地球科学进展

地球科学进展 ›› 2022, Vol. 37 ›› Issue (4): 358 -369. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.013

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海洋 Re、 Mo和 U对氧化还原环境的指示作用
张晓潼 1 , 2 , 3( ), 袁华茂 1 , 2 , 3 , 4( ), 宋金明 1 , 2 , 3 , 4, 段丽琴 1 , 2 , 3 , 4   
  1. 1.中国科学院海洋生态与环境科学重点实验室，中国科学院海洋研究所，山东 青岛 266071
    2.中国科学院大学，北京 100049
    3.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋生态与环境 科学功能实验室，山东 青岛 266237
    4.中国科学院海洋大科学中心，山东 青岛 266071
  • 收稿日期:2021-06-27 修回日期:2022-01-28 出版日期:2022-04-10
  • 通讯作者: 袁华茂 E-mail:zhangxiaotong19@mails.ucas.ac.cn;yuanhuamao@qdio.ac.cn
  • 基金资助:
    中国科学院战略先导性专项“近海环境健康评估技术与海域评估方案”(XDA23050501);国家自然科学基金面上项目“微生物对富营养化近海沉积物砷循环的调控机制解析：以长江口为例”(41976037)

Indication to Redox Conditions of Re， Mo and U in Marine Environment

Xiaotong ZHANG 1 , 2 , 3( ), Huamao YUAN 1 , 2 , 3 , 4( ), Jinming SONG 1 , 2 , 3 , 4, Liqin DUAN 1 , 2 , 3 , 4   

  1. 1.CAS Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences，Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266071，China
    2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
    3.Marine Ecology and Environmental Science Laboratory，Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology，Qingdao 266237，China
    4.Center for Ocean Mega-Science，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266071，China
  • Received:2021-06-27 Revised:2022-01-28 Online:2022-04-10 Published:2022-04-28
  • Contact: Huamao YUAN E-mail:zhangxiaotong19@mails.ucas.ac.cn;yuanhuamao@qdio.ac.cn
  • About author:ZHANG Xiaotong (1997-), female, Xingtai City, Hebei Province, Master student. Research areas include marine biogeochemistry. E-mail: zhangxiaotong19@mails.ucas.ac.cn
  • Supported by:
    the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences "Technique and scheme of Chinese offshore environmental health assessment"(XDA23050501);The National Natural Science Foundation of China "Microbial regulation of arsenic cycling in eutrophic coastal sediments: a case study of the Yangtze River Estuary"(41976037)
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氧化还原敏感微量元素Re、Mo和U主要依靠扩散作用通过沉积物—水界面，在不同氧化还原条件下的沉积物中自生富集，Re在轻度还原的次氧化沉积环境中富集，Mo在还原性更强的硫化环境中富集，而U具有较宽的富集沉积深度区间。Re、Mo和U独特的地球化学行为使其可用于指示海洋环境的氧化还原状态，其在沉积物中的自生富集程度与沉积时所处的氧化还原条件具有良好的相关性：Re、Mo和U在氧化沉积环境（Re/Al<1.3×10-7，Mo/Al<0.4×10-4）和季节性缺氧区覆盖的沉积环境中富集程度较小，在常年性缺氧区覆盖的沉积环境（U/Al>5×10-4，Mo/Al>5×10-4）和硫化沉积环境（Mo/Al>5×10-4）中富集程度较大。除依据其地球化学行为特征和相对富集程度进行定性分析之外，还可以结合元素富集系数（TMEF<1表示亏损，TMEF>1表示富集，TMEF>3表示明显富集，TMEF>10表示强烈富集）、元素比值（Re/Mo≤0.3×10-3指示氧化环境，Re/Mo≈10×10-3~30×10-3指示缺氧环境，Re/Mo≈0.7×10-3~0.8×10-3指示硫化环境）、元素共变体系（MoEF/UEF≈0.1×现代海水值~0.3×现代海水值指示氧化—次氧化环境，MoEF/UEF>1×现代海水值指示缺氧环境，MoEF/UEF≈3×现代海水值~10×现代海水值指示硫化环境）以及同位素（氧化沉积环境中δ98/95Mo≈-0.7‰，次氧化沉积环境中δ98/95Mo≈-0.5‰~+1.3‰，缺氧沉积环境中δ98/95Mo≈+1.6‰，硫化沉积环境中δ98/95Mo≈+2.2‰~ +2.5‰）等进行综合定量判别。值得关注的是，目前Re、Mo和U的氧化还原迁移转化机制尚未完善，现代海洋系统的数据较为有限，Re、Mo和U富集程度的区域分异性和高度可变性仍有待进一步研究。未来仍需要更多的现代海洋系统氧化还原敏感微量元素数据和应用实例，以更好地与古海洋体系相结合来完善氧化还原敏感微量元素指标的指示作用。

关键词: Re, Mo, U, 氧化还原敏感微量元素, 氧化还原状态指示, 海洋环境

Redox Sensitive Trace Elements （RSE）， such as Re， Mo， and U， are often autogenetically enriched in sediments because of their different solubilities and/or affinities for particulates under various redox states at the time of sediment deposition when diffusing through the sediment-water interface. The enrichment of Re is primarily in a suboxic depositional environment but that of Mo is in an euxinic environment. In contrast， U has a relatively large depositional depth range in sediments. The special geochemical behavior of the RSEs makes it possible to indicate the redox state， as the autogenetic enrichment degrees in sediments have a good correlation with the redox conditions of marine sedimentary environments. Lower enrichments were recorded from sediments deposited in oxic （Re/Al<1.3×10-7， Mo/Al<0.4×10-4） and beneath seasonal oxygen minimum zone environments， while higher enrichments were recorded from sediments deposited within the perennial oxygen minimum zone （U/Al>5×10-4， Mo/Al>5×10-4） and euxinic （Mo/Al>5×10-4） environments. In addition to the relative enrichment degree， the paleoredox proxies of the enrichment coefficient （TMEF<1 means depletion； TMEF>1 means enrichment； TMEF>3 means obvious enrichment； TMEF>10 means significant enrichment）， trace elements ratios （Re/Mo≤0.3×10-3 indicates an oxic environment； Re/Mo≈10×10-3~30×10-3 indicates an anoxic environment； Re/Mo≈0.7×10-3~0.8×10-3 indicates an euxinic environment）， the trace elements covariant system （MoEF/UEF≈0.1×modern seawater value~0.3×modern seawater value indicates an oxic-suboxic environment； MoEF/UEF>1×modern seawater value indicates an anoxic environment； MoEF/UEF≈3×modern seawater value~10×modern seawater value indicates an euxinic environment）， and isotope values （δ98/95Mo≈-0.7‰ in an oxic environment； δ98/95Mo≈-0.5‰~+1.3‰ in a suboxic environment； δ98/95Mo≈+1.6‰ in an anoxic environment； δ98/95Mo≈+2.2‰~+2.5‰ in an euxinic environment） could also be utilized to comprehensively unravel the history of depositional environments. It should be noted that the migration and transformation mechanisms under the different redox conditions of Re， Mo， and U are imperfect， and related datasets in modern marine systems are limited. The highly variable enrichment degrees of Re， Mo， and U reflect obvious regional differentiation， which is yet to be examined. In future， more observations and research in modern marine systems are needed to improve the indicative utility of RSEs combined with the paleo-marine system.

Key words: Re, Mo, U, Redox sensitive elements, Redox indication, Marine environment

中图分类号: 

表1 海洋氧化还原程度的界定 [ 1 - 2 ]
Table 1 Marine redox classification [ 1 - 2 ]
海洋氧化还原状态 O2含量/（mL/L） H2S含量/（mL/L）
氧化 >2.0 0
贫氧 适度 2.0~1.0 0
重度 1.0~0.5
极端 0.5~0.2
次氧化 0.2~0 0
缺氧 0 >0
表2 Re、 Mo和 U环境行为特征 [ 16 - 17 , 25 ]
Table 2 Environmental behavior characteristics of Re, Mo, U [ 16 - 17 , 25 ]
研究内容 Re Mo U
主要控制机制 不被有机质、Fe-Mn（氧）氢氧化物吸附；次氧化/缺氧条件下还原和沉淀 易被有机质、Fe-Mn（氧）氢氧化物吸附；缺氧/硫化条件下形成Fe-Mo-S复合物沉淀或被硫化铁相/腐殖质清除 可被有机质吸附，与Fe循环相关；次氧化/缺氧条件被还原为不溶的U（Ⅳ）或与有机质络合沉淀
上地壳平均丰度 0.4×10-9 1.5×10-6 2.8×10-6
河流丰度（aq） 0.43×10-12 0.48×10-9 0.36×10-9
海水丰度（aq） 7.26×10-12~8.38×10-12 10.10×10-9 3.20×10-9
海水停留时间/ka 750 800 450
氧化沉积物丰度 0.05×10-9~0.50×10-9 8.00×10-6 3.00×10-6
缺氧沉积物丰度 50×10-9 50×10-6 25×10-6
图1 不同的现代海洋沉积环境的RSE富集程度（log10标度）（据参考文献［ 15 ］修改）
方框表示四分位区间；十字表示中位数；上下端线表示第5和第95百分位，超出第5和第95百分位的数据表示为空心圆；地壳平均值表示为灰色实线，灰色阴影表示2个标准偏差，Re的2条灰色线表示地壳平均值的2个单独估计值
Fig. 1 RSE enrichments （log10 scale） of a range of modern marine depositional environments （modified after reference ［ 15 ］）
The box represents the interquartile range and the cross represents the mean. The whiskers represent the 5th and 95th percentiles， where data exceeding are represented as open circles. The crustal average value is shown as a gray solid line with two standard deviations represented by the gray shading， while the two gray lines represent two separate estimates of the crustal average value for Re
表3 Re、 Mo和 U对氧化还原环境的指示
Table 3 Indication of redox environments by Re, Mo and U
主要指标 参考值 氧化还原环境 主要参考文献
RSE/Al

Re/Al<1.3×10-7

Mo/Al<0.4×10-4

 氧化环境 ［ 15 ］

U/Al>5.0×10-4

Mo/Al>5.0×10-4

缺氧环境

（P-OMZ覆盖）

U/Al>1.0×10-4

Mo/Al<5.0×10-4

氧化—次氧化环境

（P-OMZ以外）

Mo/Al>5.0×10-4

46.0×10-4>V/Al>23.0×10-4

 硫化环境
Re/Mo ≤0.3×10-3 氧化环境 ［ 60 ］
10.0×10-3~30.0×10-3 缺氧环境
0.7×10-3~0.8×10-3 硫化环境
MoEF/UEF 0.1×现代海水值~0.3×现代海水值 氧化—次氧化环境 ［ 11 ， 61 ］
>1.0×现代海水值 缺氧环境
3.0×现代海水值~10.0×现代海水值 硫化环境
δ98/95Mo -0.7‰ 氧化环境 ［ 14 ， 62 ］
-0.5‰~+1.3‰ 次氧化环境
+1.6‰ 缺氧环境
+2.2‰~+2.5‰ 硫化环境
图2 沉积物Re和Mo的原始富集深度 Z 与Re/Mo的相关关系（log10标度）（据参考文献［ 26 ］修改）
Fig. 2 Correlation between Re and Mo initial enrichment depths （ ZRe/Mo ） and Re/Mo ratio （log10 scale） （modified after reference ［ 26 ］）
图3 现代海洋环境MoEF-UEF 共变的一般模式（log10标度）（据参考文献［ 61 ］修改）
Fig. 3 General patterns of MoEF-UEF covariation in modern marine environments （log10 scale） （modified after reference ［ 61 ］）
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