K同位素示踪大陆风化和全球钾循环取得重大进展

日前，我院陈骏院士和李伟强教授团队在大陆风化领域取得突破性进展，研究成果以“K isotopes as a tracer for continental weathering and geological K cycling”为题，2019年4月15日在线发表于国际一流综合性学术期刊《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)。

大陆硅酸盐风化在百万年的长时间尺度上持续地从大气中移除二氧化碳，因此被认为是一个调控地球气候的重要机制。在地质历史上，该过程究竟是造成地球气候变化的驱动力，还是被动地响应气候的冷暖而变化,作为一个负反馈维持气候的稳定性，这一直是一个悬而未解的核心科学问题。究其原因，主要是古代大陆硅酸盐风化强度难以定量。直接测量沉积物得到风化指标（比如化学风化指数CIA）往往具有局限性很难指示全球平均风化状态，唯有古海水溶质的化学指标可以通过反应大陆河流输入的化学信号变化来重建过去大陆硅酸盐风化的变化。然而，现有的溶质风化指标，或受到碳酸盐或有机碳风化的干扰(比如Mg，Ca，Os和Sr同位素），或者与风化强度关系复杂（比如Li同位素）。通过测量中国大陆的主要河流，该团队发现河流溶解质的K同位素组成与大陆风化强度负相关，可以用于指示大陆风化强度,因此填补了大陆风化领域的一个重要空白。在此基础上，结合现代大陆平均风化强度和K同位素-风化强度转化函数，该团队估计大陆河流的平均的K同位素组成为-0.22±0.04‰。这进一步为现代K循环通量的估计提供了重要的信息，通过蒙特卡洛计算，该团队显著降低了现代地质K循环通量估计中的不确定性 (图1)。

图1. 本研究估算的K循环通量与同位素组成(白色字体)与前人报道数值（蓝色字体）的对比

K是元素周期表第一主族元素中唯一具有多个稳定同位素的主量元素，参与了众多自然过程，其同位素比值变化在最近几年成为国际研究的热点。当前有美国哈佛大学、普林斯顿大学、华盛顿大学等多个研究团队在这个领域进行研究，竞争激烈。李伟强教授从2014年回国工作起，在“青年千人”项目的支持下，对K同位素地球化学开始独立探索，并在2016年几乎与哈佛大学Jacobsen团队同时发表了针对地质样品的高精度分析方法，而后在K同位素生物分馏效应、矿物分馏效应等多个方向展开探索并发表论文。此次李伟强教授与陈骏院士领导的表生地球化学研究团队合作，将K同位素成功应用于大陆风化研究和全球K循环研究并取得重大进展，标志着南京大学K同位素研究水平进入国际第一梯队。

博士生李石磊为论文第一作者，李伟强教授是论文的通讯作者，其他合著作者有：南京大学表生地球化学教育部重点实验室的陈骏院士和陈旸副教授，美国哥伦比亚大学Maureen E.Raymo院士和威斯康辛大学-麦迪逊分校的Brian L. Beard 教授。 南京大学表生地球化学教育部重点实验室为第一署名单位，内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室为通讯单位。本研究工作得到了陈骏院士和Maureen E.Raymo院士的指导。该工作得到了中组部“青年千人”计划，南京大学引进人才启动经费，和国家自然科学基金（41730101，41622301）等项目支持。