2020年8月17日，地学领域权威期刊《地球化学与宇宙化学学报》（Geochimica et Cosmochimica Acta）在线发表了我实验室曹知勉博士题为 Constraining barium isotope fractionation in the upper water column of the South China Sea 的研究成果。该研究定量解析海洋真光层水体中钡稳定同位素的分馏效应与控制机制，为验证钡同位素能否作为海洋生物地球化学新指标提供进一步的研究思路。
钡是海洋中的“类营养盐”元素，溶解钡分布与硅酸盐类似，表层浓度低、深层浓度高；而颗粒钡浓度在弱光层水体中呈现极大值，推测主要与沉降有机颗粒物降解过程中产生的过饱和微环境利于重晶石（barite，BaSO4）的沉淀有关。因此，钡是现代海洋学和古海洋学中示踪水团混合、营养盐循环和生物生产力的重要指标。近年来，日趋完善的质谱分析技术已实现钡稳定同位素比值的精确测量，钡同位素成为探究钡元素海洋生物地球化学循环及其指标作用的有效新手段，而厘清溶解钡-颗粒钡转换过程中的同位素分馏效应与机制是发展、应用这一潜在新指标的先决条件。
该研究以南海北部外陆架至陆坡为研究区域，首次对应分析真光层内相同水层的溶解钡和悬浮颗粒钡同位素组成（δ138BaDBa和δ138BaPBa）。发现150 m以浅水体中的δ138BaDBa和δ138BaPBa均在误差范围内保持不变，而后者系统轻于前者~0.5‰（图1）。因此，钡同位素在海洋真光层内发生显著分馏，较轻同位素优先从溶解态富集于颗粒态。应用瑞利和稳态分馏模型计算该过程的钡同位素分馏系数分别为−0.4±0.1‰和−0.5±0.1‰，与上述差值吻合，且与大洋浅层水体和湖泊中的实测钡同位素分馏系数一致。
图1 南海北部外陆架至陆坡150 m以浅水体中溶解钡、颗粒钡浓度及两者钡同位素组成的垂直分布
进一步比较钡元素与生源要素，发现南海北部外陆架至陆坡150 m以浅水体中的颗粒钡浓度与叶绿素（Chl-a）浓度不相关，而其他生源颗粒，包括颗粒钙（PCa）、颗粒有机碳（POC）、颗粒有机氮（PON）和生源硅（BSi）均与叶绿素呈现一定的正相关关系（图2），指示了海洋浅层水体中颗粒钡的形成过程与生源颗粒不同（后者主要通过浮游植物的光合、钙化、硅化等生物作用）。据此，推断真光层内钡同位素分馏的主要控制机制是颗粒物被动吸附、而非浮游植物主动吸收。
图2 南海北部外陆架至陆坡150 m以浅水体中不同颗粒物浓度与叶绿素浓度的关系
研究最后指出，海洋真光层内的颗粒钡同位素信号与初级生产力之间并无明显的关联性。为了证实钡同位素能否作为海洋古生产力的可靠指标，需要由表至底地对全水柱（真光层、弱光层、无光层）和沉积物中的颗粒钡，包括钡的不同载带相，尤其是重晶石的钡同位素组成进行深入的分析和比较。
该工作得到基金委重大研究计划培育项目（91858107）和青年基金项目（41606089），以及科技部重大科学研究计划（2015CB954003）的资助。我室曹知勉副教授为第一兼通讯作者，2017级、2016级硕士研究生李雅婷、饶欣婷分别为第二、第三作者，德国亥姆霍兹基尔海洋研究中心（GEOMAR）Yang Yu博士生、Ed Hathorne博士、Chris Siebert博士、Martin Frank教授以及我室戴民汉教授为共同作者。
论文来源：
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
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703720305019
