流域化学风化过程的碳汇能力

通过对已有工作较为全面的分析,综述了流域化学风化过程对大气CO2的吸收能力。陆地岩石的化学风化过程是联接地球各大碳库的关键环节。在地质时间尺度上陆地岩石的化学风化,尤其是硅酸盐岩的化学风化构成全球生物地球化学循环的重要碳汇,是调节地球气候性质使之相对稳定的关键表生地质过程。河流在陆地向海洋的物质输送中担任着重要角色,并且记录了流域内发生的各种自然过程和人类活动的信息。通过观测河流输送物质的化学组成,运用Gibbs图解法、质量平衡法和同位素示踪技术可以研究流域内各种岩石化学风化对化学径流组成的贡献,并据此计算出流域岩石化学风化的速率及其对大气CO2的消耗通量。影响地表化学风化速率的环境因子存在地域差异,进而导致地质碳汇的空间分布也存在较大差别。北半球湿热季风地区的地质碳汇在全球碳的生物地球化学循环中具有重要意义。我国湿热地区化学风化过程的地质碳汇能力相当于13亿人口人均固定CO2量大约为55kg/a,可抵消我国部分碳排放量。     

地球化学方法示踪东亚大陆边缘源汇沉积过程与环境演变

东亚大陆边缘发育特征的河控型边缘海沉积,其源汇沉积过程的深入研究对于深入理解地球表生过程、物质循环和大陆边缘构造沉积演化特征,具有重要意义。东亚边缘海沉积地球化学研究主要集中于几方面:入海河流沉积物的地球化学组成示踪沉积物源区的风化剥蚀特征,河口陆架区沉积地球化学行为;通过大陆边缘的沉积地球化学记录,探讨不同时空尺度河流入海沉积物的通量、搬运扩散方式及其蕴含的季风气候和海区环境演化信息。目前相关研究与国际前沿水平依然存在较大差距,需要从海陆结合的地球系统科学角度,通过地球化学与其他学科方法交叉的研究手段,从整体上研究东亚大陆边缘的沉积过程,揭示从流域到河口、陆架至开阔海的沉积物源汇系统过程和环境演变规律,及东亚大陆边缘沉积和海陆相互作用的全球意义。     

青藏高原化学风化和对大气CO2的消耗通量

为了评估青藏高原化学风化对全球气候的影响,笔者等对中国境内源自青藏高原的七条主要河流（金沙江、澜沧江、怒江、黄河、雅砻江、岷江和大渡河）进行了采样和地球化学分析,估算了硅酸盐、碳酸盐风化对河水中主量离子的贡献,以及硅酸盐风化和碳酸盐风化所消耗的大气CO2。研究显示,七条河流流域中硅酸盐风化引起的大气CO2消耗约为0.7×10^5～3.7×10^5mol/（km^2·a）。结合国外学者对于喜马拉雅山南缘三条河流（恒河、布拉马普特拉河和印度河）的研究结果可以得出,发源于喜马拉雅山-青藏高原的主要十条河流流域硅酸盐风化平均共消耗大气CO2328×10^9mol/a,仅占全球大陆硅酸盐岩风化所消耗大气CO28700×10^9mol/a的3.8%,并仅为全球通过河流向海洋输送有机碳（来自陆地上生物的消耗）通量的2.5%。     

西南喀斯特流域碳酸盐岩的硫酸侵蚀与碳循环

流域化学侵蚀及其速率与流域生态和环境之间的关系是当前地表地球化学研究的重要前沿领域,其中碳酸盐岩的硫酸风化机制及其与区域碳循环的关系则是科学家们最为关注的科学问题.因此,近年通过研究西南喀斯特流域地表水地球化学对这一科学问题进行了研究,发现西南喀斯特地区河水一般含有较多的SO2-4,从化学计量学、SO2-4的δ34S和溶解无机碳(DIC)的δ13S分析发现,硫循环中形成的硫酸广泛参与了流域碳酸盐矿物的溶解和流域侵蚀:西南喀斯特流域碳酸盐岩的侵蚀速率为97 t/(km2?a),消耗CO2量为25 t/(km2?a).对乌江流域河水硫酸盐离子的硫同位素研究结果认为:参与流域侵蚀的硫酸主要来自煤系地层硫化物和矿床硫化物的氧化及大气酸沉降,分别对河水SO2-4的贡献为50%、27% 20.5%(其余2.5%的SO2-4为硫酸盐蒸发岩的溶解);硫酸风化碳酸盐岩向大气净释放CO2的总通量为8.2 t/(km2?a),依此计算西南喀斯特区域向大气释放CO2的通量为4.4×1012g/a,相当于每年西南碳酸盐岩风化消耗CO2总通量的33%.将乌江流域的研究结果对我国大陆碳酸盐岩分布区域进行相应计算发现,硫酸风化碳酸盐矿物向大气释放的CO2总通量为28×1012g/a,相当于全球硅酸盐风化消耗CO2量的26%.硫酸参与流域侵蚀改变了区域碳循环,人为过程可以通过释放酸沉降、矿业活动和土地利用等形式加速流域侵蚀和影响流域元素的生物地球化学循环.     

镁同位素体系在河流中的研究进展

近年来风化过程中镁同位素的研究取得了一系列重要进展,这些进展不仅有利于准确理解河流中镁同位素组成变化的机理,还为深入探讨镁同位素地球化学循环奠定了基础。河流既是风化过程中镁的汇,也是海洋中镁的源。流域河水的镁同位素组成主要与物源和迁移过程中镁同位素分馏有关。河水的镁主要来源于流域的岩石,也受风尘沉积、地下水、植物残骸、降雨降雪等因素的影响。河水迁移过程中镁同位素分馏过程主要为碳酸盐矿物沉淀和溶解、硅酸盐矿物水解、矿物或胶体物质的吸附作用以及植物的吸收作用。此外,水体中次生矿物的形成还可能反映了河流水化学参数(主量元素、CO2溶解度、p H等)的突变。因此,分析河水的镁同位素组成,探讨其主要的分馏过程,不仅是应用镁同位素示踪地表物质循环的基础,还对深入认识镁同位素的地球化学循环具有重要意义。     

河流碳输移与陆地侵蚀-沉积过程关系的研究进展

河流碳输移与陆地侵蚀-沉积过程紧密相关。首先就机械和化学风化两种不同的陆地侵蚀机制在提供河流碳源方面所发挥的不同作用作了详细论述,并比较了季风流域和非季风流域间河流碳输移在通量及性质上的差异。之后对陆地碳沉积机制进行了归纳,指出了包括大坝截留,河漫滩、河口-近岸带沉积及陆地碳沉降等几种可能的陆源碳踪迹。陆地环境的截留效应相对于侵蚀尚不太清楚,今后应加强对陆地碳沉积的研究,进一步明确各种碳沉积的作用机制及其对全球陆地碳汇的贡献量。此外,人类活动对陆地侵蚀-沉积过程及河流碳循环所产生的直接或间接的影响也有待于今后继续深入探索。     

沉积物不同赋存态水氢同位素组成:化学风化新指标?

<正>新生代青藏高原的隆升导致了东亚地理格局的改变,形成了从大陆中央隆升区向周围辐射的亚洲主要水系,也导致亚洲季风系统在早中新世形成,又在约8Ma与约3Ma时强化(汪品先,2005),使得大陆流域内风化模式、风化程度、剥蚀速率等发生不同程度的改变,影响着全球大洋化学通量变化。化学风化作为地球表层生物地球化学循环的关键过程,起着联系地球表层各圈层的纽带作用,在对地球不同圈层中的元素进行再分配的同时(Lupker,et al.,2012),直接或间接地影响全球气候。因此,化学风化与各圈层相互     

现代长江沉积物地球化学组成的不均一性与物源示踪

长江沉积物从源到汇过程研究的关键是揭示长江沉积物的组成特征,准确识别其时空组成变化规律,这也是东部边缘海海陆相互作用研究和长江水系构造演化研究的关键.本文研究一些常用的元素地球化学参数在现代长江水系的河漫滩和悬浮沉积物中组成的时空变化特点.在稀土元素(REE)组成上,下游近河口段干流悬浮沉积物在季节性时间尺度上比较稳定,可以代表现代长江入海沉积物的平均组成,而长江主要支流和干流间REE组成变化较大,化学相态分析可以更好地揭示特定物源区的REE组成特征以及由矿物分异引起的REE参数变化.相比REE而言,悬浮物中Al/Ti与Zr/Rb比值更能敏感地指示不同物源区的源岩组成信息,且减弱水动力分选引起的粒级和矿物分异影响.长江入河口的干流悬浮物作为整个流域风化剥蚀细颗粒物质的平均混合,具有更好的源区平均组成的示踪特性;但在不同季节也存在不同的主导性源区,主要受控于流域内季风降雨区的迁移.在河流沉积物源汇过程重建中,要特别关注流域物质风化和输运的自然过程可能引起的这些地球化学参数变化.     

珠江流域碳酸盐岩与硅酸盐岩风化对大气CO_2汇的效应

对珠江流域11个测站的河水1个水文年4次取样进行水化学和同位素测试分析,揭示无论是碳酸盐岩区还是硅酸盐岩区,岩石风化均使河流的离子成分以HCO3-、Ca2+、Mg2+为主,碳酸盐岩风化溶蚀速率和由碳酸盐岩风化溶蚀引起的大气CO2消耗量分别为27.60 mm/ka和540.21x103mol/(km2·a-1),是硅酸盐岩风化速率和由硅酸盐岩风化引起的大气CO2消耗量的10.8倍和6.7倍,说明碳酸盐岩风化是流域碳汇过程及效应的主体。由于有利的水热条件和高的碳酸盐岩面积比例,珠江流域平均岩石风化速率和由岩石风化作用引起的大气CO2消耗量分别为30.15mm/ka和620.36×103mol/(km2·a-1),为全球60条河流平均值的2.6倍。     

珠江流域碳酸盐岩与硅酸盐岩风化对大气CO2汇的效应

对珠江流域11个测站的河水1个水文年4次取样进行水化学和同位素测试分析,揭示无论是碳酸盐岩区还是硅酸盐岩区,岩石风化均使河流的离子成分以HCO3-、Ca2+、Mg2+为主,碳酸盐岩风化溶蚀速率和由碳酸盐岩风化溶蚀引起的大气CO2消耗量分别为27.60 mm/ka和540.21x103mol/(km2?a-1),是硅酸盐岩风化速率和由硅酸盐岩风化引起的大气CO2消耗量的10.8倍和6.7倍,说明碳酸盐岩风化是流域碳汇过程及效应的主体。由于有利的水热条件和高的碳酸盐岩面积比例,珠江流域平均岩石风化速率和由岩石风化作用引起的大气CO2消耗量分别为30.15mm/ka和620.36×103mol/(km2?a-1),为全球60条河流平均值的2.6倍。     

Combined tectonics and climate forcing for the widespread aeolian dust accumulation in the Chinese Loess Plateau since the early late Miocene

Currently mechanisms for the onset of the widespread aeolian dust accumulation in the Chinese Loess Plateau since 8–7 Ma remain elusive. In this study, we compile 11 records of climate (14–7 Ma) and tectonic activity of the Tibetan Plateau and its adjacent areas (15–6 Ma). The results suggest that strong tectonic activity in the northeastern Tibetan Plateau has produced massive debris and dust, which was deposited in the piedmont basins and reworked by weathering and fluviolacustrine erosion. At the same time, global cooling and uplift of the Tibetan Plateau over the period of 14–7 Ma intensified the East Asian winter monsoon and westerly winds (westerlies) while weakening the Asian summer monsoon, which led to the spread of dry land vegetation and aridification in interior China. Sediments in the piedmont basins were then exposed in the aridity and transported by the westerlies to the Chinese Loess Plateau and the North Pacific. We suggest that tectonic activity in the northeastern Tibetan Plateau and shifting global climate together triggered the widespread aeolian dust accumulation in the Chinese Loess Plateau and the North Pacific since 8–7 Ma.     

长江沉积物源示踪研究进展

近期物源分析方法发展较快,包括稀土元素、同位素地球化学与单颗粒碎屑矿物微区分析方法的广泛运用,以及分不同粒级组分或根据需要选择特定粒级组分进行物源分析逐渐代替了全样分析法,物源示踪效果得到明显的提高。长江作为连接青藏高原与西太平洋边缘海的最重要水系,河流沉积物从源到汇的现代与历史过程备受关注。长江沉积物源示踪研究进展包括:①建立和运用河流入海沉积物示踪端元模型,定性或定量地分析长江沉积物在海域的扩散与沉积分布规律,倾向于运用细颗粒组分矿物学、元素与同位素地球化学等方法,研究程度较高,今后需注意各端元值的时空变化,及受沉积过程的分异作用与早期成岩作用的影响;②建立和运用不同支流的物源示踪模型,研究晚新生代以来长江水系的演化历史,倾向于运用粗颗粒组分的物源分析方法,尤其是单颗粒碎屑矿物微区分析。由于长江流域面积巨大、区域地质复杂,建立支流域的精细物源分析指纹特征尚处在探索阶段,需注意运用碎屑锆石U-Pb定年与稀土元素、Hf同位素组成的综合物源分析法。综合运用多种物源分析法于长江中下游和三角洲盆地若干钻孔地层的研究,已较好地限定长江贯通的时间约在上新世晚期—早更新世之间,但仍存在较大争议,今后需在一些关键区域开展更多的深钻研究,提高物源精细示踪的效果、晚新生代地层测年的精度,并加强钻孔间的的对比研究。     

南海北部盆地新生代物源对周边主要河流演化的响应

源汇系统（Source- to- sink system）是将物源区的构造剥蚀、沉积物输送区的沉积物搬运和沉积区的沉积物堆积等视为一个完整系统。沉积物的源区恢复和附近水系重建是源汇研究的热点问题,沉积物碎屑锆石U- Pb定年是源汇系统研究的有效方法之一。南海北部与其周边地区构成了一个完整的源汇系统,通过源汇分析可获得南海北部各盆地沉积物来源及周边主要河流的演化历史。本文通过总结前人在南海北部主要盆地新生代沉积物碎屑锆石U- Pb研究成果,探讨珠江、红河和昆莺琼古河的新生代演化历史。珠江最早的支流北江和东江形成于早渐新世,晚渐新世溯源到西江上游的红水河、左江和右江,中新世溯源到西江中游柳江、桂江和上游的北盘江、南盘江。在晚白垩世—古近纪红河属于青藏高原东缘大型向东南或向南流河流的一部分,之后由于地貌变化形成现今红河。昆莺琼古河在早渐新世开始发育影响到珠江口盆地,在晚渐新世昆莺琼古河雏形已经基本形成,中新世起昆莺琼古河可能向西有一定程度的退缩。     

中国新近纪构造-地层区划及地层格架

新近纪是中国地貌地形和气候环境格局最终奠定的关键时期,如青藏高原强烈抬升和现代高原地貌最终成型、中国南海海盆扩张结束、东亚现今大型水系格局最终建立、中国西高东低的地势最终确立以及东亚季风系统开始形成并逐渐增强.通过对中国新近纪大地构造、沉积盆地(群)、火山岩、隆起带和大型变形构造等的综合研究,共厘定一级构造-地层单元(...     

Carbon Isotopic Constrains on the Sources and Controls of the Terrestrial Carbon Transported in the Four Large Rivers in China

The Changjiang， Huanghe， Zhujiang and Heilongjiang are the four largest rivers in China and they transport large amount of fresh water and terrigenous materials， including both inorganic and organic carbon into the ocean. The sources of the terrestrial carbon transported in the four rivers， however， have not been well constrained and compared. In this study， we used carbon isotopes （¹³C and ¹⁴C） combined with concentration measurements to investigate and compare the sources and fluxes of Dissolved Inorganic Carbon （DIC）， Particulate Inorganic Carbon （PIC）， Dissolved Organic Carbon （DOC） and Particulate Organic Carbon （POC） in the four rivers. The contributions of the potential sources to both DIC and DOC were quantitatively calculated using a dual isotope and three end member model. The results showed that the concentrations and isotope characteristics of the carbon pools in the river depended largely on the geological setting， surrounding environment and the anthropogenic influence of the drainage basins. Compared with other large rivers in the world， the concentrations of DIC in the Changjiang， Huanghe and Zhujiang were higher， but the DIC fluxes in the Huanghe and Zhujiang were lower. The DOC concentrations in the Heilongjiang River were higher and lower in the other three rivers compared with the average value of the world largest 25 rivers. The Changjiang， Huanghe and Zhujiang all transport millennia aged carbon. The old riverine DIC reflects the influence of chemical weathering of carbonate rocks and the old DOC reflects influence mainly from pre-aged soil OC. These ancient terrestrial carbon discharged by the rivers could have significant effects on the carbon cycle and ecosystems in the China's marginal seas.     

新生代晚期青藏高原强烈隆起及其对周边环境的影响

青藏高原主夷平面形成的上限年龄为3.6MaB.P.,临夏盆地新生代湖相沉积同时结束,青藏运动开始,分为A(3.6MaB.P.),B(2.6MaB.P.)和C(1.7MaB.P.)3幕,A幕现代亚洲季风形成,B幕黄土开始堆积,C幕黄河出现;昆黄运动(1.2～0.6MaB.P.)使黄河干流切入青藏高原,大面积山地进入冰冻圈,可能导致中更新世之气候转型;共和运动造成黄河切穿龙羊峡,青海湖孤立,高原达到现代高度.中国三大自然区是高原隆升驱动大气环流改变而导致的中国最高层次的景观分异.本文讨论了8MaB.P.的有限高度隆升及亚洲干旱化的问题,亚洲夏季风22MaB.P.已经开始,是高原隆升及其它因素共同作用的结果,为亚洲古季风阶段.3.6MaB.P.才是现代亚洲季风真正开始的时期,可能北半球进入冰期也与此有密切关系.     

长江口及邻近陆架沉积物中Pt、Pd分异的物源示踪

Pt/Pd比值在研究区分布呈显著的区域特征.南黄海沿岸流输送物质以Pt/Pd > 1为特征, 为古黄河三角洲来源; 长江流域来源物质以Pt/Pd≤1为特征.长江物源组分的影响范围广, 在125°E、33°N沉积物中还能发现受长江物质的明显影响.除了源岩中Pt、Pd分配因素外, 黄河和长江流域不同类型和程度的风化作用对沉积物中Pt、Pd分异起着关键的控制作用.虽然沉积物中氯含量、粒度效应在一定程度上影响着Pt、Pd分布, 但是没有造成显著的Pt、Pd分馏.Pt/Pd≤1区域中元素组成和长江沉积物的组成特征一致, 呈现比较强的硅质风化作用; Pt/Pd > 1区域沉积物中的元素组成和黄河沉积物一致, K/Na-Rb/Sr图解显示古黄河物质在再侵蚀、搬运和沉积过程中化学成分进一步分异.      

The Sedimentary Record in Northern Qaidam Basin and its Response to the Uplift of the South Qilian Mountain at around 30 Ma

The thick, Eocene to Pliocene, sedimentary sequence in Qaidam Basin at the northern margin of the Tibetan Plateau records the surface uplift history of the northeastern Tibetan plateau. In this study, we present detailed geochemistry, heavy mineral, and clay mineralogy data of the well preserved sedimentary record in the Dahongou section in the northeast of the Qaidam Basin. The results suggest that the sedimentary sequence recorded a 30 Ma young uplift/unroofing event in the northern edge of the Qaidam Basin, which is characterized by high ZTR index value and chlorite content, and low CIW`. The results are consistent with previous sedimentological studies of the Qaidam Basin, which indicated rapid increase of the accumulation rates around 30 Ma. Based on past thermochronological data from the mountains around the Qaidam Basin and the accumulation rates of the Cenozoic basins in the northeastern Tibetan Plateau, we infer a regional uplift and denudation event along the northeastern Tibetan Plateau during early Oligocene (～30 Ma), indicating that the Tibetan Plateau had expanded north-eastward of the study area at that time.     

Geochemistry of large river suspended sediments: silicate weathering or recycling tracer?

This study focuses on the major and trace element composition of suspended sediments transported by the world’s largest rivers. Its main purpose is to answer the following question: is the degree of weathering of modern river-borne particles consistent with the estimated river dissolved loads derived from silicate weathering?In agreement with the well known mobility of elements during weathering of continental rocks, we confirm that river sediments are systematically depleted in Na, K, Ba with respect to the Upper Continental Crust. For each of these mobile elements, a systematics of weathering indexes of river-borne solids is attempted. A global consistency is found between all these indexes. Important variations in weathering intensities exist. A clear dependence of weathering intensities with climate is observed for the rivers draining mostly lowlands. However, no global correlation exists between weathering intensities and climatic or relief parameters because the trend observed for lowlands is obscured by rivers draining orogenic zones. An inverse correlation between weathering intensities and suspended sediment concentrations is observed showing that the regions having the highest rates of physical denudation produce the least weathered sediments. Finally, chemical and physical weathering are compared through the use of a simple steady state model. We show that the weathering intensities of large river suspended sediments can only be reconciled with the (silicate-derived) dissolved load of rivers, by admitting that most of the continental rocks submitted to weathering in large river basins have already suffered previous weathering cycles. A simple graphical method is proposed for calculating the proportion of sedimentary recycling in large river basins. Finally, even if orogenic zones produce weakly weathered sediments, we emphasize the fact that silicate chemical weathering rates (and hence CO₂ consumption rates by silicate weathering) are greatly enhanced in mountains simply because the sediment yields in orogenic drainage basins are higher. Hence, the parameters that control chemical weathering rates would be those that control physical denudation rates.     

构造事件的沉积响应—建立青藏高原大陆碰撞、隆升过程时空坐标的设想和方法

沉积盆地的地层形态、岩相类型以及空间配置样式是构造事件的重要标识.沉积序列中特征岩石组分的出现标志着毗邻造山带隆升的初始启动时间,与物源区地层单元垂向叠置序列相反或相同的岩屑组分剖面分布则是幕式构造旋回的反映.在前陆盆地中砾石层的出现被认为是冲断岩席活动的记录,而在断陷盆地和走滑拉分盆地中通常可识别出100m级的向上变粗和向上变细的旋回层,它们被解释为构造高地重复隆升和溯源侵蚀的结果.最近的研究工作表明,急剧的构造沉降主要是通过细粒级河湖相沉积补偿的,广泛的砾岩进积发生在构造活动的平静期.构造驱动的山脉隆升表现为砾岩地层呈楔状体,纵向河流水系发育;重力均衡回返所导致的山系隆升则形成以横向河流水系为主的板状砾岩沉积.从青藏高原腹地、周缘和外延海洋盆地的沉积记录中可获取重大构造变革时期的信息,也许是解决目前有关印度与亚洲大陆碰撞、高原隆升等时性或穿时性以及限定陆内变形调节机制的一个重要手段.