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地表風(fēng)化改變巖石圈、水圈和大氣的化學(xué)成分，并通過消耗大氣CO2調(diào)節(jié)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(xué)風(fēng)化作用，但維度低、信號單一且難以保存。其金屬穩(wěn)定同位素攜帶高維信息，飛速引領(lǐng)著化學(xué)風(fēng)化研究的發(fā)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(xué)風(fēng)化的進(jìn)展、各自的優(yōu)點和缺陷及存在的問題，進(jìn)而建議多種堿（土）金屬同位素聯(lián)用，以獲得化學(xué)風(fēng)化過程的全面可靠信息，有望為解決目前多個化學(xué)風(fēng)化假說不自洽提供直接觀測證據(jù)。

中文題目：堿（土）金屬同位素是示蹤化學(xué)風(fēng)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(xué)院地球環(huán)境研究所

第一作者：茍龍飛，長安大學(xué)

關(guān)鍵詞：化學(xué)風(fēng)化；非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素；堿金屬；堿土金屬；同位素聯(lián)用

背景介紹

化學(xué)風(fēng)化是地表無時無刻都在發(fā)生的地球化學(xué)過程，被認(rèn)為維持著長時間尺度地球系統(tǒng)宜居性。如何有效示蹤化學(xué)風(fēng)化速率、強度和通量關(guān)系到地質(zhì)時間尺度上碳循環(huán)、營養(yǎng)鹽循環(huán)及生命演替的重大科學(xué)問題，是地球系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域研究的重大基礎(chǔ)理論前沿之一。由此，自19世紀(jì)末以來，科學(xué)家提出了“地質(zhì)空調(diào)假說”、“構(gòu)造驅(qū)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(xué)風(fēng)化定量指標(biāo)。

化學(xué)風(fēng)化本質(zhì)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(wěn)定同位素分餾可觀，被認(rèn)為可有效地記錄化學(xué)風(fēng)化的過程信息，是21世紀(jì)以來地球科學(xué)領(lǐng)域最具活力的方向。然而，堿（土）金屬穩(wěn)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(xué)風(fēng)化尚無定論。針對上述科學(xué)困境，中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所金章東研究團(tuán)隊聯(lián)合國內(nèi)外知名學(xué)者聚焦化學(xué)風(fēng)化如何維持宜居地球系統(tǒng)的核心科學(xué)問題，瞄準(zhǔn)化學(xué)風(fēng)化領(lǐng)域長期缺乏可重復(fù)、可定量、可驗證指標(biāo)的難題。經(jīng)過十多年的探索和積累，該研究團(tuán)隊充分認(rèn)識到每種堿（土）金屬元素的性質(zhì)對示蹤化學(xué)風(fēng)化而言均有其優(yōu)點和缺陷，單個堿（土）金屬同位素擅長示蹤化學(xué)風(fēng)化的某一側(cè)面，存在不確定性。最近該團(tuán)隊發(fā)表在Fundamental Research的綜述論文從方法、原理到應(yīng)用三個層面較全面地總結(jié)了研究現(xiàn)狀和存在問題：（1）建立并改進(jìn)了堿（土）金屬穩(wěn)定同位素分析方法，為使用堿（土）金屬穩(wěn)定同位素示蹤化學(xué)風(fēng)化奠定了堅實的基礎(chǔ)；（2）厘定低溫條件下堿（土）金屬穩(wěn)定同位素分餾機制，發(fā)現(xiàn)不同同位素可刻畫化學(xué)風(fēng)化的不同過程和細(xì)節(jié)；（3）提出聯(lián)用堿（土）金屬穩(wěn)定同位素可示蹤化學(xué)風(fēng)化的速率、強度和通量，有望全面深刻地認(rèn)識化學(xué)風(fēng)化過程和機制。

該論文指出，對于復(fù)雜地球表層系統(tǒng)科學(xué)的研究，應(yīng)當(dāng)從多視角出發(fā)，利用堿（土）金屬同位素各自的優(yōu)勢，有針對性地對某一要素進(jìn)行潛心研究，剝離變量，再進(jìn)行統(tǒng)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(xué)風(fēng)化全貌（圖1）。堿（土）金屬同位素可為證實/證偽化學(xué)風(fēng)化如何維持宜居地球提供現(xiàn)代到深時尺度的證據(jù)，有望成為解決化學(xué)風(fēng)化領(lǐng)域內(nèi)多個假說相悖問題的一把利劍。

圖1堿（土）金屬同位素聯(lián)合示蹤化學(xué)風(fēng)化

主要作者簡介

金章東中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所研究員，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、黃土和第四紀(jì)地質(zhì)國重主任。長期致力于地表過程、化學(xué)風(fēng)化與碳循環(huán)研究。主持創(chuàng)新研究群體、重點等項目十余項。發(fā)表論文300余篇，被引近萬次，獲中國科學(xué)十大進(jìn)展等。

茍龍飛長安大學(xué)副教授，長安學(xué)者?！度A東地質(zhì)》副主編、《地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報》青年編委。開展非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素測定方法、分餾機理及示蹤風(fēng)化研究。主持面上基金等項目5項，發(fā)表論文30余篇，被引500余次，獲中國科學(xué)院百篇優(yōu)秀博士學(xué)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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