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李晓强:钾同位素示踪流域化学风化过程【GCA,2022】

发布时间:2022-01-25       阅读:302

地表岩石和矿物的化学风化是改变地表形貌和控制元素地球化学循环的重要地质过程。硅酸盐岩风化过程尤其受到关注,这是由于此过程在地质时间尺度上消耗二氧化碳,从而影响或控制着全球气候系统的演化,并对构造和气候变化产生响应。钾元素主要赋存在硅酸盐矿物中,且最轻的39K和最重的41K 稳定同位素之间存在相对较大的质量差(~5%),导致自然界低温地质和生物过程显著地分馏K同位素(~2),而高温条件下的岩浆演化和矿物结晶分异过程中观察到的同位素分馏较小。当前研究发现地表水/岩反应是K同位素分馏的主要过程,分馏的结果是39K优先进入固相,而41K富集于液相。相对于风化基岩和土壤,河水溶解质具有偏重的K同位素组成(δ41K)且其δ41K值与流域的风化强度呈现出较好的负相关关系。因此,河流 K同位素可以示踪流域硅酸盐矿物风化过程。然而,流域内蒸发岩的快速溶解和人为活动的输入可能会影响河水中K的含量和同位素组成,从而对利用河水K同位素组成示踪地表硅酸盐岩风化过程产生潜在影响。

为了更加全面地了解人为活动影响下的化学风化过程中K同位素分馏行为,中国地质大学(北京)科学研究院博士研究生李晓强,在其导师韩贵琳教授的指导下,利用已建立的高精度K同位素分析技术,系统研究了泰国Mun河流域地表不同储库K同位素组成及其控制因素。此次工作系统研究了其源头地区不同季节河水溶解质、悬浮物质、沉积物中K同位素的组成特征,取得了如下新认识:

1)河水和地下水溶解质δ41K值(0.54+0.09)高于悬浮物(0.600.41)和沉积物(0.540.47)(图1)。这一观察与之前研究一致,表明在化学风化过程中,轻的39K优先保留在风化残留物中,而重的41K富集在流体中。此外,河水溶解的δ41K值显示了较小的季节性差异。结合河水化学组成和H-O同位素分析,河流枯水期偏高的δ41K值可能与此时期较大程度的富41K地下水(δ41K = +0.09)补给有关。

2)河水溶解的K含量与硅酸盐岩来源的Rb含量有较好的相关性,而河水溶解的δ41K值与Cl含量和Cl/K比值无相关性,综合表明河水溶解的K主要来源于硅酸盐岩风化过程。质量平衡模型估算不同端元对河水溶解K的贡献,结果显示大多数河水样品中的K离子主要来自硅酸盐岩的溶解(>90%),人为活动和蒸发岩溶解对河流的K含量和K同位素的影响较小。

3)地表水/岩作用过程中,原生矿物稳态溶解时K同位素分馏很小,而形成的次生矿物吸收轻的39K可能是导致河水K同位素组成偏重的重要原因(图2)。这与室内粘土矿物吸附实验得出的轻钾同位素优先进入粘土矿物晶格相一致,但我们的数据无法评估粘土矿物吸附钾对风化系统中K同位素分馏的影响。因此在后续研究中需要进一步确定表面吸附和结构进入这两种过程对自然样品中钾同位素组成的相对贡献。

该研究进一步揭示了大陆风化过程中的K同位素分馏行为。这对于利用K同位素探索大陆风化过程,钾的生物地球化学循环、全球气候变化以及大陆的演化等具有重要的科学意义。钾同位素除了示踪大陆风化过程之外,还可以被应用到俯冲带研究,海水化学演化,古气候重建,生物钾循环中,具有广阔的应用前景。

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图1 河水和地下水H-O, N-O和K同位素组成以及地表不同储库K同位素组成


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图2  悬浮物和沉积物中元素比值相关图解, CIA图解以及δ41K值与K/Al比值的关系

 

上述研究成果发表在地球化学国际权威期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上:Li, X., Han, G.*, Liu, M., Liu, J., Zhang, Q., Qu, R., 2022. Potassium and its isotope behaviour during chemical weathering in a tropical catchment affected by evaporite dissolution. Geochimica et Cosmochimica Acta 316, 105-121.

全文链接:https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.10.009