長久以來，學(xué)界普遍認(rèn)為海洋痕量金屬的分布主要受“自上而下”的過程控制。中國學(xué)者最新領(lǐng)銜完成的一項研究顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)知，發(fā)現(xiàn)海洋痕量金屬“自下而上”的元素循環(huán)新機(jī)制。

這項海洋元素循環(huán)領(lǐng)域的重要突破研究，由北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院助理教授杜江輝和美國、瑞士的合作伙伴共同完成，相關(guān)成果論文近日在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。

傳統(tǒng)解釋存在矛盾

論文第一作者和共同通訊作者杜江輝介紹說，海洋中的痕量金屬一般是指在每1千克海水中總量低于1微克的金屬元素，如鐵、鎳、銅、稀土元素等，看似微不足道，實則扮演著舉足輕重的關(guān)鍵角色。

它們不僅是維持海洋生態(tài)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的營養(yǎng)元素，還是科學(xué)家解讀海洋和地球系統(tǒng)演化歷史的示蹤劑，更是支撐低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略資源。

本次研究模擬海水釹元素含量分布。杜江輝供圖

在“自上而下”的傳統(tǒng)模型中，海洋元素主要來自于表層的河流和風(fēng)塵輸入，而有機(jī)質(zhì)等生物顆粒就像無數(shù)微型的“快遞員”，將吸附的金屬自上而下運輸?shù)缴詈?，并在分解過程中釋放這些金屬。

然而，越來越多的證據(jù)表明，這種解釋與許多金屬元素在深海的分布規(guī)律存在矛盾。

取得三項關(guān)鍵認(rèn)識

為破解傳統(tǒng)認(rèn)知無法解釋深海金屬元素分布的問題，研究團(tuán)隊此次綜合海水與沉積物的觀測，并結(jié)合元素的水柱與沉積物中的循環(huán)模擬，在已有觀測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，重新評估不同顆粒對金屬元素的吸附能力。通過在太平洋深海系統(tǒng)采集并分析水柱-沉積物界面的海水、孔隙水和沉積物樣品，并基于先進(jìn)模擬系統(tǒng)，研究團(tuán)隊建立金屬元素的早期成巖模型，定量刻畫出海底元素通量。

隨后，研究團(tuán)隊進(jìn)一步構(gòu)建一個三維的海水元素循環(huán)模型，量化水柱顆粒清掃與海底通量對海水中金屬元素分布的影響。該研究通過觀測與模型的深度融合，系統(tǒng)解析了金屬元素從海洋表層到海底的完整循環(huán)過程，并取得三項關(guān)鍵認(rèn)識：

首先，發(fā)現(xiàn)錳氧化物在深海顆粒吸附中起主導(dǎo)作用，盡管其在深海顆粒物總量中占比不足1%，卻貢獻(xiàn)了50%以上的稀土元素吸附量，顛覆了生物源顆粒主導(dǎo)水柱清掃過程的傳統(tǒng)認(rèn)知。

其次，揭示深海中活躍的海底通量機(jī)制?？紫端牡厍蚧瘜W(xué)分析和模擬表明，深海沉積物通過氧化性成巖作用向上覆水體釋放金屬元素，該過程受有機(jī)質(zhì)分解驅(qū)動，孔隙水的酸堿度值降低、有機(jī)配體含量增加，促使錳氧化物釋放其吸附的金屬。

最后，研究提出“自下而上”的元素循環(huán)新框架。其模型顯示，傳統(tǒng)的可逆清掃機(jī)制實際造成海水溶解金屬的凈損失，必須依靠海底通量來維持深海金屬元素質(zhì)量平衡。釹同位素分析進(jìn)一步表明，約10%至30%的通量來自沉積物中火山硅酸鹽物質(zhì)的風(fēng)化，揭示出一種此前被忽視的全新物質(zhì)來源。

發(fā)現(xiàn)缺失的關(guān)鍵拼圖

杜江輝指出，這項研究發(fā)現(xiàn)海洋元素循環(huán)中缺失的關(guān)鍵拼圖，不僅革新學(xué)界對痕量金屬在海洋中循環(huán)方式的理解，也揭示在深海痕量金屬元素循環(huán)中海底這個長期被忽視的關(guān)鍵角色。

本次研究的太平洋深海海底。杜江輝供圖

在理論層面，提出水體顆粒吸附與沉積釋放耦合的元素循環(huán)新模型，為解釋銅、鎳等海洋痕量金屬的分布提供了統(tǒng)一框架。

在資源層面，闡明深海稀土富集機(jī)制，指出水體過程而非沉積后改造是控制海底金屬礦藏形成的主因。

在地球系統(tǒng)科學(xué)層面，突出洋中脊熱液來源錳氧化物在海洋元素循環(huán)中的核心角色，并揭示海底硅酸鹽風(fēng)化的潛在碳匯效應(yīng)，從地球系統(tǒng)科學(xué)維度為未來研究提供新視角、指明新方向。