硅酸盐岩的化学风化作用对地球关键带元素的迁移和地质历史时期的全球气候调节具有重要意义。作为一种碱土金属元素，Sr在化学风化过程中容易发生迁移，导致稳定Sr同位素产生明显的分馏作用，可作为陆相风化过程的有效示踪剂。然而，硅酸盐岩风化过程中稳定Sr同位素的分馏机制仍然认识不清，风化输出的物质通量未得到有效限制。因此，研究化学风化过程中Sr元素迁移及其同位素分馏对认识地表过程中Sr地球化学循环和大陆风化通量至关重要。

近期，中国科学院广州地球化学研究所博士生雒恺，在马金龙正高级工程师和韦刚健研究员的指导下，选取海南岛北部一深度为49.5 m的玄武岩风化剖面为研究对象，开展了矿物学、元素和Sr同位素组成研究。结果显示，0 ~ 33.4 m的风化剖面受到了外源物质输入的显著影响。在33.4 ~ 49.5 m的风化剖面中，风化产物的化学蚀变指数（CIA）为65.2 ~ 98.9，τ_Sr,Ti值为-58.9% ~ -99.1%，表明强烈的玄武岩风化作用导致大量的Sr淋滤。风化产物的δ⁸⁸Sr值为-0.29‰ ~ 0.37‰，其稳定Sr同位素组成自下而上呈现出先减小后增加的趋势，且大部分风化产物的δ⁸⁸Sr值低于母岩值（图1）。在早期风化阶段，中等到弱酸性条件下，重Sr同位素在斜长石分解过程中淋滤出风化剖面，轻Sr同位素则吸附在蒙脱石和高岭石等次生矿物的表面，造成风化产物的稳定Sr同位素组成偏轻。随着风化作用的进行，pH逐渐降低，蒙脱石分解，高岭石在弱酸性条件下发生解吸附作用，先前吸附的轻Sr同位素重新释放到土壤溶液中。不同pH条件下，蒙脱石与高岭石的形成与分解控制了风化产物的δ⁸⁸Sr值，pH是稳定Sr同位素分馏的重要影响因素（图2）。此外，该研究基于风化剖面尺度，创新性地提出估算风化通量的新方法，计算得到玄武岩化学风化过程中的Sr元素通量（Sr_Flux）为0.08 ~ 0.29（mg cm^-3 Myr^-1），Sr同位素通量（δ⁸⁸Sr_Flux）为0.016 ~ 0.066（‰（mg cm^-3 Myr^-1））。玄武岩风化过程中Sr元素迁移和稳定Sr同位素分馏与风化强度密切相关。随着化学风化强度的增加，Sr元素发生了显著淋滤，进而导致稳定Sr同位素分馏（图3）。该研究揭示了风化通量与风化强度之间的关系，有助于我们认识玄武岩化学风化过程和量化风化通量。

图1 玄武岩风化剖面中Sr含量、Sr同位素组成、τ_Sr,Ti值、CIA值和pH值等随深度的变化

图2 玄武岩风化剖面中δ⁸⁸Sr值与（a）蒙脱石/斜长石比值、（b）蒙脱石含量、（c）高岭石含量和与（d）pH的关系

图3 Sr_Flux与（a）δ⁸⁸Sr_Flux和（b）CIA值的关系；δ⁸⁸Sr_Flux与（c）τ_Sr,Ti值和（d）CIA值的关系

相关研究成果近期发表于国际地学期刊《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》。该项研究受到国家重点研发计划（2022YFF0800501）、国家自然科学基金（41991325；42021002）和广东省基础与应用基础研究重大项目（2019B030302013）等项目的联合资助。

论文信息：Luo, K.（雒恺）, Ma, J.（马金龙）, Wang, Z.（王志兵）, Zhu, G.（朱冠虹）, Zeng, T.（曾提）, & Wei, G.（韦刚健） (2024). Fractionation mechanism and flux estimation of strontium isotopes during basalt weathering. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 25, e2023GC011215. https://doi.org/10.1029/2023GC011215.

论文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023GC011215