2021年9月30日，《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）在线发表了我研究组曹知勉教授题为“Stable barium isotope dynamics during estuarine mixing”的研究成果，展示了大河河口溶解钡稳定同位素组成的分布与变化，解析其分馏效应与控制机制，为应用钡同位素重建古海洋表层盐度提供了现代过程的校验。
钡元素是现代海洋学和古海洋学中示踪河流输入、表层盐度和海陆相互作用的重要指标，反映了气候变化对季风和降雨的影响。河口连接陆地与海洋，其间发生的地球化学过程潜在改变河流向海洋输送的钡。近年来，钡稳定同位素质谱分析技术日趋完善，为探究河口混合过程中钡元素的行为及其指标作用提供了新手段。
该研究以世界两大河口—长江口和珠江口为目标区域，细致描绘了表层水体溶解钡同位素组成随盐度变化的分布特征（图1），结果表明当盐度为0时，溶解钡同位素比值偏高，其受控于上游输入的悬浮颗粒物优先吸附水体中较轻的钡同位素；当盐度略微增加至3-5时，溶解钡同位素比值迅速降低至极小值，这缘于镁、钙等盐分离子置换颗粒物上轻的钡同位素将其释放至水体中；当盐度逐渐增加至31-34时，溶解钡同位素组成与盐度呈现高度保守关系，反映了极小值处水团与海水两端元混合的主控作用。因此，河口溶解钡同位素分布体现两大特征：一是低盐度处由颗粒吸附-解吸附引起的分馏效应，显著改变了河水端元的原始钡属性，从而影响海洋钡元素的质量平衡；二是其后趋近海水端元由物理混合控制的保守行为，验证了钡稳定同位素是示踪海表古盐度的潜力指标。
图1 长江口和珠江口表层水体溶解钡浓度与同位素组成随盐度变化的分布
为进一步解析颗粒吸附-解吸附过程中钡同位素的变化，该研究利用离子交换模型模拟了两大河口表层水体溶解钡浓度与同位素组成的分布（图2）。模型结果清晰呈现了低盐度处溶解钡浓度极大值和同位素比值极小值信号，估算出颗粒吸附导致的钡同位素分馏系数为-0.3‰至-0.5‰，这与河水端元颗粒态与溶解态钡同位素组成的实测差值相吻合。同时，一些实测值会偏离模型值，如两大河口盐度15-25的溶解钡浓度或同位素组成数据，推测其原因是中、高盐度处两者的分布主要受控于两端元保守混合，而颗粒解吸附的影响已并非主控因素。
图2 离子交换模型模拟长江口和珠江口表层水体溶解钡浓度与同位素组成
该研究指出，从定量角度看，河口溶解钡同位素组成在极小值之后相对于盐度的保守性会在不同河口或同一河口的不同季节发生变化，两者间不能达成全球统一的校验关系，但可为分析短时间尺度和局部区域的天气、气候过程提供依据。此外，真正建立和应用钡同位素指标以重建海表古盐度，仍需进一步探究河口近岸水体和沉积物中钙化生物，如浮游有孔虫和珊瑚记录的钡同位素信号。
该论文合作者来自厦门大学、德国亥姆霍兹基尔海洋研究中心、德国亥姆霍兹极地与海洋研究中心、同济大学、中国科学院广州地球化学研究所、上海交通大学和华东师范大学。该研究得到国家自然科学基金优秀青年基金项目（42022044）和重大研究计划培育项目（91858107）的资助。
论文来源：Cao, Z., X. Rao, Y. Yu, C. Siebert, E.C. Hathorne, B. Liu, G. Wang, E. Lian, Z. Wang, R. Zhang, L. Gao, G. Wei, S. Yang, M. Dai, and M. Frank, 2021. Stable Barium Isotope Dynamics During Estuarine Mixing. Geophysical Research Letters, 48(19), doi: org/10.1029/2021GL095680.
论文链接：
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL095680
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