地球環境所等揭示高侵蝕流域河水鎂同位素變化控制機制

　　碳酸鹽巖和硅酸鹽巖的風化行為及其Mg同位素組成（δ26Mg）具有顯著差異。其中，碳酸鹽巖的快速溶解動力學會向水體中產生繼承性的δ26Mg。有研究表明河流δ26Mg與碳酸鹽巖風化強度（CWI）呈負相關，因此河水δ26Mg是示蹤大陸碳酸鹽巖風化的潛在指標。然而，河水δ26Mg變化及其分餾作用的受控因素存在較多爭議，需要更多野外觀測證據來驗證其示蹤碳酸鹽巖風化的普遍性和穩健性。

　　鑒于構造活躍區高侵蝕風化特征及其驗證“構造-風化-氣候”假說的核心地位，中國科學院地球環境研究所金章東研究團隊與長安大學，聯合法國的科研人員，對構造活躍區青藏高原東南三江流域（金沙江、瀾滄江、怒江）開展系統的空間河水Mg同位素研究工作。三江地區以高山峽谷、地形陡峭、巖石破碎嚴重和極高侵蝕為主要特征，化學風化以動力學限制型為主。研究顯示，三江流域內河水δ26Mg值在–1.39‰至–0.50‰之間變化，其河水Mg2+由碳酸鹽巖風化主導，其次為蒸發鹽巖溶解。進一步，該團隊利用保守混合方程發現，三江流域河水δ26Mg變化不是巖石風化端元的保守混合的結果，其δ26Mg實測值系統偏離了保守混合的δ26Mg理論值（偏離的程度高達0.79‰）。考慮到極高侵蝕導致的高泥沙負荷和河流懸浮物（SPM）較高的陽離子交換能力，以及δ26Mg實測值偏離理論值的幅度與SPM濃度的正相關關系，該研究首次提出極高侵蝕流域河水δ26Mg的變化主要受河流搬運過程中的Mg2+-Na+交換控制。進而，該研究基于瑞利分餾模型計算得出三江流域內至少有6–33%（最高58–73%）的初始Mg2+通過陽離子交換被移除，表現為可交換態Mg/Na與河水δ26Mg呈正相關（圖1），這表明24Mg在Mg2+-Na+交換過程中優先保留在交換池中。

　　研究發現，包括三江流域在內的全球大河河流δ26Mg值與CWI的負相關關系，可以解釋為由陽離子交換驅動的Mg同位素分餾（24Mg虧損儲庫，高侵蝕速率的風化動力學限制型）與碳酸鹽巖快速溶解（24Mg富集儲庫，低侵蝕速率的供應限制型）之間的競爭關系（圖2）。這一機制有助于更好地探討全球Mg收支。

　　近期，相關研究成果以Cation exchange controls riverine magnesium isotopes in extremely-high-erosion catchments為題，發表在《地球化學與宇宙化學學報》（Geochimica et Cosmochimica Acta）上。研究工作得到國家自然科學基金和第二次青藏高原綜合科學考察的支持。

三江流域河水δ26Mg值與可交換態Mg/Na的關系

河流δ26Mg變化機制示意圖