海洋是地球上最大的资源库之一，其化学组成深刻影响着地球的生态和气候系统。在海洋化学元素中，微量金属因其在生物过程中不可或缺的角色和作为跟踪海洋物理过程的有效示踪剂的重要性，成为科学研究的热点。尤其是稀土元素（REEs）和钕（Nd）同位素，它们独特的化学性质使它们成为探测海洋中粒子循环和水体混合的理想工具。近年来，深海海底——尤其是广阔的深层氧化海底——被发现是这些微量金属生物地球化学循环的关键驱动力，挑战了长期以来以水柱为主导的痕量金属循环模型。深入理解深海海底的作用，不仅丰富了海洋化学的理论框架，也为海洋环境保护和气候变化研究提供了新的视角。 传统研究普遍采用“自上而下”的模型解释微量金属的海洋循环，假设表层生物生成的有机颗粒向下沉降，携带微量金属进入海洋深处，并于下部水柱中再矿化释放，从而导致微量金属浓度随深度增加。
这种可逆性吸附模型强调水柱中的颗粒—溶解相互转换，认为海洋的生物活动和水体混合是主导因素。然而，随着全球海洋采样计划GEOTRACES及相关研究的推进，数据越来越显示深海海底对海洋微量金属的影响被严重低估。在深海氧化条件良好的环境中，海底沉积物通过复杂的化学和生物地球化学过程，向海洋水体释放出大量的微量金属，特别是通过沉积氧化作用和海底强烈的湍流混合。 深海海底的氧化作用，尤其是锰（Mn）和铁（Fe）氧化物的形成与转化，是微量金属循环关键所在。锰氧化物以其极强的亲和力能够高效吸附多种微量金属，包括稀土元素和钕，这些氧化物存在于海底沉积物的胶结层或散布于水柱中，成为微量金属的主要承载体。最新研究显示，尽管锰氧化物在水柱粒子质量中比例极小，但它们承担了约半数以上的钕的吸附负荷，成为决定钕及其他重金属海洋分布的重要因素。
同时，氧化作用还通过调控沉积物孔隙水的化学环境，进而影响微量金属的再溶解，形成从沉积物向海洋释放的“底部通量”，这一过程被称为“边界交换”。 边界交换机制提出，海洋底部沉积物不仅是微量金属的终点储存库，更是活跃的物质交换界面，介导着金属的溶解和沉淀。边界交换挑战了之前对沉积物影响的忽视，强调沉积物对水柱金属浓度和同位素组成的持续调节作用。通过结合水柱粒子驱动的“自上而下”过程和被动“自下而上”的沉积物边界通量，可以更全面地解释微量金属分布的复杂性。例如钕的同位素组成εNd沿深海梯度改变，显示其来源不仅包括表层输入，还包含海底释放的经风化或再矿化的钕，这使得εNd不再是保守的水团示踪剂，而成为深海循环动力学的有效指标。 在深海物理环境中，海底地形通过内部潮汐产生强烈的湍流混合，推动深层水体的垂直对流和混合过程。
这种底部加剧的湍流不仅增强了水柱与海底之间的物质交换，还扩大了微量金属从沉积物释放到水体的影响范围，使得底部通量的效应更为显著。面积广大的深海平原尽管单位面积释放通量较低，但总贡献因其宏大面积而成为微量金属循环不可忽视的整体来源。现代三维海洋模拟结合丰富的实测数据验证了底部释放和湍流混合在塑造深海微量金属分布中的决定性作用，进一步揭示了基于水柱颗粒过程的模型在深海区域的局限性。 深海氧化沉积物中认证的稀土元素富集，特别是在锰氧化物中的高度浓缩，揭示了水柱与表层沉积物间的反馈循环。实验室和现场的化学提取研究显示，稀土元素主要结合于锰氧化物上，而生物源矿物如碳酸钙和硅质颗粒对其吸附贡献较小。这一特征决定了沉积物及水柱中稀土元素的再生释放机制，这些金属在沉积物孔隙水中经由有机物矿化和pH值变化发生解吸，成为弥补水柱损耗的内源边界供给。
值得注意的是，磷酸盐矿物对稀土元素的吸附属于次生过程，发生在氧化锰矿转变为更稳定相后，且对总沉积物金属量影响有限。 广义上，深海海底作为地球最大的氧化沉积环境，具备活跃的生物地球化学反应网络，对多种微量金属元素循环具有普遍影响。其作用不仅限于稀土元素和钕，同位素和非同位素状态的铁、铜、镍、铬等元素的分布也表现出沉积物边界过程的强烈印迹。举例而言，铜虽具高亲和力与氧化锰表面结合，但因其生物需量与营养元素性质，也通过底部释放影响全球海洋铜循环。这些发现提示，未来海洋微量金属研究需综合考虑粒子类型的趋化差异、沉积物环境特性及海底物理过程的复杂反馈。 从宏观视角看，海洋的地形地貌与海洋环流密切关联，直接影响湍流强度和底部物质交换效率。
现代三维循环模拟结合高分辨率水深数据揭示，深海中脊和海山群等地形特征是内部潮汐能量耗散的热点，促进底层水体混合和金属释放。纵深超过2-3千米的海底平原通过其广袤面积，成为持续的稳定微量金属源。这一“深海对底-水界面”的影响维度，为理解现代以及古代海洋微量金属历史记录提供了重要线索。 探讨微量金属的海洋循环，尤其是基于稀土元素和钕同位素的研究，逐渐构建起“自下而上”与“自上而下”循环相结合的综合框架。前者重视海底氧化作用、沉积物气候交互及湍流混合，后者侧重于生物碳泵驱动的水柱颗粒降解。两者通过粒子吸附过程有机耦合，决定了微量金属在海洋中复杂且动态的分布格局。
这一框架对分辨海洋中痕量金属同位素信号、阐释水团演变及重建古海洋环境都具有重要指导意义。 此外，海洋内部的火山岩石风化过程也不容忽视。通过底部通量输入的“新”微量金属源，与“循环”再生源共同塑造着深海中元素的同位素构型，解释了海洋不同区域发现在稀土元素εNd上的非保守性变化。这不仅加深了我们对大洋深层物质源汇的理解，也进一步提示陆源物质影响深及海底沉积物活性区域对远洋化学的调控作用。 未来，深入研究与表征深海海底氧化作用机制、锰铁氧化物的微观结构及化学特性，将更加完善对微量金属循环的认识。同时，结合高分辨率海洋地形及物理动力学数据，能更精准地模拟海底通量对全球海洋化学的影响范围与强度。
此外，加强跨学科的野外观测和实验研究，将有助于揭示不同元素在水柱和沉积物之间的转化路径和速率，推动海洋微量金属研究进入更加细致和多维的阶段。 综上所述，深海海底不再是静态的沉积库，而是动态且关键的海洋微量金属循环驱动者。通过锰氧化物为代表的工具与机制，结合底部强化的湍流混合和沉积物风化反应，赋予了深海海底主宰微量金属循环的能力。新建立的上下结合、综合互动的生物地球化学循环框架，将为海洋科学、环境保护以及气候变化研究提供坚实科学基础和全新视角。不断丰富的数据支持和模型创新，将深化我们对深海海底化学动力学的理解，助力构建全球海洋化学与生态系统协调发展的未来。
