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汪东升,Oct. 25, 2026
本次组会汇报以Cd稳定同位素为主线，梳理了Cd在海洋中的来源、迁移、储存与输出过程，并重点介绍了蚀变洋壳Cd同位素研究如何把海洋Cd循环从“海洋—生物”进一步延伸到“海洋—岩石圈”。研究认为，Cd同位素不应仅被看作古生产力替代指标，而应被理解为一个能够追踪Cd在不同反应性储库之间重新分配的过程示踪剂；真实海洋Cd循环需要“多储库+多路径”框架，低温海水蚀变洋壳可能是此前未被充分约束的Cd交换储库。
1. Cd的海洋生物循环与同位素基础
Cd在海洋中具有典型的营养盐型分布：其浓度与PO4呈正相关，表层浓度低、深层浓度高，垂向结构受生物吸收和颗粒再矿化共同控制。经典研究显示，海水Cd浓度与Cd同位素组成存在反向关系：Cd富集的深层海水相对偏轻，Cd贫化的表层海水相对偏重。
最初的一阶模型用类似Rayleigh反应器的框架描述“来源—表层海洋—颗粒—深海”的过程：生物吸收优先移除轻Cd，颗粒下沉再矿化将Cd返回深海。该模型能够解释第一阶的海洋Cd元素—同位素结构，也是Cd同位素被用于示踪潜在古生产力的基础。
图1 全球生物地球化学循环
2. 从单一Rayleigh模型到多储库过程示踪
然而，单一分馏因子和简单Rayleigh模型无法完整解释真实海洋Cd同位素数据：不同洋盆的Cd元素—同位素关系存在差异；季节性生物泉可导致同位素波动；溶解态与颗粒态Cd同位素组成也不同。值得注意的是，颗粒态Cd可记录远轻于溶解态的Cd同位素信号，其δ114/110Cd可低至约−0.5‰，且不能由溶解态剖面简单推导。这表明Cd循环需要从“一个过程控制”转向“多个Cd储库+多条转移路径”。
图2 溶解态与颗粒态Cd同位素模型对比
在具体去除路径上，汇报重点讨论了两类过程：一是生物吸收，浮游植物优先结合轻Cd；二是硫化物固定，低氧/还原条件下CdS沉淀优先结合轻Cd，分馏幅度受盐度和Cd水相形态控制。此外，方解石等碳酸盐可优先结合轻Cd，Fe-Mn氧化物/结壳虽赋存Cd但分馏较弱，颗粒有机质库的响应则具有变化性。因此，δ114/110Cd不仅记录源区信号，更记录Cd的转移过程和宿主相行为。
图3 CdS沉淀实验的Cd同位素分馏
3. 从沉积物汇到海洋—岩石圈界面
汇报强调，Cd随颗粒到达沉积物后并不会停止变化。沉积物内部的有机质降解、孔隙水扩散、氧化还原界面、Fe-Mn氧化物还原释放/再固定以及硫化物沉淀，均可重新分配Cd并改造其同位素信号。近年黑海等工作显示，硫化物化学跃层以下的Cd同位素演化可与CdS分馏实验一致，说明沉积物能够保存经过改造的Cd同位素信号。
图4 沉积物氧化还原界面Cd反应器示意图
4. 总结展望
Cd同位素是一个能够追踪Cd在不同反应性储库之间重新分配的过程示踪剂；生物颗粒、再矿化过程和硫化物均可产生不同Cd同位素信号，不同储库的存在造成真实海洋Cd循环对单一Rayleigh模型的偏离。因此，下一个自然问题就是：这种储库依赖性Cd同位素行为是否也存在于海水—洋壳体系？这是从海洋Cd同位素文献走向蚀变洋壳Cd的逻辑出口。
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