雒愷等-G-Cubed:玄武巖風(fēng)化過程中Sr同位素分餾機理及通量估算
硅酸鹽巖的化學(xué)風(fēng)化作用對地球關(guān)鍵帶元素的遷移和地質(zhì)歷史時期的全球氣候調(diào)節(jié)具有重要意義。作為一種堿土金屬元素,Sr在化學(xué)風(fēng)化過程中容易發(fā)生遷移,導(dǎo)致穩(wěn)定Sr同位素產(chǎn)生明顯的分餾作用,可作為陸相風(fēng)化過程的有效示蹤劑。然而,硅酸鹽巖風(fēng)化過程中穩(wěn)定Sr同位素的分餾機制仍然認識不清,風(fēng)化輸出的物質(zhì)通量未得到有效限制。因此,研究化學(xué)風(fēng)化過程中Sr元素遷移及其同位素分餾對認識地表過程中Sr地球化學(xué)循環(huán)和大陸風(fēng)化通量至關(guān)重要。
近期,中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士生雒愷,在馬金龍正高級工程師和韋剛健研究員的指導(dǎo)下,選取海南島北部一深度為49.5 m的玄武巖風(fēng)化剖面為研究對象,開展了礦物學(xué)、元素和Sr同位素組成研究。結(jié)果顯示,0 ~ 33.4 m的風(fēng)化剖面受到了外源物質(zhì)輸入的顯著影響。在33.4 ~ 49.5 m的風(fēng)化剖面中,風(fēng)化產(chǎn)物的化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)為65.2 ~ 98.9,τSr,Ti值為-58.9% ~ -99.1%,表明強烈的玄武巖風(fēng)化作用導(dǎo)致大量的Sr淋濾。風(fēng)化產(chǎn)物的δ88Sr值為-0.29‰ ~ 0.37‰,其穩(wěn)定Sr同位素組成自下而上呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢,且大部分風(fēng)化產(chǎn)物的δ88Sr值低于母巖值(圖1)。在早期風(fēng)化階段,中等到弱酸性條件下,重Sr同位素在斜長石分解過程中淋濾出風(fēng)化剖面,輕Sr同位素則吸附在蒙脫石和高嶺石等次生礦物的表面,造成風(fēng)化產(chǎn)物的穩(wěn)定Sr同位素組成偏輕。隨著風(fēng)化作用的進行,pH逐漸降低,蒙脫石分解,高嶺石在弱酸性條件下發(fā)生解吸附作用,先前吸附的輕Sr同位素重新釋放到土壤溶液中。不同pH條件下,蒙脫石與高嶺石的形成與分解控制了風(fēng)化產(chǎn)物的δ88Sr值,pH是穩(wěn)定Sr同位素分餾的重要影響因素(圖2)。此外,該研究基于風(fēng)化剖面尺度,創(chuàng)新性地提出估算風(fēng)化通量的新方法,計算得到玄武巖化學(xué)風(fēng)化過程中的Sr元素通量(SrFlux)為0.08 ~ 0.29(mg cm-3?Myr-1),Sr同位素通量(δ88SrFlux)為0.016?~ 0.066(‰(mg cm-3?Myr-1))。玄武巖風(fēng)化過程中Sr元素遷移和穩(wěn)定Sr同位素分餾與風(fēng)化強度密切相關(guān)。隨著化學(xué)風(fēng)化強度的增加,Sr元素發(fā)生了顯著淋濾,進而導(dǎo)致穩(wěn)定Sr同位素分餾(圖3)。該研究揭示了風(fēng)化通量與風(fēng)化強度之間的關(guān)系,有助于我們認識玄武巖化學(xué)風(fēng)化過程和量化風(fēng)化通量。

圖1 玄武巖風(fēng)化剖面中Sr含量、Sr同位素組成、τSr,Ti值、CIA值和pH值等隨深度的變化

圖2 玄武巖風(fēng)化剖面中δ88Sr值與(a)蒙脫石/斜長石比值、(b)蒙脫石含量、(c)高嶺石含量和與(d)pH的關(guān)系

圖3 SrFlux與(a)δ88SrFlux和(b)CIA值的關(guān)系;δ88SrFlux與(c)τSr,Ti值和(d)CIA值的關(guān)系
相關(guān)研究成果近期發(fā)表于國際地學(xué)期刊《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》。該項研究受到國家重點研發(fā)計劃(2022YFF0800501)、國家自然科學(xué)基金(41991325;42021002)和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項目(2019B030302013)等項目的聯(lián)合資助。
論文信息:Luo, K.(雒愷), Ma, J.(馬金龍), Wang, Z.(王志兵), Zhu, G.(朱冠虹), Zeng, T.(曾提), & Wei, G.(韋剛?。?(2024). Fractionation mechanism and flux estimation of strontium isotopes during basalt weathering. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 25, e2023GC011215. https://doi.org/10.1029/2023GC011215.
論文鏈接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023GC011215

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