钡及其同位素，揭秘古海洋演化的 “地质密码”

在地球科学领域，古海洋环境重建是探索地球系统演化的核心议题，而古生产力作为反映海洋生态系统变迁的关键指标，一直是科研人员关注的重点。近日，长江大学贾凡琛、朱光有等学者在《地球科学进展》2025年第6期发表题为《钡及其同位素地球化学循环与分馏机制进展》的研究论文，系统梳理了钡及其同位素在海洋中的地球化学行为，为古海洋环境研究提供了全新视角。今天，我们就带大家深入解读这项研究，看钡元素如何成为打开古海洋“时光宝盒”的钥匙。

 

 

重建古海洋环境，离不开能长期保存地质信息的“指标载体”。过去，科研人员常用的传统地球化学指标，因保存率低、易受后期环境改造，很难满足高精度重建的需求。比如部分元素在沉积过程中会被微生物分解，或随水流迁移，导致地质记录“失真”。

而钡（Ba）及其同位素的出现，打破了这一困境。论文指出，钡及其同位素在海洋沉积物中保存率高，且同位素分馏稳定，这两大特性让它们成为古生产力重建的理想示踪剂。自20世纪90年代起，钡同位素研究历经基础探索、模型完善，如今已进入与古环境深度结合的应用阶段，为破解古海洋演化难题提供了新路径。不过，当前研究仍面临两大瓶颈：微观分馏机制整合不足、多源输入与同位素分馏协同作用的理论框架尚未完善，这也成为本次研究的核心攻关方向。

 

 

要理解钡在古海洋研究中的作用，首先得摸清它在地球圈层中的“行踪”。论文通过整合数据发现，钡在地球圈层中的含量与同位素分布呈现显著分异特征：

从含量来看，钡在地核、地幔、地壳中的分布呈递增趋势——地核中钡含量极低（约0 pg/g），地幔平均约6.9μg/g，地壳平均则达470 μg/g，上地壳更是高达628 μg/g。而在水圈中，海洋是钡的主要 “聚集地”，海水、沉积物、洋中脊热液中的钡浓度各不相同，受地质、岩性与环境影响显著。

从同位素分布来看，钡表现出 “源轻汇重” 的特点。以陆壳为基线，岩石圈中的地幔、上陆壳等钡同位素值较低，洋中脊玄武岩同位素组成与地幔接近；而水圈中，海洋的δ¹³⁸/¹³⁴Ba 值高于河流与地下水，全球海洋沉积物的钡同位素值也可能高于远洋沉积物。

在海洋内部，钡的分布同样有规律可循。海洋中的钡分为溶解态钡（DBa）和颗粒态钡（PBa）：垂向上，溶解态钡浓度从表层到深层递增，与类营养盐分布相似，且和溶解态钡同位素呈保守镜像负相关；以南海为例，颗粒态钡在 100-600m 弱光层含量最高，随深度增加逐渐减少，其同位素组成比溶解态钡更“轻”。横向上，海洋环流调控着钡的分布，比如北大西洋暖流携带富含钡的海水北流，使北欧海域成为钡汇聚区，影响重晶石沉淀溶解平衡，寒流区则呈现相反特征。

 

 

 

海洋中的钡从何而来？论文通过定量分析，明确了海洋钡的三大主要来源，且三者协同驱动海洋钡循环：

 

 

陆源输入是海洋非生物钡的重要来源，其中河流是主要输送途径，占全球海洋钡通量的56.65%±35.45%。不过，不同区域河流的钡输送能力差异显著——三江源、祁连山等生态脆弱区域，以及黄河等受人类活动影响的流域，钡通量会因岩石类型、风化程度、降水条件不同而波动。

值得关注的是，在河口区域，还存在 “超额钡” 现象。论文提出，通过盐度-钡浓度线性外推法计算，河口超额钡通量约为4.5 Gmol/a，占全球河流供应通量的37%，对海洋物质收支影响重大。但河口生态复杂，生物活动、盐度变化、海平面升降等因素会导致超额钡通量不稳定，给海洋钡收支长期预测带来挑战。

海底热液活动是海洋钡的另一重要非生物来源，占全球海洋钡通量的7.5%±5.5%。热液由洋壳岩石与海洋沉积物在高温高压下发生水-岩作用形成，过程中源岩中的钡会释放到热液中，使热液钡浓度远高于海水。

论文数据显示，热液中钡的同位素值范围为-0.26‰~+0.91‰，且热液口附近常出现钡浓度与同位素异常。比如大西洋中脊热液系统的δ¹³⁸Ba值为+0.08±0.03‰，与海水背景值（+0.08±0.03‰）差异明显。不过，因重晶石沉淀，热液钡的有效通量远低于初始排放量，不同研究对热液钡通量的估算值[1.00~1.39nmol/(cm²・a)、0.66~1.88nmol/(cm²・a)]存在差异，这与研究区域、方法及时间有关。

除了非生物来源，海洋生物也会参与钡的“补给”，占全球海洋钡通量的 30%±10%。论文指出，硅藻、颗石藻等浮游植物通过代谢活动从海水中吸收钡离子，用于生长发育，其吸收量与海洋生产力密切相关——生产力越高的区域，浮游植物吸收的钡越多。

例如，南海北部浮游生物吸收的钡约占当地海洋总输入通量的30%；赤道太平洋部分高生产力区域，浮游植物对钡的吸收量更高；而大西洋Nares Abyssal Plain（NAP）站点因生产力较低，生物钡通量相对较少。这种区域差异，也影响着钡在海洋中的初始分布格局。

 

 

 

钡进入海洋后，最终会“落脚”在哪里？论文将海洋钡汇分为重晶石钡汇和非重晶石钡汇，二者成因与特征各异，共同构成海洋钡循环的“末端环节”。

重晶石钡汇是海洋钡的主要“归宿”，分为沉积型和成岩型两类：

沉积型重晶石：又细分为生物沉积和化学沉积。生物沉积型与生物活动密切相关，主要分布在水深≤200m 的大陆边缘与大陆架区域，微生物（如异足虫、蓝藻）体内可发生 Ba²⁺与 SO₄²⁻反应形成微晶重晶石，浮游生物代谢或细胞破裂也会促进重晶石形成；化学沉积型则是Ba²⁺与SO₄²⁻在过饱和条件下直接沉淀而成，不依赖热液或成岩过程，主要发育于开放水体、硫酸盐还原区等环境。

成岩型重晶石：根据成矿流体来源分为I、II、III 型。I型形成于大陆斜坡区（水深通常<1000 m），由生物重晶石溶解后形成的富钡流体，在硫酸盐—甲烷转换带顶部沉淀而成；II型分布在半深海（水深 1000~1200m）的冷泉系统，富Ba²⁺、CH₄的流体与海水硫酸盐反应生成；III 型则形成于大洋中脊（水深 1500~2500m）等地质活跃带，热液与海水混合导致Ba²⁺与SO₄²⁻快速沉淀，常与硫化物、石英等热液矿物共生。

 

 

非重晶石钡汇主要包括硅铝含钡颗粒、铁锰含钡颗粒与非重晶石生物钡汇。硅铝含钡颗粒广泛存在于海洋悬浮物质中，在不同水层贡献各异；铁锰含钡颗粒由铁锰氧化物与Ba²⁺吸附或共沉淀形成，其同位素分馏受外部环境影响显著。而在非重晶石生物钡汇中，浮游生物、微生物、底栖生物通过积累、代谢等方式参与钡循环，比如珊瑚在构建碳酸盐岩时，会将Ba²⁺随碳酸钙沉淀固定，其Ba/Ca值及同位素分馏还能记录海水钡同位素信号。

 

 

 

钡同位素之所以能成为古环境示踪剂，关键在于其分馏机制的规律性。论文指出，在矿物-流体-熔体分馏体系中，平衡分馏与动力学分馏的交互作用，是钡同位素分馏的核心驱动力。

平衡分馏：基于量子力学与密度泛函理论，化学平衡时，钡同位素因质量差异在不同物质中分配，受矿物结构、化学键特性影响。比如在矿物-矿物体系中，含钡硅酸盐矿物对重钡同位素的富集能力呈“金云母（Mg²⁺取代）>透闪石 >绿帘石>钠长石”的序列；在重晶石—流体体系中，吸附平衡时重钡同位素会富集在重晶石中。

动力学分馏：发生在同位素非平衡条件下，受扩散、沉淀溶解、离子交换等过程影响。例如在矿物-流体体系中，重晶石沉淀时会富集重同位素，溶解释放轻同位素；毒重石沉淀速率也会影响分馏效果，较低沉淀速率更利于分馏发生。

论文还提到，海洋钡同位素分馏存在空间异质性，这是多因素协同作用的结果——温度、压力、物质输入强度、生物活动等都会影响分馏特征。而这种空间异质性，恰好为追踪古海洋环境的区域演变提供了关键依据。

 

 

这项研究不仅梳理了当前钡及其同位素研究的进展，也为未来研究指明了方向。论文建议，后续需从三个方面发力：

技术层面：结合原位微区技术，深入研究生物-矿物-流体的交互机制，破解微观分馏难题。

方法层面：优化钡通量计算方法，统一标准，降低空间异质性对研究结果的影响，实现海洋钡循环的精准量化。

应用层面：整合多源数据构建高分辨率古海洋演化模型，利用钡同位素分馏识别古海洋环境变化事件，优化古生产力重建方法。

值得关注的是，随着油气勘探向万米深层领域推进，古老烃源岩发育的海洋环境与生产力重建、深层白云岩优质储层形成机理等研究，都需要高精度的分析测试技术支撑，而钡同位素作为新型地质示踪指标，未来有望在这些领域发挥重要作用。