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张兴超,July 6, 2024
认识海水的组成特征及其演化历史，对于了解宜居地球的形成和演化过程具有重要意义。铷（Rb）等碱金属元素主要赋存于硅酸盐矿物中，在低温水岩反应过程中具有较强的流体活动性；其在海水中的含量较高（1.4 μmol/kg），居留时间较长（1.1-3.0Ma），因而海水的Rb含量和同位素组成变化能够反映长时间尺度硅酸盐-流体相互作用对海水组成的影响。
目前对现代大洋及其主要源（河流和高温热液系统）和汇（沉积物和蚀变洋壳）的Rb同位素组成认识较少。唯一报道的IAPSO海水标样的δ87Rb（0.14 ± 0.12‰; Zhang et al., 2023）相对岩石圈（UCC: -0.14 ± 0.01‰; Hu et al., 2022）明显偏高。由于化学风化过程中重Rb同位素优先被滞留在土壤剖面中，因此河流输入难以解释海水中较高的δ87Rb（Zhang et al., 2021）。大洋沉积物以及热液系统可能是形成海水中较重Rb同位素信号的关键。
为了明确海水的Rb同位素组成，并探讨重要源–汇过程中的Rb同位素分馏机理，中国科学技术大学黄方教授课题组和国内外合作者联合开展研究，系统测量了来自太平洋地区的海水、深海沉积物和孔隙水样品的Rb同位素组成。其中，海水样品采自西太平洋多个不同站位，与来自北大西洋的海水标样（IAPSO, Nass-7, Cass-6）结合可验证全球海水δ87Rb的均一性。沉积物类型包括远洋粘土和沸石粘土沉积，为认识不同自生硅酸盐矿物（粘土和钙十字沸石）的影响提供较好研究对象。孔隙水样品分别采自远洋红粘土区和富碳酸盐区，为认识不同沉积背景下的早期成岩过程提供帮助。
图1 研究样品的位置分布
测量结果显示，现代海水具有均匀的Rb同位素组成（δ87Rb = 0.13 ± 0.04‰; 2SD, n = 13），δ87Rb相对岩石圈偏高约0.27‰。淋滤实验显示，Rb在沉积物中主要赋存于硅酸盐相（>90%）。自生硅酸盐（粘土和钙十字沸石）的形成使得沉积物具有相对上陆壳偏高的δ87Rb（-0.17‰至0.03‰）。然而沉积物和自生硅酸盐矿物的δ87Rb仍然低于海水，说明沉积物形成优先从海水中移除轻Rb同位素（图2a）。此外，Rb少量赋存于可交换态（~4%）中，并具有均一且相对海水偏低的δ87Rb（-0.07 ± 0.05‰; 2SD, n = 6），反映沉积物的吸附过程也优先富集轻Rb同位素。
图2 海水和沉积物的Rb同位素组成
结合Rb同位素质量平衡模型，在稳态条件下（输入通量和同位素组成等于输出），可估算沉积物对Rb的移除通量约为2.2-12.0 ×107 kg/year，约占大洋Rb输出通量的40-85%，说明沉积物的形成对海水较高δ87Rb信号的产生有重要贡献。
综合来看，Rb在大陆风化过程中的同位素分馏方向（重同位素优先滞留）与Li和K（轻同位素优先滞留）相反，而在大洋过程中则整体一致（优先移除轻同位素）（e.g., Penniston-Dorland et al., 2017; Wang et al., 2021）。因此，Rb同位素体系的加入将有助于进一步制约大陆风化与大洋过程对海水组成的相对影响。
图3 大洋Rb循环示意图
该研究成果以“The Rb isotope composition of modern seawater and outputs to deep-sea sediments”为题，于2024年6月发表在国际著名期刊《Earth and Planetary Science Letters》上。该论文第一作者为自然资源部第一海洋研究所博士后张兴超（中国科大博士毕业生），通讯作者为中国科学技术大学黄方教授。合作者包括唐立梅副研究员（海洋二所）、杜江辉研究员（北京大学）、Brian A. Haley教授（Oregon State University）、James McManus教授（Bigelow Laboratory for Ocean Sciences）和胡霞特任副研究员（中国科大）。该研究得到国家自然科学基金（Grant No. 42330101）等项目资助。
文献信息：
Xingchao Zhang, Limei Tang, Jianghui Du, Brian A. Haley, James McManus, Xia Hu, Fang Huang, 2024, The Rb isotope composition of modern seawater and outputs to deep-sea sediments, Earth and Planetary Science Letters 642, 118858.
全文链接：
https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118858