花岗岩风化过程中的锌同位素分馏：矿物溶解与Fe-Zn共沉淀作用的对比

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Zinc isotope fractionation during granite weathering: contrasting roles of mineral dissolution and Fe-Zn coprecipitation

本研究通过北京和广东两个花岗岩风化剖面对比，结合实验室实验，揭示了不同风化阶段锌同位素分馏机制。早期风化中矿物同位素组成均一，分馏极小；后期风化中Zn与Fe共沉淀形成赤铁矿和针铁矿，导致显著轻同位素分馏。该模型可解释84%的土壤-岩石锌同位素差异，为生态锌有效性评估提供依据。

　　锌同位素在大陆硅酸盐风化过程中的行为及其对营养元素循环的影响一直是地球化学研究的重要领域。风化作用不仅影响元素的地球化学循环，还可能通过同位素分馏过程提供关于物质来源和迁移路径的线索。然而，目前对风化过程中与矿物溶解和铁氧化物形成相关的锌同位素分馏方向和幅度仍缺乏明确的约束。为了深入探讨这一问题，研究团队对中国两个不同气候条件下形成的花岗岩风化剖面进行了综合研究，分别代表了初阶和高级的风化阶段，并结合了实验室实验，以期揭示控制锌同位素行为的关键机制。

在研究过程中，团队发现，在初阶风化阶段，例如北京的风化剖面，未受污染的风化层中锌同位素（δ??Zn）的值与母岩（0.02?±?0.04?‰）相似或略高（?0.07?‰至0.06?‰），尽管发生了约20%的锌损失。这一现象可以归因于原始矿物（如黑云母和角闪石）中锌同位素的均匀分布，以及在风化过程中可能达到的同位素平衡状态。通过提取不同组分进行分析，团队发现这些矿物的δ??Zn值相近，进一步支持了这一观点。此外，部分溶解的黑云母和角闪石表明，在溶解过程中同位素分馏较为有限，平均Δ??Zn值分别为?0.12?‰和?0.16?‰。这说明在风化初期，锌的释放和保留过程对同位素分馏的影响较小。

在高级风化阶段，例如广东的风化剖面，风化层中锌同位素的值明显低于母岩（?0.01?±?0.06?‰），呈现出较明显的负偏移（?0.15?‰至?0.41?‰）。这一负偏移主要由锌与铁氧化物共沉淀作用引起，尤其是在提取出的铁氧化物结构中，??Zn的富集程度更为显著（?0.62?‰至?0.35?‰）。为了验证这一机制，团队在不同离子强度和锌/铁比例条件下进行了铁氧化物（赤铁矿和针铁矿）与锌共沉淀的实验。实验结果显示，这两种铁氧化物在固相中优先富集轻质锌同位素，其Δ??Zn值分别在?0.54?‰至?0.19?‰和?1.94?‰至?1.66?‰之间变化。这种结构上的差异可能导致了铁氧化物中锌同位素的不均匀分布，从而解释了在自然风化剖面中观察到的锌同位素变化。

研究团队还发现，在初阶风化阶段，由于原始矿物中锌同位素的均匀分布，以及风化过程中可能达到的同位素平衡状态，锌同位素分馏非常有限。而在高级风化阶段，随着风化作用的加剧，锌在针铁矿、赤铁矿和粘土矿物中的相对分布对锌同位素组成产生了显著影响。这种差异表明，不同风化阶段的矿物学过程对锌同位素分馏的影响机制不同，且在自然风化剖面中观察到的锌同位素变化可能部分源于这些机制的差异。

通过将实验数据与自然风化剖面的观察结果相结合，研究团队揭示了锌同位素分馏在风化过程中的动态变化。这些发现不仅弥补了实验与自然风化之间的差距，还进一步阐明了控制锌同位素行为的机制。此外，这些结果还对理解风化强度和铁氧化物如何影响土壤中的锌迁移和保留提供了重要启示，具有深远的生态意义。

在自然风化剖面中，锌的同位素变化往往与实验室实验结果存在显著差异。例如，在初阶风化阶段，即使发生了约20%至40%的锌损失，风化层中的δ??Zn值仍与母岩相近或略高。而在高级风化阶段，风化层中锌同位素的富集程度明显高于母岩，呈现出负偏移。这些现象可能与不同矿物学过程有关，例如在高级风化阶段，铁氧化物（如针铁矿和赤铁矿）成为主要的锌载体，而这些矿物的形成路径和结构特征可能导致了锌同位素的不均匀分布。

为了更好地理解这些机制，研究团队对两个花岗岩风化剖面进行了综合分析，涵盖了从风化初期到高级阶段的锌同位素行为。通过对风化剖面的采样、序贯提取、矿物特异性溶解以及共沉淀实验，团队希望揭示不同风化阶段中锌同位素变化的关键因素。研究结果显示，在风化初期，由于原始矿物中锌同位素的均匀分布，以及风化过程中可能达到的同位素平衡状态，锌同位素分馏非常有限。而在高级风化阶段，锌在不同矿物中的相对分布对同位素组成产生了显著影响，尤其是在铁氧化物中优先富集轻质锌同位素的机制。

此外，研究团队还发现，不同矿物的形成路径和结构特征对锌同位素分馏的影响可能部分解释了实验与自然风化之间的差异。例如，在高级风化阶段，针铁矿和赤铁矿的形成方式不同，针铁矿通过溶解–沉淀过程形成，而赤铁矿则主要通过固态转化形成。这种结构上的差异可能导致了锌在这些矿物中的不同结合方式，从而影响了其同位素组成。因此，研究团队认为，不同矿物的结构特征和形成路径是导致锌同位素分馏差异的重要因素。

通过将实验数据与自然风化剖面的观察结果相结合，研究团队揭示了锌同位素分馏在风化过程中的动态变化。这些发现不仅弥补了实验与自然风化之间的差距，还进一步阐明了控制锌同位素行为的机制。此外，这些结果还对理解风化强度和铁氧化物如何影响土壤中的锌迁移和保留提供了重要启示，具有深远的生态意义。

研究团队的成果表明，在不同风化阶段，锌同位素的变化主要由不同的矿物学过程控制。在初阶风化阶段，由于原始矿物中锌同位素的均匀分布，以及风化过程中可能达到的同位素平衡状态，锌同位素分馏非常有限。而在高级风化阶段，锌在不同矿物中的相对分布对同位素组成产生了显著影响，尤其是在铁氧化物中优先富集轻质锌同位素的机制。这些发现为理解锌同位素在风化过程中的行为提供了新的视角，有助于进一步探讨锌在生态系统中的生物可利用性及其在不同气候条件下的迁移规律。

研究团队还强调，尽管锌同位素在风化过程中的行为已被广泛研究，但对其在不同风化阶段的分馏机制仍缺乏全面的约束。因此，通过结合自然风化剖面的观察和实验室实验，团队希望为这一领域提供更系统的理解。这种综合研究方法不仅有助于揭示锌同位素在风化过程中的行为，还可能为其他元素的同位素研究提供借鉴。此外，研究团队的成果对理解锌在生态系统中的生物可利用性以及如何缓解锌缺乏症具有重要的应用价值。

通过这些研究，团队发现，锌同位素在风化过程中的行为受到多种因素的影响，包括矿物的类型、风化强度以及形成路径。在初阶风化阶段，由于原始矿物中锌同位素的均匀分布，锌的释放和保留过程对同位素分馏的影响较小。而在高级风化阶段，锌在不同矿物中的相对分布对同位素组成产生了显著影响，尤其是在铁氧化物中优先富集轻质锌同位素的机制。这些发现不仅为理解锌同位素在风化过程中的行为提供了新的视角，还可能为其他元素的同位素研究提供借鉴。

研究团队还指出，尽管锌同位素在风化过程中的行为已被广泛研究，但对其在不同风化阶段的分馏机制仍缺乏全面的约束。因此，通过结合自然风化剖面的观察和实验室实验，团队希望为这一领域提供更系统的理解。这种综合研究方法不仅有助于揭示锌同位素在风化过程中的行为，还可能为其他元素的同位素研究提供借鉴。此外，研究团队的成果对理解锌在生态系统中的生物可利用性以及如何缓解锌缺乏症具有重要的应用价值。

通过这些研究，团队发现，锌同位素在风化过程中的行为受到多种因素的影响，包括矿物的类型、风化强度以及形成路径。在初阶风化阶段，由于原始矿物中锌同位素的均匀分布，锌的释放和保留过程对同位素分馏的影响较小。而在高级风化阶段，锌在不同矿物中的相对分布对同位素组成产生了显著影响，尤其是在铁氧化物中优先富集轻质锌同位素的机制。这些发现不仅为理解锌同位素在风化过程中的行为提供了新的视角，还可能为其他元素的同位素研究提供借鉴。

研究团队的成果表明，锌同位素在风化过程中的行为受到多种因素的影响，包括矿物的类型、风化强度以及形成路径。在初阶风化阶段，由于原始矿物中锌同位素的均匀分布，锌的释放和保留过程对同位素分馏的影响较小。而在高级风化阶段，锌在不同矿物中的相对分布对同位素组成产生了显著影响，尤其是在铁氧化物中优先富集轻质锌同位素的机制。这些发现不仅为理解锌同位素在风化过程中的行为提供了新的视角，还可能为其他元素的同位素研究提供借鉴。

研究团队还指出，尽管锌同位素在风化过程中的行为已被广泛研究，但对其在不同风化阶段的分馏机制仍缺乏全面的约束。因此，通过结合自然风化剖面的观察和实验室实验，团队希望为这一领域提供更系统的理解。这种综合研究方法不仅有助于揭示锌同位素在风化过程中的行为，还可能为其他元素的同位素研究提供借鉴。此外，研究团队的成果对理解锌在生态系统中的生物可利用性以及如何缓解锌缺乏症具有重要的应用价值。

通过这些研究，团队发现，锌同位素在风化过程中的行为受到多种因素的影响，包括矿物的类型、风化强度以及形成路径。在初阶风化阶段，由于原始矿物中锌同位素的均匀分布，锌的释放和保留过程对同位素分馏的影响较小。而在高级风化阶段，锌在不同矿物中的相对分布对同位素组成产生了显著影响，尤其是在铁氧化物中优先富集轻质锌同位素的机制。这些发现不仅为理解锌同位素在风化过程中的行为提供了新的视角，还可能为其他元素的同位素研究提供借鉴。

研究团队还强调，锌同位素在风化过程中的行为对于理解生态系统中的营养元素循环具有重要意义。特别是在亚热带和热带土壤中，锌的生物可利用性及其在土壤中的迁移和保留模式可能受到风化强度和铁氧化物的影响。因此，研究团队的成果不仅为锌同位素在风化过程中的行为提供了新的视角，还可能为其他元素的同位素研究提供借鉴。此外，这些研究对缓解锌缺乏症具有重要的应用价值，有助于进一步探讨如何通过改善土壤条件来提高锌的生物可利用性。

综上所述，研究团队通过对中国两个不同气候条件下形成的花岗岩风化剖面的综合分析，揭示了锌同位素在风化过程中的行为及其分馏机制。这些发现不仅填补了实验与自然风化之间的研究空白，还为理解锌在生态系统中的生物可利用性提供了新的视角。此外，研究团队的成果对缓解锌缺乏症具有重要的应用价值，有助于进一步探讨如何通过改善土壤条件来提高锌的生物可利用性。