Fundamental Research 文章搶先看｜金章東等：堿（土）金屬同位素是示蹤化學風化的一把利劍

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地表風化改變巖石圈、水圈和大氣的化學成分，并通過消耗大氣CO2調節地表溫度，從而維持地球的宜居性。堿金屬和堿土金屬離子長期被用以指示化學風化作用，但維度低、信號單一且難以保存。其金屬穩定同位素攜帶高維信息，飛速引領著化學風化研究的發展方向，但其機制不清，致使觀點不一，爭論不斷。本文綜述了Li、Mg、K、Ca、Rb、Sr和Ba等堿（土）金屬同位素示蹤化學風化的進展、各自的優點和缺陷及存在的問題，進而建議多種堿（土）金屬同位素聯用，以獲得化學風化過程的全面可靠信息，有望為解決目前多個化學風化假說不自洽提供直接觀測證據。

中文題目：堿（土）金屬同位素是示蹤化學風化的一把利劍

英文原題：Cation isotopes trace chemical weathering

通訊作者：金章東，中國科學院地球環境研究所

第一作者：茍龍飛，長安大學

關鍵詞：化學風化；非傳統穩定同位素；堿金屬；堿土金屬；同位素聯用

背景介紹

化學風化是地表無時無刻都在發生的地球化學過程，被認為維持著長時間尺度地球系統宜居性。如何有效示蹤化學風化速率、強度和通量關系到地質時間尺度上碳循環、營養鹽循環及生命演替的重大科學問題，是地球系統科學領域研究的重大基礎理論前沿之一。由此，自19世紀末以來，科學家提出了“地質空調假說”、“構造驅動假說”、“大陸孤碰撞假說”、“火山排氣假說”等多個假說，但均無法自洽甚至相悖，存在諸多爭論，其核心原因是尚缺少直接可靠的地史化學風化定量指標。

化學風化本質上是陽離子丟失的過程，其中堿金屬和堿土金屬（合稱堿（土）金屬（Cation isotopes）：Li、Mg、K、Ca、Rb、Sr、Ba等）活動性強、離子具有保守性，且這些堿（土）金屬穩定同位素分餾可觀，被認為可有效地記錄化學風化的過程信息，是21世紀以來地球科學領域最具活力的方向。然而，堿（土）金屬穩定同位素的分析測試、分餾方向與大小尚存在諸多不確定性和爭議，如何有效示蹤化學風化尚無定論。針對上述科學困境，中國科學院地球環境研究所金章東研究團隊聯合國內外知名學者聚焦化學風化如何維持宜居地球系統的核心科學問題，瞄準化學風化領域長期缺乏可重復、可定量、可驗證指標的難題。經過十多年的探索和積累，該研究團隊充分認識到每種堿（土）金屬元素的性質對示蹤化學風化而言均有其優點和缺陷，單個堿（土）金屬同位素擅長示蹤化學風化的某一側面，存在不確定性。最近該團隊發表在Fundamental Research的綜述論文從方法、原理到應用三個層面較全面地總結了研究現狀和存在問題：（1）建立并改進了堿（土）金屬穩定同位素分析方法，為使用堿（土）金屬穩定同位素示蹤化學風化奠定了堅實的基礎；（2）厘定低溫條件下堿（土）金屬穩定同位素分餾機制，發現不同同位素可刻畫化學風化的不同過程和細節；（3）提出聯用堿（土）金屬穩定同位素可示蹤化學風化的速率、強度和通量，有望全面深刻地認識化學風化過程和機制。

該論文指出，對于復雜地球表層系統科學的研究，應當從多視角出發，利用堿（土）金屬同位素各自的優勢，有針對性地對某一要素進行潛心研究，剝離變量，再進行統籌兼顧、信息整合、模型模擬才能得到更接近真實情景下的化學風化全貌（圖1）。堿（土）金屬同位素可為證實/證偽化學風化如何維持宜居地球提供現代到深時尺度的證據，有望成為解決化學風化領域內多個假說相悖問題的一把利劍。

圖1堿（土）金屬同位素聯合示蹤化學風化

主要作者簡介

金章東中國科學院地球環境研究所研究員，國家杰出青年科學基金獲得者、黃土和第四紀地質國重主任。長期致力于地表過程、化學風化與碳循環研究。主持創新研究群體、重點等項目十余項。發表論文300余篇，被引近萬次，獲中國科學十大進展等。

茍龍飛長安大學副教授，長安學者。《華東地質》副主編、《地球科學與環境學報》青年編委。開展非傳統穩定同位素測定方法、分餾機理及示蹤風化研究。主持面上基金等項目5項，發表論文30余篇，被引500余次，獲中國科學院百篇優秀博士學位論文獎。

引用本文

Long-Fei Gou, Fang Huang, Shouye Yang et al., Cation isotopes trace chemical weathering, Fundamental Research, doi.org/10.1016/j.fmre.2023.12.005.

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325824000025

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