中国北方沙漠粘粒铁矿物与化学形态取得进展

铁元素是生物体重要的营养元素,粉尘里的含铁矿物是影响远洋浮游植物生物可利用铁的重要因素之一。全球“高营养盐、低叶绿素”海域需要足够的铁促进浮游植物生长,降低大气CO2含量,进而缓解全球变暖的趋势。北太平洋是HNLC海域之一,我国北方沙漠的含铁粉尘经盛行西风或冬季风长途搬运、沉降到北太平洋,成为太平洋铁的重要来源之一。粉尘源区释放的主要矿物中铁形态对提高全球粉尘中铁循环模型的预测的重要依据,粉尘含铁矿物及形态研究也倍受大气过程研究关注,然而亚洲粉尘铁源释放缺乏系统的调查。

长距离传输的矿物尘的尘源、传输在理解尘-气候系统中矿物尘改变大气辐射、大气云核/冰核属性和尘营养影响海洋初级生产力进而影响大气CO2浓度等关键科学问题中至关重要。北非作为全球最大的矿物尘源区,每年产生大约0.8TG矿物尘,约占全球矿物尘量的70%。稳定的矿物相的粘粒矿物是远距离传输矿物尘中主要组分,运用粘粒中地球化学指纹识别北非尘源并示踪长距离传输矿物尘传输途径有助于理解非洲季风演化过程及北非矿物尘在沉积记录中的尘-气候反馈机制。为此,南京大学表生地球化学教育部重点实验室风尘示踪团队开发了粘粒Sr-Nd-Hf同位素系统作为地球化学指纹限定长距离传输尘源和尘传输途径。该团队多年来对不同粒度的Sr-Nd-Hf同位素研究发现:不同粒度的同位素εNd值变化很小甚至保持不变,同位素εNd值不受粒度控制而受控于源岩地质构造背景;87Sr/86Sr同位素受矿物分选控制存在明显的变化,而粘粒同位素87Sr/86Sr值与CIA和Al/K等指示硅酸盐化学风化强度的地球化学指标显著相关,粘粒同位素87Sr/86Sr值受母岩化学风化控制;而同位素εHf值主要与受锆石约束的εHf值关系较大,而不含锆石的粘粒中的εHf值与CIA和Al/K没有关系,影响粘粒εHf值变化的可能与其母岩的地质背景存在联系。因此粘粒Sr-Nd-Hf同位素系统是可靠的地球化学指纹,能够很好地限定长距离传输矿物尘的物源。

地球科学与工程学院季峻峰研究团队和地理科学与海洋学院鹿化煜研究团队合作,针对我国北方沙漠的地表沉积物样品,联合地球化学连续提取、漫反射光谱、X射线衍射等方法,着重研究了能够长距离传输粘土粒级(<
2
µm)中的含铁矿物及其地球化学形态,获得主要认识有中国主要沙漠表层沉积物粘粒中含铁矿物和铁形态西部沙漠和东部沙地存在明显空间分布差异,西部沙漠铁矿物和铁形态分布特征可能和青藏高原隆升存在联系;塔克拉玛干沙漠中易还原铁氧化物含量高于其它沙漠,这种现象可能与盆地周围山脉剥蚀/风化所致通过高山作用输送至塔克拉玛干沙漠;沙漠沉积物粘土粒级中潜在输送给太平洋的主要含铁矿物是针铁矿和绿泥石;研究提供了东亚主要尘源区的含铁矿物及化学形态的数据,可能有效提高全球粉尘铁模型的基础数据之一。

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图1. 季节变化的光学气溶胶厚度与北非尘源同位素分区

图1 中国沙漠表层沉积物粘粒中铁矿物与铁形态分布特征

DJF:冬季;MAM:春季;JJA:夏季;SON:秋季。

研究成果《Iron Mineralogy and Speciation in Clay-Sized Fractions of
Chinese Desert
Sediments》(
of Geophysical Research:
Atmospheres》,南京大学为第一署名和通讯作者单位,该工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的资助。

澳门新葡亰平台游戏app,研究团队通过对北非沙漠沉积物粘粒开展Sr-Nd-Hf同位素发现,北非尘源粘粒Sr-Nd-Hf同位素受地质构造控制存在明显East、Central和West三分区特征。比较跨大西洋传输现代尘和源区粘粒Sr-Nd-Hf同位素发现,跨大西洋传输尘主要来自西Sahel和Sahara地区,也发现跨大西洋传输的尘源区存在季节差异,通过源区粘粒Sr-Nd-Hf同位素限定四季变化的跨大西洋传输的矿物尘,夏季尘主要来自西Sahel地区,冬季尘中心向南移至多哥,证实了跨大西洋传输尘受季节移动的ITCZ控制源区释放发生同位素差异。粘粒Sr-Nd-Hf同位素示踪尘源的结论得到了来自NOAA网站同期尘AOD的验证。北非尘源区粘粒同位素Sr-Nd-H地球化学指纹对理解大西洋中的北非矿物尘及其跨大西洋传输尘记录的尘-气候演化信息打开了新的视窗。该工作近日发表于地球科学领域Earth
and Planetary Science Letters杂志上,题为Sr–Nd–Hf isotopic
fingerprinting of transatlantic dust derived from North
Africa(

(地球科学与工程学院 科学技术处)

感谢地球科学与工程学院表生地球化学教育部重点实验室和内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室等平台的大力支持,该工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的资助。

(地球科学与工程学院 科学技术处)

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