贫瘠海盆为何富藏稀土？鱼牙化石给出答案
■本报记者 朱汉斌
远离大陆、营养盐匮乏、生物生产力低下的深海海盆，为何反而富集稀土？这一长期困扰学界的“反常”现象，近日获得新的科学解释。
南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）（以下简称广州海洋实验室）海洋地质与深海智能探测团队，创新性地利用鱼牙化石内外不同结构所保存的钕（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。相关成果发表于《科学进展》。
论文共同通讯作者、中国科学院院士徐义刚告诉《中国科学报》，该研究为认识深海稀土富集机制、预测潜在找矿区提供了新依据。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，转向更加关注深海底流、沉积物搬运路径及其下游汇聚区。
贫瘠海盆的“稀土悖论”
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中不可替代。近年来，太平洋深海沉积物中发现的富稀土泥，因含量高、分布广、潜在资源规模大，受到国际科学界和资源勘探界的广泛关注。
“深海富稀土泥主要分布在水深约4000至6000米的远洋海盆。”论文第一作者、广州海洋实验室副研究员邹宗琪表示，在富稀土层中，含有鱼牙、鱼骨等鱼类遗骸的生物磷灰石与自生磷灰石是最主要的稀土载体，稀土含量高达上万微克/克。
按照传统认识，生产力增强被认为是促进深海稀土富集的重要因素。生物生产力越高，鱼类遗骸输入沉积物的数量可能越多。“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。”邹宗琪说。
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。
“我们的研究重心由此从‘稀土如何进入矿物’转向‘富稀土矿物如何在深海汇聚’。”邹宗琪说。
一颗鱼牙的两重“记忆”
要回答载体如何汇聚，先要弄清沉积物中的鱼牙是本地鱼类的遗骸，还是从别处“漂”来的？
邹宗琪介绍，团队将目光投向鱼牙内部的精细结构。一颗鱼牙虽小，却分内外两层：内部是疏松多孔的牙本质，外部是致密的釉质样层，二者对埋藏后成岩作用的响应截然不同。
牙本质孔隙网络发达，如同海绵，易与海水及沉积物孔隙水发生物质交换，在埋藏中快速吸收流体中的稀土，其稀土含量与钕同位素组成会被最终沉积环境“改写”。而外部致密层则不易受成岩流体改造，较好地保留了鱼类生活环境的原始钕同位素信息。
关键在钕本身的性质：它在海水中的滞留时间短于全球海水混合的时间尺度，因而不同海域的海水保存着各具特色的钕同位素组成，如同天然的“地理指纹”。分别测定内外两层，就能区分鱼牙的“出生地”与“安息地”。同一颗鱼牙，由此成为一份罕见的“双档案”。
据此，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钕同位素分析。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碳氟磷灰石相近；而外部致密层的εNd值可低至-10，呈现与南太平洋海水相似的低放射成因特征。不同海区具有不同的Nd同位素组成，εNd值是Nd同位素组成的一种标准化表示，就像地质样品的“同位素身份证”，用来判断矿物来自哪里。
论文共同通讯作者、广州海洋实验室研究员钱生平告诉《中国科学报》，借助这套方法，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，鱼牙碎屑与自生磷灰石颗粒的形态、结构特征，也为沉积物经历水动力搬运和再分选提供了佐证。
“深海富稀土沉积物的形成，未必需要本地出现大规模鱼类繁殖或死亡事件。”钱生平介绍，鱼类遗骸可先在其他海域形成并沉积，再经深海底流侵蚀、搬运、分选，最终在下游海盆集中堆积。换言之，稀土的“财富”不必由本地“创造”，也可以由底流“送达”。
寻找深海稀土汇聚区
在此基础上，团队结合现代海洋环流、海水钕同位素分布与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扮演关键的“深海传送带”角色。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沿途搬运鱼牙化石等颗粒物，并在太平洋深海海盆促进其分选与汇聚。
研究同时指出，这并不意味着所有富稀土沉积物中的鱼牙都来自南大洋，也不意味着不同地质时期的底流路径完全一致。其核心机制在于，持续的底流能够跨越局部沉积环境的限制，把不同来源的稀土载体重新分配，并在适宜的下游沉积区形成物质汇聚。勘探思路因此可从“追生产力”转向“追底流”，即追问稀土载体从哪里来、沿什么路径搬运、最终在哪里汇聚。
钱生平指出，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与汇聚中心，进而优化钻探站位布局，提升富稀土沉积物调查与资源评价的针对性。
“这一思路也拓展了鱼牙化石作为古海洋环境记录载体的应用范围。”在徐义刚看来，从寻找稀土的“来源”，到追踪载体的“旅程”，再到识别汇聚的“目的地”，“源-运-聚”的研究范式正在为深海稀土资源调查与找矿预测提供新的科学依据。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1126/sciadv.aej4446