导读

滨海与深海生态环境研究中心团队在Frontiers in Marine Science上发表了题为：“Combined uranium-series and trace elements analysis in cold seep bivalves: possibility in hundred-year-scale reconstruction of deep-sea temperature and acidification”的研究论文。该研究对南海福尔摩沙冷泉和海马冷泉中三种贝类（Gigantidas platifrons、Gigantidas haimaensis和Archivesica marissinica）贝壳中的铀系列放射性元素和微量元素组成进行了全面调查，目标在于探究南海冷泉贝类充当深海古环境档案的时间潜力和反演能力。

✦摘要✦

本研究对南海福尔摩沙与海马冷泉双壳类壳体开展铀系年代学与微量元素联合分析，评估了其在百年尺度深海环境重建中的适用性。主要结论如下：（1）双壳类壳体微量元素呈现显著空间异质性，主要受冷泉环境参数而非生物生理特征控制；（2）主成分分析表明壳体元素比值与渗流活动相关，其中Sr/Ca可作为温度重建的可靠指标，其性能优于氧同位素；（3）Na/Ca和U/Ca具有指示冷泉酸化的潜力，但应用前需进一步验证；（4）铀系测年结果显示福尔摩沙冷泉和海马冷泉贻贝中位年龄分别达229.5年和323.5年，而蛤类因寿命过短难以精确测定。简而言之，冷泉双壳类壳体元素特征能有效记录深海温度，为百年尺度古海洋环境重建开辟了新视角。

✦引言✦

深海作为全球气候系统的重要组成部分，在海洋环流、碳储存和气候调节中发挥着关键作用。全球变暖导致深海热含量持续增加，但受限于现有观测技术，深海环境参数的长期连续监测仍面临重大挑战，亟需发展新的重建技术。

传统方法难以解析百年尺度的精细变化（如利用有孔虫壳体进行古温度重建，由于沉积速率缓慢，仅适用于千年至百万年尺度的研究）。相比之下，双壳类壳体具有显著优势，其元素组成可记录高分辨率的环境信息，已成功应用于温度、溶解颗粒物浓度和生产力等参数的重建。特别是在冷泉生态系统中，双壳类壳体中的Sr/Ca是可靠的温度指标，而Na/Ca和U/Ca则可能记录酸化信号，但这些指标的应用需要考虑物种特异性差异。同时，对于冷泉双壳类贝类寿命，科学界争议不断。

因此，本研究以南海福尔摩沙冷泉和海马冷泉的三种双壳类贝类为研究对象，通过贝壳中的铀系列元素研究冷泉贝类生理年龄，讨论铀测年的误差来源，使用三种α粒子反冲模型与现代样品的230Th/232Th比率进行年龄校正；通过贝壳中的微量元素与钙比值（M/Ca），结合主成分分析讨论冷渗环境对不同M/Ca的影响。

成果简介

01 冷泉双壳类中微量元素浓度的潜在来源及主导过程

如图1所示，冷渗强度变化导致不同M/Ca值发生不同方向的趋势变化。总的来说，Sr/Ca的分布主要受温度等相对稳定的环境变量控制；U/Ca、Ba/Ca和Na/Ca与酸化过程密切相关；而Mn/Ca主要受氧化还原条件（溶解氧含量）调控。其余Li/Ca、Fe/Ca、Cu/Ca、Mg/Ca、Zn/Ca和Mo/Ca，主要受沉淀作用主导。如图2所示，不同冷泉中不同尺寸的贝类，某些M/Ca值呈现出显著不同，在排除生理干扰后，这种显著性不同反映了冷泉环境极强的异质性，即使同一站点的贝类也有可能记录不同的渗漏强度。

Fig. 1 (a) Principal component analysis (PCA) plot of the M/Ca ratios of each shell. The projection of each element on the axis is the score on that axis, indicating its importance. Acute angles between different element arrows indicate positive relationships between them. (b) Variance of each principal component. (c) PCA loadings of each M/Ca for PC1. (d) PCA loadings of each M/Ca for PC2. All M/Ca ratios are shown in the form of M in short in all the graphs.

Fig. 2 Element (M)/calcium (Ca) ratios measured in bivalves of different sizes. Asterisk represents the data with significant differences via Tukey’s test (P < 0.001). The blue color stand for samples with smaller size while red color for bigger size within the same location.

02 铀测年估计冷泉双壳类中位年龄

铀测年结果如图3所示。其结果反映铀测年的误差来源并非是阿尔法反冲（成岩蚀变）导致的放射性元素特征发生改变。三个阿尔法反冲校正模型应用前后，年龄没有得到更好的约束，进一步验证了上述观点。因此铀测年误差主要来源于深海贝壳样品受到的陆源碎屑污染，导致232Th较高，230Th/232Th比活度较低。本文并未使用bulk earth value （0.825 ± 50%）或冷泉碳酸岩230Th/232Th（0.7 ± 0.1）值进行校正，而是需要使用现代贝壳样品的230Th/232Th进行更精确的约束。最终结论为F贻贝和HM贻贝中位年龄分别为229.5年和323.5年，而蛤类因寿命过短难以精确测定。

Fig. 3 (a) Plot of uranium (U) versus thorium (Th) concentrations. (b) Plot of 234U/238U versus 230Th/238U. (c) U plotted against 234U/238U. (d) Plot of all sample data for 234U/238U versus 230Th/238U, with all the plotted points lying along the marine evolution line (1.147 ± 0.015).

03 冷泉贝类反演古环境

冷泉双壳类壳体中的Sr/Ca比值被证实是比传统氧同位素更可靠的温度指标。这也反映在是Sr/Ca而不是氧同位素，呈现出与碳同位素的显著性相关（P < 0.001)）。这是因为，氧同位素因受孔隙水化学变化及甲烷水合物分馏效应（固态水合物优先富集重同位素）的显著干扰，其温度重建结果存在较大误差。重建数据如图4所示，冷泉区温度稳定在1-6℃范围内，且未出现随时间升高的趋势——这与常规海底环境截然不同，推测是由于冷泉区CO2吸收产生的冷却效应抵消了温室气体增温作用。

研究尝试利用Na/Ca和U/Ca比值重建冷泉酸度条件。然而，如图5所示，Na/Ca在部分样品中出现异常高值（如2022MH-2样品高达20000 mmol/mol），这可能与温度变化引发的生物膜透性改变及代谢紊乱有关；同时U/Ca比值基线相对平稳，存在异常波动。这都表明目前Na/Ca和U/Ca对酸化过程的响应机制尚未完全明确，特别是极端值的出现机制仍需深入解析。在实际应用这些指标前，必须通过后续实验验证其与CO2及[CO32-]浓度的定量关系。

Fig. 4 Temperature reconstruction based on the detrended strontium/calcium ratio. The x-axis displays the height proportion normalized to 0 - 100% where 0 and 100% represent the oldest and youngest parts of the shell, respectively. Bivalves in different locations might not grow at the same rate.

Fig. 5 Profiles of the sodium/calcium and uranium/calcium ratios. The data were smoothed via the LOWESS method with a window ratio of 0.05.

结论与展望

本研究通过铀系定年与微量元素分析，证实冷泉双壳类壳体是研究百年尺度深海环境变化的理想载体。研究结果显示，校正后的贻贝壳体年龄可达229-323年，其中Sr/Ca比值是重建温度的可靠指标，研究区域的Sr/Ca反演温度在1-6℃上下波动，与CTD记录的温度数据基本符合；而Na/Ca和U/Ca比值尽管作为酸化条件的潜在指标力，在应用前仍需要进一步验证其适用性。这项研究不仅提出利用冷泉双壳类壳体重建深海环境的新方法，更为理解百年尺度气候变化提供了重要工具。未来研究将着重完善元素与环境参数之间的定量关系模型，以提升重建精度。

原文信息

Cai C , Feng J C , Wu G ,et al. Combined uranium-series and trace elements analysis in cold seep bivalves: possibility in hundred-year-scale reconstruction of deep-sea temperature and acidification[J]. Frontiers in Marine Science, 2025.DOI:10.3389/fmars.2025.1528106