近日，厦门大学海洋生物地球化学全国重点实验室、海洋与地球学院王为磊教授团队在海洋痕量金属的颗粒清除方向取得新进展，相关成果以“Modeling of 231Pa cycle and its implications on particle scavenging in the global ocean”为题，发表于Geochimica et Cosmochimica Acta.
颗粒清除是指海洋中沉降颗粒物通过吸附作用，将具有颗粒活性的元素从上层海洋移除的过程。这些颗粒物随后在沉降过程中发生矿化和解吸附，进而将吸附的元素释放至中深层海洋中。海洋中的镤-231（231Pa）来源于其母体同位素铀-235的α衰变，该过程在整个水柱中速率恒定。但由于231Pa具有较强的颗粒活性，其在海洋中的分布受到颗粒吸附作用的调控，是研究颗粒清除过程的有效示踪剂。当前通用地球系统模式（如CESM）对颗粒清除过程的模拟仍存在较大的误差，导致颗粒活性核素（如231Pa）和痕量元素（如铁元素Fe）的模拟结果与实测数据之间存在较大偏差。
本研究基于逆向反演模式，通过全球海洋231Pa实测数据约束不同来源颗粒物的清除速率常数，对全球海洋231Pa的循环进行反演模拟，并开展一系列敏感性实验，定量评估颗粒清除对海洋中231Pa 分布的影响，进而更深入地解析颗粒物如何调控海洋中颗粒活性元素的循环，为地球系统模式中颗粒清除过程参数化的优化提供参考。
本研究构建了全球海洋231Pa颗粒清除逆模式，考虑了三类关键颗粒清除过程：（1）海洋中生源和陆源颗粒物对231Pa的可逆清除；（2）热液喷口附近热液来源颗粒物的热液清除；（3）海底雾状层中再悬浮沉积物引起的底部清除。随后，将231Pa颗粒清除模式与海洋环流逆模式（OCIM）耦合，模拟了海洋环流对231Pa 的输运和再分配。研究利用全球范围的231Pa 实测数据，采用贝叶斯反演法优化了不同颗粒清除过程的速率，使模型能够更准确地反映真实海洋状况。优化后的模拟结果成功再现了231Pa 在全球海洋各大洋盆中的分布特征（图1），为后续深入理解颗粒物如何影响海洋中231Pa循环提供了科学依据。
图1. 基于数据约束的逆向反演模式模拟的（黑色实线）和BCO-DMO的观测的（红点）溶解态231Pa（单位：mBq/m3）活度在不同洋盆的垂向分布比较。
模拟结果表明，海洋中231Pa的分布主要受控于自上而下的可逆清除过程，该过程共移除了约71%原位生产的231Pa。敏感性实验进一步发现在可逆清除中，不同类型的颗粒物对231Pa的垂向分布有着不同程度的影响（图2）。其中，蛋白石对231Pa的垂向分布的调控尤为显著，表现为其在上层海洋对231Pa的移除，并随之沉降后将231Pa重新释放至深层海洋，而其他生源和陆源颗粒物则主要表现为对231Pa的全水柱移除。
图2. 对不同类型颗粒物的可逆清除强度开展的敏感性实验（黑色实线）的溶解态231Pa（单位：mBq/m3）活度在不同洋盆中的垂向分布。CTRL为图1优化后的231Pa模式结果（黑色实线）；2x颗粒物类型.Scav代表对CTRL中不同颗粒物对231Pa的可逆清除强度进行二倍处理，以此探究不同类型颗粒物对231Pa分布在各个洋盆的影响。
本研究还创新性地通过将卫星观测的涡动能（EKE）和热液来源的3He作为指标，在颗粒活性元素模式中对底部清除和热液清除过程分别进行了参数化。结果发现，底部清除和热液清除过程显著地控制了局部231Pa循环（图3），能够分别移除约24%和4%原位生产的231Pa，导致靠近海底和热液喷口附近的水体出现明显的231Pa亏损。随着海洋环流的输运，这些231Pa亏损的水体还会被进一步输送到更远的海域。
图3. 对底部清除和热液清除开展敏感性实验的溶解态231Pa（单位：mBq/m3）活度在不同洋盆中的垂向分布。CTRL为图1优化后的231Pa模式（黑色实线）；CTRL（excl.BS）指在CTRL中移除底部清除的影响（蓝色实线）。CTRL（excl.HS）指在CTRL中移除热液清除的影响（红色实线）。
本研究综合考虑了多个来源颗粒物对231Pa的清除过程，并通过观测数据确定了不同来源颗粒物对231Pa的清除速率，成功模拟了全球海洋231Pa的分布。模拟结果强调了颗粒物组分对231Pa可逆清除过程的关键调控，揭示了海洋底部再悬浮颗粒物和热液来源颗粒物对局部231Pa水柱分布模式的重要影响。本研究深化了对全球海洋231Pa地球化学行为的理解与认识，同时进一步明晰了 231Pa作为古海洋学指标的应用范围。本研究也为其他颗粒活性痕量金属，例如Fe的颗粒清除过程建模提供了有力支持，有助于未来进一步深化对这些关键痕量金属在海洋中循环过程的理解。
该论文第一作者为厦门大学2024级硕士生孟靖山，通讯作者为王为磊教授。该研究获得国家重点研发计划（2023YFF0805004）、国家自然科学基金（42476031）以及福建省自然科学基金（2023J02001）的联合资助。
J.- S. Meng & W.-L. Wang, Modeling of 231Pa cycle and its implications on particle scavenging in the global ocean, Geochim Cosmochim Acta, 2025
https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.11.046
供稿｜孟靖山
审核｜朱佳 苏颖
排版｜陈蕾
审核｜蔡毅华 万显会
