近日，南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)(简称广州海洋实验室)海洋地质与深海智能探测团队在Science Advances上发表题为“Dual Nd isotopic archives in fossil teeth reveal bottom-current control of rare-earth element enrichment in deep-sea sediments”的研究论文。邹宗琪副研究员为第一作者，钱生平研究员和徐义刚院士为通讯作者。研究团队创新性地利用鱼牙化石内外不同结构保存的钕（Nd）同位素信息，重建了鱼牙从原始生活海域到最终埋藏地点的环境变化，揭示了深海底流对富稀土沉积物中稀土载体的搬运、分选与汇聚作用，为认识深海稀土富集机制和预测潜在找矿区提供了新的科学依据。未来深海稀土勘探，有望从主要关注局部生物生产力和稀土来源，进一步转向关注深海环流、沉积物搬运路径及其下游汇聚区。
深海稀土：为何贫瘠海盆反而蕴藏丰富资源？
稀土元素是新能源、电子信息、航空航天等领域的重要战略资源，其中中-重稀土在高性能永磁材料等关键技术领域具有重要应用价值。近年来，太平洋深海沉积物中发现的富稀土泥，因其稀土含量高、分布范围广和潜在资源规模大，受到国际科学界和资源勘探领域的广泛关注。
图1，太平洋浅层沉积物中富稀土层的分布。富稀土沉积物广泛分布于部分低生产力远洋海盆。
深海富稀土泥主要分布在水深约4000-6000米的远洋海盆（图1）。富稀土层中，生物磷灰石和自生磷灰石是最主要的稀土载体，稀土含量可高达上万μg/g（图2）。按照传统认识，生物生产力越高，鱼类遗骸输入沉积物的数量可能越多。因此，生产力增强通常被认为是促进深海稀土富集的重要因素。然而，这一认识难以充分解释一个关键问题：这些富稀土沉积物往往发育在远离大陆、营养物质相对匮乏、生物生产力较低的海域？研究团队发现，尽管不同沉积层位的鱼牙化石稀土含量差异相对有限，但沉积物整体的稀土含量却存在显著差异。这意味着，沉积物能否富集稀土，不仅取决于单个矿物颗粒能够吸收多少稀土，还取决于富稀土载体在沉积物中的含量及其空间分布。这一发现将研究重点从“稀土如何进入矿物”，进一步引向“富稀土矿物如何在深海汇聚”。
鱼牙化石的“双档案”：追踪稀土载体从哪里来、在哪里沉积
图2，鱼牙化石剖面显示其由内部的疏松牙本质和外部的致密层组成。内部疏松牙本质受成岩作用改造而富集稀土，外部致密层则保留了鱼牙初始的贫稀土特征，因此可记录其生活环境的信息。
要揭示鱼牙化石如何在深海汇聚，首先需要回答一个基础问题：沉积物中的鱼牙究竟来自当地鱼类，还是从其他海域搬运而来？为此，研究团队将目光投向鱼牙化石内部精细的结构差异。鱼牙主要由内部疏松多孔的牙本质和外部致密层组成，两者对埋藏后成岩作用的响应明显不同：鱼牙化石内部疏松牙本质具有发达的孔隙网络，容易与海水和沉积物孔隙水发生物质交换（图2）。在埋藏过程中，牙本质能够快速吸收流体中的稀土元素，其稀土含量和Nd同位素组成会受到最终沉积环境的影响。研究发现，牙本质约占单颗鱼牙化石总稀土储量的90%以上。相比之下，外部致密层不易受到成岩流体的改造，能够较好地保存鱼类生活环境的原始Nd同位素信息。由于Nd在海水中的滞留时间相对较短，不同海域的海水可以保留具有差异的Nd同位素组成。因此，通过分别分析鱼牙化石的外部致密层和内部疏松牙本质，研究人员就能区分鱼牙原始生活环境与最终埋藏环境的同位素特征。
图3，鱼牙化石的Tip（致密层为主）和root（疏松牙本质为主）的Nd同位素组成差异显著。Root的Nd同位素组成与埋藏地的自生矿物以及全岩沉积物和海水一致，而Tip的Nd同位素组成具有南大洋海水的特征。
基于上述原理，研究团队对西太平洋沉积物钻孔中的鱼牙化石开展了精细结构观察、稀土元素面分布和原位Nd同位素分析。结果显示，部分鱼牙内部疏松牙本质的εNd值约为−5，与北太平洋海水及共存自生氟碳磷灰石的同位素组成相近；而外部致密层的εNd值可低至−10，呈现出与南太平洋海水相似的低放射成因特征（图2、图3）。也就是说，同一颗鱼牙化石，内部记录埋藏环境，外部保留生活环境信息。这种“双档案”记录为识别外来鱼牙化石、追踪其搬运来源提供了新的技术途径。
南极底流发挥“深海传送带”作用，推动稀土载体汇聚
借助上述“双档案”记录，研究团队进一步发现，富稀土层中具有异地来源特征的鱼牙化石比例明显升高，超过30%。与此同时，鱼牙碎屑和自生磷灰石颗粒表现出的形态及结构特征，也为沉积物经历水动力搬运和再分选提供了证据。这些发现共同指向一个重要机制：深海富稀土沉积物的形成，不一定需要沉积地点出现大规模的鱼类繁殖或死亡。鱼类遗骸可以先在其他海域形成并沉积，随后在深海底流作用下被侵蚀、搬运和分选，最终在下游海盆中集中沉积。
在此基础上，研究团队进一步结合现代海洋环流、海水Nd同位素分布和沉积物空间分布特征，提出南极底层水（AABW）及其相关深层环流可能发挥重要的“深海传送带”作用。自晚始新世—渐新世以来，随着南大洋环流体系的发展，向北流动的深层水及相关底流能够沿途搬运鱼牙化石等颗粒物，并在太平洋深海海盆中促进其分选和汇聚（图4）。需要指出的是，研究并不意味着所有富稀土沉积物中的鱼牙都来自南大洋，也不意味着不同时期的底流路径完全相同。研究所揭示的核心机制是：持续的底流能够跨越局部沉积环境的限制，将不同来源的鱼牙化石等稀土载体重新分配，并在适宜的下游沉积区形成物质汇聚。这一机制为解释深海富稀土泥与低生产力环境并存的现象提供了新的思路，也表明深海稀土富集是生物源物质输入、成岩稀土吸收和水动力搬运汇聚共同作用的结果。
图4，深海稀土的富集模式图。底流起到物理传送带的作用，将流经区域的磷灰石搬运、分选、汇聚至深海海盆，形成富稀土层。
从“追生产力”到“追底流”：为深海稀土勘探提供新思路
深海面积广阔，富稀土沉积物分布明显不均，如何从有限钻孔和调查站位中识别潜在富集区，是深海稀土资源调查的重要挑战。研究提出的底流搬运与汇聚机制，为回答这一问题提供了关键线索：如果底流搬运和水动力分选是稀土载体聚集的重要控制因素，那么在持续底流的下游、流速减缓且有利于颗粒物滞留的沉积盆地，可能更容易形成稀土载体富集区。由此，勘探思路可从“追生产力”转向“追底流”，即关注稀土载体从哪里来、沿什么路径搬运、最终在哪里汇聚。
未来，可将古海洋环流重建、海底地形分析、沉积物物源示踪与稀土元素地球化学研究相结合，识别深海颗粒物的潜在搬运路径和汇聚中心，进而优化钻探站位布局，提高富稀土沉积物调查与资源评价的针对性。这一思路不仅深化了对深海稀土成矿过程的认识，也拓展了鱼牙化石作为古海洋环境记录载体的应用范围：通过将不同微观结构的Nd同位素信息与其他地球化学指标结合，有望更准确地识别沉积物来源、重建深海环流，并揭示深海物质循环与关键战略元素富集之间的联系。
从更广阔的视角看，深海富稀土沉积物的形成并非单纯的元素沉淀过程，而是海洋生物活动、流体—矿物反应与深海动力过程共同作用的结果。从寻找稀土的“来源”，到追踪稀土载体的“旅程”，再到识别物质最终汇聚的“目的地”， 这条“源-运-聚”思路将为深海稀土资源调查和找矿预测提供新的科学依据。
论文信息：Zongqi Zou（邹宗琪）, Shengping Qian*（钱生平）, Qiong Wu（吴琼）, Xuran Liang（梁戌然）, Fan Yang（杨帆）, Le Zhang（张乐）, Pengli He（贺鹏丽） and Yi-Gang Xu*（徐义刚）, Dual Nd isotopic archives in fossil teeth reveal bottom-current control of rare-earth element enrichment in deep-sea sediments, Science Advances, DOI,10.1126/sciadv.aej4446.
其他
南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）海洋地质与深海智能探测院士团队长期致力于海洋地质过程与深海智能探测技术的交叉融合研究，聚焦大洋与边缘海盆深部动力学演化、深海稀土与战略金属资源成矿、海底地质过程的智能探测等核心方向。欢迎海洋科学、地球化学、地球物理学，古海洋环境，数值模拟与人工智能等相关方向的博士联系。
团队联系人：钱生平
联系邮箱：qianshengping@126.com
信息来源：广州海洋实验室。
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