大湾区中生代花岗岩风化成壤过程中硅元素释出机制——以珠海斗门为例

硅是植物生长的有益元素,也是人和其他动物生长发育、骨骼形成不可或缺的微量元素。在地球表层系统中,大多数的硅以硅酸盐矿物和石英的形式赋存于岩石之中。伴随着地表硅酸盐矿物的风化,硅可以水为载体不断向周边环境释放并参与到生物地球化学循环中,为陆地和海洋生物提供所需的硅元素,维持生态系统健康,在全球物质循环中起着重要作用(Yang Jinling et al.,2018)。

山脉隆升驱动硅酸盐风化机制研究进展

山脉隆升与气候变化的关系是近几十年来的研究热点。自20世纪80年代著名的“构造抬升驱动气候变冷”假说在提出以来,山脉隆升通过硅酸盐风化驱动百万年尺度气候变化的观点已深入人心。尽管许多大陆风化记录已经建立,但它们往往存在多解性,难以直接验证该假说。这激发了大量从现代过程角度验证该假说的研究,但部分研究发现山地流域的风化不受物理剥蚀过程控制,因此不太可能响应构造活动而发生变化,与“构造抬升驱动气候变冷”假说的核心观点相矛盾。文章综述了山脉隆升驱动硅酸盐风化机制研究的相关进展并分析了这一矛盾产生的原因,探讨了异地风化作为解决该矛盾的新风化机制的可能性,并初步展望了异地风化研究领域的机遇和挑战。

辽南地区红色风化壳发育空间差异对比研究

石英颗粒表面形态特征广泛应用于重建古气候与古环境的演变特征.基于野外调查,选取辽南地区拉树房和七顶山红色风化壳剖面作为研究区,利用扫描电镜对石英颗粒表面化学特征进行观察,并引用化学作用度函数,在定性描述的基础上进行定量研究.进一步明确两地红色风化壳在同一发育时期的气候差异.结果表明:拉树房剖面和七顶山剖面均以高能化学环境为主,处于中等化学风化阶段,发育环境为温暖湿润的气候条件,其中,拉树房剖面红色风化壳发育期间气候波动较大,七顶山剖面较稳定.距基岩120 cm处、距基岩80 cm处、距基岩40 cm处的溶蚀及沉淀特征发育程度总体上呈递减趋势.分析化学作用度、环境颗粒百分比以及化学蚀变指数,三者的变化趋势呈现出很好的同步性,符合风化壳发育前锋理论.

真菌促进硅酸盐矿物风化的速率、机制以及地质、地球化学效应

真菌分布广泛,从地球表层到深达1.4 km的陆壳都可以找到它们的存在。根据它们的生态习性和营养方式,真菌可分为腐生、共生和寄生真菌。菌丝是真菌的基本结构单位。真菌的菌丝通过其顶端延长的生长方式和强大的代谢能力,在硅酸盐矿物的风化过程中发挥独特的作用,尤其是对含有营养元素的硅酸盐矿物。这一过程调控着成壤、成矿,以及元素的生物地球化学循环等重要地质与地球化学过程。但是,真菌在硅酸盐自然风化过程中发挥的作用一直没有受到足够的重视。本文首先梳理了真菌的生长方式,旨在阐明其促进硅酸盐矿物风化的速率、机制以及对硅酸盐矿物自然风化的贡献。通过文献回顾并结合全球变化的背景,本文提出了未来相关工作重点攻关方向;(1)进一步限定真菌在自然环境中对硅酸盐矿物风化的贡献;(2)阐明真菌促进的硅酸盐矿物风化与地质、地球化学过程的偶联;(3)应用功能真菌提高陆地增强硅酸盐风化(enhanced silicate weathering)的碳去除效率。这些研究将深化对真菌在地表关键过程中扮演角色的认识,为地球系统模型(GEOCARB、COPSE和SCION)提供重要信息,提高不同圈层相互作用预测的准确性,并为增强硅酸盐风化实现高效固碳提供新途径和科学依据。

极地化学风化漫谈

在地质历史时期,大陆化学风化作为一种调节气候的负反馈机制,是维持“宜居地球”的关键。然而,地质记录中的证据显示,新生代以来气温逐渐下降,而大陆化学风化却逐渐增加,对这一机制提出了挑战。深入研究化学风化和温度的关系成为解答这一矛盾的关键,也是当前地球系统科学研究的热点。近期有研究显示,高纬极地地区虽然温度低,但其河流沉积物的化学蚀变指数(chemical index of alteration,CIA)却达到中等风化水平。因此,深入研究极地化学风化,可能是打开风化与温度之谜的关键钥匙。本文回顾了南北两极地区化学风化研究的主要进展和成果,并尝试总结极地地区化学风化的主要特征。南北两极不同的地理格局和地质背景决定了两极化学风化的差异。南极大陆由于冰盖覆盖缺乏河流,沉积物多为就近搬运和沉积;而北极地区周边大陆有众多大型河流,源-汇体系发育,水文条件和母岩属性决定了北极地区具有更强的沉积风化记录。相比低纬热带典型风化区域,目前对极地地区尤其是南极地区化学风化的研究仍十分欠缺,新兴地球化学分析开展的较少。在未来大陆风化研究中,重视和加强两极地区的化学风化研究有利于完善低温条件下的化学风化机理的探索;同时,在当今全球变暖和极地放大效应的影响下,研究极地的化学风化如何加速全球碳汇效应可以加深对全球气候变化理论的认识。

古生物化石的风化机理与保护研究进展

化石是研究地质历史、气候变迁、生物演化等的实证,有着极其重要的科学价值。一般情况下,化石经过成岩和化石化作用被无机矿物交代,有一定的抗风化能力,在经过常规清理加固处理即可稳定保存。然而在相对潮湿的环境中,部分化石因其组成成分容易发生物理化学变化,从而开裂粉化,严重威胁其保存。笔者等简要回顾了化石修理加固技术的发展历史,并从风化机理和保护两方面着重介绍了当前学界对化石中盐风化、黄铁矿氧化、干燥失水开裂等方面的研究进展,最后简要对化石保护与文物保护的关系进行论述,以期推动化石保护学科的深入发展。

岩石有机碳风化及其控制因素

岩石有机碳为岩石地层中的有机碳,是地球上重要的碳储库。岩石有机碳的氧化、风化过程向大气排放二氧化碳,是地质碳循环过程的关键环节,对维持地球长尺度碳平衡以及表层环境的长期宜居性有重要意义。近年来,岩石有机碳氧化、风化过程的研究取得了显著发展,相关研究已经从剖面拓展到流域尺度,定量方法也在日益精确。本文系统综述了近些年国内外针对岩石有机碳自身结构性质、风化速率定量方法、控制因素和风化通量统计等问题的研究现状,以期对全球范围内岩石有机碳风化在研究地质碳循环过程中的关键性和当前进展及发展趋势有更加系统性的认识,并对相应的关键性科学问题进行更加深入系统的研究。

花岗闪长岩和玄武岩风化过程中的稀土元素分异

稀土元素(REE)在表生风化过程中表现出独特的分布规律与分异特征,对于示踪化学风化和成土过程意义重大。本研究对湖南攸县玄武岩风化剖面样品进行了酸淋滤处理(1 mol/L HCl淋滤),并分别测试了残渣态、酸溶态组分的元素地球化学组成。结合前人在福建仙游花岗闪长岩剖面的矿物学及元素地球化学数据,对比研究了花岗闪长岩和玄武岩风化过程中的稀土元素分异行为。结果表明,仙游剖面与攸县剖面全岩样轻、重稀土分异特征受原生矿物(如富稀土难溶副矿物、斜长石)影响明显,多代表成土母质信息;两剖面的酸溶态组分轻、重稀土分异特征与次生黏土矿物组成相关(高岭石影响明显,蒙脱石无影响),多反映环境信息;pH值变化以促进磷酸盐矿物溶解的方式深刻影响着中稀土元素行为,因此酸溶态组分的中稀土元素组成信息不具地质意义。研究揭示,通过对风化剖面酸溶态组分稀土含量参数(ΣREE)及轻、重稀土分异程度参数(La/Yb)P的联用,可有效消除岩性(成土母质)因素的影响,精确示踪风化成土过程的不同阶段,从而可以作为剖面风化程度的替代性指标。

镁同位素示踪大陆风化:进展与挑战

大陆风化制约着地表物质循环及其从陆地向湖泊/海洋的迁移,并通过消耗大气CO_(2)调节不同时间尺度的全球碳循环和气候变化,因此如何有效示踪大陆风化是地球表生过程研究的重要科学问题之一。镁(Mg)无化合价变化,不涉及氧化还原作用,主要赋存于硅酸盐岩和碳酸盐岩中,并且在表生地质过程中Mg同位素通常会发生显著的同位素分馏,这些优势赋予Mg同位素体系具备示踪大陆风化的广阔潜力。随着质谱技术的不断提高,高精度Mg同位素分析技术经历了快速且成熟的发展,并在示踪大陆风化作用研究中得到了广泛的应用。然而,风化体系中Mg的来源和同位素分馏的制约要素争议颇多,尚未达成共识。本文从Mg的储库、风化壳、流域体系、室内实验和模型模拟等方面综述了目前Mg同位素示踪大陆风化的研究进展与存在的挑战。最后指出,在示踪大陆风化方面,Mg同位素提供了独特的视角,建议细化岩石/矿物溶解及形成实验、大小流域相结合、加强多同位素体系联用并相互补充与验证,以及加强计算模型模拟,以此来约束Mg同位素示踪大陆风化的不确定性。

大兴安岭东缘岩浆岩区地表基质风化成土过程常量元素特征及其意义

岩石—土壤风化成土过程中元素地球化学特征对于理解不同类型地表基质的转化机理和耦合关系有重要意义(侯红星等,2022)。笔者选取大兴安岭地区不同类型岩浆岩原生风化剖面为研究对象,查明常量元素在风化成土过程中迁移转化及分布规律特征,为解释岩浆岩背景区地表基质岩石风化与土质成土过程耦合关系研究提供依据。

海南岛火山岩砖红壤铁质风化壳主量元素特征

通过对海南岛西北部火山岩砖红壤铁质风化壳剖面样品进行主量元素含量检测及风化特征指数、迁移系数计算,揭示海南岛火山岩砖红壤铁质风化壳的主量元素分布、风化强度和迁移特征。结果表明:风化壳主量元素以Fe_(2)O_(3)、Al_(2)O_(3)、SiO_(2)为主,K、Na、Ca、Mg等易溶组分含量较低;Fe_(2)O_(3)、Al_(2)O_(3)富集,SiO_(2)淋失,符合热带地区风化特征。风化层的化学蚀变指数(CIA)高达95%以上,铁铝率(Fe_(2)O_(3)/Al_(2)O_(3))上升,莫耳比率(BA)较低,硅铁铝率(SiO_(2)/R_(2)O_(3))、BA下降。以Zr为参比元素,Fe_(2)O_(3)、Al_(2)O_(3)迁移系数大于1,最大可达4.039;Na_(2)O、K_(2)O、CaO、MgO、SiO_(2)迁移系数小于1,可低至-0.998。研究认为,海南岛西北部火山岩砖红壤铁质风化壳表现为典型的脱硅富铁,铁元素强烈富集,其他元素淋失明显,且铁、铝元素发生了的分异,是比较成熟的风化壳。

风化作用的最终产物及其对沉积物的供给

随着社会的不断进步,风化作用的最终产物及其对沉积物的供给备受关注和重视。基于此,岩石风化作用研究工作者需要不断提升自身的专业素质。由于炳松、梅冥相编著,地质出版社于2016年10月出版《沉积岩岩石学》一书,是沉积岩岩石学研究的重要成果,该书使用理论联系案例知识的模式,对风化作用的最终产物及其对沉积物的供给进行充分研究和分析,能够发挥重要意义。该书共18章内容,第1章绪论;第2章对沉积岩的形成作用等进行了论述;第3章则呈现出了沉积岩的主要特征等内容;第4章则分析了陆源碎屑岩(一).

鄂尔多斯盆地南缘奥陶系顶部碳酸盐岩风化壳特征及其成因机制

在加里东期构造作用下,鄂尔多斯盆地中晚奥陶世整体抬升,直至晚石炭世再次接受沉积,期间经历了近1.5×108年的风化剥蚀,发育对天然气聚集具有重要意义的奥陶系碳酸盐岩风化壳。文中选取鄂尔多斯盆地南缘1口典型井,依据矿物成分、主微量元素和测井响应特征分析该套风化壳的垂向结构、风化蚀变程度和古气候环境,进而复原其形成过程并探讨相关保存机制。研究结果表明:(1)风化壳自上而下可分为风化残积层、强风化带、弱风化带和基岩层,整体风化程度较强,各层段的测井响应特征均十分显著。(2)在该风化壳剖面中,TiO_(2)、Al_(2)O_(3)和Fe_(2)O_(3)富集,SiO_(2)轻微亏损,Ca、Mg和Na较强亏损。(3)根据古纬度数据,结合相关地球化学指标,认为鄂尔多斯盆地南缘晚古生代发育海陆过渡相沉积,风化壳形成时的年平均气温为28.15℃,处于潮湿—半干旱的环境,属热带—亚热带气候。(4)风化壳各层段裂缝普遍发育,表明鄂尔多斯盆地南部地区存在岩溶裂缝-洞穴系统,虽后期因地貌高差影响导致风化壳各结构层厚度不一,但在地势较为平缓地区,风化壳结构层的保存机率更大,因而是后期风化壳气藏勘探的有利场所。上述结果可为今后鄂尔多斯盆地马家沟组岩溶风化壳型油气藏和本溪组含铝岩系的勘探提供一定的借鉴。

青藏高原盐湖反风化作用与关键元素循环

盐湖环境中的反风化(reverse weathering,又称逆风化)是指逆向的化学风化作用,通常指盐湖内部自生黏土矿物或碳酸盐矿物的形成过程,是控制盐湖关键元素地球化学循环的重要机制。青藏高原是地球上关键的盐湖区,既是内陆生态系统重要的碳库,又富含锂、钾、铷、铯等关键矿产资源。青藏高原盐湖的水化学类型多样,包括碳酸盐型、硫酸盐型和氯化物型,不同的水化学特征决定了盐类和黏土矿物的种类及其形成机制的差异。本文综述了盐湖环境中硅酸盐和碳酸盐反风化作用的研究进展,并探讨青藏高原盐湖反风化作用对关键元素地球化学循环的影响。青藏高原盐湖中自生黏土矿物的形成(如伊利石)是对盐湖卤水锂、钾、铷、铯等关键元素最重要的消耗机制;而碳酸盐的形成对关键金属元素消耗影响很小,除非形成含关键金属元素的独立矿物,如扎布耶石。自生黏土矿物和碳酸盐的形成均会显著影响湖泊的无机碳循环。目前,盐湖反风化作用程度的量化、控制因素解析和对关键元素损耗的影响程度是盐湖矿产资源研究的关键问题。当前非传统稳定同位素技术的快速发展为盐湖反风化研究提供了新机遇。青藏高原盐湖是反风化研究的天然实验室,开展盐湖反风化研究不仅可以深入理解青藏高原盐湖的关键金属元素成矿作用及碳循环过程,而且有助于丰富反风化理论。

安徽巢湖沉积物常量元素特征及其揭示的流域风化强度演变

全新世是人类文明形成发展的重要时期,把握全新世以来气候变化规律将有助于理解全球气候变化,科学应对突发气候事件。通过对安徽巢湖SZK1507孔岩芯沉积物的常量元素含量及其比值特征进行分析,结合AMS^(14)C测年重建了巢湖流域10.8 cal.ka B.P.以来的风化强度演变过程,揭示了流域气候环境变化和可能存在的气候突变事件,并初步探讨了化学风化强度可能的影响因素。结果表明:(1)环境代用指标化学蚀变指数(CIA)、残积系数(Ki)的谷值与风化淋溶系数(Ba)、退碱系数(w)的峰值均出现在砂层和粉砂层,表明砂层和粉砂层的化学风化程度较弱于其他层位。(2)阶段Ⅰ(10.8~9.9 cal.ka B.P.)和阶段Ⅲ(9.3~5.7 cal.ka B.P.)化学风化作用强烈,阶段Ⅱ(9.9~9.3 cal.ka B.P.)化学风化作用弱,阶段Ⅳ(5.7~2.3 cal.ka B.P.)化学风化作用逐渐减弱,阶段Ⅴ(2.3 cal.ka B.P.以来)化学风化作用变化频繁,整体呈减弱特征;此外,化学风化强度与气候变化具有较好的一致性,揭示了全新世以来巢湖流域经历了偏湿→偏干→湿润→湿润转干→变干为主的气候环境演变过程。(3)风化强度变化记录很好地表征出9.3、8.2、4.2和2.8 ka B.P.气候突变事件。通过对巢湖湖相沉积物11000 cal.a B.P.以来的化学蚀变指数、30°N夏季太阳辐射量、神农架三宝洞δ18O记录、神农架大九湖δ^(13)C记录等进行综合对比发现,构造抬升运动提供了稳定的陆源碎屑物质,流域气候环境条件是化学风化强度的控制因素,气候变化背景下的植被演替也影响着风化作用强弱,而粒度主要影响着沉积物化学元素组成。

中国岩石风化作用所致的碳汇能力估算

岩石的风化作用同时参与了短时间尺度和长时间尺度的全球碳循环 ,对碳酸盐岩而言 ,它的风化作用在短时间尺度上对大气二氧化碳循环具有重要影响 ,但在长时间尺度上不产生净碳汇 ;而硅酸盐岩等其他类型岩石的风化过程由于反应速率较慢 ,在短时间尺度上对全球碳循环及其变化反应不灵敏 ,但它所产生的净碳汇是遗漏汇的组成之一 .为了准确估计我国岩石风化所致的碳汇能力 ,简要评价了现有的各种模型和方法 ,并基于GEM -CO2 模型进行了计算 .计算结果表明 ,我国岩石每年因溶蚀、风化作用共消耗的CO2 约为 4 .72× 10 7t,折合成C为 1.4 1× 10 7t,其中由碳酸盐类岩石风化消耗的碳量最多 ,约为 0 .74× 10 7t/a ,占总量的 5 2 .6 5 % .硅酸盐岩及其他类型岩石风化消耗的碳量约为 0 .6 7× 10 7t/a ,占总量的 4 7.35 % .岩石风化所致碳汇能力的空间分布首先取决于岩石类型 ,其次受地区的气候条件控制 .

华北北部花岗岩风化穴形成机制与环境意义

通过对华北北部3个地区花岗岩风化穴的调查研究,对其形态类型和成因作了详细讨论.研究区风化穴从形态上可分为底穴型(锅穴)、沟槽型、边墙型以及前三者的组合.根据形态特征分析,首次提出锅穴主要与局部岩面上大气降水的长时间停留有关;沟槽型则与岩面流水有关,主要沿岩面半固定流路发育;边墙型大多起源于结构构造引起的岩石抗蚀性能的不均匀性.组合型在成因上则与前述3种机制中的一种或几种有关.风化穴作为裸岩表面差异风化的产物是一种广域型地貌景观,其空间分布并不指示特定的地理环境,但锅穴在形态特征上与环境要素关系密切,具有明显的环境意义.

贵州西部中、上二叠统界线附近风化壳类型及成矿作用

贵州西部中、上二叠统界线附近普遍存在不整合面,在不整合面上往往发育厚度不等的风化壳。风化壳主要可归纳为三种类型:茅口组顶部的喀斯特漏斗、洼地中堆积的红粘土风化壳,锰质(铁质)风化壳,峨眉山玄武岩喷发间断面上或玄武岩顶部与龙潭组(宣威组)之间的的高铝高岭石风化壳。喀斯特侵蚀面上的红土风化壳是红土型金矿的赋存层位,峨眉山玄武岩喷发间断面上的高铝高岭石风化壳是铜矿、铝土矿赋存层位,喀斯特侵蚀面上的锰质(铁质)风化壳是锰矿、铁矿赋存层位,而玄武岩顶部与龙潭组(宣威组)之间的高岭石粘土风化壳是稀土、硫铁矿、铝土矿赋存层位。中、上二叠统界线附近风化壳对金、铜、铝土、硫铁、锰和稀土有明显的控制作用。

灵台红粘土和黄土-古土壤序列的地球化学演化

沉积物的化学成分无疑取决于来源物质的成分和沉积后的化学作用。对来自于甘肃灵台7MaBP以来风成沉积序列的红粘土、黄土和古土壤样品的化学分析表明，风成沉积物化学成分的演化主要由沉积前所经历的各种地表作用（尤其是风化作用）所决定，当地成壤作用对化学成分的影响叠加在106a演化趋势上5反映风化程度的化学指标Na／Al值和Fe2+／Fe3+值总体均呈逐步增加的趋势，基本一致于上新世以来全球气候变化的趋势，这可能与青藏高原隆升和北半球冰盖发育加速粉尘物质源区侵蚀同时降低化学风化程度有关。

花岗岩风化程度的化学指标及微观特征对比——以香港九龙地区为例

据香港九龙 3个不同工程场地取得的 1 49件不同级别的风化花岗岩样品的化学分析结果 ,用统计学方法 ,从反映岩石风化程度的 1 8项化学指标中选取 9项进行了分析计算。对其结果及其与风化程度分级的关系的研究表明有 4种指标比较理想。通过对样品微观特征的观察研究和矿物成分、微孔隙率以及综合显微岩石指标 (Ip)进行了描述和定量分析 ,发现其中一些指标有一定相关性。这些化学指标和微观特征相关的统计值在一定程度上可定量表征花岗岩的风化程度 ,即 :随风化作用进行 ,碱、碱土金属组分逐渐淋失 ,脱硅、富铝铁化作用逐渐加强 ;相应地 ,先是钠长石风化成高岭石 ,其次为云母和钾长石的风化。粘土矿物所占体积百分比随风化程度增高而变大 ,至残积土 (Ⅵ级 )时已达 50 %左右 ;Ip 指标值下降 ,微孔隙率增高。