近日，中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室张劲教授团队在国际顶尖学术期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》发表了题为“Dissolved rare earth elements in the North Pacific Subtropical Gyre: Lithogenic sources and water mass mixing control”的研究成果。该研究首次获取了中国GEOTRACES计划（痕量元素及其同位素的海洋生物地球化学研究）在中低纬度西北太平洋的高精度稀土元素（REEs）数据。重点揭示了西北太平洋副热带流涡区（North Pacific Subtropical Gyre，NPSG）REEs的来源和影响因素，并创新性地提出重稀土元素可以作为定量解析西北太平洋海盆尺度水团混合的新型示踪工具。
NPSG作为世界上最大的寡营养盐海域之一，对其中痕量元素的来源和传输过程的认识是揭示寡营养盐海域生物泵过程和机制的关键。REEs，作为一种重要的示踪剂，能够指示物质来源和水团的传输路径。为了解决这一问题，研究团队搭乘厦门大学的“嘉庚”号科考船，在GEOTRACES-CHINA（GP09）航次期间，对NPSG海水中的REEs进行了高分辨率采样和分析。研究发现，高浓度的REEs、铕（Eu）的正异常及较弱的铈（Ce）负异常，这些特征揭示了菲律宾岛和夏威夷岛对11°N断面表层水及中层水存在岩性物质的输入（图1）。在吕宋海峡的深层水中，观察到低透射率信号与较弱的Ce负异常（图1）、以及较低的重轻稀土比值（镱/钕，Yb/Nd），指示了颗粒物的再悬浮和溶解释放。
图1表层水采样站位及表层流场；(a) Nd (pmol/kg)的分布，(b) Yb (pmol/kg)的分布，(c) Eu异常（Eu/Eu*）的分布。(d) Ce异常（Ce/Ce*）垂直剖面（站位K1位于吕宋海峡，站位K12、K13和K14靠近菲律宾岛）。
在中层水中，REEs的浓度和Yb/Nd比值能够有效区分北太平洋中层水（NPIW）、南极中层水（AAIW）和赤道地区的变性AAIW（图2）。对水团混合比例的估算表明，重稀土元素主要受水团混合的控制。这一发现首次证实了重稀土元素在NPSG中层水（10-20°N）的近似保守行为，验证了它们作为水团混合示踪剂的可靠性。此外，通过REEs浓度观测与水团解析相结合，研究团队发现，在深层水中（>2000 m），溶解态的REEs（铈除外）主要受水团混合的控制。其中，重稀土元素的非保守部分（以Yb为例，<20%）主要由下沉颗粒物的释放所致，而轻稀土元素的非保守部分（以Nd为例，<30%）可能归因于颗粒释放和清除过程的共同作用。该文章为NPSG痕量物质的来源和生物地球化学循环提供了重要参考，并指出了重稀土元素在定量解析海盆尺度水团混合方面的重要应用价值。
图2 27.2 kg/m3等密度面的 (a) 盐度、(b) 位温(℃)、(C) Nd (pmol/kg)、(d) Yb (pmol/kg)、(e) Yb/Nd比值的分布。(f) 数据站位图以及NPIW形成区、AAIW形成区、AAIW变性区、NPIW和AAIW混合区四个子区域。数据来源于本研究、Zhang and Nozaki (1996)、Jeandel et al. (2013)、Grenier et al. (2013)、Fröllje et al. (2016)、Molina-Kescher et al. (2014; 2018)、Behrens et al. (2018b)、Haley et al. (2021)和Cao et al. (2023)。
博士后曹阿翔和刘茜副教授为论文共同第一作者，张劲教授为通讯作者，合作者还包括美国南密西西比大学Alan M. Shiller教授、厦门大学蔡毅华教授、上海交通大学张瑞峰研究员、美国南密西西比大学Melissa Gilbert高级助理研究员、厦门大学郭香会教授和刘志宇教授。研究工作得到国家自然科学基金重大项目（41890801）、国家重点研发项目（2023YFF0805001）、日本学术振兴会（JP20H04319，JP22H05206）和美国自然科学基金（OCE1925503）等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2024.02.018
Citation:Cao A., Liu Q., Zhang J., Shiller A. M., Cai Y., Zhang R., Gilbert M., Guo X. and Liu Z. (2024) Dissolved rare earth elements in the North Pacific Subtropical Gyre: Lithogenic sources and water mass mixing control. Geochimica et Cosmochimica Acta 372, 42–61.
