近日，广州海洋地质调查局教授级高级工程师邓义楠团队联合中国科学院地理科学与资源研究所研究员郭庆军团队，在冷泉碳酸盐岩与海洋元素循环研究中取得重要突破：研究发现冷泉碳酸盐岩可有效记录海洋稀土、钼、锶等金属元素的特征和循环过程。相关成果发表于《通讯-地球与环境》。

海洋金属元素特征及其循环机制是理解地球系统演化和资源效益的重要窗口。记录海洋元素循环的传统载体主要包括生物磷灰石、Fe-Mn氧化物、碳酸盐岩等，但由于沉积普遍性以及早期成岩作用等影响，传统载体在示踪金属元素循环方面仍存在一定局限性。冷泉碳酸盐岩作为甲烷渗漏活动的自生产物，其形成过程涉及多种金属元素的迁移转化，且在现代海洋中分布较广，可能是示踪海洋金属元素循环的重要载体。

前期调查研究表明，南海东北部冷泉区GMGS2-08钻孔的冷泉碳酸盐岩样品记录了三期水合物解离引起的甲烷渗漏活动，且三期甲烷渗漏事件的强度存在一定的差异，第一期和第三期甲烷渗漏强度较弱，第二期渗漏强度明显增强（该阶段冷泉碳酸盐岩中碳酸盐矿物以文石为主）。

该研究在国家自然科学基金项目、广东省基础与应用基础研究重大项目等联合资助下，选取GMGS2-08钻孔冷泉碳酸盐岩作为研究对象，针对上述样品本研究系统开展了钙-钼-锶-钕同位素分析，主要取得了以下三点重要认识：

一是，建立了硫化强度与Mo同位素分馏的关系。研究发现，当溶解的硫化氢含量达到一定溶度，MoO₄^2-可完全转化为MoS₄^2-，形成的碳酸盐岩δ⁹⁸Mo值（平均2.3‰）与现代海水（2.3‰±0.1‰）一致，反映无分馏的海水Mo定量清除。第二期甲烷渗漏形成的碳酸盐岩（文石含量>60%的），其δ⁹⁸Mo值与Mo含量、文石含量呈显著正相关，且不受Fe-Mn氧化物影响，证实了高甲烷通量驱动的极端硫化环境可使碳酸盐沉积物近乎定量记录海水Mo同位素组成。换言之，文石主导的冷泉碳酸盐岩的高δ⁹⁸Mo值（~2.3‰）反映了强烈的甲烷渗漏和持续的硫化条件，为重建地质历史时期海洋硫化事件和古海洋钼循环提供了新指标。

二是，揭示了冷泉碳酸盐岩中Sr-Nd同位素组成与甲烷渗漏强度的关系。研究发现，高甲烷渗漏强度下快速沉淀的文石能同时保存海水的Sr-Nd同位素原始信号，其⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值（0.70918~0.70921）与现代海水（0.709175）一致，且εNd值（-4.1）与南海深层水（-3.5~-4.5）和太平洋深层水（-3.9~-4.4）吻合。研究认为，这主要归因于文石在沉积物-海水界面处的快速沉淀有效屏蔽了孔隙水的成岩改造。而低渗漏强度条件下形成的镁方解石和白云石则记录了海水与孔隙水的混合信号。这一发现为利用冷泉碳酸盐岩重建古海水化学组成提供了新的理论依据。

三是，发现冷泉碳酸盐岩的碳酸盐矿物类型和沉淀速率控制Ca同位素分馏。先前研究认为，由于动力学分馏效应主导了非平衡条件下的同位素分馏，碳酸盐晶体的快速生长过程中会优先结合⁴⁰Ca，从而导致碳酸盐δ⁴⁴/⁴⁰Ca值降低。因此，样品中高甲烷通量条件下的快速沉淀形成的文石的δ⁴⁴/⁴⁰Ca值显著偏负，在低甲烷通量时沉淀速率较慢的情况下形成的镁方解石的同位素分馏程度较小。

该研究还发现Ca同位素与元素含量比值存在显著相关性（Mg/Ca正相关，Sr/Ca负相关），说明其可作为甲烷渗漏强度的有效指标。尽管冷泉碳酸盐Ca同位素难以直接重建古海水的Ca同位素组成，但在示踪地质历史时期甲烷渗漏强度和碳酸盐沉淀动力学方面有望成为新工具，而且能为理解海洋钙循环的动力学过程提供了新视角。

论文第一作者兼通讯作者邓义楠表示，该研究将冷泉碳酸盐岩纳入海洋元素循环研究的框架，认为冷泉碳酸盐岩是记录海洋金属元素循环的重要载体，特别是在稀土、钼、锶等元素的生物地球化学循环和富集机制研究中发挥关键作用。同时研究也验证了多同位素作为反映金属元素循环关键过程的有效性，为后续的资源效应研究提供了重要理论支撑。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s43247-025-02388-w