上海海洋大学冯东教授团队揭示早期成岩作用对冷泉碳酸盐岩钡同位素组成的控制机制

近日，上海海洋大学海洋科学与生态环境学院冯东教授团队在国际地球化学领域知名期刊Geochimica et Cosmochimica Acta上发表题为“Barium isotope systematics of authigenic carbonates from methane seeps: implications for proxy development and early diagenetic Ba cycling”的研究论文。宫尚桂副教授为论文第一作者，冯东教授为通讯作者。该研究系统分析了现代深海冷泉碳酸盐岩的钡同位素组成，揭示了早期成岩过程对碳酸盐岩钡同位素记录的控制机制，为利用碳酸盐岩重建地质历史时期海洋钡循环和沉积环境演化提供了新的理论认识。

钡（Ba）是海洋生物地球化学循环中的重要元素，其含量与同位素组成（δ¹³⁸Ba）常用于示踪海洋初级生产力、营养盐循环和海水化学状态变化。碳酸盐岩作为地质记录中广泛保存的沉积载体，被认为具有记录海水钡同位素信息的潜力。然而，在海洋沉积物中，重晶石的溶解与再沉淀普遍存在，尤其是在低硫酸盐浓度的古海洋及硫酸盐快速消耗的沉积环境中更为显著。这一早期成岩钡循环过程，可能会改变孔隙水中钡的来源、含量和同位素组成，从而影响碳酸盐岩对原始海水信号的保存。

深海冷泉区为研究这一问题提供了天然实验室。冷泉环境中，甲烷厌氧氧化作用会快速消耗孔隙水硫酸盐，促进自生碳酸盐矿物沉淀，同时可能诱发沉积物中重晶石的溶解与再沉淀。因此，冷泉碳酸盐岩不仅是冷泉渗漏活动的重要记录载体，也是解析早期成岩作用如何控制碳酸盐岩钡同位素信号的关键对象。

针对上述科学问题，研究团队选取了南海、墨西哥湾、刚果扇和黑海等四个现代冷泉区、八个站位的冷泉碳酸盐岩样品（图1），系统分析了其矿物组成、Ba/Ca比值与碳酸盐相δ¹³⁸Ba组成。结果显示，冷泉碳酸盐岩的δ¹³⁸Ba值变化范围为−0.15‰至0.37‰，表明其记录了高度可变的局部孔隙水钡同位素信号。

图 1. 研究样品来源于南海、墨西哥湾、刚果扇和黑海等冷泉区。

研究发现，在低钡通量冷泉系统中（如南海和墨西哥湾等），不同矿物类型的碳酸盐岩呈现显著差异：文石主导的碳酸盐岩通常具有较高的δ¹³⁸Ba值，而高镁方解石主导的碳酸盐岩则具有较低的δ¹³⁸Ba值。该差异主要与自生碳酸盐的形成深度有关：文石形成于沉积物浅部，更容易受到海水来源钡的影响；高镁方解石形成于相对更深环境，更多记录了重晶石溶解释放的轻钡同位素信号。沉积物中硫酸盐还原作用促进重晶石溶解，使孔隙水钡离子浓度升高、同位素值降低，导致自生碳酸盐不仅具有相对较高的Ba/Ca比值，而且其δ¹³⁸Ba组成与Ba含量之间呈负相关关系（图2）。

图 2. 不同矿物类型冷泉碳酸盐岩的钡同位素组成及其与Ba/Ca比值的关系。

相比之下，在高钡通量环境中（如刚果扇和黑海等），冷泉碳酸盐岩表现出较高的Ba/Ca比值和更为复杂的δ¹³⁸Ba组成，且δ¹³⁸Ba值与Ba含量之间无显著相关关系。研究团队认为，这可能与硫酸盐—甲烷转换带及其上方发生的重晶石再沉淀有关。局部重晶石再沉淀会进一步改变残余孔隙水的δ¹³⁸Ba组成，形成富集重钡同位素的碳酸盐岩记录，并可能影响沉积物向海水释放的钡同位素信号。

基于上述结果，本研究提出了一个过程驱动的冷泉碳酸盐岩钡同位素体系概念模型（图3）。该模型强调，冷泉碳酸盐岩的钡同位素组成并非单一反映海水信号，而是受孔隙水钡来源、矿物沉淀位置及重晶石溶解再沉淀等过程的共同控制。该成果深化了对现代冷泉系统中钡循环及其同位素记录机制的认识，为理解古代低硫酸盐海洋、强甲烷活动时期及早期地球海洋中的钡循环提供了新的地球化学视角。未来，结合沉积物孔隙水钡同位素、重晶石钡同位素及氧硫同位素等的多指标综合研究，将有助于进一步定量约束早期成岩过程中钡的同位素分馏效应。

图 3. 冷泉碳酸盐钡同位素体系及早期成岩过程钡循环概念模型。

本研究获得国家自然科学基金青年科学基金项目A类（42225603）及面上项目（42476069）资助，合作单位包括美国莱斯大学、加拿大卡尔顿大学、德国不来梅大学、德国汉堡大学、广州海洋地质调查局及南京大学等。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2026.05.042