河流铀同位素的控制机理及其对风化限制理论的启示意义

经典风化限制理论认为,当剥蚀速度较低时,岩石在风化带的存留时间长,表现为一致性完全风化,化学风化通量受新鲜岩石的供应限制,与剥蚀速度成正比,即为"供应限制";当剥蚀速度较高时,岩石充分暴露,风化强度低,化学风化通量受温度、降水量等动力学因子限制,即为"动力学限制"。供应限制是构造抬升影响硅酸盐风化吸收大气CO_2进而改变气候的关键。动力学限制形成了化学风化通量与大气CO_2含量之间的负反馈,是维持构造时间尺度地球宜居性和碳循环平衡的关键。但是,风化限制理论模型并未得到充分实证。本文将介绍利用流域溶解态铀同位素证明风化限制理论的原理与研究进展。全球数据总结发现,流域铀同位素与物理剥蚀速率之间在整体上呈现U形函数关系,可用经典风化限制理论解释。但河流的铀同位素还受岩性、气候、地貌等其他因素的影响。利用已知风化年代的单一岩性流域是河流铀同位素验证风化限制理论的重要途径。     

不同构造带硅酸盐化学风化率的制约:气候还是构造?

虽然构造—风化-气候之间的制约关系仍然存在各种争论,但无疑的是,硅酸盐矿物的化学风化是调节地质时间尺度全球大气二氧化碳分压,进而保持地球表层气候稳定的关键性因素。目前最大的挑战在于如何理解地表制约硅酸盐矿物化学风化的因素,特别是当仅仅从气候要素变化难以解释长时间尺度硅酸盐化学风化率的时候。综合不同构造区内岩石物理剥蚀率和硅酸盐化学风化率的数据表明,不同时间、空间尺度硅酸盐风化率与构造和气候之间既存在相互耦合也存在矛盾的关系,仅仅归因于单一要素是不能得到圆满解释的。构造隆升区的强剥蚀可能是造成硅酸盐风化率增加的重要因素之一,但是将晚新生代地表系统的各种变化与各构造带（如青藏高原）的阶段性隆升联系起来可能是草率的。在不同类型构造带内,气候和构造对硅酸盐风化的制约并非是相互排斥的,特别是长时间尺度,因此“构造隆升-化学风化-气候变化”假说也正面临着全新的挑战。     

风化壳40Ar/39Ar年代学研究意义：进展、问题与展望

风化壳是不同地质历史时期风化作用的环境和物质记录,其组成、厚度、成熟度、保存程度等是古气候条件、区域构造活动性及地貌演化的直接反映。风化壳的形成年代是风化壳研究的关键内容,精确的风化壳年龄数据是查明一系列区域甚至全球事件的重要途径。风化壳中次生矿物（主要是钡硬锰矿族矿物和明矾石族矿物）的40Ar/39Ar年代学研究首次实现了对风化壳和风化作用的直接和精确定年,所获得的年龄数据为风化壳的形成演化、区域古气候古环境恢复、化学风化历史与矿床次生富集过程及新构造运动和山脉隆升历史等一系列重大地质问题的解决提供了重要途径。然而,风化壳中次生矿物定年存在的潜在问题及风化壳剖面取样的不完整性,有可能使风化壳的年龄分布变得相当复杂,导致对化学风化历史、风化壳形成过程和形成环境等的认识出现困难。为此,必须开展对风化壳的详细野外地质研究和精细取样,并综合采用多种先进测试手段,才能获得可靠的风化壳年龄数据。在对风化壳年龄数据进行解释时,还需要系统分析多种地质、环境资料（如古生物、盆地沉积物等）,才可能获得有意义的地貌、构造和古气候信息。我国华南地区广泛分布的红色风化壳中含有丰富的钡硬锰矿族矿物,是研究该区新生代以来化学风化、大规模次生富集成矿及古气候古环境演变的理想对象。     

川西北中生代特提斯沉积物地球化学特征对陆源风化条件的指示意义

川西北中生代特提斯沉积物地球化学特征对陆源风化条件的指示意义顾雪祥（成都理工学院．成都６１００５９）关键词特提斯浊积岩，风化条件，元素分配型式，碱金属－碱土金属，化学变异指数地史时期的物源区现今许多已被剥蚀破坏，因而有关这类物源区的母岩性质、同化条件...     

地壳风化系统中的Sr同位素地球化学

近20年来,人们利用Rb－Sr同位素体系对地表－近地表地球化学过程、尤其是水圈－岩石圈之间化学物质的循环进行了广泛而深入的研究。大陆地壳风化物质以及地表径流的Sr同位素组成变化揭示了不同流域盆地的地质背景和风化作用的特征。古海洋的Sr同位素组成变化则是地壳和地幔演化以及不同地质历史时期壳－幔相互作用的共同结果。本文对地壳风化系统Sr同位素地球化学研究的全面而详细的综述表明,Rb－Sr同位素体系仍将是研究地壳风化、水圈－岩石圈之间化学物质循环的重要手段,根据古海水及其化学沉积物的Sr同位素记录研究壳－幔演化和地球圈层演化过程中的物质循环特征以及地表古环境变化将是本研究领域的重点。     

广西桂林石灰土元素迁移特征及影响因素——以会仙峰丛谷地石灰土为例

碳酸盐岩的化学风化是岩溶关键带各圈层相互作用的主要形式,风化壳中蕴含重要气候环境和物质循环信息。通过对广西桂林会仙峰丛谷地石灰土的化学风化强度及元素迁移特征的研究,并与滇黔湘和青藏高原的岩溶风化壳的对比分析,结果表明:（1）会仙石灰土化学蚀变指数（CIA）均值为92.14,与贵州兴义岩溶风化壳相当,反映炎热潮湿气候下的强烈化学风化;白云岩风化壳CIA与灰岩风化壳相当,CIA值主要受“不溶物”含量的影响;地形上,从上坡到下坡,从坡地到谷地,垂向剖面从浅部到深部,碳酸盐岩风化壳的CIA值呈减小趋势;（2）包括会仙石灰土在内的中国南方碳酸盐岩风化壳的CIA值与纬度成负相关,青藏高原地区和北方地区碳酸盐岩风化壳的CIA值与纬度不存在相关性,可能受晚第三纪以来印度板块俯冲推挤,青藏高原地区构造抬升和夷平面变形的影响;（3）与硅酸盐风化壳、黄土剖面不同,碳酸盐岩风化壳CIA和Na/K（摩尔比值）不存在相关性,但CIA和K/Al（摩尔比值）则存在显著负相关,可采用K/Al来表征碳酸盐岩剖面的风化程度,其主要是受可溶成分的快速淋失影响;会仙石灰土、贵州兴义风化壳较其他风化壳更接近Al端,化学风化程度更高;（4）会仙石灰土的化学成分与中国其他地区碳酸盐岩风化壳基本一致,剖面上分布均匀;与上陆壳相比,Na、K、Ca、Mg表现为亏损,其他元素为富集;和下伏碳酸盐岩的稳定元素Ti相比,除了Cr、Fe、P、Al富集或不变外,其他元素都发生明显的迁移淋失;会仙风化壳元素的迁移性由强到弱为:Ca ? Mg ? B ? Na ? N ? Cd ? Zn ? As ? K ? Pb ? Si ? Mn ? Al ? Cr ? Fe ? P,高含量Ca、Mg的快速溶失对其他元素的迁移性有重要影响。      

高海拔山地碳酸盐岩风化壳的发育特征及其地貌意义

研究区位于云南东川拱王山山顶的落雪,海拔高度在3600m左右。山顶面为一缓丘及丘间溶蚀洼地构成的第三纪残留夷平面。在夷平面上发育了碳酸盐岩的黄色风化壳。本文基于风化壳的地球化学、物理化学及矿物学等特征,重点研究了风化环境对风化壳发育特征的影响,以及风化壳与第三纪残留夷平面的关系。所研究的风化壳剖面发育于低温、降水充沛和湿润的气候条件下。分析测试结果表明,风化壳仍处于CaO、MgO淋失, SiO2富积阶段,是一种弱度风化的富SiO2风化壳。风化壳的特征表明其形成于第三纪夷平面解体之后,而不能代表第三纪夷平面的原有相关堆积。      

酸不溶物对碳酸盐岩风化壳发育程度的影响

通过对贵州岩溶区（包括湘西）不同地层系统碳酸盐岩发育的红色风化壳、以及结合本区和处于同一气候带的邻区不同岩类红色风化壳的对比研究,结果表明：（1）碳酸盐岩红色风化壳的发育程度明显受基岩酸不溶物成分的控制,酸不溶物的风化成熟度越高,红色风化壳的发育程度一般也越强。由于不同地层系统碳酸盐岩的酸不溶物组成不同,在此基础上发育的红色风化壳的风化强度自然存在着差异;（2）风化壳相对于母岩的进一步风化潜力或空间,随着基岩酸不溶物风化成熟度的增大而降低,从而更容易达到风化平衡;（3）在碳酸盐岩风化壳突变的岩-土界面,伴随碳酸盐的充分淋失、酸不溶物的地球化学指标发生了突变。因此,碳酸盐的溶解不但未阻滞和延缓了硅酸盐组分的分解,而且促进其快速风化。（4）在达到高岭石化甚至弱红土化阶段的酸不溶物基础上,发育的风化壳比结晶岩类风化壳具有更高的风化起点,也就表现出更高的风化强度。因此,笼统地把碳酸盐岩风化壳看作是弱于玄武岩及花岗岩等结晶岩类风化壳发育程度的弱风化类型是不妥的。     

辽南黄土覆盖的红色风化壳发育特征及区域对比

通过分析辽南七顶山黄土覆盖的红色风化壳地球化学特征,研究其发育特征并与湘桂黔滇青藏陕甘红色风化壳发育特征进行比较,为了解黄土覆盖的红色风化壳发育特征及不同地区红色风化壳发育特征的空间差异提供初步依据。化学元素实验表明,七顶山剖面红色风化壳主量元素平均值分布呈现如下趋势:SiO₂ > Al₂O₃ > Fe₂O₃ > K₂O > CaO > MgO > Na₂O,化学蚀变指数（CIA）介于83.19 ~ 86.89,盐基淋溶率（ba）介于0.26 ~ 0.35,铝饱和指数A/NK介于6.10 ~ 7.47,A/CNK介于3.93 ~ 4.99,S/A介于5.24 ~ 6.47,S/R介于4.53 ~ 5.50。结果表明:七顶山剖面红色风化壳呈正风化序列,是下伏基岩原地风化的产物,化学组成以SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃为主,三者之和超过86%,处于还原环境,属于脱硅脱铁富铝阶段,发育于近似亚热带的气候条件,处于高等化学风化水平。辽南在116.13 ~ 90.48 Ma B.P.至17.70 ~ 9.44 Ma B.P.时具备红色风化壳发育的气候条件,结合残存红色风化壳和石芽的情况,可以认为其开始发育于中新世中期或更早。辽南红色风化壳第四纪以前为二阶段发育过程,即夷平—成壳、切割—红化期,第四纪至今仅有切割—红化期。湘桂黔滇青藏陕甘辽红色风化壳元素组合特征高度一致,各区域红色风化壳风化强度、风化方向接近,除辽南呈现较弱的脱硅脱铁富铝趋势外,其他区域均表现为脱硅富铝铁化趋势,这暗示了黄土覆盖下的红色风化壳处于还原环境。纬度因素和经度因素对红色风化壳脱硅富铝铁化进程影响程度接近,相较于经度因素,纬度因素对红色风化壳碱金属及碱金属盐基淋溶作用影响程度更大,总体而言,在母岩影响较小的前提下,纬度控制下的气候因素是决定红色风化壳发育的主要因素。     

早全新世降温事件的湖泊沉积证据

我国华北干旱－半干旱区封闭湖泊流域化学风化历史记录了全新世以来次级的气候环境波动过程。高精度的沉积物地球化学、物理及生物参数变化表明，在全新世早－中期过渡阶段存在一次强降温气候事件，具体表现为流域化学风化减弱（高Rb/Sr比）、湖泊产生力减弱（低有机碳）以及湖泊水位下降。虽然该事件的寒冷程度比Younger Dryas弱，但是其与来自湖沼（包括北极、非洲、北美、西欧、青藏高原、祁连山等）、海洋（比北大西洋、地中海、加勒比海等）、欧－美大陆生物组合、极地冰芯等在内的环境记录的冷事件发生时间基本一致，集中发生于8.0-8.5ka B.P.之间。     

中国南方红土年代地层学与地层划分问题

南方红土是我国热带、亚热带以各类岩石和第四纪松散沉积物为母质发育的红色风化壳,也是我国分布最广的第四纪土状堆积。本文在探讨第四纪松散沉积物上红色风化壳的形成机制的基础上,根据风化壳发育程度将其划分为砖红土风化壳、红壤土风化壳和红化土风化壳3种类型。南方地区第四纪松散沉积物主要有河流相沉积、滨海相海滩砂和海岸风成砂——"老红砂"以及以下蜀土为主的风尘堆积。近年来在上述沉积物中多处发现旧石器遗址,促进了南方红土的地层年代学研究。根据前人及近期对南方红土的研究成果,讨论了南方红土的年代地层学问题,提出了以风化壳岩性特征为基础的岩石地层单位初步划分框架:老红砂划分为中更新统北海组、晚更新统晋江组;风尘堆积划分为中更新统宣城组、晚更新统下蜀组;河流相沉积只划出中更新统白沙井组,晚更新统留待以后研究再划出。     

The null hypothesis: globally steady rates of erosion,weathering fluxes and shelf sediment accumulation during Late Cenozoic mountain uplift and glaciation

At the largest time and space scales, the pace of erosion and chemical weathering is determined by tectonic uplift rates. Deviations from equilibrium arise from the transient response of landscape denudation to climatic and tectonic perturbations. We posit that the constraint of mass balance, however, makes it unlikely that such disequilibrium persists at the global scale over millions of years, as has been proposed for late Cenozoic erosion. We synthesize weathering fluxes, global sedimentation rates, sediment yields and tectonic motions to show a remarkable constancy in the pace of Earth‐surface evolution over the last 10 Ma and support the null hypothesis – that global rates of landscape change have remained constant over this time period, despite global climate change and mountain building events. This work undermines the hypothesis that increased weathering due to mountain building or climate change was the primary agent for a decrease in global temperatures.     

流域盆地的风化作用与全球气候变化

介绍了岩石风化作用与流域盆地的物质输送对于研究全球海-陆物质循环和全球气候变化的重要意义。讨论了运用河流的颗粒相和溶解相载荷分别去估算机械剥蚀率和化学风化率的科学性及各种计算方法。从全球的观点对岩性、径流、地势、气候、植被以及人为活动 6个因素对于岩石风化作用及河流颗粒相和溶解相物质输送的影响进行了详细的讨论，得到岩性是决定机械剥蚀率和化学风化率的主导因素，径流和地势是影响河流颗粒物输送的重要因素，而径流和气候则对河流溶解离子的输送影响较大，此外植被和人为活动对河流化学及颗粒物输送的影响也越来越受到人们的关注。探讨了岩石化学风化作用消耗的CO₂量及其对全球气候变化的影响，在此基础上，归纳了岩石化学风化作用与气候变化的模式。     

大陆风化与全球气候变化

:“构造隆升驱动气候变化”的假说是当前解释新生代以来全球气候变冷的主流观点。该假说把新生代以来发生的几个主要现象 ,即全球气候总体上趋冷 ,大气 CO2 浓度下降 ,海洋 87Sr/ 86Sr比值上升 ,以及构造作用引起的大面积隆升等加以有机的联系 ,给以了合理的解释。近几年围绕大陆风化和全球气候变化问题取得了一些新的进展 ,主要是对发源于喜马拉雅山的河流进行研究 ,探讨青藏高原隆起对于大陆风化速率的影响。这些争论主要是有关硅酸盐风化还是碳酸盐风化 ,有机碳的风化与埋藏 ,大陆风化与大气温度 ,大气 CO2 浓度与大气温度等问题。最后介绍了我国研究人员在黄土高原的黄土沉积地层所作的研究工作和取得的成果。     

全球变暖背景下北美育空河流域化学风化增强

硅酸盐岩风化对气候变化和构造运动的反馈对长尺度气候变化可能起到重要的调节作用,对该反馈过程的定量认识有助于更确切理解地球碳循环的运行规律。通常认为风化类型可分为两种,分别是供应限制和动力学限制。全球变暖可能促进了动力学限制流域的化学风化作用,然而,关于这方面的认识仍很有限。育空河流域是典型的动力学限制风化区域,研究育空河的风化对气候变暖的响应有助于深入认识气候和大陆风化之间的相互作用。正演模型是区分河流风化端元的重要手段,文章利用正演模型对育空河流域从1975年到2019年的主要离子组成的数据集进行分析,并获得了该流域在过去几十年的化学风化速率的变化趋势。结果表明,育空河水化学性质主要受到碳酸盐岩风化和硅酸盐岩风化控制,两者多年平均碳汇通量分别为2.1×10¹¹ mol/yr和4.1×10¹⁰ mol/yr,处于世界主要大河碳汇通量的中间水平。更重要的是,在同一时期,伴随着2.2℃的温度增幅和13.7%的径流量增加,流域内的阳离子总通量增加了35.7%,其中硅酸盐岩和碳酸盐岩风化产生的阳离子通量分别增加了41%和35%,阳离子通量/风化速率对气候的敏感性与冰岛地区的研究结果符合的很好,与风化速率加快相对应的,硅酸盐岩风化碳汇通量相对增加了59.6%。尽管碳汇的增加在绝对通量上相比人类化石燃烧产生的碳排放通量微不足道,但是考虑到构造尺度内全球硅酸盐岩风化速率的增强,尤其是在较为寒冷的高纬度地区,额外的二氧化碳固定量可能对地球历史时期的全球气候产生重要影响。     

碳酸盐风化碳汇与森林碳汇的对比——碳汇研究思路和方法变革的必要性

目前,全球碳循环研究主要集中在海洋碳汇以及陆地土壤和植被碳汇,而对岩石风化碳汇仅考虑地质长时间尺度的硅酸盐风化作用,而认为碳酸盐风化在长时间尺度上对碳汇无贡献。然而,碳酸盐相对于硅酸盐有快得多的溶解速度,且对全球变化(特别是气候和CO2变化)的响应迅速,同时由于生物作用和人为活动的影响,使得碳酸盐风化碳汇的能力需要重新评价。最新的研究发现,由碳酸盐溶解、全球水循环及水生生物光合利用溶解无机碳共同作用,即水-岩-气-生相互作用形成的大气碳汇,远远大于之前只估计了河流输运的无机碳汇,其量级与森林碳汇量相当,因此有必要对传统的碳汇研究思路和方法进行某些变革,这有可能为解决所谓的全球“碳失汇”问题找到一条出路。      

硅酸盐风化与全球碳循 环研究回顾及新进展

硅酸盐风化是大气CO2 的一个主要汇,直接影响到全球碳循环进而影响全球气候。自Walker 等（1981）进行的开创 工作以来,有关“硅酸盐风化- 碳循环- 气候变化”方面的研究大量涌现。从计算机模型到河流水化学研究,从流域面积 超过百万平方公里的大河到数十数百平方公里的单岩性小河流,取得了很多重要的进展。从全球尺度上看,硅酸盐风化每 年所消耗的大气CO2 量为0.138~0.169 Gt,相比现在大气碳库中碳的含量（约800 Gt）,乍看似乎是微不足道的,然而硅酸盐 风化消耗CO2 并将其作为碳酸盐矿物埋藏在海洋,它的存留时间超过了百万年。因此,在地质时间尺度上,硅酸盐风化是 调节全球碳循环的一个重要机制。对小流域进行的研究发现,热带地区流经玄武岩/蛇绿岩的小流域有着最高的硅酸盐风化 和大气CO2 消耗速率,热带区域火山岩化学风化消耗的大气CO2 占全球硅酸盐风化所消耗量的10%,而流域面积不到1%。     

新生代构造抬升对地表化学风化和全球气候变化的影响

全球新生代构造抬升 ,特别是南亚喜马拉雅青藏高原和南美安底斯山脉和Altiplano高原在新生代的抬升对地表化学风化和全球气候变化产生了重要影响。它对地表化学风化的影响主要表现为引起造山带地区化学风化能力的提高 ;而它对全球气候变化的影响则主要表现在两个方面 ,一是直接的物理影响 ,即通过对大气和海洋循环的影响来对大气变化产生作用 ;一是通过对地表硅酸盐岩石的化学风化造成大气CO2 变化和全球温度的改变 ,从而对气候变化产生间接的生物化学效应。目前看来 ,新生代构造抬升造成的大气CO2 浓度减少是造成全球新生代气候变冷的重要原因。这已得到了近 10年来计算机大气环流模型 (GCMs)数值模拟和野外实验研究的支持 ,但在关于地表化学风化的主要控制因素 ,以及海洋Sr同位素是否可作为反映地表化学风化速率变化的替代性标志和气候变化反馈机制等方面 ,还需要作进一步研究。     

新生代气候变化与陆地硅酸盐岩风化和海洋Sr同位素研究

新生代全球气候自始新世55Ma以来在逐渐变冷。陆地硅酸盐岩在造山带和高原地区通过加速化学风化，消耗了大气中的CO2温室气体造成了新生代气候变冷。目前关于陆地硅酸盐岩风化与海洋Sr同位素关系的研究，主要存在两种观点：一种认为海水Sr同位素变化可作为全球地表化学风化的替代性标志；另一种观点认为全球并不存在平均地表风化这种说法，海水Sr同位素在地质历史中的演化是主要与某种地质构造事件或岩石类型的风化有关。我国应当不失时机地加快对源于喜玛拉雅山地的恒河－布拉马普特拉河进行研究，以进一步揭示陆地硅酸盐岩风化与海洋Sr同位素变化的关系。