近日，国际知名地学期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》以《Modern oceanic cycle of beryllium isotopes assessed using a data-constrained biogeochemical model》为题发表海洋地质国家重点实验室邓凯副教授及合作者的最新研究成果：综合全球海洋铍同位素（10Be/9Be）数据，建立现代海洋铍循环模型并揭示其主控因素，为铍同位素的古海洋学应用提供重要参考。
宇宙成因核素10Be（半衰期1.39 Myr）形成于大气中，并主要通过大气沉降进入海洋；而稳定核素9Be主要来自陆地岩石风化。10Be和9Be进入海洋后受到洋流混合及颗粒清扫的影响，最终以颗粒态形式埋藏于海洋沉积物中。铍同位素在海水中的滞留时间为几百年，显著短于全球海水混合时间。铍同位素在古海洋学领域具有诸多应用，比如沉积物及铁锰结核定年、古地磁强度重建以及大陆剥蚀重建等。
然而，海水10Be/9Be对环境变化的响应会被海—陆边界及海洋内部过程放大或缓冲，相关机制的系统性研究仍然缺乏。该研究整合最新的海洋输入通量及文献中海水溶解态数据（图1），建立含铍同位素的三维海洋生物地球化学模型，以揭示其海洋循环的主控因素。针对外部输入过程，该研究证实降水是10Be的主要来源，而海洋沉积物释放通量是9Be的主要来源；针对内部循环过程，模型最优化结果发现，有机碳及生物硅的清扫过程对于解释铍同位素的空间分布起着关键作用；此外，不同洋盆间的环流输送弱于海洋边界输入的影响（南太平洋除外），导致多数洋盆现代海水10Be/9Be（图2）主要反映外部输入通量及其分布。
图1: A）海水铍同位素数据空间分布图。B）模拟和实测10Be/9Be对比
图2: 深海溶解态储库（>2 km）模拟10Be/9Be的空间分布
该模型可进一步量化10Be/9Be对外部来源和内部循环的响应灵敏度（图3）。海水10Be/9Be对大陆剥蚀的响应具有一定缓冲效应，比如，剥蚀速率降低一半可能导致海水10Be/9Be增加13-48%。不同洋盆10Be/9Be对于颗粒清扫与海洋环流之间的相互作用存在差异响应；当颗粒清扫强度减弱（如降低一半），海洋环流的均一化作用增强，导致北大西洋10Be/9Be升高而北太平洋10Be/9Be降低（变化各~20%）。总之，该铍循环模型不仅为现代海洋铍同位素分布提供了定量的机制性解读，也为铍同位素的古海洋学应用提供了新的量化工具。
图3 模拟不同洋盆海水10Be/9Be对外部来源（a-b）、大陆剥蚀（D；φdel代表9Be在海—陆边界的传输效率；c-d）和颗粒清扫过程（c-d）的响应
该全球海洋铍同位素模型，是基于邓凯副教授前期针对大气过程（2020，EPSL；2021，QSR）、陆地过程（2020，2021，JGR）及海底过程（2023，Sci. Adv.）等研究成果的阶段性总结。论文第一作者和通讯作者为我室邓凯副教授，合作者包括瑞士苏黎世联邦理工学院Gregory de Souza研究员和北京大学杜江辉助理教授。该研究由国家重点研发计划、ETH Postdoctoral Fellowship等项目资助。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2024.10.025