2020年8月17日，地學領域權威期刊《地球化學與宇宙化學學報》（Geochimica et Cosmochimica Acta）在線發表了我院曹知勉博士題為 Constraining barium isotope fractionation in the upper water column of the South China Sea 的研究成果。該研究定量解析海洋真光層水體中鋇穩定同位素的分餾效應與控制機制，為驗證鋇同位素能否作為海洋生物地球化學新指標提供進一步的研究思路。
鋇是海洋中的“類營養鹽”元素，溶解鋇分布與硅酸鹽類似，表層濃度低、深層濃度高；而顆粒鋇濃度在弱光層水體中呈現極大值，推測主要與沉降有機顆粒物降解過程中產生的過飽和微環境利于重晶石（barite，BaSO4）的沉淀有關。因此，鋇是現代海洋學和古海洋學中示蹤水團混合、營養鹽循環和生物生產力的重要指標。近年來，日趨完善的質譜分析技術已實現鋇穩定同位素比值的精確測量，鋇同位素成為探究鋇元素海洋生物地球化學循環及其指標作用的有效新手段，而厘清溶解鋇-顆粒鋇轉換過程中的同位素分餾效應與機制是發展、應用這一潛在新指標的先決條件。
該研究以南海北部外陸架至陸坡為研究區域，首次對應分析真光層內相同水層的溶解鋇和懸浮顆粒鋇同位素組成（δ138BaDBa和δ138BaPBa）。發現150 m以淺水體中的δ138BaDBa和δ138BaPBa均在誤差范圍內保持不變，而后者系統輕于前者~0.5‰（圖1）。因此，鋇同位素在海洋真光層內發生顯著分餾，較輕同位素優先從溶解態富集于顆粒態。應用瑞利和穩態分餾模型計算該過程的鋇同位素分餾系數分別為?0.4±0.1‰和?0.5±0.1‰，與上述差值吻合，且與大洋淺層水體和湖泊中的實測鋇同位素分餾系數一致。
圖1 南海北部外陸架至陸坡150 m以淺水體中溶解鋇、顆粒鋇濃度及兩者鋇同位素組成的垂直分布
進一步比較鋇元素與生源要素，發現南海北部外陸架至陸坡150 m以淺水體中的顆粒鋇濃度與葉綠素（Chl-a）濃度不相關，而其他生源顆粒，包括顆粒鈣（PCa）、顆粒有機碳（POC）、顆粒有機氮（PON）和生源硅（BSi）均與葉綠素呈現一定的正相關關系（圖2），指示了海洋淺層水體中顆粒鋇的形成過程與生源顆粒不同（后者主要通過浮游植物的光合、鈣化、硅化等生物作用）。據此，推斷真光層內鋇同位素分餾的主要控制機制是顆粒物被動吸附、而非浮游植物主動吸收。
圖2 南海北部外陸架至陸坡150 m以淺水體中不同顆粒物濃度與葉綠素濃度的關系
該研究最后指出，海洋真光層內的顆粒鋇同位素信號與初級生產力之間并無明顯的關聯性。為了證實鋇同位素能否作為海洋古生產力的可靠指標，需要由表至底地對全水柱（真光層、弱光層、無光層）和沉積物中的顆粒鋇，包括鋇的不同載帶相，尤其是重晶石的鋇同位素組成進行深入的分析和比較。
該工作得到基金委重大研究計劃培育項目（91858107）和青年基金項目（41606089），以及科技部重大科學研究計劃（2015CB954003）的資助。我室曹知勉副教授為第一兼通訊作者，2017級、2016級碩士研究生李雅婷、饒欣婷分別為第二、第三作者，德國亥姆霍茲基爾海洋研究中心（GEOMAR）Yang Yu博士生、Ed Hathorne博士、Chris Siebert博士、Martin Frank教授以及我室戴民漢教授為共同作者。
論文來源：
Cao, Z., Li, Y., Rao, X., Yu, Y., Hathorne, E.C., Siebert, C., Dai, M., Frank, M., Constraining barium isotope fractionation in the upper water column of the South China Sea, Geochimica et Cosmochimica Acta (2020), doi: https://doi.org/10.1016/j.gca.2020.08.008
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703720305019
