铁（Fe）是地球表层系统中至关重要的生命营养元素，其同位素体系是示踪铁生物地球化学循环的敏感工具。然而，沉积过程中铁同位素的分馏机制及其对古环境的响应规律尚不清楚，尤其是沉积物中不同铁赋存形态的同位素信号如何记录气候演变，长期以来缺乏系统研究。

针对上述科学问题，中国科学院广州地球化学研究所深地过程与战略矿产资源全国重点实验室刘佳蓉博士生在马金龙正高级工程师和韦刚健研究员的指导下，以珠江口约2000年的WS沉积物柱为研究对象，对全岩样品及顺序提取的各化学相态（铁（氢）氧化物相、有机相和残余相）开展了高精度铁同位素分析。研究发现，全岩δ⁵⁶Fe值（0.10%～0.26‰）与河流悬浮物相似，但Fe/Al比值显著升高，表明沉积过程中存在大量铁迁移转化，但这一过程在全岩同位素组成中未被记录。化学连续提取实验揭示，铁（氢）氧化物是铁的主要储库（占总铁的60.7%～70.5%），具有较低的δ⁵⁶Fe值（0.06%～0.17‰）；残余相（占总铁的19.9%～30.0%）具有较高的δ⁵⁶Fe值（0.32%～0.48‰）；有机质相是次要的铁储库（占总铁的5.28%～8.94%），具有最低的δ⁵⁶Fe值（-0.20‰～0.02‰）（图1）。不同相态之间的Fe同位素差异清晰地记录了Fe的迁移及同位素分馏路径。铁（氢）氧化物相中δ⁵⁶Fe与Fe/Mn呈正相关（图2），表明该相的铁同位素组成主要受氧化还原过程控制。Fe(II)氧化为Fe(III)并沉淀时重铁同位素优先进入固相，还原溶解时则优先释放轻铁同位素。残余相中δ⁵⁶Fe与绿泥石含量呈负相关，指示该相铁同位素组成受化学风化过程主导。轻铁同位素优先被释放进入溶液，重铁同位素则残留在固相中。有机质相具有最低的δ⁵⁶Fe值，反映Fe在迁移过程中与有机配体发生络合时优先结合轻铁同位素。

图1 WS沉积物各化学相态占比及Fe同位素组成

图2 WS沉积物铁（氢）氧化物相δ⁵⁶Fe与(a)Fe含量、(b)Fe/Mn比值相关性

值得注意的是，铁（氢）氧化物相和残余相的δ⁵⁶Fe值均对晚古小冰期（LALIA，约536–660 CE）、中世纪暖期（MWP，约900–1300 CE）和小冰期（LIA，约1550–1850 CE）等百年尺度气候事件表现出显著且差异化的响应（图3）。铁（氢）氧化物的δ⁵⁶Fe值在暖期偏重、冷期偏轻，记录了气候变化驱动的氧化还原状态转变。残余相的δ⁵⁶Fe值则与东亚冬季风强度代用指标（浮游有孔虫δ¹⁸O）呈现高度一致的协同变化，表明其有效记录了季风强度的演变。强冬季风时期对应残余相δ⁵⁶Fe值偏重，这源于冬季风增强带来的冷干气候加剧了物理剥蚀，减弱了化学风化过程中轻铁同位素的优先释放，从而使残留硅酸盐矿物富集重铁同位素。

图3 WS沉积柱残余相与铁（氢）氧化物相δ⁵⁶Fe值对过去2000年气候事件及东亚冬季风的响应

该研究成果表明，铁（氢）氧化物相和残余相的铁同位素可分别作为古氧化还原条件和季风强度的代用指标，二者联用构成了重建古环境的“双重指标”新体系，为古气候研究提供了新视角。

该研究受到国家重点研发计划项目（2022YFF0800501, 2024YFF0807803）的资助，相关成果近期发表在国际知名地学期刊Chemical Geology上。国科大博士生刘佳蓉（培养单位：中国科学院广州地球化学研究所）为本文第一作者，国科大博士生导师、中国科学院广州地球化学研究所正高级工程师马金龙为本文通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2026.123613