近日，我院袁鹏教授团队与南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）、自然资源部第二海洋研究所等研究单位合作，在深海自生磷灰石的形成机制及其对海洋磷循环的影响和环境效应方面取得重要进展，研究论文以“Carbonate Fluorapatite Coatings on Phillipsite Represent A Significant Sink of Phosphorus in Abyssal Plains of the Western Pacific Ocean”为题，发表于综合性学术期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（《美国科学院院报》；2025，122 (5) e2407683122）。

广东工业大学博士后樊文枭、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）博士后周军明和广东工业大学蒋晓东副教授为论文第一作者，广东工业大学袁鹏教授和自然资源部第二海洋研究所董彦辉副研究员为论文的通讯作者。研究成果的合作单位还包括中国科学院广州地球化学研究所、澳门科技大学、广州海洋地质调查局和汉堡大学。该研究得到了国家自然科学基金、国家高层次人才特殊支持计划等项目的资助。

磷是海洋有机生命体的主要营养元素，对海洋初级生产力具有关键约束作用。磷埋藏是海洋磷的长期保留形式，控制着海洋磷储层的输入和输出，其多以自生碳氟磷灰石（CFA）矿物的形式赋存于海洋沉积物。CFA通常分布于初级生产力高的上升流海域，而深海沉积环境作为CFA赋存的重要潜力区域，其磷赋存特征及所涉矿物相结构和成因机制等重要问题却尚不清楚。

为此，袁鹏研究团队研究了西太平洋东马里亚纳海盆（深度约6100 m）和菲律宾海（5500 m）的若干深海沉积物样品，发现其中广泛存在着CFA与钙十字沸石矿物共生的现象。此类CFA矿物晶粒呈六方柱状，镶嵌或附着于钙十字沸石表面（图1），其成分中富含稀土元素；钙十字沸石则呈柱状，以聚集体形式赋存，其内部含有方铈石矿物的纳米颗粒。

图 1 碳氟磷灰石（CFA）的形态、结构和元素组成。（A, B）钙十字沸石被大量CFA覆盖；（C）结晶度不高的CFA颗粒；（D）结晶良好的单个CFA晶体；（E）CFA的能谱（EDS）；（F）CFA晶体的高分辨透射电子显微镜图像和选定区域电子衍射（样品采用聚焦离子束（FIB）制备）；（G, H）样品微区的透射电子显微镜图；（I）CFA中的主要元素（含稀土元素）能谱图。

通过采用高分辨透射电子显微镜、X射线近边吸收谱等分析手段，并结合长时间尺度的矿物合成模拟实验，本研究提出了该类CFA-钙十字沸石矿物共生现象的成因机制（图2）：Ca²⁺从钙十字沸石的内部孔隙迁移到表面，与钙十字沸石表面吸附的磷酸根离子反应，在沸石表面形成无定形磷酸钙，进而转化为细粒CFA颗粒。该机制是一种尚未被认知的适用于深海低生产力环境中的CFA形成机制。

图 2 深海环境中钙十字沸石促进碳氟磷灰石（CFA）形成示意图。(A) 钙十字沸石结构中的钙离子（Ca²⁺）与吸附在钙十字沸石表面的PO₄^3-结合，在沸石表面形成CFA，并伴以稀土离子（REE³⁺）的取代。(B) 微观形成机制：Ca²⁺从钙十字沸石的微孔释放，随后在沸石表面形成CFA。

鉴于低生产力区域深海环境存在丰富的钙十字沸石，该研究基于海洋钙十字沸石的沉积速率，估算出通过上述成因机制形成的CFA对海洋磷积累的贡献高达1.30-2.56 μmol/cm²·kyr，相当于深海磷总积累量（8.3 μmol/cm²·kyr）的八分之一至三分之一。该研究同时指出，钙十字沸石诱导CFA形成很可能是深海环境中一种广泛存在的矿物界面反应，该场景中CFA对于海洋磷循环乃至对于深海稀土富集具有重要潜在作用，值得进一步研究。

论文全文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2407683122