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殷皓铭,Oct. 21, 2022
化学风化驱动了多种地质作用，包括（1）行星地貌的形成，（2）土壤的形成，（3）陆地对海洋的营养供应的调节（4）大气CO2和碳循环的调节。此外，化学风化也是大气中二氧化碳在地质时间尺度上主要汇，对调节地球气候和可居住性起到了很重要的作用。因此，为了更好地制约地质时间尺度上气候的变化，需要使用合适的地球化学指标来制约化学风化的强度和速率。而化学风化中的轻同位素（Li、Mg、Ca和Si等）的分馏，恰好可以提供关于气候演变、大陆到海洋的营养供应等宝贵信息。
锂（Li）同位素系统是追踪硅酸盐风化作用的理想指标，Li有两个质量百分数相差大的稳定同位素6Li、7Li，因此他们在地球表面会产生相当大的分馏（60‰）；Li只有一个氧化还原状态（+1），因此它对氧化还原变化不敏感；在化学风化过程中，6Li优先赋存在次生矿物中，保存在海相碳酸盐中的锂同位素信号提供了地球历史上硅酸盐风化的关键信息。但是风化一般会导致轻Li留在风化层，与河流与海洋的重Li平衡。同时，之前的研究表明风化产物可能会因土壤形成、孔隙流体平流/扩散和大气输入等作用的影响而变得复杂。
K同位素也是追踪硅酸盐风化的理想指标，因为钾是地壳岩石中的主要碱金属元素，在硅酸盐风化过程中可以系统地迁移。岩浆分异不会导致显著的同位素分馏，火成岩的K同位素组成范围通常较窄。表土中的K元素含量和同位素值是由大气输入、化学风化和生物循环之间的约束相互作用决定的。
文献研究了夏威夷岛西北部最古老的火山科哈拉山周围2个代表性的风化层,他们地处迎风和背风，降雨量有强烈对比。对该地区风化层、玄武岩、火山灰、植物（根、茎、叶）水（雨水、当地海水、地下水、河水）的样品进行了大量分析，包括Li、K元素和同位素的相关研究。下面分三个控制因素进行讨论。
大气输入
两个风化层，在表土部分都发生了Li的富集，这可能与有较高Li含量的火山灰或者长距离搬运的大陆尘埃的加入有关。风化层表土的Li-Sr同位素变重，这应该是保存了海水的信号。且通过两个风化层的对比，干旱时期的更重，表明保存了更多海水Li的信号。结合潮湿风化层的表层石英数据，支持灰尘的添加这一影响因素，最高的Sr同位素信号出现在潮湿的浅表土层中，说明风成添加物逐渐取代化学淋滤而耗尽的原始玄武岩Sr，突出了缓慢但持续的风尘添加的影响。文章通过Li-Sr同位素信号拟合了这个三端元模型，三个主要端元组成：未风化的玄武岩、风尘、海水。数据表明潮湿风化层表层的风尘添加是显著的，干旱风化层表层则受玄武岩和海水共同控制。同时大气输入方面，降雨的差异会导致水平衡的差异，从而影响孔隙水的流动，也会影响大气贡献效率。
两个风化层的K同位素组成显示出显著差异，在潮湿风化层，K同位素值随含量减小而减小，干旱层则相反，反映了不同地质过程调节的同位素分馏。通过比较τK，Nb与K同位素组成，发现元素与同位素有三个方向的共同趋势，说明表明至少有三种控制作用调节K同位素的分馏，推测是：大气添加、粘土形成、和植物循环。对于K来说，研究区受矿物和海相的气溶胶调节控制。矿物和海洋气溶胶对表土阳离子收支的贡献是与降雨量呈正相关，在潮湿浅表地层中，K损失向上逐渐减少，可以用矿物气溶胶解释，因为矿物气溶胶可以平衡甚至压倒风化过程中K+等可溶性离子的淋滤损失，并且矿物气溶胶K同位素组成与UCC的类似，因此矿物气溶胶的沉积会导致K的富集和类UCC的δ41K信号富集。样品的K同位素值与与石英含量之间的关系也表明，潮湿浅表有更窄的d41K变化和更高的石英含量，与亚洲粉尘同位素组成类似，这也表明了亚洲堆积粉尘的贡献。通过计算潮湿和干旱风化层的矿物气溶胶通量，均支持湿润风化层相对于干旱风化层上存在大量灰尘信号。干旱表层的K同位素比原岩高，可能是含有较重K的海水信号加入，同时干旱不会出现明显的淋滤损失，因此海水带来的K可能保存得更好。
植物循环
文献淋滤了样品的四个组分，可交换组分、可还原组分、可氧化组分、残余组分。其中可氧化组分偏轻，可能是植物内的运输导致的，植物各器官的Li同位素值从根到茎再到叶，逐渐变轻，说明是轻Li向上转移，并且随着植物的凋谢，又会将轻的Li返回到土壤中，从而导致可氧化成分（硫化物、有机物）偏轻，其中偏轻另外原因可能是：腐殖质与轻Li的络合作用、有机质涂层和之前吸附在黏土矿物上的Li解吸附。
植物在钾循环及其同位素分馏中起着关键作用。文献对湿润和干旱土壤-植物体系的K同位素测量，发现根茎叶之间有明显分馏，说明植物内K同位素分馏可能与运输路径的离子交换过程有关。植物的根部和新鲜叶片的K同位素更重，枯叶K同位素偏轻。
次生矿物
锂的形态还取决于表面吸附和随后并入次生矿物的结构，随着孔隙水的PH增加，表面羟基脱质子，促进Li同位素分馏，随着剖面深度增加，PH增加，Li同位素值变轻，重Li沿孔隙水向下运移，在岩心不连续面积累。实验室实验和自然观测都表明，通过土壤Li同位素组成与高岭石、铁（氢）氧化物丰度的关系，风化过程中的锂同位素分馏是矿物特有的，高岭石的吸附会驱动土壤6Li滞留，铁（氢）氧化物则影响不大。
对于K而言，依旧是轻K在潮湿、深层风化层中的优先保留，粘土矿物是化学风化期间玄武岩释放的K的主要汇，优先吸收同位素较轻的K，将较重的K释放到河水中。这种风化驱动的分馏可能会导致体积d41K和K/Al比率之间的正相关，潮湿、浅表土层的样品不遵循这种关系，可能是由于矿物气溶胶的叠加效应。干旱剖面的同位素组成较基岩偏重，并且在d41K和K/Al值之间没有明显的相关性，这种现象的原因可能是吸附在层状硅酸盐的K同位素比水中残留的重。在高PH环境下，羟基脱质子，K离子会和粘土矿物的交换位点有很大的亲和力，导致被吸附的K同位素更重。
因此，浅表土层中的Li地球化学主要受大气添加、植被循环和矿物合成的影响，而受深表土层中孔隙流体渗流和聚集的控制。而K主要是由大气输入、化学风化（尤其是粘土形成）和植物循环的相互作用造成的，气候有可能产生不同的陆地K同位素记录。
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