海洋沉积物Nd同位素研究进展

海洋沉积物Nd同位素研究进展

近年来，海洋中放射成因同位素体系已被广泛用来示踪和恢复古洋流的循环。其中，Nd同位素体系已经成为最重要的研究手段之一，并且取得了许多重大的研究成果，极大地推动了海洋组成及演化等方面的研究。本文围绕海洋沉积物中的碎屑组分及自生组分来分别阐述Nd同位素体系在物源分析及古海洋演化中应用的可行性及最新的研究进展，并结合实例进行分析说明。

标签：Nd同位素海洋沉积物物源分析古海洋演化

1前言

地球的内部活动（岩浆活动、板块运动、地幔柱活动、大陆的聚散等）和外部状态（地理、气候、风化等）影响和控制着海洋环流、海水成分以及沉积作用。海洋沉积物中保存了古海洋的某些信息，因此，通过研究这些沉积物的同位素组成，可获得古环境、物源、古气候以及与此相关的地球内部活动的信息。近年来，这一研究领域已发展成当今地球科学研究中的前沿领域之一，具有十分重要的科学意义。

近年来，多种放射性同位素体系（Nd、Pb、Hf、Sr、Os等）已被广泛应的用来示踪物源和恢复古洋流循环的研究中[1]。其中，Nd同位素的研究程度相对较高且应用最为广泛，并取得了许多重要的成果。本文目的在于介绍国内外Nd 同位素的最新研究方法和成果，提高我们对这一领域的认识和研究。

2 Nd同位素简介

Nd属于轻稀土元素，在自然界中共有7种同位素，其中常用的主要为143Nd 和144Nd。

144Nd是由放射性元素147Sm衰变形成，主要来自于海底地幔物质如洋脊超基性—基性系列岩石，因此也称其为放射性成因Nd；而143Nd则多富集与酸性铝硅酸盐中，是Nd的稳定同位素，通常被认为是陆源Nd。Sm-Nd同位素体系最初并没有被应用于古海洋学研究，而是作为岩石地球化学的示踪体系来指示各种壳-幔演化过程[2]。

最早研究海洋中的Nd同位素是在20世纪70年代，O’Nions等[3]首次报道了海洋铁锰结核以及热液沉积物的Nd同位素组成。

为了应用的方便，通常Nd同位素组成的表达为εNd，其计算方式下：

其中CHUR代表球粒陨石储库。Nd模式年龄是一个研究海洋沉积物同位素组成的半定量方法。

TDM依据Goldstein et al. （1984）[4]的方法假设从地球处于4.56Ga的εNd=0到现今的εNd=10是一个线性的演化模式，能有效区分不同源区的物质。

3海洋沉积物Nd来源

海洋中的Nd含量在10-12g/g（10pmol/kg），海水中的Nd主要以溶解态（90%—95%）[5]的形式存在，大多表现为+3价状态。

海洋中Nd的组成受到Nd源-汇系统和洋流的共同控制，其中来自大陆输送的物源影响最为重要。

据统计每年由河流输入海洋的Nd大概约为7.2×108g；海底热液活动也是提供Nd元素的另一种方式，但这种贡献在海洋中所占比例很小。

另外，边界交换作用对Nd的源与汇起着重要影响，例如Rempfer，J.，et al.（2011）[6]基于Bern3D模型对全球大洋的Nd含量浓度及εNd的分布进行模拟，结果显示与观察数据一致：河流输送及风力搬运的物质是沉积物中Nd的主要来源，陆架区域对Nd的清扫作用有重要影响。

4海洋沉积物分类

Tessier et al. （1979）[7]依据微量元素的活动差异性对海洋沉积物进行了分类。源自海水的元素可以吸附在矿物表面、参与形成碳酸盐岩或被铁锰氧化物清扫。而存留在沉积物的微量元素可通常与有机化合物有关或属于碎屑组分。分离步骤对于海洋沉积物中各组分的研究十分重要。

G. Bayon et al.（2002）[8]以大西洋东南部Cape盆地北部的深海沉积物为例，通过对比几种实验方案得到一套标准的实验步骤，能够分离出较为纯净的各个组分（图1）。

Asahara et al.（2012）[9]指出G. Bayonet al.（2002）的组分分离方法主要适用于深海沉积物的限定，与该文总结的陆架沉积物有些差别，因此其采用长时间和高剂量的分离方法进行对比，结果显示该实验方法对Bering Sea和Chukchi Seas的物源供给特征有较好的限定。

5物源分析

物源分析是盆地分析的重要内容，主要用于确定物源区位置、母岩性质及搬运途径等以及对原盆地恢复、古地理再造和评价储层品质等方面。

近年来，在传统物源分析方法的基础上，Nd同位素分析已经成为物源分析的重要指标[10]，尤其适用于细粒沉积物。

Nd同位素可应用于物源分析主要基于以下假設：沉积物中的碎屑物质虽然

经历了风化剥蚀以及后期的成岩作用，但仍保持着母岩的性质，Sm、Nd有着相似的化学性质，沉积过程中的风化作用和成岩作用对同位素体系影响很小[11]。

另外，Nd和Sm均为不相容元素，但Nd相对与Sm更加不相容，从而导致Nd在壳幔分异过程中更加富集，因此部分熔融形成的地壳具有较低Sm/Nd比值和负的εNd值，而亏损地幔则具有较高的Sm/Nd比值和正的εNd值，由地幔直接产生的岩浆岩也具有类似的εNd模式[12]。

Nd同位素的物源指示参数被广泛应用于陆架、陆坡及深海沉积物的物源分析中。

VanLaningham，S et al.（2009）[13]通过对太平洋北部白令海附近的碎屑沉积物的Nd和Ar同位素分析，发现该区域冰期-间冰期的物源存在较大的改变。

另外Sr与Nd同位素性质的差异使得Sr-Nd同位素体系被广泛应用在碎屑沉积物的物源分析中。εNd-87Sr/86Sr圖解是物源判定中常见的方法，如Gourlan et al.（2010）[14]研究了孟加拉湾ODP758、757航次沉积物与陆上河流系统（包括恒河、雅鲁藏布江、伊洛瓦底江和怒江）的Sr-Nd同位素特征，从而对它们的源区进行了限定（图2）。

6古海洋演化

研究表明，海洋中的Nd主要是被沉积物中铁锰氧化物所清扫[5]。现代海洋中Nd的滞留时间约为300-1000年，比Sr的滞留时间（20Ma）短的多，但略小于海水的平均混合时间。

因此海水中Nd同位素组成在全球尺度上不会被混合均匀，这使得Nd同位素组成可有效的示踪现代大洋和古海洋洋流。

研究发现，在绝大多数海域中海水Nd同位素组成与海水的盐度和SiO2含量具有很好的相关关系[1]。由于海水盐度和SiO2含量是海洋学中常用的两种保守指标，因此，大部分海域中的海水Nd同位素都具有保守性质，从而进一步印证了在物源保持稳定的条件下，海水Nd同位素的异常变化主要是由于具有不同Nd同位素组成的洋流间的混合。

虽然自80年代初期Nd同位素就被应用在古海洋的研究中，但是对海洋中Nd同位素组成在全球尺度上的研究一直处于空白，直到Arsouze et al（2007）[15]Lacan et al（2012）基于全球范围内的海洋Nd数据资料对Nd循环进行了数值模拟，结果显示北大西洋的中深层水团经印度洋至太平洋具有递增的趋势，这表明εNd除了全球化的环流作用之外，局部海洋地形地貌和沉积物颗粒的再矿化作用对此均有一定的影响，但是由于获取数据的不均匀性以及精度有限性，对全球尺度海洋Nd同位素特征的精细刻划有待进一步加强。

运用Nd同位素示踪古洋流的演化，不仅要了解Nd同位素组成的地区差异