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)。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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).

江西龙南花岗岩风化壳形成和演化的铀系不平衡约束

花岗岩风化壳在我国华南地区广泛分布,其形成和演化对地貌、生态环境和矿产资源等具有重要影响。作为风化壳最基本的参数之一,生成速率是理解风化壳形成和演化的关键因子。铀系不平衡法是当前广泛应用于确定风化壳生成速率的重要地球化学手段,由于稀释剂获取困难,我国开展的研究较少。本研究以江西龙南花岗岩风化壳剖面为研究对象,开展铀系不平衡研究以确定其生成速率。研究结果显示:风化壳剖面中U和Th的含量范围分别为(3.25~3.39)×10^(-6)和(41.46~47.67)×10^(-6);活度比(^(234)U/238U)a、(^(230)Th/^(234)U)a和(^(230)Th/^(232)Th)a范围分别为1.008~1.023、1.063~1.112和0.239~0.271。通过铀系不平衡法对铀系同位素进行拟合后得到风化壳20~120 cm区域的演化时间约为841 ka,据此确定风化壳的生成速率约为1.2 m/Ma。本研究中,控制风化壳生成速率的因素主要是表层覆盖,气候和构造的影响很小。此外,由于风化壳的生成速率远低于宇宙成因核素确定的剥蚀速率,因此风化壳的演化状态为厚度逐渐减小的非稳态。

中纬度造山带地区的长期化学风化——中亚和北美的对比研究

长期化学风化速率(LCWR)和化学风化剥蚀率(CDF)是表征区域化学风化程度和揭示地貌和气候系统演变的重要依据。全球尺度上,中纬度地区的长期化学风化研究远比低纬地区争议更多,原因之一是其风化机制在理论认识上仍存在不确定性,特别是造山带地区的长期化学风化与物理侵蚀、构造、气候之间的关系等。本文利用地球化学质量平衡方法,针对北半球中纬度典型造山带(中亚黑河流域和北美内华达山脉)开展了相关数据和资料的系统整理与再分析,估算了黑河流域的LCWR值和物理侵蚀速率(E)值并与内华达山脉进行了对比研究。分析结果表明,黑河流域、内华达山脉的LCWR分别为17.4~895t/km^(2)/a、1~173t/km^(2)/a,CDF分别为0.17~0.81、0.02~0.61,LCWR与E均显著正相关,与海拔高度、年均温度、年均降水量等仅局部相关。研究区的长期化学风化主要表现为“供应受限型”风化,但黑河流域局部地区已处于“供应受限”与“动力学受限”过渡的风化阶段。结合回归分析结果和已有成果的综合分析,中纬度造山带地区的长期化学风化速率受到地质、气候等因素的协同影响,但主控因素为地质因素,而化学风化剥蚀率则主要受控于其他因素。

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。

河口离子交换过程对流域化学风化通量估算的影响

大陆风化是构造尺度上维持地球系统气候稳定的重要机制,河水主要离子组成分析是约束流域风化类型和速率的主要方法,然而悬浮物与水体间阳离子置换对风化通量评估的重要性并未得到足够重视。本研究使用NH4Cl及Mg(NO_(3))_(2)溶液提取长江入海口悬浮物可交换态组分,探讨离子交换过程对元素循环及流域风化通量评估的影响。结果表明,悬浮物向口门外搬运过程中,可交换态Ca^(2+)含量降低了9.3×10^(-2) meq/g,约占河流端元悬浮物可交换态Ca^(2+)含量的53.8%,Na^(+)、Mg^(2+)、K^(+)含量分别增加了19.6×10^(-2) meq/g(约3266.7%),8.9×10^(-2) meq/g(约89.9%)和1.1×10^(-2)meq/g(约220.0%);离子交换量与颗粒粒径、矿物组成以及有机碳含量(TOC)等参数无明显相关性,主要受控于水体阳离子组成;根据可交换态阳离子含量变化以及长江入海泥沙通量,估算长江悬浮物入海过程中可释放Ca^(2+)通量约为7.9×10^(9)mol/a,吸附的Na^(+)、Mg^(2+)和K^(+)通量分别为26.3×10^(9)mol/a、6.0×10^(9)mol/a和1.4×10^(9) mol/a,相当于长江每年输入这些阳离子通量的2.5%、9.2%、4.4%和2.3%;大河河口离子交换过程是海陆间元素地球化学循环的重要环节,流域内海相沉积岩或沉积物吸附的Na^(+)和K^(+)再释放到河水中会导致硅酸岩风化通量的高估,初步估算现在长江流域的硅酸岩风化通量被高估15%,考虑到近几十年流域内人类活动导致入海泥沙量显著下降,地质历史时期该占比可能显著增大。因此,未来流域风化与河口元素循环研究应充分考虑水体和沉积物阳离子交换和人类活动的可能影响。

近50年雅鲁藏布江流域上游化学风化及CO_(2)消耗分析

基于2013年、2015年和2019-2021年雅鲁藏布江流域上游连续监测数据,并结合现有研究成果,探究了雅鲁藏布江流域上游近50年水化学时空特征演变以及风化速率与CO_(2)消耗的变化过程。结果显示,近50年雅鲁藏布江流域上游河水一直为弱碱性,pH为7.59~8.54,TDS含量变化呈现出增大的趋势;从20世纪70年代到21世纪,硅酸盐岩风化速率变化呈现逐渐增大的趋势,碳酸盐岩风化速率变化呈现出先升后降的变化趋势;流域丰水年硅酸盐岩风化和碳酸盐岩风化消耗的CO_(2)通量为16.90×10^(10)mol/年,平水年的为10.53×10^(10)mol/年,枯水年的为5.74×10^(10)mol/年,分别占全球大陆硅酸盐岩风化和碳酸盐岩风化消耗CO_(2)通量的0.80%、0.50%和0.27%。

岩体表层凝结水的形成与转化规律:对岩石风化水分来源的指示意义

水对岩石风化具有重要控制作用,但人们对非露天岩石表层的水分来源一直认识不足。本文以我国北方云冈石窟的岩石壁面为例,利用频域反射技术开展了岩石浅表层含水率监测,利用2020年5月至2021年5月逐小时的岩石视含水率数据为例,识别了夏季和冬季岩石含水率波动的控制机理。从6月初到10月初,大气湿度变化是岩石视含水率先增大后减小的直接控制因素,当存在指向山体内部的大气湿度梯度时,水汽迁移至岩石孔隙内,发生毛细凝聚转变为液态水,从而引起视含水率增大;当存在指向山体外部的大气湿度梯度时,岩石孔隙内的液态水蒸发,从而引起岩石视含水率下降。从10月中旬至次年6月初,岩石普遍较干燥,但是12月中旬浅部岩石含水率在冻结吸力控制下还是会发生明显增大现象,表明岩石中存在可迁移、可发生化学风化的弱结合水。本研究识别了非露天石质文物壁面水分的一种重要来源,加深了对凝结水形成机理及其对风化控制作用的认识,可为石质文物保护提供决策依据。

中温带气候区花岗岩风化剖面元素地球化学特征及其环境意义

岩石风化是地球关键带中重要的地质过程,对环境变化具有重要的指示意义。不同气候区岩石风化过程具有其特殊性,本文选取位于中温带气候区的哈尔滨英杰花岗岩风化剖面为研究对象,通过元素地球化学特征分析,揭示岩石风化程度及元素迁移富集规律,并结合磁化率和色度指标,对其风化环境进行探讨。结果表明,研究区剖面整体化学风化程度较低(CIA值为56~68);Ca、Na、K等活动性较强元素随风化作用的进行表现为明显亏损;高场强元素与轻稀土元素也表现出较强的活动性,揭示了即使在中低等程度的化学风化下稳定元素也容易迁移。Si/Al和Ti/Al比值指示半风化层和腐泥岩层为原位风化产物,而顶部的氧化土层则可能受外来物质的影响。化学风化表现为自下而上逐渐减小的特征,这种异常的风化规律是由后期物理风化对其原有化学风化的叠加改造所致。对风化环境的多指标分析表明,在风化剖面形成后,区域气候逐渐变干,化学风化向物理风化转变,温差风化及冰劈作用形成大量裂隙导致原有的风化剖面被改造,并最终形成了研究区独特的风化模式,这为解释中温带气候区干冷环境下花岗岩风化特征提供了新的思路。

广东丹霞山白垩系红色砂岩崖壁上风化洞穴成因的矿物学研究

基于盐风化作用和化学风化作用在砂岩风化洞穴形成中的意义,本文利用硫酸盐与氯化物等盐类物质对丹霞山岩壁上的红色砂岩进行盐浸泡实验,并对比浸泡前后岩石结构、化学成分及矿物组成的变化,旨在为盐类物质在丹霞山岩壁上洞穴形成中的意义积累科学数据。结果表明,盐浸泡可以使红色砂岩中的矿物组成产生变化;含SO_(4)^(2-)比含Cl^(-)的盐溶液对红色砂岩洞穴破坏更为显著,且浓度越高对砂岩表面的剥蚀作用越强烈;盐溶液会使红色砂岩胶结物严重流失,且盐类物质在砂岩孔隙中结晶后,因其粒径的逐渐增大,致使大颗粒石英附近的裂隙扩大,进而加快洞穴的形成。总体上,广东丹霞山红色砂岩崖壁上风化洞穴的成因可解释为长石溶蚀、胶结物流失与盐风化共同作用的结果。

峨眉山大火成岩省的风化碳汇效应:玄武岩粉末水-岩反应实验研究

在实现“双碳”目标背景下,有效的碳封存技术成为近年来学界关注的焦点。在众多碳封存技术中,基于玄武岩粉末的增强风化碳汇技术具有较强的成本优势,同时也对促进作物生长、改善粮食产量具有积极作用。流域研究揭示玄武岩风化具有非常高的速率,但与玄武岩粉末增强风化碳汇技术在时间尺度和反应条件上存在较大差异。中国西南地区广泛分布有峨眉山玄武岩,其在喷发之后的快速化学风化被认为是晚二叠世冰川活动的驱动机制,有可能成为增强风化碳汇技术的基础原料。为深入理解峨眉山玄武岩的风化碳汇效应,增进对玄武岩增强风化碳汇技术的认识,本文利用不同粒径玄武岩粉末和天然雨水及河水开展了水岩反应实验研究。结果显示,雨水与玄武岩粉末经历720 h常温条件的封闭反应后,其pH值接近河水的pH值,且Na+、K^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)等离子浓度显著升高,其活动性和溶出速率受所在岩石结构、矿物组成、元素赋存状态、溶液饱和状态等因素共同影响与控制。玄武岩粉末与雨水的反应实验中Si元素的溶出速率最快,为4.36×10^(-12)mol/m^(2)/s,Ca^(2+)和Mg^(2+)的最大浸出速率分别为1.36×10^(-12)mol/m^(2)/s和0.91×10^(-12)mol/m^(2)/s;同时,反应溶液HCO_(3)^(-)浓度快速升高,在720 h左右达到最大浓度,表明了溶液中溶解的CO_(2)快速转变为HCO3-,而随后HCO_(3)^(-)浓度趋于降低,PHREEQC模拟结果显示Ca-Mg碳酸盐矿物达到饱和状态。初步的反应实验研究表明,峨眉山玄武岩风化具有重要的碳汇效应,可应用于增强风化碳汇技术进行地表碳封存。

辽宁大连地区中—新元古界砂岩盐风化穴的发现及意义

1研究目的辽宁大连地区位于华北克拉通的东北缘(Zhao Guochun et al., 2012),这里中-新元古代地层发育,自下而上分别为永宁群、细河群、五行山群和金县群,其中永宁群和细河群是一套碎屑岩沉积组合,永宁群包含永宁组,细河群包含钓鱼台组、南芬组、桥头组。

末次冰期以来南海西北部沉积物源和风化演变的Sr-Nd同位素与稀土元素证据

研究边缘海沉积物地球化学组成与来源是揭示大陆边缘沉积物源-汇过程的关键环节。本文基于南海西北部琼东南盆地KT2站位岩心沉积物的稀土元素(REE)和Sr-Nd同位素分析,研究了28 ka以来沉积物源的演变和化学风化作用。结果表明,研究区沉积物源主要为红河,且28 ka以来没有发生明显改变。KT2站位岩心陆源沉积物的稀土元素特征参数(La/Yb)UCC、(Gd/Yb)UCC以及(LREE/HREE)UCC,均受到了母岩组成和风化过程的共同影响。根据Sr-Nd同位素对物源的限制,本文对影响REE组成的因素进行了评估,并认为化学风化作用可能是造成沉积物REE组成偏离源区母岩组成的主要原因。REE指标指示了冰期沉积物比全新世具有更强的化学风化强度,可能暗示冰期海平面降低导致北部湾陆架暴露发生进一步风化而造成了冰期化学风化作用的增强。

Chemical weathering profile in the V–Ti–Fe mine tailings pond:a basalt-weathering analog

The(ultra-)mafic mine tailings pond revealed a weathering discrepancy in the tailings profile,which provided a valuable analog to assess the role of carbonate and silicate weathering of the basalt.In this study,drill-cores samples were selected from the Wanniangou V–Ti–Fe mine tailings pond(Sichuan province,China)to investigate the mineralogicand geochemical characteristics in the tailings profile.The results reveal(1)the tailings pond profile consist of upper and lower layers.The upper layer is composed of carbonate weathering(1.4%),which was formed in the initial stages of tailings exposure and represented a minimal weathering degree.(2)The lower layer was primarily observed at the aquifer zone of the tailings pond,and was consistent with 0.45%carbonate weathering and 48.4%silicate weathering.(3)The weathering discrepancy in the tailings profile could be due to the sulfide oxidation and aerobic/flowing aquifer,which facilitate the water-tailings reactions.The tailings profile provides an analog to studying basalt weathering,as it spans both carbonate and silicate weathering.This research reinforces the idea that silicate weathering is predominant in basaltic areas and plays a crucial role in regulating atmospheric CO_(2)(carbon dioxide)levels on Earth.