近日，地质微生物与环境全国重点实验室宋虎跃教授团队的研究成果“Tectonic controls on nitrogen cycling and ocean ventilation dynamics in the Late Cretaceous equatorial Atlantic”（晚白垩世赤道大西洋构造演化对氮循环和海洋通风的控制）在《Earth and Planetary Science Letters》期刊正式刊出。博士后杜勇是论文的第一作者，宋虎跃教授是通讯作者。
现代的海陆格局形成于侏罗纪以来泛大陆的逐渐裂解演化过程。其中，大西洋的形成是泛大陆分裂过程中最重要的事件之一，其对全球气候演化和生物演化产生了深远影响。大西洋的开放过程，特别是南、北大西洋通过赤道大西洋通道（EAG，Equatorial Atlantic Gateway）实现的深水交换，是温盐环流发生的根本前提。然而，当前Nd同位素和计算模拟研究对这一事件的发生时间尚未定论，深海洋流何时充分形成仍众说纷纭。
现代海洋沉积物的氮同位素大数据显示，氮同位素值主要有3种控制模式（图1）：（1）以西太平洋、西大西洋和阿拉伯海为代表的海域，具有充分的营养盐供给，从而形成高生产力、中层大洋缺氧环境，促使强烈的不完全反硝化，导致δ15N显著较高（+5‰~+15‰）；（2）以地中海、华南海为代表的局限海或宽陆架，大洋氮库供给不足，发生完全反硝化或固氮增强，导致δ15N显著偏低（<+5‰）；（3）广阔的开放大洋例如南大洋则介于二者之间（约+5‰）。因此，该研究团队推测，EAG开放过程引发的深水洋流输入变化将驱动氮循环模式的转变，并反映在沉积物氮同位素值上。
图1 1 Ma以来新生海洋沉积物的δ15N分布（Du et al., 2025a, b）
本研究选择位于南美洲东北缘赤道大西洋的ODP 1258站点的晚白垩世岩芯作为研究材料，开展了综合的有机碳、氮元素含量和同位素分析。结果揭示大西洋开放早期的氮循环和海洋通风经历了两个阶段演变（图2）：（1）Cenomanian到Santonian期（100-83.6 Ma），δ15N 值极负（约-2‰），指示受限缺氧海洋环境中以铵盐为主导的氮循环。高TOC和Corg/N表明铵盐的强烈再循环形成“营养阱”，促进高生产力和有机质的高效保存。（2）Campanian到Danian期（<83.6 Ma）,δ15N骤升到+4‰以上，标志着向以硝酸盐为主导的开放氮循环转变，深海洋流的硝酸盐提供了充分的反硝化底物。δ15N逐步增至+9‰，指示上升流作用加强、大洋中层缺氧逐渐扩张。这一结果揭示了EAG的构造演化是氮循环重组的主要驱动力：当赤道大西洋的累积纬向（Δlat>6.1°）和经向（Δlong>13.9°）伸展超过临界值时，持续的深水环流启动，触发深海通风和氮循环转折。
图2 晚白垩世德梅拉拉海隆氮-碳地球化学和赤道大西洋开放程度（累计经纬度差）演化
该研究基于海相氮同位素大数据资料，创新性地提出氮循环演化可作为揭示大洋开放阶段性特征的关键指标，并通过大洋钻探材料实证了晚白垩世EAG开放过程及其关键转折阈值。该成果不仅连接了构造活动与生物地球化学过程，阐明了构造重组是调控营养盐动态与深海通风的关键机制，更为理解古海洋缺氧事件后氮循环的长期演化及现代海洋缺氧带驱动氮循环的起源提供了重要证据。
相关研究得到了国家重点研发计划“地球深时大洋缺氧事件与环境变化（2023YFF0804000）”等项目的资助。
作者简介：杜勇，博士后，2023年获得博士学位。主要从事气体稳定同位素分析技术开发、重大地质突变期古海洋氮-硫循环和深时同位素大数据研究。以第一作者身份在EPSL、GCA、GSAB等期刊发表SCI论文8篇，授权国家发明专利1项，主持国家自然科学基金青年基金（C类）、中国博士后科学基金面上项目和特别资助、国家重点研发计划项目子课题等科研项目，获国家资助博士后研究人员计划（B类）、湖北省博士后创新人才培养项目（B类）资助，获校优秀博士学位论文（2023年全校共10篇），优秀研究生毕业生。
相关成果：
Du Y., Song HY*, Algeo T. J., Zhong L., Li J. and Song HJ, 2025a. Tectonic controls on nitrogen cycling and ocean ventilation dynamics in the Late Cretaceous equatorial Atlantic. Earth and Planetary Science Letters 667, 119517.
Du Y., Song HY*, Algeo T. J., Zhang H., Peng J., Wu Y., Lai J., Shu X., Song Hanchen, Wei L., Zhang J., Stüeken E. E., Grasby S. E., Dal Corso J., Liu X., Chu D., Tian L., Liang Q., Li X., Yao H. and Song HJ, 2025b. The global database of deep-time marine nitrogen isotope data. Earth System Science Data Discussion.
