在不同地形条件下对黑色页岩风化剖面进行的地球化学研究：地形对化学风化过程的影响

《CATENA》：Geochemical investigations on black shale weathering profiles in contrasting terrains: Role of topography on chemical weathering

本研究系统分析扬子平台11个不同地形条件下黑页岩风化剖面，揭示地形通过影响水循环和侵蚀速率调控风化强度，导致低地形区钙长石和伊利石显著流失，高岭土和钾长石富集，进而控制主元素迁移及稀土分馏规律。

　　研究团队由来自西南交通大学地球科学与工程学院的多位科学家组成，包括冯俊杰、魏巍、凌思翔、李晓宁、孙春伟、廖欣和吴希勇。他们通过系统分析长江平台不同地形条件下形成的十一处黑色页岩风化剖面，揭示了地形对硅酸盐岩石化学风化的关键影响。该研究不仅拓展了我们对化学风化过程的理解，也为评估地形在大陆岩石风化中的作用提供了新的视角。

化学风化是连接大气圈、水圈和岩石圈的重要地质过程，对地球关键带的物质循环和元素迁移具有深远的影响。通常认为，岩石类型、气候条件和构造活动是控制化学风化的主要外部因素。然而，随着研究的深入，人们逐渐认识到地形在化学风化中的独特作用。地形的三维特征，如坡度、坡向和地形起伏幅度，直接影响地表水文分布和侵蚀作用，从而影响化学风化的强度和速率。因此，探索地形对化学风化的调控机制，对于理解地表过程的演变和元素循环具有重要意义。

黑色页岩作为一种在缺氧环境下沉积的岩石类型，广泛分布于全球各地。其主要特征是富含硫化物矿物，这使得黑色页岩在暴露于氧化条件下时特别敏感于化学风化。由于黑色页岩的高反应性，其风化过程对环境变化具有高度响应性，这使得研究黑色页岩在不同地形条件下的风化行为成为了解地形对硅酸盐岩石风化影响的重要切入点。以往的研究多集中于单一的风化剖面，缺乏对地形差异的系统分析。因此，本研究选择长江平台作为研究区域，该区域具有相似的基岩地质和气候条件，但地形差异显著，为研究地形对化学风化的调控提供了理想的自然实验场。

在长江平台，黑色页岩广泛分布，且其风化过程在不同地形条件下表现出显著差异。研究团队利用高精度数字高程模型（DEM，分辨率12.5米）计算了地形参数，包括坡度和地形起伏幅度。这些参数能够有效反映地形对风化过程的控制作用。通过对十一处黑色页岩风化剖面的系统分析，研究团队发现，低起伏地形下的黑色页岩风化剖面表现出更多的斜长石和伊利石损失，以及主要元素（如钙、钠、硅、铁、镁、钾、铝）的显著耗竭。相反，在高起伏地形下，这些元素的损失较少，而高岭石和钾长石则表现出一定的富集。这种差异可能是由于地形起伏对风化材料的停留时间和反应条件产生了不同的影响。

地形起伏幅度和坡度对风化强度的调控作用主要体现在对可风化物质停留时间的影响上。在高起伏地形中，强烈的地表侵蚀作用减少了可风化物质的停留时间，从而降低了化学风化的强度。这一现象可以通过化学改变指数（CIA）的分析得到支持，CIA值随地形起伏幅度和坡度的增加而降低。这意味着，在高起伏地形下，由于侵蚀作用强烈，风化反应的完成时间被缩短，导致风化产物的积累较少。而在低起伏地形中，风化材料的停留时间较长，促进了更多的矿物分解和元素迁移。

此外，研究还发现，斜长石的迁移系数（τ_{Pl, Ti}）与地形起伏幅度和坡度呈显著正相关，相关系数分别为0.82和0.80。这表明，地形的增强作用限制了斜长石的风化速率。斜长石是一种常见的铝硅酸盐矿物，在风化过程中容易被分解，释放出其中的元素。然而，在高起伏地形中，由于侵蚀作用强烈，斜长石可能在风化过程中被迅速带走，导致其在风化剖面中的含量减少。而在低起伏地形中，由于侵蚀作用较弱，斜长石的风化速率受到限制，导致其在风化剖面中的富集。

伊利石的富集情况则表现出与斜长石相反的趋势。在相对高起伏的地形中，伊利石的含量增加，而在低起伏地形中，伊利石的含量减少。这种现象可能与斜长石风化向伊利石风化的转变有关。在高起伏地形中，由于水文条件的差异，斜长石可能更容易被氧化和分解，从而促进伊利石的形成。而在低起伏地形中，斜长石的供应可能受到限制，导致伊利石的风化速率降低。这种变化表明，地形不仅影响风化强度，还可能改变矿物的转化路径和元素的迁移模式。

稀土元素（REEs）的迁移和分异也是研究的重要内容之一。研究团队发现，REEs的迁移量与伊利石的迁移系数（τ_{Ill, Ti}）呈显著正相关，相关系数为0.81。这表明，地形对REEs的迁移具有重要影响。在高起伏地形中，由于伊利石的富集，REEs的迁移速率较高，而在低起伏地形中，由于伊利石的减少，REEs的迁移速率较低。这种差异可能与地形对矿物转化路径的调控有关，同时也反映了地形对元素迁移的复杂影响。

除了矿物的转化和元素的迁移，地形还对REEs的分异模式产生重要影响。在风化过程中，REEs的分异可能受到多种因素的共同作用，包括矿物的分解速率、水文条件的变化以及地形对物质迁移的控制。研究团队发现，地形通过调控风化强度，影响了REEs的分异模式。在高起伏地形中，风化强度较高，导致REEs的分异程度较大；而在低起伏地形中，风化强度较低，REEs的分异程度较小。这种分异模式的变化进一步说明了地形在化学风化过程中的关键作用。

综上所述，本研究通过系统分析长江平台不同地形条件下的黑色页岩风化剖面，揭示了地形对化学风化的调控机制。研究发现，地形起伏幅度和坡度对风化强度、矿物转化和元素迁移具有显著影响。在高起伏地形中，风化强度较低，矿物分解和元素迁移受到限制；而在低起伏地形中，风化强度较高，矿物分解和元素迁移更为显著。这种差异可能与地形对风化材料停留时间和反应条件的影响有关。

此外，研究还发现，地形对矿物转化路径和元素迁移模式具有重要影响。斜长石和伊利石的迁移系数分别与地形起伏幅度和坡度呈正相关，表明地形的增强作用可能限制了斜长石的风化速率，而促进了伊利石的形成。同时，REEs的迁移量与伊利石的迁移系数呈正相关，进一步支持了地形对元素迁移的调控作用。这些发现不仅深化了我们对地形在化学风化中的作用的理解，也为评估地形对其他风化系统的控制提供了理论依据。

本研究的意义在于，它强调了地形在化学风化过程中的关键作用，并揭示了地形对矿物转化、元素迁移和分异模式的复杂影响。通过整合地形参数作为控制风化速率的框架，研究团队提出了一个基于地形的风化速率限制模型。这一模型能够更准确地预测不同地形条件下化学风化的强度和速率，从而为理解地表过程的演变提供新的思路。

研究团队还指出，以往的许多研究主要集中在单一风化剖面的分析上，缺乏对地形差异的系统探讨。而本研究通过选择具有相似基岩地质和气候条件但地形差异显著的区域，为探索地形对化学风化的调控机制提供了理想的实验环境。这种对比研究方法有助于揭示地形在化学风化中的主导作用，并为其他类似研究提供参考。

最后，研究团队希望他们的工作能够为更好地理解地形在化学风化过程中的作用提供新的视角。他们强调，地形不仅影响风化强度，还可能改变矿物的转化路径和元素的迁移模式。因此，未来的研究应更加关注地形对化学风化的调控机制，并探索其在不同地质和气候条件下的适用性。这将有助于我们更全面地认识化学风化过程的复杂性，并为相关的环境和地球科学研究提供新的理论支持。