生物的生命活動需要各種營養物質來維持，海洋生物也不例外，牠們同樣需要依賴稀土元素（或微量營養元素），如鐵、鋅、鈷、釹等。這些稀土元素是如何到達海洋深處，又是怎樣在海洋中循環的？今期專欄文章就和大家探討一下。

一直以來我們主要是以「由上而下」的概念來理解海洋中的元素循環：在海洋頂層，各種生物活動過程中會生產出不同的稀有元素；其後，生物遺骸或排洩物形成的顆粒就好像「下雨」或「下雪」般慢慢沉降到海洋深處，把這些元素中蘊藏的化學能量從水面帶到海底。這些顆粒可能是已經死去的浮游生物或各種有機和無機的顆粒先形成聚合體，再慢慢沉降至海底。這一模式可以描述大多如碳、磷、氮、矽等宏量營養素元素在海洋中的分布。海洋生物一般需要吸收大量宏量營養素以維持生命，這類元素溶解度高，在海洋中的存在時間可長達數千年。

那麼稀土元素在海洋中的分布又是怎樣的呢？海洋生物的生存也需依賴這些稀土元素，對全球生態系統影響深遠。稀土元素在海洋中的停留時間相對較短，一般只有數百年或更短，不易依靠海洋環流來充分混合，反而高度依賴區域性生產和輸送。

近期有研究深入探究這一過程，研究人員聚焦於釹（neodymium）和其他在海洋中停留時間較短的稀土元素。他們重點研究太平洋水深超過五千米的水域，收集了三類樣本：海床海水、海床沉積物孔隙水和海床沉積物。通過研究樣本發現，海床沉積物孔隙水原來亦是海洋中稀土元素的一個重要來源。

氧化錳發揮關鍵吸附作用

此外，研究團隊也發現，氧化錳對釹有很強的吸附作用，當氧化錳顆粒在海洋中沉降，會讓釹積聚，把這些稀土元素帶回海洋深處。錳氧化物顆粒僅佔深海顆粒總量的極小部分（<1%），卻是吸附稀土元素的關鍵載體。

有機物料在海洋深層分解能把稀土元素從沉積物釋放至底層海水。除此之外，研究團隊的計算模型亦顯示，海床上的含矽礦物經風化作用能將稀土元素釋放到海洋中，例如，約10%至30%的稀土元素通量源自沉積物內火山矽酸鹽的風化，過往我們認為含矽礦物風化是以百萬年為單位的緩慢過程，現在我們可能需要重新評估其速率。

不過，海床沉積物孔隙水和海床沉積物樣本採集不易，因此相關數據相對匱乏。且相對來說，太平洋環流較弱，沉積物—水界面交換速率較低；而大西洋等強洋流海域可能因水動力增強導致稀土釋放通量更高。所以基於太平洋的研究數據不一定能直接推論至其他海洋之上。

小結

一直以來，我們認為稀土元素主要是從表層沉降至深海。今次分享的研究指出，海床亦是稀土元素的重要來源，揭示深海稀土的富集機制：水體吸附—沉積釋放過程主導礦藏形成，而非我們想像的沉積後地質改造；此外，海底矽酸鹽風化亦可能貢獻長期碳匯，為地球系統模型提供新參數。

●杜子航 教育工作者

早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。