摘要：磁小体化石是古趋磁细菌及其代谢活动的直接证据，能记录古环境和古地磁场信息，是开展地磁场-环境-生命相互作用过程及共演化规律研究的理想材料。但是，地质记录中磁性矿物通常来源复杂、类型多样，严重影响了磁小体化石的量化识别。在最近发表于JGR的文章中，中国科学院地质与地球物理研究所李金华研究员和潘永信院士带领的国际研究团队，综合古地磁学、岩石磁学和电子显微学技术，对南印度洋MD11-3353钻孔沉积物150千年以来的磁小体化石开展了量化识别，发现冰期阶段沉积物中载磁矿物主要为微纳米尺寸的碎屑磁铁矿，而间冰期阶段沉积物中还含有纳米尺寸的磁小体化石。综合前人在南大洋的研究结果，该研究揭示了MD11-3353钻孔沉积物中的碎屑磁铁矿含量受控于绕南极西风和南极绕极流强度，而磁小体化石含量则主要受南大洋上升流强弱控制。这项研究为进一步分别利用碎屑和生物成因磁铁矿重建南大洋古气候和古洋流奠定基础。
南大洋环绕南极洲，是太平洋、大西洋及印度洋南部海域的延伸，拥有独特的洋流、生态和气候特点，在全球大洋环流和气候变化中扮演着至关重要的角色。受绕极西风带的风场驱动，南极绕极流（Antarctic Circumpolar Current, ACC）自西向东横贯太平洋、大西洋和印度洋，推动全球经向翻转流循环和深渊海与大气物质能量交换，从而对海洋温盐循环和全球碳循环发挥重要调控作用。然而，受限于现有替代指标的多解性及南半球复杂的岛屿分布，在冰期间冰期尺度上，南大洋的古气候和古洋流重建仍存在争议。比如：在南印度洋钻孔沉积物过去400千年的环境磁学研究中认为，冰期阶段碎屑钛磁铁矿含量的增加及粒度的变粗指示着南极绕极流强度和侵蚀能力的增加，而间冰期阶段磁铁矿含量的减少和粒度的变细表明绕极流强度和剥蚀能力的减弱。然而，最近在德雷克海峡的沉积物粒度研究中指出，间冰期阶段沉积物粗的颗粒粒度和低的累计速率指示着南极绕极流强度的增加及分选性的增强。相反，冰期阶段细的沉积物颗粒粒度和高的累计速率指示着南极绕极流强度和分选性的减弱。
磁小体化石是古趋磁细菌及其代谢活动的直接证据，具有单磁畴磁性，是开展古地磁和古环境重建的理想材料。然而，地质记录中磁小体化石通常与其它来源的磁性矿物混存，且受到埋藏压实等地质改造，因而其量化识别极富挑战。在前期工作中，研究者首先完善了“磁性测量+显微观测”结合的磁性矿物量化识别研究体系，将扫描电镜的大视野多颗粒观察与透射电镜单颗粒精准分析结合，精准识别不同类型的磁铁矿颗粒，并以此指导宏观磁性的解译，系统认识它们各自的磁学行为及其剩磁贡献（Li et al., FES, 2020）。利用该量化识别体系，该研究对取自于南印度洋Kerguelen高原西北坡、南极极锋处的钻孔MD11-3353沉积物开展了系统的研究，获得了碎屑和生物成因磁铁矿在过去150千年（包括6个海洋氧同位素阶段， MIS 1 到MIS 6）的赋存状态及其磁性变化（图1）。具体研究结果如下：
图1 (a) 南印度洋地图及钻孔MD11-3353地理位置；(b、c) 钻孔MD11-3353过去150千年年龄框架
（1）磁性矿物含量及变化：与磁性矿物浓度相关的磁学参数（ , ARM, Ms, SIRM1T和HIRM）在整个岩芯时间序列上变化趋势一致，具有很好的冰期-间冰期旋回特征，冰期阶段磁性矿物含量高，间冰期阶段低，且不受非磁性物质的稀释作用影响（图 2）。具体来说，首先，浓度磁学参数在MIS 6阶段后期逐渐降低；其次，在温暖的MIS 5阶段的大部分时期一直保持在最低值，在亚阶段相对较冷的MIS 5d和5b增加；然后，从MIS 5a阶段晚期到MIS 2阶段逐渐增加，在末次冰盛期时达到最高值，其中在MIS 4阶段为驼峰式变化。最后从终止期I（Termination I）开始迅速下降，在温暖的全新世又降低到最低点。
图2 钻孔MD11-3353过去150千年浓度磁学参数变化。(a) 磁化率，k；(b)非磁滞剩磁，ARM；(c)饱和磁化强度，Ms；(d) 饱和等温剩磁，SIRM1T；(e) 硬饱和剩磁强度，HIRM；(f) S-ratio；(g) LR04深海氧同位素曲线
（2）磁性矿物类型鉴定：挑选了位于冰期和间冰期阶段的23个代表性样品进行了系统的岩石磁学和电子显微学分析发现（图3和4），样品的主要载磁矿物为低矫顽力矿物，冰期阶段（MIS 6, MIS 4-2, T1）磁性矿物粒径和组成参数（ ARM/ , Bc, Bcr, Mrs/Ms, Bcr/Bc, FC, ZFC, 和 FC/ ZFC）变化微小，矿物组合稳定，以5种类型的微米至纳米级碎屑成因含钛磁铁矿为主：类型1和类型2分别为微米至亚微米级的形状不规则和八面体的粗颗粒含钛磁铁矿，类型3和类型4分别为包裹在硅酸盐矿物中的纳米级的包体和树枝状细颗粒含钛磁铁矿，类型5为十几个纳米级颗粒组成的含钛磁铁矿集合体；而在相对温暖的间冰期MIS 5和全新世阶段，磁性矿物粒径和组成参数变化剧烈，电子显微学和岩石磁学分析揭示了其中生物成因磁小体化石含量增加（包括有大量的细长棱柱形和直子弹头形磁小体，以及少量的立方八面体形，类型6），并且在温暖的亚阶段MIS 5a，5c和5e磁小体化石含量最高（图4）。此外，基于MIS 5阶段4个样品近3000个磁小体颗粒的形状统计分析发现，相比于相对寒冷的亚阶段MIS 5b和5d，在相对温暖的亚阶段MIS 5a，5c和5e，直子弹头型的磁小体化石比例从~23%增加到~37%。
图3 钻孔MD11-3353过去150千年非浓度磁学参数变化。(a) 磁化率，k；(b) 矫顽力，Bc；(c) 剩磁矫顽力，Bcr；(d) Mrs/Ms；(e) Bcr/Bc；(f) FC/ ZFC，(g) FC和 ZFC；(h) LR04深海氧同位素曲线
图4 来自于冰期（MIS 2，样品S2-2）和间冰期（MIS 5a，样品S5-1; MIS 5d，样品S5-9）3个代表性样品的电子显微学结果。(a、b、e-g、j、k) 扫描电子显微镜图像；(c，d，h，l，m) 透射电子显微镜图像；(i) 图h中橘色方框标识的磁小体颗粒高分辨图像，左下角插图为该颗粒的选取电子衍射花样
（3）不同类型磁性矿物的量化识别：在上述准确磁性矿物鉴定结果指导下，指出由于碎屑成因的包体含钛磁铁矿和生物成因磁小体化石矫顽力谱的重叠，被广泛应用的饱和等温剩磁曲线分解定量方法并不适用于该地区沉积物中碎屑和生物磁性矿物的定量分析。因此，该研究提出一种新的磁小体化石含量计算方法，即利用间冰期沉积物（由碎屑和生物成因磁铁矿二者混合贡献）与冰期沉积物（由碎屑成因磁铁矿贡献）的剩磁比差值，作为该钻孔沉积物间冰期中磁小体化石相对丰度的变化，再分别乘上饱和剩磁值，就大致获得碎屑成因磁铁矿和生物成因磁铁矿的绝对含量变化。定量结果表明，该钻孔沉积物饱和剩磁主要由碎屑成因磁铁矿主导，即浓度磁学参数（如 , Ms, SIRM1T和HIRM）指示着碎屑成因磁性矿物含量的变化；在间冰期中由于生物成因磁铁矿的加入，造成粒度磁学参数显著变化（如 ARM/ ）（图5）。
图5 钻孔MD11-3353过去150千年碎屑和生物成因磁性矿物的含量变化
（4）磁性矿物记录及其古环境意义：结合该地区其它钻孔的磁学参数和该钻孔的非磁学参数对比分析发现，碎屑磁性矿物含量的变化与全球温度及南极冰芯粉尘通量变化趋势一致，说明碎屑磁性矿物含量变化由南极绕极流和西风强度的调控。相比较，间冰期阶段生物成因磁小体化石丰度的增加与南大洋上升流强度及生产力变化一致，因此认为全球气候的变暖导致南极极锋的南移，富含营养物质的南大洋上升流强度的增强，刺激了当地趋磁细菌的生长，尤其是产直子弹头形磁小体的异化硫酸盐还原趋磁细菌。
总之，该研究发现南印度洋钻孔MD11-3353沉积物中碎屑和生物成因磁铁矿含量的变化分别记录了过去150千年南大洋南极绕极流和上升流的强度变化，即冰期阶段南极绕极流强度增加，上升流减弱，间冰期反之（图6）。该项研究不同与前人在南大洋其它钻孔研究中提出的大陆风尘输入的铁施肥效应促进了趋磁细菌生物矿化过程，首次揭示了该地区趋磁细菌丰度变化受控于上升流携带的营养物质，更重要的是得到的高分辨率南极绕极流和上升流强度变化对理解全球海洋环流系统及大气二氧化碳变化具有重要意义。
图6 钻孔MD11-3353过去150千年的磁化率(a)，氮同位素(d)，生物蛋白石(e)和kARM/k (f)及其与LR04深海氧同位素曲线(b)，南极冰芯记录的粉尘通量(c)的时间序列变化
研究成果发表于JGR-SE（Yan Liu, Catherine Kissel, Alain Mazaud, Yongxin Pan, Jinhua Li*. Glacial-Interglacial Circulation and Climatic Changes in the South Indian Ocean (Kerguelen Plateau Region) Recorded by Detrital and Biogenic Magnetic Minerals[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2023, 128(11): e2023JB027741. DOI: 10.1029/2023JB027741.）。研究得到了国家自然科学基金（项目号：42225402, 41920104009 和 41890843），南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）创新团队项目（项目号：311022004）和中国科学院地质与地球物理研究所自主部署项目（批准号：IGGCAS-202202）的资助。
