钾同位素揭示硅酸盐风化强度的时间变化规律

《Nature Communications》：K isotopes trace temporal silicate weathering intensity

本研究针对如何有效示踪硅酸盐风化强度随时间变化的难题，研究人员通过高分辨率监测黄河中游水体溶解态K同位素（δ41Krw）的季节性变化，发现δ41Krw值受硅酸盐溶解后铝硅酸盐新形成的控制，并建立了δ41Krw= -0.07 × ln(W/D) - 0.38的经验关系式，为评估地球气候-岩石相互作用提供了新的地球化学指标。

　　

在地球漫长的演化历史中，硅酸盐风化作用如同一个巨大的恒温器，通过消耗大气中的二氧化碳，调节着全球气候，维持着地球的宜居性。然而，科学家们一直苦于缺乏有效的手段来追踪硅酸盐风化强度，特别是其随时间变化的规律。传统的空间尺度研究难以捕捉气候驱动下风化作用的动态响应，这限制了我们深入理解构造运动与气候变化在控制全球风化碳汇中的相对作用。

为了破解这一难题，由长安大学苟龙飞和中国科学院地球环境研究所金章东领导的研究团队，将目光投向了钾（K）同位素。钾元素几乎全部赋存于硅酸盐矿物中，其两个稳定同位素（³⁹K和⁴¹K）在风化过程（如溶解、吸附和结合进入次生矿物）中会发生分馏，这使得钾同位素有潜力成为示踪化学风化强度的利器。尽管前期全球河流的空间尺度研究揭示了钾同位素与风化强度之间存在微弱联系，但其对气候驱动的季节性风化强度变化的响应模式仍属未知。

研究团队选择了东亚季风气候影响下的黄河中游作为天然实验室。该区域植被稀疏，减少了生物吸收对钾同位素分馏的干扰；其流域广泛覆盖的黄土，化学组成均一，近似上大陆地壳的平均成分，是理想的研究对象；而强烈的季风气候则带来了显著的温度、降水和径流季节性变化，为研究风化作用的时间动态提供了完美条件。研究团队在2013年对龙门水文站进行了每周一次的高分辨率采样，获取了60个河水样品，并分析了其钾浓度和钾同位素组成（δ⁴¹K_rw），同时结合水文、水化学和悬浮颗粒物通量等数据，系统揭示了钾同位素行为的控制机制。

本研究主要运用了野外高频采样、水体主量离子化学分析、黄土连续提取实验以及高精度钾同位素分析等关键技术方法。样本队列来源于黄河中游龙门水文站2013年全年的周度河水样品，以及作为流域物源背景的黄土样品。

研究结果

季节性水文与物理侵蚀速率变化

2013年，黄河中游水温从1月的0°C升至8月的29°C。径流量在1-2月较低，3月出现一个由冰雪融化导致的小峰值，5月降至最低（152 m³/s）。 monsoon季节（6月至9月中旬）径流量持续较高（>600 m³/s），并在7月22-25日的暴雨事件中达到峰值（2400 m³/s）。悬浮颗粒物（SPM）通量在季风季节比旱季高一到四个数量级，表明季风期有大量黄土被侵蚀入河。

钾浓度与来源

河水钾浓度（[K⁺]）平均为110 μmol/L，范围在89 μmol/L（暴雨事件）至163 μmol/L（冬季）之间，呈现明显季节性变化。通过端元混合模型计算，溶解态钾主要来源于硅酸盐风化（年均占比73±6%），其次为蒸发岩溶解（26±6%），而大气降水、碳酸盐风化和人为输入（如污水）的贡献可忽略不计。河水钾通量与物理侵蚀速率呈正相关。

钾同位素季节性格局

黄河中游河水δ⁴¹K_rw值表现出强烈的季节性，范围在-0.37‰至+0.27‰之间，超出了0.11‰的分析误差，其变化幅度甚至覆盖了全球河流观测到的空间变化范围。寒冷干旱季节，δ⁴¹K_rw值较低（-0.37‰至-0.10‰）；而温暖湿润的季风季节，δ⁴¹K_rw值较高（-0.10‰至+0.27‰）。黄土连续提取实验显示，其硅酸盐组分δ⁴¹K_sil为-0.36±0.12‰，而次生的蒸发盐和碳酸盐组分具有相对偏重的同位素组成。雨水、污水和地下水样品的δ⁴¹K值均与河水不同，排除了它们对河水钾同位素信号的主导影响。

讨论与机制阐释

研究表明，河流溶解态钾同位素组成主要受硅酸盐溶解和随后铝硅酸盐新形成过程中的同位素分馏控制。模拟计算表明，单纯的溶解过程（无论是瑞利分馏还是批次分馏）或单纯的次生矿物结合过程均不能完全解释观测数据，而溶解（释放轻钾同位素）与结合（使河水富集重钾同位素）过程的混合效应能更好地模拟δ⁴¹K_rw与K/Na比值的关系。质量依赖扩散和温度效应被排除为主要控制因素。δ⁴¹K_rw与SPM浓度正相关，以及与溶解态K/Sr比值、K/Na和Si/Na*比值的协同变化，均支持铝硅酸盐新形成（如伊利石等粘土矿物）是导致钾同位素分馏的关键过程。流体的矿物饱和指数计算也支持这一机制。

建立风化强度指标

基于上述认识，研究提出了利用钾同位素示踪硅酸盐风化强度（W/D，即硅酸盐化学风化通量W与总剥蚀通量D之比）的新指标。当W/D比值高（风化强度高）时，溶解态钾通量相对于固体钾通量占比高，河水δ⁴¹K_rw值偏轻，主要反映硅酸盐溶解信号；当W/D比值低（风化强度低）时，溶解态钾通量占比低，河水δ⁴¹K_rw值偏重，反映轻钾同位素优先结合进入次生粘土矿物。据此，研究建立了δ⁴¹K_rw= -0.07 × ln(W/D) - 0.38的经验关系式。与锂同位素示踪风化强度时出现的“回旋镖”式复杂关系不同，钾同位素与W/D呈单向变化关系，这可能使其应用更为简便。

结论与意义

这项发表于《Nature Communications》的研究首次揭示了河流溶解态钾同位素（δ⁴¹K_rw）对硅酸盐风化强度时间变化的响应规律。研究证实，在均一黄土物源和强烈季风气候背景下，δ⁴¹K_rw的季节性变化主要受硅酸盐溶解后铝硅酸盐新形成的控制，并由此建立了其与硅酸盐风化强度（W/D）之间的定量经验关系。

该研究的意义重大。首先，它提供了一种新的地球化学工具，用于评估现代和地质历史时期硅酸盐风化强度对气候变化的响应，有助于厘清构造抬升与气候变化在调控全球碳循环中的相对重要性。其次，研究指出河流输入通量中钾同位素组成的重大时间变化，可能为解释海水中偏重的钾同位素组成（δ⁴¹K_sw~ +0.12‰）相对于上大陆地壳（δ⁴¹K ~ -0.44‰）的差异提供了新的视角，新生代以来诸如青藏高原隆升等事件导致的大规模不协调风化可能是一个重要机制。最后，尽管碳酸盐易受生物分馏影响，但海洋自生粘土矿物（如伊利石、海绿石）可能成为重建古海水钾同位素组成的可靠载体，从而有望揭示地球历史上风化-气候反馈的长期演变。这项研究开启了利用钾同位素探索地球表生过程与长期气候变化联系的新篇章。