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张强等-GRL:北太平洋趋磁细菌活动与亚洲风尘输入和海洋初级生产力变化的关系
2021-09-17 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  北太平洋深海沉积物中含有大量由趋磁细菌生物矿化形成的化石磁小体颗粒,这些磁小体颗粒通常以单畴磁铁矿为主,是深海沉积物中天然剩磁的主要记录者,同时磁小体的含量和形态变化又可以反映与趋磁细菌新陈代谢过程有关的古海洋环境要素变化情况,磁小体因此成为古地磁学和古海洋学的重点关注对象。 

  趋磁细菌生物矿化过程需要从外界环境吸收大量的铁元素,在远离大陆边缘的深海大洋地区,陆源风尘输入是铁元素的唯一来源。前人在南大洋研究中发现,大陆风尘输入可以通过促进海洋表层初级生产力提高,间接向深海提供更多的有机质,并进一步促进趋磁细菌的生物矿化过程,进而产生更多的磁小体并保存在深海沉积物中。然而在北太平洋地区,趋磁细菌的生物活动与风尘输入和海洋初级生产力关系尚不明确,这在一定程度上制约了北太平洋化石磁小体所记录古环境信息的准确解读。为此,中国科学院地质与地球物理研究所古地磁与年代学实验室张强博士后及其合作者对北太平洋晚中新世以来的深海沉积物开展了以岩石磁学和显微学为主的多学科综合交叉研究,提取了北太平洋ODP 885A岩心沉积物8.0 Ma以来磁小体含量和形态变化(图1,图2)、亚洲风尘输入(图1)和海洋表层初级生产力演化(图1)等记录,深入探讨了北太平洋地区晚中新世以来趋磁细菌生物活动与亚洲风尘输入和海洋初级生产力变化的关系。 

1 ODP 885A岩心沉积物相关指标对比。(aODP 885A岩心沉积速率;(bODP 885A岩心基于反铁磁性矿物的风尘通量变化;(cODP 885A岩心基于顺磁性矿物的风尘通量变化;(dODP 885A岩心非粘滞剩磁磁化率(χARM)通量变化;(eODP 885A岩心沉积物等轴状磁小体相对含量变化;(fODP 885A岩心沉积物饱和磁化强度与总磁化强度比值变化;(gODP 885A岩心沉积物非粘滞剩磁磁化率与饱和等温剩磁之比(χARM/SIRM);(hODP 885A岩心有机碳通量变化;(iODP 885A岩心蛋白石通量变化(Snoeckx et al., 1995);(j)北半球海水表层温度异常变化(Herbert et al., 2016

2 ODP 885A岩心沉积物化石磁小体颗粒透射电镜照片

  研究结果显示(图1),在晚中新世(6.0~8.0 Ma)期间,磁小体通量变化与亚洲风尘输入和海洋表层生产力变化趋势相同;晚上新世以来,虽然亚洲风尘输入保持持续上升趋势,但磁小体通量与表层生产力都表现出逐渐下降特征。结合北太平洋地区古海洋环境要素变化历史,本研究认为在晚中新世区间,北太平洋海水层化较弱,此时底部营养盐可以在上升流作用下传输至海水表层,同时在亚洲风尘输入的刺激下,海洋表层初级生产力明显提高,表层向海底传输的有机质明显提高,趋磁细菌生物矿化过程明显增强;当进入晚上新世以后,由于北极冰盖的大规模发育,北太平洋海水分层加剧,海水底部营养物质上涌受限,虽然有风尘的持续输入,但在营养盐匮乏的前提下,海水表层初级生产力逐渐减低,趋磁细菌的生物矿化过程也逐渐受到抑制,此时,海洋表层初级生产力变化是趋磁细菌生物活动的主要控制因素。除此之外,研究还发现沉积物中等轴状磁小体相对含量变化与风尘输入保持同步变化关系,推测风尘输入更有利于趋磁细菌合成等轴状磁小体。该研究首次提取了北太平洋构造尺度磁小体变化信息,为海洋化石磁小体研究提供了重要的地史记录和参考依据。 

  研究成果发表于国际权威学术期刊GRL。(张强*, 刘青松*, Roberts A P, Jimin Yu, 刘延,  李金华. Magnetotactic bacterial activity in the North Pacific Ocean and its relationship to Asian dust inputs and primary productivity since 8.0 Ma[J]. Geophysical Research Letters, 2021, 48: e2021GL094687. DOI: 10.1029/2021GL094687 

 
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