to suggest the overall or lateral ventilation intensity, which may not be correct in sea areas with developed vertical ventilation (such as the Southern Ocean). To address this issue, we reconstructed the productivity (opal/Ti), redox conditions (Mn/Ti and Mo/Ti ratios), and lateral current strength (ln (Zr/Rb)) from International Ocean Discovery Program Hole U1524A in the Ross Sea, Antarctica, dated to the Middle-Late Pleistocene in a glacial-interglacial framework established through physical parameters. Results demonstrate distinct glacial patterns. The glacial periods were characterized by weaker oxidation (suboxic conditions), lower productivity, and stronger lateral currents compared to the interglacial periods that had stronger oxidation (oxic conditions), higher productivity, and weaker lateral current. Comparing these records with the record of the intensity of the Antarctic Circumpolar Current (ACC), which represents the vertical upwelling of deep water of the Circumpolar Deep Water (CDW), the vertical ventilation was proposed to be the dominate process of deep-sea redox condition. The specific mechanism is that during the glacial periods, the westerlies moved northward, while the ACC weakened and sea ice expanded, which collectively suppressed CDW upwelling. The reduced vertical ventilation diminished deep-sea oxidation and carbon release to the atmosphere, and consequently decreased the atmospheric pCO2. These findings demonstrate that the Southern Ocean deep-sea redox conditions in the Middle-Late Pleistocene reflected the vertical ventilation, underscoring the importance of distinguishing between vertical and lateral ventilation to properly interpret deep-sea redox signals.
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Keywords:
- atmospheric pCO2 /
- productivity /
- glacial-interglacial /
- upwelling /
- bottom water /
- Ross Sea
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大洋深部的氧化还原条件同时受到有机质矿化强度以及洋盆深部流通状态的影响，在排除有机质矿化的影响之后，深部的氧化还原条件常常用于反演深部流通状况[1-6]。流通状态既包括了跨洋盆深部水团运移引起的侧向流通，也包括深部与表层混合从而导致的垂向流通。现有古海洋研究常将深部氧化还原条件的变动直接归因于侧向流通变化，而缺乏通过多指标联用解析垂向与侧向流通的相对贡献[1,5-6]。侧向流通强度的变化可能受到高纬水团形成区的气候变化或海道启闭等因素的影响[2,7-8]，而垂向流通主要响应局地水体层化强度的变化[9-10]，二者的驱动机制存在本质差异，其古海洋意义也截然不同。若在反演过程中混淆两类流通机制，则会限制了利用氧化还原指标深入揭示古海洋演化的潜力。因此，只有在使用氧化还原指标的基础上结合多指标分析流通状态，才能够更加系统地揭示古海洋环流演变及其气候效应。
南大洋是全球碳循环的重要枢纽，它通过独特的水团循环控制深海碳库与大气碳库的平衡[8,11]。在南大洋高纬地区，冬季海冰形成过程中排出大量高盐卤水，这些卤水在下沉过程中和其他水体混合并且进入到其他洋盆中[12]。这些由南大洋形成的水团约占大洋内部总体积的55%，这一比例在深海更高[11]。在生物泵的作用下，大洋深部的水团在参与温盐环流的过程中积攒了大量的呼吸碳，并在海水出露海表的时候释放[9]。而大洋内部约65%的水团在南大洋首次出露[11]，因此南大洋的垂向流通状态是大洋内部和大气之间碳平衡的“关键阀门”。
南大洋深部流通状态的重建主要依赖表层、深部、表层-深部连通性等耦合指标的系统解译[2,13-15]。如前所述，南大洋深部碳库与大气碳库沟通的关键在于水体的垂向流通，因此指标选择的关键在于其能够直接指向垂向流通。针对南大洋的表层状态，前人提出南极带不受季节性海冰影响的海区内生产力的变化反映了上升流的强弱，因此可以用蛋白石通量直接指示深部水体的上涌强度[13]。该研究发现千年尺度气候事件中，南极带生产力与大气pCO2的升高同步，表明深部水体上涌驱动碳循环的快速响应[13]。对于深部-表层联通性，前人对大洋钻探计划（Ocean Drilling Program, ODP）1094站岩心的底栖-浮游有孔虫δ18O梯度分析显示，中更新世气候转型后表层与深部水团混合效率降低，说明流通减弱导致水体以及深部碳滞留时间延长[15]。上述两类指标都明确表征垂向水体流通过程，也正因如此才能直接和深部-表层碳循环关联。尽管南大洋深部氧化还原条件也常被用于反演流通状态[2-3]，但是当前研究需着重解决的关键矛盾在于：南大洋同时存在上升流等垂向流通和南极绕极流（Antarctic Circumpolar Current, ACC）及南极陆坡流（Antarctic Slope Current, ASC）等侧向流通两类流通机制[16-18]，而氧化还原指标重建的深部氧化还原条件可能同时记录侧向水团移动的影响。因此，在南大洋构建多指标示踪体系以解耦两类流通机制的古气候效应，将成为深化南大洋碳循环调控机理研究的重要方向。
本研究依托国际大洋发现计划（International Ocean Discovery Program, IODP）第374航次在罗斯海陆隆区获取的U1524A高质量岩心（图1），聚焦该区作为南大洋实现垂向流通的重要场所的独特属性，揭示其深部氧化还原条件对垂向流通过程的典型响应特征。鉴于研究站位受到ASC调控的沉积特征，通过整合古生产力重建、底流活动强度反演及氧化还原指标分析，探讨冰期-间冰期旋回中南大洋深部氧化还原条件对垂向流通与侧向流通耦合作用的响应机制。
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图 1 U1524A孔站位信息及海洋环流概况地形图改自文献[26]，其中地形数据已更新至IBCSO v2 版本[21]。图中红色圆点为本文研究站位U1524A；ASC为南极陆坡流，RSBW为罗斯海底层水，CDW为绕极深层水，洋流系根据文献[22]绘制。底图基于Surfer 23软件绘制，采用WGS84地理坐标系。Figure 1. Location of Site U1524A and schematic ocean circulation patternThe topographic map was adapted from reference[26], with the topographic data updated to the IBCSO v2 version[21]. The red dot indicates the study site U1524A. Ocean current systems include the Antarctic Slope Current (ASC), Ross Sea Bottom Water (RSBW), and Circumpolar Deep Water (CDW), and circulation patterns are based on reference[22]. The base map was constructed using Surfer 23 with the WGS84 geographic coordinate system as the spatial reference.1. 区域概况
罗斯海是地球最南端的边缘海，西临维多利亚地，东接玛丽伯德地，南抵世界上最大的冰架——罗斯冰架。该海域独特的地理位置使其成为东南极冰盖与西南极冰盖的关键交汇区[19-20]。高分辨率的海底地形数据揭示，罗斯海陆架发育多组由古冰流侵蚀造成的近南北向的海槽[21] 。这些海槽将陆架切割成若干浅滩，对区域环流、沉积、生物-化学过程有着深远影响[22]。
外罗斯海的海洋环流格局主要由罗斯海底层水（Ross Sea Bottom Water, RSBW）、绕极深层水（Circumpolar Deep Water, CDW）以及ASC主导[22-23]。其中，ASC主要受到极地东风的驱动沿着南极大陆坡向西运动，其表层速度一般为10～30 cm/s[17,24]。CDW是南大洋体积最大的水团，由多种水团混合而成[23]。它最重要的特征是其温度和盐度均高于周边水体，并且含丰富营养物质[23]。RSBW源于罗斯海陆架上高盐陆架水的倾泻，其特点为低温、富氧以及高密度[12,22-23]。它通过和CDW混合形成南极底层水，并向全球洋盆输送，对全球大洋深部尤其是太平洋深部流通造成深远影响[12,22-23]。
罗斯海海冰覆盖范围呈现显著的年际波动，但总体遵循清晰的季节性规律[22,25]。罗斯海区域的海冰从每年5月开始快速扩张，至11月海冰可覆盖罗斯海全域，仅在冰间湖内保留开放水域[22]。11月过后海冰逐渐消融，但只有西罗斯海区域的海冰可能完全消融，东罗斯海区域内的海冰始终保持一定浓度[22]。罗斯海区域内表层水体生物活动与海冰变化密切相关，年际及季节尺度上罗斯海的叶绿素含量始终和海冰含量呈反相关关系[22,25]。
2. 材料与方法
2.1 研究材料
本文所选取的样品来自IODP在2018年进行的第374航次在罗斯海钻取的U1524站的A孔（图1）。取样站位位于173°38.02' W、74°13.04' S，水深
2394 m[26]。该站位位于罗斯海的陆隆希拉里峡谷的东翼上，地震剖面显示该站沉积物主要为海底峡谷溢流沉积和漂移沉积[26]。该孔全长282.35 m，根据沉积物中的硅藻含量，可将岩心划分为2个岩性地层单元：0～200.55 m为单元I，主要为含/富硅藻软泥以及硅藻土；200.55～282.35 m则主要为富硅藻砂质泥、泥质硅藻土和硅藻土。本文聚焦于U1524A的0～13 m深度，对于元素含量测试，以0.2 m为间距取样，共取得65个样品；而对于蛋白石含量的测定，以0.4 m为间距取样，实际测试了33个样品。2.2 研究方法
样品生物硅的测试分为提取和测定两步。对于生物硅的提取，本文采用湿碱消解法：首先将冻干的样品研磨至粒径小于74 μm并将样品置于离心管中，而后依次加入5 mL的H2O2（10%）和HCl（10%）以除去样品中的有机质以及碳酸盐。之后加入蒸馏水并离心10 min后吸出上清液从而去除上一步骤中加入的试剂。最后，向充分干燥的样品中加入40 mL浓度2 mol/L的碳酸钠溶液，在85 ℃恒温水浴加热的条件下使得样品中的生物硅溶解。在上述提取步骤完成后，继续使用钼酸盐蓝光分光光度法来测定生物硅的含量[27-28]：在水浴两小时之后，每隔一小时离心一次，并将上清液与钼酸铵试剂反应，并加入15 mL还原剂进行显色。在充分反应后将提取液的吸光值与标准曲线对比，从而计算溶液中的BSi质量分数。上述过程重复进行6次，以提取时间为自变量、BSi质量分数为因变量构建线性回归模型，其截距值的物理意义即为样品BSi最终含量。最后，根据opal%=2.4×BSi%计算生源蛋白石（SiO2·0.4H2O）的含量[29]。上述实验皆在中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室完成，该方法长期精度（RSD）优于±3%。
样品中Ti 、Mn、Ca、Mo、Zr及Rb等元素含量由电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS 7700）分析获得。元素的测试需要在特氟龙溶样弹两次高温高压消解样品。加入1.5 mL的高纯HNO3和HF后在190 ℃烘箱中将样品第一次消解。48 h之后进行二次消解。在将第一次消解的溶液蒸干后各加入1 mL的HNO3、高纯水以及1 μg/g的In溶液。烘箱的温度设置与第一次相同，但这次仅需消解12 h。在两次高温高压消解结束后，样品稀释到合适浓度再进行上机测试（用2% HNO3溶液来稀释）。上述工作皆在中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。在测试样品的过程中插入美国地质调查局国际岩石标样(BCR-2、BHVO-2、AGV-2 和 GSP-2)从而监控全流程，标样推荐值和测定值的相对误差小于 10%。重复性样品测试显示，除了Mo的分析精度为±9.5%外，上述其他元素的RSD在±5%之内。
2.3 数据处理
陆源碎屑的输入可能稀释沉积物中的自生组分及生源组分，这种稀释效应一般可利用陆源物质含量将自生组分或生源组分标准化来校正[30-32]。由于Ti的地球化学特性相对保守，在罗斯海陆架沉积体系中其含量变化可有效表征陆源碎屑物质的含量[30,33]，所以本文用Ti标准化后的元素及蛋白石含量而非直接用元素含量作为地球化学指标。
3. 结果
南极罗斯海U1524A孔0～13 m柱状沉积物蛋白石含量的分布揭示出明显生物地球化学变化（图2）：全剖面呈现3.97%～19.56%的震荡区间，平均值为9.51%，形成15.59%的含量差。
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图 2 南极罗斯海U1524A孔0～13 m自然伽马射线和磁化率及元素含量自然伽马射线和磁化率数据来自航次报告[26]，图中阴影代表冰期。Figure 2. Natural gamma radiation (NGR), magnetic susceptibility (MS) and elemental abundance data of Site U1524A (0～13 m)Natural gamma radiation (NGR) and magnetic susceptibility (MS) data are from the expedition report [26]. The shaded area represents ice ages.Ti含量的波动范围为0.39%～0.49%，平均值为0.44%，其整体变化较平稳，未表现出明显的长期趋势变化。Ca含量的变化范围为0.66%～1.49%，平均值为0.87%，其整体未表现出明显长期变化，仅在7 m和12.4 m处表现出富集特征。Mn含量介于0.04%至0.21%，平均值为0.06%。Mn含量在岩心当中整体的变化比较平缓，仅在1.61～2.21 m处含量（＞0.10%）高于其他层位，其余深度值普遍低于0.08%。Mo含量的变化范围为0.18～6.37 μg/g，平均值为0.79 μg/g。Mo在3 m之下的层位含量变化比较稳定，而在3 m之上表现出富集的特征。Zr含量的变化范围为136.14～316.10 μg/g，平均值为180.61 μg/g。Zr在4.2～12 m的变化相对平稳，而在4.2 m之上变化幅度增大。Rb的含量变化范围为123.06～178.60 μg/g，平均值为153.01 μg/g。与Zr类似，Rb在4.2～12 m的变化相对平缓，而在4.2 m之上变化幅度增大（图2）。
蛋白石含量和蛋白石/Ti的相关系数为0.99（图3a），这表明虽然U1524A孔的陆源物质会稀释该孔蛋白石含量，但是稀释效应不显著，其变化趋势仍主要反映了自身堆积通量的变化。这与前人在本孔78～270 m的研究结果一致[30]。为了下文讨论的方便，我们仍然使用Ti标准化后的蛋白石及元素含量作为讨论的指标。
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4. 讨论
4.1 南极罗斯海U1524A孔冰期旋回的划分
硅藻Actinocyclus ingens的末现面（600 ka）定位于U1524A孔的13.77 m处，因此，该孔0～13.77 m的平均沉积速率为0.023 m/ka。蛋白石和元素数据采样间隔分别为0.4 m及0.2 m，分辨率分别为17.5 ka和8.7 ka，这些参数数据的分辨率达轨道尺度。考虑到年龄控制点过少且南极大陆边缘沉积速率在冰期-间冰期旋回中可能发生显著变化[34]，直接假设线性沉积速率不变，由此得到对应层位的年龄可能会导致较大误差，不适合于讨论冰期-间冰期尺度上的科学问题。因此，本研究基于岩心自然伽马射线（Natural gamma radiation, NGR）和磁化率（Magnetic susceptibility, MS）数据划分冰期与间冰期。
NGR与MS均能反映沉积物中陆源物质的含量变化：南极冰盖在冰期扩张时强烈侵蚀基岩，向深海输送大量陆源碎屑，导致沉积物中陆源组分与磁性矿物含量升高；而间冰期生源组分含量的升高对其产生稀释作用[34-36]。因此，南极大陆周边的沉积物中的NGR和MS多呈现冰期升高、间冰期降低的模式[34-37]，并且该规律被进一步应用到南极大陆边缘沉积物的年龄模式的校正当中[37]。MS的变化虽可能受风尘输入影响[38]，但无论主导因素为风尘或冰盖侵蚀主导的陆源碎屑输入，MS通常呈现冰期高、间冰期低的特征[37-38]。在U1524A孔0～13 m剖面中，NGR与MS的相关系数达0.61（图3b），表明两者对冰期-间冰期旋回的响应高度一致，故而本文将NGR与MS高值区间判识为冰期沉积（冰盖扩张导致陆源输入增强），低值区间判识为间冰期沉积（以生物/远洋组分为主）（图2）。
U1524A孔沉积物顶部未发现明显侵蚀标志[26]，指示其顶部应保存全新世以来的沉积记录，然而，顶部NGR值仍呈现冰期特征的高值（图2），这可能与数据分辨率限制有关。NGR采样间隔为0.1 m，平均时间分辨率约4.4 ka，蛋白石数据采样间隔为0.4 m，平均时间分辨率约17.5 ka，因此两者难以在时间长度仅11.7 ka的全新世沉积层内有效识别间冰期低值信号。相比之下，MS数据采样间隔为0.025 m，平均分辨率达1.1 ka，在0～0.15 m层段中清晰呈现MS值下降趋势，与全新世间冰期特征吻合（图2）。这表明顶部NGR的异常高值和蛋白石含量的异常低值源于分辨率不足导致的信号缺失，而非表层样的丢失。而高分辨率MS数据成功捕捉到冰盖退缩期的陆源输入减弱过程，印证了用MS划分冰期-间冰期的可靠性。
根据本文对U1524A孔沉积物冰期-间冰期的划分方案，该孔13 m处对应于深海氧同位素13期（图4），因此该孔13 m的年龄范围为478～533 ka之间[39]。根据航次初步年龄框架推断[26]，岩心的13 m处对应的年龄为565 ka左右。这与利用MS和NGR划分得到的年龄接近，进一步印证了这种地层划分方案的可靠性。
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图 4 南极罗斯海U1524A孔氧化还原条件等沉积记录与其他相关海洋-环境记录对比a. U1524A孔自然伽马射线[26], b. U1524A孔磁化率[26]，c. U1524A孔蛋白石/Ti记录，d. U1524A孔Ca/Ti记录，e. U1524A孔Mn/Ti记录，f. U1524A孔Mo/Ti记录，g. U1524A孔ln (Zr/Rb)记录，h. U1541站ACC强度记录[18]，i. 南极EDC冰芯大气pCO2记录[49]，j. 深海底栖有孔虫氧同位素堆栈曲线（LR04）[39]。图中阴影代表冰期。Figure 4. Comparison of redox status and other sedimentary records at Site U1524A with relevant marine-environmental recordsa. Natural gamma radiation (NGR) record of Site U1524A[26]; b. Magnetic susceptibility (MS) record of Site U1524A[26]; c. Opal/Ti record of Site U1524A; d. Ca/Ti record of Site U1524A; e. Mn/Ti record of Site U1524A; f. Mo/Ti record of Site U1524A; g. ln (Zr/Rb) record of Site U1524A; h. ACC intensity record from Site U1541[18]; i. Atmospheric pCO2 record from the EDC Antarctic ice core[49]; j. Benthic foraminiferal oxygen isotope stack curve (LR04) from deep-sea records[39]. The shaded area represents ice ages.4.2 南极罗斯海深部氧化还原条件冰期旋回的控制机理
4.2.1 深部氧化还原条件的冰期-间冰期变化
Mn的沉积地球化学特征主要受其氧化还原状态控制。在氧化环境中，Mn以高价态（Mn(III)、Mn(IV））形成难溶氢氧化物沉淀；在贫氧或亚氧化条件下则以溶解态Mn(II)游离于水体[31,40]。经Ti标准化消除碎屑输入影响后，Mn/Ti比值被广泛用于重建古氧化还原环境[32,40-42]。尽管在还原条件下，Mn也可能形成碳酸锰而富集[40]，然而，Mn/Ti和Ca/Ti的相关性仅为−0.09（图3c），表明Mn/Ti不受成岩作用的影响。前人研究表明罗斯海表层沉积物碎屑组分的平均Mn/Ti为0.09[41]，因此本研究用0.09作为碎屑组分Mn/Ti的背景值。U1524A孔的Mn/Ti总体呈现出冰期低、间冰期高的规律（图4e）。在间冰期，Mn/Ti相较背景值0.09表现出富集特征，其峰值可以达0.5左右，表明沉积时处于氧化条件；而在冰期，Mn/Ti比值接近背景值0.09，这表明冰期罗斯海深部水体可能处于亚氧化或缺氧条件 [32,40]。
为了进一步厘清罗斯海深部水体在冰期到底处于亚氧化还是还原条件，进一步对比了Mo/Ti记录。Mo在水体中的化学性质相对保守，在还原或者硫化条件下Mo主要形成硫代钼酸盐（$ \mathrm{M}\mathrm{o}\mathrm{O}_{\mathrm{\mathit{x}}}\mathrm{S}_{4-\mathrm{\mathit{x}}}^{2-} $）或其他还原价态如Mo(V)及Mo(IV)从而沉淀[31,43]；在氧化的水体当中Mo主要以易溶的钼酸盐（$ \mathrm{M}\mathrm{o}{\mathrm{O}}_{4}^{2-} $）形式存在，但是在铁锰氧化物沉降的过程中，Mo也有可能被铁锰氧化物捕获从而在沉积物中富集[43]。以罗斯海表层沉积物碎屑组分的平均Mo/Ti比值0.99作为背景值[41]， U1524A孔沉积物中Mo主要富集于0～0.42、1.4～2.4以及4.2～6.4 m的间冰期层位中（图4f）。这些富集的层位都伴随着Mn/Ti的富集（图4e），因此，这些Mo的富集并不代表水体为还原环境，而是代表Mo在氧化环境下被铁锰氧化物捕获[43]。冰期沉积物中Mn/Ti与Mo/Ti均接近背景值（图4e-f），这一耦合特征可用于排除还原环境：若为还原条件，Mo应独立于Mn/Ti出现异常富集。综上所述，中-晚更新世U1524A孔沉积物的Mn/Ti和Mo/Ti比值指示了罗斯海深部在冰期为亚氧化条件，而间冰期为氧化条件。
4.2.2 冰期旋回中深部氧化还原条件的控制因素
洋盆的深部氧化还原条件主要由有机质矿化耗氧和深部水体供氧二者决定[1-6]。值得注意的是，该孔蛋白石记录显示间冰期生产力增强、冰期生产力下降的周期性波动（图4c），这与前人所提出的南大洋南极带生产力旋回模态一致[44]。同时，这暗示间冰期有机质矿化耗氧量增加、冰期有机质矿化耗氧量减小的理论预期，但这与罗斯海深部重建的间冰期氧含量升高、冰期氧含量降低的结果相反（图4e）。因此，本文认为罗斯海深部水体氧化还原条件主要受控于深部水体流通供氧而非有机质的矿化。
为了进一步探讨水体流通与深部氧化还原条件的关系，本文将Mn/Ti和ln (Zr/Rb)记录对比（图4e， 4g）。Zr/Rb或ln (Zr/Rb)常作为沉积物粒度的有效替代指标[18,45-46]：Zr与Rb虽同为陆源元素，但在沉积物搬运过程中分异富集于不同粒级组分中，其中Rb优先赋存于黏土矿物及云母等细粒组分中，而Zr则富集于锆石等粗粒重矿物。尽管南大洋沉积物粒度通常受洋流分选作用与冰筏碎屑输入共同控制[47]，但罗斯海研究表明Zr/Rb变化主要响应洋流动力而非冰筏碎屑输入[46]。U1524A孔Zr与Rb的负相关性（r=−0.48，p＜0.001）证实了二者在输运过程中的分异规律（图3d）。该孔沉积物主体源自高盐陆架水倾泻触发的低密度浊流输送[26]。这些陆源物质在洋盆底部形成雾化层后，受绕坡侧向流动的ASC调控[48]：若ASC增强，则细粒组分偏向持续向深海迁移，沉积下来组分的粒度将偏粗；而若ASC减弱，则细粒组分能够得以沉降，沉积下来组分的粒度将偏细。站位所处的希拉里峡谷两翼的不对称沉积结构为此机制提供了地貌证据[24]。因此，ln (Zr/Rb)可有效指示ASC强度变化，ASC增强时ln (Zr/Rb)升高，ASC减弱时ln (Zr/Rb)降低。该孔的ln (Zr/Rb)表现出冰期升高、间冰期减弱的旋回特征，表明ASC在冰期增强而在间冰期减弱，这与前人依据罗斯海Iselin Bank上的柱状沉积物粒度的研究结果一致[37]。如果这种侧向流通是导致深部氧化还原条件的关键，那么Mn/Ti将呈现冰期升高、间冰期降低的模式。这与U1524A孔Mn/Ti冰期降低、间冰期升高的实际情况相反。因此，侧向流通强度并非罗斯海深部氧化还原条件的主控因素。
如前所述，深部氧化还原状态的变化取决于生产力变化及侧向或者垂向流通强度的变化，而Mn/Ti与ln (Zr/Rb)以及蛋白石记录对比可排除表层生产力变化以及侧向水体流通对深部氧化还原条件的主控效应。由此可推断，中-晚更新世冰期-间冰期旋回中罗斯海深部氧化还原环境的转变可能源于垂向流通强度的变化。前人研究表明在间冰期西风带南移，同时ACC增强，这从理论上而言会促进CDW上涌从而加强大洋深部与大气的物质交换，冰期则情况相反[9,18]。将U1524A孔的Mn/Ti记录的氧化还原条件与U1541站记录的ACC强度对比，结果表明Mn/Ti在冰期的降低恰好对应于ACC在冰期的减弱，这间接地支持了垂向流通状态对罗斯海深部氧化还原条件的主控作用（图4h）。此外，南大洋海冰在冰期的扩张以及在间冰期的退缩同样直接影响南大洋表层的层化[37]，与西风带及ACC共同影响垂向氧输送。因此，中-晚更新世冰期-间冰期旋回中罗斯海深部氧化还原环境的变化主要受控于垂向流通强度（CDW上涌）。
4.3 古海洋学暗示
罗斯海U1524A孔柱状沉积物的地球化学指标的综合分析揭示，中-晚更新世该区域深部氧化还原环境主要受控于垂向流通，而与侧向流通解耦。类似的现象在太平洋地区的研究也有发现：ODP 882站位在3.6～2.73 Ma期间Zr/Rb记录显示侧向水动力条件减弱，但深部氧化还原指标却指示环境逐渐氧化，这被解释为局地北太平洋深层水垂向混合增强，而大尺度侧向流通减弱[4]。此类研究明确表明垂向流通和侧向流通可能解耦，且垂向流通机制对深部氧化还原条件具有主导性调控作用。与此形成对比的是东南极U1356站的研究，其Mn/Ti与Zr/Rb呈现同相位变化，揭示侧向水动力增强与深部氧化条件存在耦合关系[42]。类似地，南极ODP 696站位也观察到侧向流通增强时深部趋向氧化的现象[50]。这些案例表明不同海区可能存在差异化的流通机制耦合模式。基于上述区域差异性，在利用氧化还原条件重建古环境时，需结合Zr/Rb等侧向流通指标或其他垂向流通指标进行综合判别。这种多参数联合反演方法可有效提高古气候重建准确度，避免单一指标解释的局限性。
前人研究发现80 ka以来大气pCO2和南大洋大西洋扇区深部氧含量耦合关系：当南大洋深部相对氧化时，大气pCO2含量相对升高；当南大洋深部相对还原时，大气pCO2含量相对降低[2]。该规律被证实在南大洋印度洋扇区同样适用[3]。位于南大洋太平洋扇区的U1524A孔记录以及前人研究的ANT34/A2-10孔记录[51]同样支持这种深部氧含量与大气CO2之间的耦合关系（图4）。由此可见南大洋碳-氧耦合关系不仅存在于局部扇区，而是呈现全海域一致性。U1524A孔的Mn/Ti及Mo/Ti记录指示在西风带、ACC及海冰的共同作用下垂向通风状态在间冰期增强、冰期减弱。因此，冰期-间冰期旋回中南大洋深部氧化还原条件与碳循环的耦合机制表现为：当深部水体垂向流通在冰期减弱时，表层向深部的氧输送受限，导致亚氧化环境形成，同时深部水体中呼吸碳向大气的释放通道受阻，进而增强碳封存效应；间冰期则相反[2-3,42]。
5. 结论
（1）基于NGR与MS对岩心冰期-间冰期旋回的约束，U1524A孔岩心记录显示，中-晚更新世南极罗斯海在间冰期生产力升高，ASC流速更慢，深部处于氧化环境；冰期则生产力降低，ASC流速变快，深部处于亚氧化条件。
（2）中-晚更新世罗斯海深部氧化还原条件在冰期-间冰期尺度上的变化主要受控于垂向流通状态，而非侧向流通状态或初级生产力。具体机制为：冰期西风带北移、ACC减弱及海冰扩张共同抑制垂向混合，降低深部氧输入；间冰期则西风带南移、ACC增强及海冰后撤共同促进垂向混合，增强深部氧输入。
（3）冰期垂向流通的减弱既抑制了深部氧气输送，又加强了深部呼吸碳的封存，这种碳-氧协变机制进一步验证了南大洋深部氧化还原条件与大气pCO2在冰期-间冰期尺度上的耦合关系。
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图 1 U1524A孔站位信息及海洋环流概况
地形图改自文献[26]，其中地形数据已更新至IBCSO v2 版本[21]。图中红色圆点为本文研究站位U1524A；ASC为南极陆坡流，RSBW为罗斯海底层水，CDW为绕极深层水，洋流系根据文献[22]绘制。底图基于Surfer 23软件绘制，采用WGS84地理坐标系。
Figure 1. Location of Site U1524A and schematic ocean circulation pattern
The topographic map was adapted from reference[26], with the topographic data updated to the IBCSO v2 version[21]. The red dot indicates the study site U1524A. Ocean current systems include the Antarctic Slope Current (ASC), Ross Sea Bottom Water (RSBW), and Circumpolar Deep Water (CDW), and circulation patterns are based on reference[22]. The base map was constructed using Surfer 23 with the WGS84 geographic coordinate system as the spatial reference.
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图 2 南极罗斯海U1524A孔0～13 m自然伽马射线和磁化率及元素含量
自然伽马射线和磁化率数据来自航次报告[26]，图中阴影代表冰期。
Figure 2. Natural gamma radiation (NGR), magnetic susceptibility (MS) and elemental abundance data of Site U1524A (0～13 m)
Natural gamma radiation (NGR) and magnetic susceptibility (MS) data are from the expedition report [26]. The shaded area represents ice ages.
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图 4 南极罗斯海U1524A孔氧化还原条件等沉积记录与其他相关海洋-环境记录对比
a. U1524A孔自然伽马射线[26], b. U1524A孔磁化率[26]，c. U1524A孔蛋白石/Ti记录，d. U1524A孔Ca/Ti记录，e. U1524A孔Mn/Ti记录，f. U1524A孔Mo/Ti记录，g. U1524A孔ln (Zr/Rb)记录，h. U1541站ACC强度记录[18]，i. 南极EDC冰芯大气pCO2记录[49]，j. 深海底栖有孔虫氧同位素堆栈曲线（LR04）[39]。图中阴影代表冰期。
Figure 4. Comparison of redox status and other sedimentary records at Site U1524A with relevant marine-environmental records
a. Natural gamma radiation (NGR) record of Site U1524A[26]; b. Magnetic susceptibility (MS) record of Site U1524A[26]; c. Opal/Ti record of Site U1524A; d. Ca/Ti record of Site U1524A; e. Mn/Ti record of Site U1524A; f. Mo/Ti record of Site U1524A; g. ln (Zr/Rb) record of Site U1524A; h. ACC intensity record from Site U1541[18]; i. Atmospheric pCO2 record from the EDC Antarctic ice core[49]; j. Benthic foraminiferal oxygen isotope stack curve (LR04) from deep-sea records[39]. The shaded area represents ice ages.
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