中國科學院廣州地球化學研究所博士生雒愷在該所正高級工程師馬金龍和研究員韋剛健的指導下，通過對玄武巖風化剖面鍶（Sr）同位素研究解析了穩定Sr同位素的分餾機制并揭示了風化通量與風化強度之間的關系。近日，相關成果發表于《地球化學、地球物理學、地球系統學》（Geochemistry，Geophysics，Geosystems）。
硅酸鹽巖的化學風化作用對地球關鍵帶元素的遷移和地質歷史時期的全球氣候調節具有重要意義。作為一種堿土金屬元素，Sr在化學風化過程中容易發生遷移，導致穩定Sr同位素產生明顯的分餾作用，可作為陸相風化過程的有效示蹤劑。然而，硅酸鹽巖風化過程中穩定Sr同位素的分餾機制仍然認識不清，風化輸出的物質通量未得到有效限制。因此，研究化學風化過程中Sr元素遷移及其同位素分餾對認識地表過程中Sr地球化學循環和大陸風化通量至關重要。
研究人員在國家重點研發計劃、國家自然科學基金和廣東省基礎與應用基礎研究重大項目等項目的聯合資助下，選取海南島北部一深度為49.5米的玄武巖風化剖面為研究對象，開展了礦物學、元素和Sr同位素組成研究。結果顯示，0~33.4米的風化剖面受到了外源物質輸入的顯著影響。在33.4~49.5米的風化剖面中，風化產物的化學蝕變指數為65.2~98.9，τSr,Ti值為-58.9%~-99.1%，表明強烈的玄武巖風化作用導致大量的Sr淋濾。風化產物的δ88Sr值為-0.29‰∽0.37‰，其穩定Sr同位素組成自下而上呈現出先減小后增加的趨勢，且大部分風化產物的δ88Sr值低于母巖值。
在早期風化階段，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，造成風化產物的穩定Sr同位素組成偏輕。隨著風化作用的進行，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化產物的δ88Sr值，pH是穩定Sr同位素分餾的重要影響因素。
此外，該研究基于風化剖面尺度，依據質量平衡提出估算風化通量的新方法，計算得到玄武巖化學風化過程中的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）]。玄武巖風化過程中Sr元素遷移和穩定Sr同位素分餾與風化強度密切相關。隨著化學風化強度的增加，Sr元素發生了顯著淋濾，進而導致穩定Sr同位素分餾。
該研究揭示了風化通量與風化強度之間的關系，有助于我們認識玄武巖化學風化過程和量化風化通量。
相關論文信息：https://doi.org/10.1029/2023GC011215