Fundamental Research 文章抢先看｜金章东等：碱（土）金属同位素是示踪化学风化的一把利剑

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地表风化改变岩石圈、水圈和大气的化学成分，并通过消耗大气CO2调节地表温度，从而维持地球的宜居性。碱金属和碱土金属离子长期被用以指示化学风化作用，但维度低、信号单一且难以保存。其金属稳定同位素携带高维信息，飞速引领着化学风化研究的发展方向，但其机制不清，致使观点不一，争论不断。本文综述了Li、Mg、K、Ca、Rb、Sr和Ba等碱（土）金属同位素示踪化学风化的进展、各自的优点和缺陷及存在的问题，进而建议多种碱（土）金属同位素联用，以获得化学风化过程的全面可靠信息，有望为解决目前多个化学风化假说不自洽提供直接观测证据。

中文题目：碱（土）金属同位素是示踪化学风化的一把利剑

英文原题：Cation isotopes trace chemical weathering

通讯作者：金章东，中国科学院地球环境研究所

第一作者：苟龙飞，长安大学

关键词：化学风化；非传统稳定同位素；碱金属；碱土金属；同位素联用

背景介绍

化学风化是地表无时无刻都在发生的地球化学过程，被认为维持着长时间尺度地球系统宜居性。如何有效示踪化学风化速率、强度和通量关系到地质时间尺度上碳循环、营养盐循环及生命演替的重大科学问题，是地球系统科学领域研究的重大基础理论前沿之一。由此，自19世纪末以来，科学家提出了“地质空调假说”、“构造驱动假说”、“大陆孤碰撞假说”、“火山排气假说”等多个假说，但均无法自洽甚至相悖，存在诸多争论，其核心原因是尚缺少直接可靠的地史化学风化定量指标。

化学风化本质上是阳离子丢失的过程，其中碱金属和碱土金属（合称碱（土）金属（Cation isotopes）：Li、Mg、K、Ca、Rb、Sr、Ba等）活动性强、离子具有保守性，且这些碱（土）金属稳定同位素分馏可观，被认为可有效地记录化学风化的过程信息，是21世纪以来地球科学领域最具活力的方向。然而，碱（土）金属稳定同位素的分析测试、分馏方向与大小尚存在诸多不确定性和争议，如何有效示踪化学风化尚无定论。针对上述科学困境，中国科学院地球环境研究所金章东研究团队联合国内外知名学者聚焦化学风化如何维持宜居地球系统的核心科学问题，瞄准化学风化领域长期缺乏可重复、可定量、可验证指标的难题。经过十多年的探索和积累，该研究团队充分认识到每种碱（土）金属元素的性质对示踪化学风化而言均有其优点和缺陷，单个碱（土）金属同位素擅长示踪化学风化的某一侧面，存在不确定性。最近该团队发表在Fundamental Research的综述论文从方法、原理到应用三个层面较全面地总结了研究现状和存在问题：（1）建立并改进了碱（土）金属稳定同位素分析方法，为使用碱（土）金属稳定同位素示踪化学风化奠定了坚实的基础；（2）厘定低温条件下碱（土）金属稳定同位素分馏机制，发现不同同位素可刻画化学风化的不同过程和细节；（3）提出联用碱（土）金属稳定同位素可示踪化学风化的速率、强度和通量，有望全面深刻地认识化学风化过程和机制。

该论文指出，对于复杂地球表层系统科学的研究，应当从多视角出发，利用碱（土）金属同位素各自的优势，有针对性地对某一要素进行潜心研究，剥离变量，再进行统筹兼顾、信息整合、模型模拟才能得到更接近真实情景下的化学风化全貌（图1）。碱（土）金属同位素可为证实/证伪化学风化如何维持宜居地球提供现代到深时尺度的证据，有望成为解决化学风化领域内多个假说相悖问题的一把利剑。

图1碱（土）金属同位素联合示踪化学风化

主要作者简介

金章东中国科学院地球环境研究所研究员，国家杰出青年科学基金获得者、黄土和第四纪地质国重主任。长期致力于地表过程、化学风化与碳循环研究。主持创新研究群体、重点等项目十余项。发表论文300余篇，被引近万次，获中国科学十大进展等。

苟龙飞长安大学副教授，长安学者。《华东地质》副主编、《地球科学与环境学报》青年编委。开展非传统稳定同位素测定方法、分馏机理及示踪风化研究。主持面上基金等项目5项，发表论文30余篇，被引500余次，获中国科学院百篇优秀博士学位论文奖。

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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