近日，上海海洋大学极端海洋沉积地球化学研究团队联合美国俄亥俄州立大学、德国汉堡大学等单位的合作者，在Nature Index刊物《地球与行星科学通讯》（Earth and Planetary Science Letters, EPSL）上发表了题为“Calcium isotopic fractionation during aragonite and high-Mg calcite precipitation at methane seeps”的研究论文。宫尚桂博士为论文的第一作者和通讯作者，冯东教授为共同通讯作者。
钙（Ca）是地壳中第五丰富的元素，其中最常见的钙化合物是碳酸钙。钙循环建立了地质构造、气候和碳循环之间的联系，研究钙同位素的地球化学行为有助于提高我们对各种地质过程的认识。
近年来，自生碳酸盐的钙同位素组成被广泛用来示踪海洋中钙循环与地球表层环境演化。开展这项工作的先决条件是了解碳酸盐沉淀过程钙同位素的分馏特征及其控制因素。因此，前人开展了大量沉淀实验研究，以确定碳酸盐矿物类型和沉淀速率对钙同位素的影响。然而，海洋沉积物中碳酸盐沉淀速率远低于沉淀实验。如何将沉淀实验和自然样品获得的认知统一起来是重要的科学问题。现代海底冷泉系统中，自生碳酸盐矿物正在形成且其沉淀速率差异极大（>5个数量级），沉淀的碳酸盐矿物类型多样，是探究碳酸盐沉淀钙同位素分馏效应的天然试验场。
研究团队开展了南海北部海马冷泉（图1）三个站位的沉积物柱样中孔隙水及碳酸盐结核的钙同位素组成研究，结合孔隙水组分数值模拟计算，表明：1）文石沉淀站位钙同位素分馏程度接近平衡值1.8‰；2）两个高镁方解石沉淀站位沉淀速率有3个数量级差，但分馏程度接近~0.8‰，表现为动力学分馏特征（图2）。研究成果揭示了矿物类型一级控制冷泉碳酸盐钙同位素组成及其沉淀过程钙同位素分馏，突出了沉淀实验获得的沉淀速率与钙同位素分馏关系并不适用于自然环境中，迫切需要开展现代海洋环境碳酸盐沉淀机制与同位素分馏效应研究，为碳酸盐钙同位素示踪地质过程奠定理论基础。
图1. 海马冷泉（水深1400米）插管样品采集（“海马号”ROV于2020摄）
图2. 不同沉淀速率下文石（左图）和方解石（右图）的钙同位素分馏系数
这是时隔一年，宫尚桂博士和冯东教授再次在地球科学领域顶级刊物《EPSL》上发表重要成果。研究得到了国家自然科学基金杰青项目、面上项目与青年项目联合资助。
Gong, S.*, Luo, M., Griffith, E.M., Peckmann, J., Liang, Q., Feng, D.*, 2023. Calcium isotopic fractionation during aragonite and high-Mg calcite precipitation at methane seeps. Earth and Planetary Science Letters. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2023.118419
（供稿：海洋科学学院）