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地环所提出镁同位素可有效示踪大河流域碳酸盐岩风化

2021-12-19 14:29     来源:中科院地球环境研究所      同位素示踪法
碳酸盐岩风化对水文过程、人类活动的响应迅速,被认为可调节万年尺度的全球碳收支和气候变化(Liu et al.,2010;Torres et al.,2014),而在千年尺度内,碳酸盐岩风化被认为是非常重要的碳汇过程(Liu et al.,2011;Zeng et al.,2019)。尤其是近百年以来强烈的人类活动极大地扰动大气化学的组成和地表过程,气候环境变化的不确定性的显著增加。流域模拟实验表明,大气CO2浓度增加一倍,碳酸盐岩风化产生的碳汇可迅速增加1.6倍(Beaulieu et al.,2012)。在人为排放强酸的驱动下,碳酸盐岩的快速溶解动力学(Lasaga,1984;Meybeck,1986)可以主导Ca、Mg等溶解物质的来源及其入海风化通量(Gaillardet et al.,1999)。由此,碳酸盐岩风化的碳汇效应可能是导致短时间尺度气候变化的核心机制。特别是在当前全球变暖和人类活动日益加剧的情形下,碳酸盐岩风化的重要性日益受到重视(Gaillardet et al.,2019)。因此,为了更好地认识短时间尺度上的气候变化及其制约机制,大陆碳酸盐岩风化通量的限制是至关重要的。

河流镁同位素组成(δ26Mg)对原生矿物溶解响应敏感,具有示踪碳酸盐岩风化的潜力,但其响应机制尚不清楚。与此同时,河水镁同位素还会受到二次分馏过程(次生矿物沉淀、物理吸附等)影响,但哪个过程占主导地位是有争议的。前人对河水镁同位素的研究多集中在小型流域,即使是大河采样点也比较有限(Tipper et al.,2006)。这些都大大限制了我们对大陆尺度上河水镁同位素组成和变化的认识,特别是其示踪大陆风化有效性还有待验证。考虑到长江流域海拔和气候差异明显,具有复杂多变的岩性,中国科学院地球环境研究所金章东研究团队选择长江流域作为研究区(图1),来检验大河河水镁同位素对碳酸盐岩风化作用的示踪能力。

通过对长江河水样品的阴阳离子、镁和锶同位素分析,研究发现长江河水δ26Mg值从源头到干流呈下降趋势,范围为–1.36‰至–0.59‰。源头段及支流楚玛尔河的河水δ26Mg(–1.11‰至–0.59‰)可能受到二次碳酸盐矿物沉淀调节,但是其Mg通量对于整个流域贡献有限(8.8%)。干流段和主要支流的流域面积和径流量分别占据总流域的87%和95%,是整个流域的主体,Mg2+的来源以碳酸盐岩风化作用为主。主干流的河水δ26Mg(–1.36‰至–1.24‰)继承自其主要支流系统(–1.55‰至–1.00‰)的均匀混合,变化稳定。基于二元混合模型显示,大多数河水中的δ26Mg与碳酸盐岩流域端元相同或接近(图2),与基于Sr同位素的混合结果相一致。



图1 长江流域内岩性、海拔、支流系统、采样点分布



图2 长江流域内河水δ26Mg与1/Mg的关系。

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那么,长江河水δ26Mg是如何响应碳酸盐岩风化呢?我们首次定义了一个碳酸盐岩风化强度(CWI)概念,即碳酸盐岩风化速率(CWR)与总剥蚀速率(D)的质量比:CWI = CWR/D。我们发现,长江流域内河水δ26Mg值与CWR和CWI均有着较好的负相关关系(r2分别为0.72和0.60),反映了河流δ26Mg对碳酸盐岩风化强度的优先响应。

随后,我们把长江流域的概念外推到世界大河。在排除了大河流域δ26Mg潜在的显著季节性变化(仅在0.2‰以内)的前提下,Sr-Mg同位素组成显示,大多数高Mg通量的世界大河δ26Mg均主要受到碳酸盐岩风化的直接控制,分馏作用很小(图3)。尽管以硅酸盐岩风化主导的河流(如尼罗河、讷尔默达河、哥伦比亚河、刚果河、奥里诺科河等)δ26Mg发生了一定程度的分馏(图3),但是这些河流的Mg通量仅占大河Mg通量的14%。‍‍‍‍‍



图3 世界大河流域的Sr-Mg同位素组成

进一步地,我们计算了这些世界大河的CWI(图4),发现这些大型河流的δ26Mg值对CWI均有较好的响应(图5),证实了大河流域的δ26Mg可以作为反映碳酸盐岩风化强度和通量的指标。与此同时,碳酸盐岩溶解还与物理侵蚀速率相关。例如,因物理侵蚀速率较低,叶尼塞河、勒纳河、麦肯锡河等都有着较高的CWI值(0.355–0.405),而黄河、恒河、雅鲁藏布江、伊洛瓦底江等因较高的物理侵蚀速率,从而产生较低的CWI值(0.008–0.056)。



图4 世界主要大河CWI分布



图5 世界主要大河δ26Mg与CWI的关系

最后,我们提出“储库效应”(reservoir effect)来解释我们所观察到的关系。由于碳酸盐矿物的快速一致性溶解动力学,使得进入河水中的镁同位素组成几乎不发生分馏。当碳酸盐岩风化弱时,河水中溶解Mg通量或浓度低,Mg同位素比值容易通过二次过程发生分馏;而溶解作用显著时,高的Mg浓度和通量可以缓冲镁同位素的分馏过程,使其保留源岩风化信号。打个比方来说,就好比不停地往量杯里放糖块,如果是小的量杯里溶解糖块,那么糖很快就饱和了,之后的蒸发作用还可能导致结晶,从而改变物质的状态。然而,如果是一个无限大的量杯(即大的储库或大型流域),则可以不停地溶解糖块,不发生饱和,那么水里面的物质就可以保留原来的信息,从而不受到二次过程的影响。长江的源头段水量少,δ26Mg受到一定的分馏影响,但是其Mg通量有限。进入干流段后,由于支流系统巨大的水量补给与Mg通量输送,使得储库效应发挥作用,才使得镁同位素不易发生分馏,由此河水镁同位素就扮演着碳酸盐岩风化示踪剂的角色。我们由此提出,全球大型河流δ26Mg可以作为一种极具前景的地球化学示踪剂来量化大陆尺度上的碳酸盐岩风化强度。

在未来百年尺度内,全球变暖、径流量增加、土地利用等过程影响日益显著,碳酸盐岩风化作用和碳汇会进一步增强(预计最高到20%;Zeng et al.,2019)。那么,世界大河河水有可能产生更低的δ26Mg值,从而改变入海的Mg通量及其同位素组成,在短时间尺度内调节全球的镁和碳循环。

以上研究成果以《Carbonate weathering dominates magnesium isotopes in large rivers: Clues from the Yangtze River》为题在线发表于国际地学权威期刊《Chemical Geology》上,中国科学院地球环境研究所博士生徐阳为第一作者,金章东研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委项目(41991322、41930864)的支持。
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