现代土壤和水生沉积物中的特定地形稀土元素（REE）组成可作为渐进风化过程中可靠的来源示踪剂

《CATENA》：Terrane-specific REE composition in the bulk materials of modern soils and aquatic sediments as a reliable provenance tracer in a progressive weathering scenario

稀土元素分异与化学风化过程中矿物稳定性研究：以印度德干暗色岩Dhom Lake流域为例，通过分析基岩、表层土壤及水体沉积物的矿物组成与稀土元素特征，发现老 lava 形成的稀土模式在风化过程中保持稳定，证实基岩到沉积物稀土分异 prerequisite成立。研究揭示了热带快速侵蚀环境中稀土元素保留机制，为西印度洋离岸沉积物溯源提供新依据。

　　这项研究探讨了印度德干玄武岩地区快速侵蚀的现代土壤和水体沉积物中稀土元素（REE）的保存情况，这对于理解流域来源和海洋沉积物的来源具有重要意义。研究的重点是快速侵蚀的土壤和水体沉积物在逐渐风化过程中（即直到高岭土化完成；CIA_bedrock < CIA_sample < 100）是否能够保留岩石的REE特征。通过分析德干玄武岩地区的Dhom湖流域（约5平方公里）中基岩露头（n=18）、地表土壤（n=43）和水体沉积物（n=43）的地球化学和矿物学组成，研究揭示了该地区REE的风化行为及其对海洋沉积物来源研究的影响。

### 研究背景与意义

德干玄武岩是印度次大陆上最大的大陆玄武岩省之一，其形成与白垩纪-第三纪边界（KT边界）的火山活动密切相关。这些玄武岩主要由基性岩浆形成，但它们的风化和侵蚀过程可能受到多种因素的影响，如气候条件、地形变化以及水文动力学排序。然而，在大型流域中，由于沉积物来源的多样性，使用REE作为来源追踪的工具常常面临挑战。因此，研究快速风化的土壤和沉积物中REE的保存情况，有助于验证其在沉积物来源研究中的可靠性。

研究的地理背景涉及德干玄武岩的西缘，即印度的康坎沿海带（KCB）。这一区域的基岩主要是次碱性玄武岩，形成于较早的Thakurwadi岩浆活动。该地区的基岩、地表土壤和水体沉积物在风化过程中表现出一定的化学变化，如化学指数（CIA）的变化，从基岩的39±8增加到地表土壤的62±23和水体沉积物的68±21。这些数据表明，风化过程对REE的保存和分布具有显著影响，但整体上，REE的分布模式与基岩相似，仅表现出轻微的Ce异常和几乎无Eu异常，这可能与氧化性风化条件有关。

此外，研究还指出，德干玄武岩的不同岩浆形成具有不同的地球化学特征，这些特征在风化过程中可能被保留或改变。例如，较年轻的Wai亚群玄武岩可能在风化过程中表现出更多的REE富集，而较古老的Lonavala和Kalsubai亚群则可能由于不同的岩浆过程和地壳物质的加入而表现出不同的REE特征。然而，对于较古老的Kalsubai亚群玄武岩，其风化过程中REE的富集行为尚未得到充分研究。

### 地质背景与区域设置

德干玄武岩的形成与印度板块从塞舌尔岛向北漂移的过程密切相关，这一过程发生在早古新世。研究区域位于德干玄武岩的西部边缘，即康坎沿海带，该地区由于热带气候的强烈降雨，形成了显著的风化剖面。这些风化剖面不仅影响了地表土壤的形成，还对水体沉积物的组成产生了影响。

Dhom湖流域位于马哈拉施特拉邦的Raigad地区，距离阿拉伯海约54公里。该地区的地表土壤和湖岸沉积物表现出较低的风化程度，土壤覆盖层较薄，仅几米。这使得该地区成为研究快速风化土壤和沉积物REE特征的理想地点。此外，该区域远离任何大城市、主要基础设施或农业用地，减少了人为活动对样本的干扰。

### 研究方法与数据收集

研究团队在2019年12月采集了Dhom湖流域的基岩露头（n=18）、地表土壤（n=43）和水体沉积物（n=43）样本。其中，水体沉积物进一步分为悬浮颗粒物（SPM，n=5）、湖岸沉积物（n=10）和湖心沉积物（n=28，来自4个不同核心样本，每个核心长度小于10厘米）。样本在采集后被存放在预先清洗的塑料容器中，直到进一步分析。

为了分析样本的矿物组成，研究团队使用了X射线衍射仪（XRD）对粉化的基岩（n=11）、地表土壤（n=43）和水体沉积物（n=38）进行了检测。XRD谱图（2θ 4–90°）通过CuKα辐射源和Beta-Ni滤光片获得，加速电压为45 kV，电流为40 mA。峰值分辨率和矿物识别通过X’Pert HighScore Plus软件和COD23数据库完成。

此外，部分代表性基岩薄片和预热的土壤粉末样本通过Zeiss ULTRA Plus扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）进行检测。SEM图像在约20 nm的束直径、20 kV的加速电压和<10 mm的工作距离下获得。

为了分析颗粒大小分布，研究团队选择了8个地表土壤样本和8个湖岸沉积物样本进行粒度分析。样本在处理过程中使用了10%的盐酸、30%的过氧化氢和1%的磷酸钠溶液，以去除碳酸盐、有机物和颗粒絮凝。颗粒大小分布通过激光散射粒度分析仪（Beckman Coulter LS? 13 320）测定。

### 研究结果与讨论

研究结果表明，基岩、地表土壤和水体沉积物在REE组成上表现出一定的相似性，但同时存在一些差异。基岩样本的REE组成与地表土壤和水体沉积物相似，但表现出更广泛的分布范围。例如，基岩的La_bn/Yb_bn比值范围为0.72–1.2，而地表土壤和水体沉积物的这一比值范围则较窄，为0.7–1.2。这可能意味着在风化过程中，REE的分布模式受到某些矿物的控制。

同时，研究还发现，地表土壤和水体沉积物在REE组成上表现出几乎无Eu异常和轻微的Ce异常。这一现象可能与氧化性风化条件有关，因为在这些条件下，Ce和Eu的异常可能受到氧化还原条件的影响。此外，REE的分布模式与基岩相似，表明在风化过程中，REE的保存较为完整。

研究团队还通过统计分析（如单因素方差分析）评估了不同样本类型之间的REE比值差异。结果显示，基岩与地表土壤和水体沉积物之间的REE比值存在显著差异，而地表土壤与水体沉积物之间的差异则较为轻微。这表明，在风化过程中，REE的分布主要受到基岩的影响，而土壤和沉积物的运输过程对REE的分布影响较小。

### 对沉积物来源研究的启示

研究结果对REE作为沉积物来源追踪工具的可靠性提供了新的见解。尽管在大型流域中，REE的风化过程可能受到多种因素的影响，但在小型单体流域中，REE的分布模式可能更加接近基岩的特征。因此，在这些流域中，使用REE作为来源追踪工具可能更加可靠。

此外，研究还指出，德干玄武岩的较古老岩浆形成可能对沿海河流和海洋沉积物的来源研究具有重要意义。尽管较年轻的岩浆形成和风化产物可能被广泛认为是海洋沉积物的主要来源，但研究结果表明，较古老的岩浆形成可能在某些情况下对沉积物来源具有显著贡献。因此，在分析海洋沉积物来源时，不能忽视这些较古老的岩浆形成。

### 研究结论

总体而言，这项研究揭示了快速风化的土壤和沉积物中REE的保存情况，表明这些样本在风化过程中能够保留基岩的REE特征。这一发现对理解流域来源和海洋沉积物来源具有重要意义。此外，研究还指出，REE作为来源追踪工具在快速风化环境中可能更加可靠，这为未来在其他热带玄武岩地区的研究提供了参考。研究团队建议，未来的相关研究应进一步关注不同流域中REE的风化行为，以更全面地理解其在地球表面过程中的作用。