广州海洋局深海稀土元素循环和富集研究取得显著进展

　　近日，国际著名地学期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》（地球化学与宇宙化学学报，Nature Index期刊，中科院一区TOP）以“Cerium isotopic compositions of deep-sea sediments: implications for geochemical behavior of rare earth elements in the pelagic seafloor”（深海沉积物的铈同位素组成：对远洋海底稀土元素地球化学行为的启示）为题，在线发表了广州海洋局邓义楠团队在海洋稀土元素循环和富集研究领域取得的重要进展。本研究首次从铈同位素视角，清晰揭示了热液影响区与非热液区深海稀土迁移及富集机制的差异，该发现对深化理解深海稀土成矿规律具有重要指示意义。

　　稀土是支撑现代科技和绿色能源发展的关键金属，深海远洋沉积物是海洋中重要的潜在稀土资源储库，对理解全球稀土元素生物地球化学循环至关重要。其中，铈因其独特的氧化还原敏感性，其异常和同位素组成被广泛用于古海洋环境重建。然而，热液区与非热液区深海沉积物中稀土元素的来源、迁移和富集机制，以及控制其铈同位素分馏的关键过程尚不明确，制约了相关稀土资源勘探和地球化学指标的应用。

　　在本研究中，邓义楠团队及其合作者对来自东南太平洋（热液活动区）和西太平洋（非热液区）的深海沉积柱进行了系统的铈同位素分析（图1），主要取得了以下三点重要认识：

图1. 深海沉积物元素含量及铈同位素组成纵向变化图

　　研究发现，该区域沉积物的铈同位素组成（δ¹⁴²/¹⁴⁰Ce）与磷、稀土含量呈明显正相关，并与Ce/Ce*比值呈负相关。这一特征清晰地指示了生物成因磷灰石等磷酸盐矿物是富集稀土的主要载体。在沉积速率缓慢的非热液区，磷灰石在沉积-水界面长时间暴露，能高效、持续地吸附底层海水或孔隙水中的溶解态稀土，直接导致稀土的超常富集（图2）。非热液区稀土富集层段通常与高磷含量、显著的负铈异常以及偏重的铈同位素特征密切关联。

　　在受热液活动显著影响的区域，研究发现沉积物表现出均一且偏重的铈同位素组成。热液携带的铁和锰离子，在开阔氧化的深海环境会形成大量的铁锰氧化物颗粒，可对底层海水中溶解稀土进行近乎定量的高效清除（图2）。尽管热液流体本身并非直接的稀土来源，但这些颗粒通过快速的共沉淀与吸附作用，将稀土从海水中提取出来并输送至海底，实现了稀土的初始预富集。该机制形成的沉积物继承了海水的稀土配分模式（负铈异常）和均一的铈同位素信号。

图2. 非热液区与热液影响区深海稀土元素迁移-循环-富集概念模型图

　　研究发现，非热液沉积物的全岩铈异常和δ¹⁴²/¹⁴⁰Ce值主要受控于磷酸盐含量和陆源碎屑的混合作用，而非直接的氧化还原信号。在热液影响显著的地区，氧化性金属沉积物可能记录了当地海水的铈同位素特征。因此，利用铈异常和δ¹⁴²/¹⁴⁰Ce值进行古海洋氧化还原重建时，应基于自生矿物相（如磷酸盐、铁锰氧化物）的分析，而非全岩数据，以提高解释的可靠性。

　　综上所述，本研究首次从铈同位素视角上深化了对深海稀土循环和富集认识，清晰揭示了磷酸盐与热液铁锰氧化物在驱动非热液和热液区中稀土富集过程中扮演的关键角色。这一认识不仅深化了对海洋稀土元素地球化学行为的理解，也为准确利用铈同位素指标反演古海洋环境提供了新的理论依据和重要约束，更为未来圈定深海稀土资源远景区、优化勘探策略提供了关键的科学依据和应用前景。

　　论文第一作者为广州海洋局张岗岚博士和中国科学院广州地化所白江昊博士，通讯作者为广州海洋局邓义楠教授级高级工程师。该项研究由中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金共享航次计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究项目、广州海洋地质调查局局长基金等联合资助。

　　文章信息：Zhang, G.#, Bai, J.#, Zhao, M., Wang, P., Zhu, Y., Cao, J., Wu, H., Xu, R., He, G., Wei, G., and Deng, Y.*, 2025, Cerium isotopic compositions of deep-sea sediments: implications for geochemical behavior of rare earth elements in the pelagic seafloor: Geochimica et Cosmochimica Acta, https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.11.015.