在不同风化条件下，玄武岩风化过程中镁同位素的行为存在明显差异

《Global and Planetary Change》：Distinct magnesium isotope behaviours during basalt weathering under different weathering regimes

硅酸盐风化通过碳循环调节地球气候，镁同位素（δ2?Mg）作为新代理被用于区分动力学受限（JD）与供应受限（LGT）风化机制。研究发现JD剖面δ2?Mg从-0.23‰增至-0.01‰，反映快速水岩作用下 illite 主导的轻同位素分馏；LGT剖面δ2?Mg稳定在-0.07‰至0.06‰，显示供应受限下 kaolinite 形成与 illite 共同作用抑制分馏。全球数据表明δ2?Mg与τMg呈负相关，风化强度越高同位素分馏越显著。结合δ2?Mg与τMg可有效区分两种风化模式，为量化风化贡献提供新方法。

　　硅酸盐风化是地球维持宜居环境的重要机制之一，它通过影响全球碳循环来调节气候。镁（Mg）同位素作为追踪硅酸盐风化过程的一种潜在代理指标，近年来受到越来越多的关注。然而，目前对于镁同位素在不同风化模式下的行为仍存在一定的不确定性。本文通过对四川峨眉山地区不同海拔的两个玄武岩风化剖面——景定剖面（JD）和雷公天剖面（LGT）进行研究，结合实地观测、矿物学和地球化学分析以及模型模拟，探讨了镁同位素在不同风化模式下的变化特征。

在风化过程中，镁同位素的分馏现象主要受到风化速率和岩石与水的相互作用时间的影响。这两种因素共同决定了风化的主导模式。风化模式通常分为两种类型：动力学受限（kinetic-limited）和供给受限（supply-limited）。动力学受限模式下，由于高物理侵蚀速率，水-岩相互作用时间较短，因此风化过程主要受气候条件的控制。而供给受限模式则表现为较低的物理侵蚀速率和较长的水-岩相互作用时间，此时风化速率受限于新鲜矿物的供给量，通常与构造抬升或剥蚀过程相关。

在景定剖面中，镁同位素（δ2?Mg）的值随着风化强度的增加而系统性地升高，从-0.23‰上升至-0.01‰。这一趋势表明，在动力学受限的风化模式下，镁同位素的分馏行为与风化强度密切相关。相比之下，雷公天剖面中的镁同位素值则相对稳定，变化范围在-0.07‰至0.06‰之间。这种差异反映了不同风化模式下镁同位素分馏机制的不同。在动力学受限模式中，伊利石的形成主导了风化过程，而高岭石的影响较小。而在供给受限模式中，高岭石的形成更为显著，其对镁同位素行为的影响超过了伊利石，两者共同作用导致了镁同位素值的相对稳定。

进一步地，通过对全球范围内玄武岩风化剖面的综合分析，研究发现镁同位素值与τMg（镁同位素分馏程度）之间存在负相关关系。这意味着随着风化强度的增加，镁同位素的分馏程度也随之增加。这一发现为区分不同风化模式提供了新的视角，即结合δ2?Mg和τMg可以更有效地识别动力学受限与供给受限的风化条件。此外，研究结果还强调了镁同位素在不同风化模式下的显著差异，表明其在揭示大陆硅酸盐风化过程中的重要性。

镁同位素的分馏行为与矿物学特征密切相关。在风化过程中，初级矿物的溶解通常会导致轻镁同位素的优先释放，从而使得残留物中富集重镁同位素。同时，次生黏土矿物倾向于优先吸附重镁同位素。然而，一些实验和自然观测却显示相反的趋势，例如在低温条件下，氢氧化镁（如白云石）的沉淀实验表明轻镁同位素更倾向于进入固相。类似的现象在冰岛风化玄武岩和页岩的自然观测中也有所体现。这些不一致的观测结果引发了关于镁同位素在风化过程中行为机制的广泛讨论。

为了更好地理解这些差异，近年来分子尺度的模拟和振动能量理论的应用为研究提供了新的工具。这些方法有助于解释镁同位素分馏的物理化学机制，并揭示不同矿物组合对镁同位素行为的影响。例如，Li等人（2021）利用键能理论量化了不同层状硅酸盐矿物之间的镁同位素分馏，而其他研究则将同位素分馏与键合环境和能量差异联系起来。这些理论进展为解释自然观测中的不一致现象提供了基础。

在现代风化剖面的研究中，通常观察到δ2?Mg值与风化强度呈正相关。然而，这种相关性是否适用于所有风化模式仍需进一步验证。本文通过对景定和雷公天剖面的分析，发现这两种模式下镁同位素的行为存在显著差异，从而揭示了镁同位素在不同风化条件下的响应机制。这种差异不仅体现在同位素值的变化上，还反映了矿物学组成和风化过程的复杂性。

在地质背景方面，峨眉山地区位于中国西南部，是峨眉山大火成岩省（ELIP）的一部分。该地区火山活动始于约2.63亿年前，并持续至至少2.51亿年前，这一时期与末古达拉普顿大灭绝及全球变暖事件相关。ELIP主要由大陆玄武岩组成，伴随有侵入岩和沉积岩。这一地质背景为研究风化剖面提供了独特的自然实验室，因为不同海拔的风化剖面可能受到不同的气候和物理侵蚀条件的影响。

在方法和分析方面，本文采用了多种技术手段，包括样品的风干处理、研磨成200目颗粒（约74微米），以及在西北大学大陆演化与早期生命重点实验室进行的元素、矿物组成和镁同位素分析。这些方法确保了研究的系统性和准确性，同时为理解镁同位素的风化行为提供了可靠的数据支持。

矿物学组成分析显示，未风化的基岩矿物主要包括辉石、钙长石、钠长石、角闪石和少量石英。而在风化程度较高的样品G-0中，钙长石的含量显著增加，表明该样品经历了较强烈的风化作用。景定剖面的风化层中，矿物组合包括钙长石、辉石、角闪石、石英以及由绿泥石、伊利石和高岭石组成的黏土矿物。这些矿物的分布和含量变化反映了风化过程中矿物的转化和沉淀机制。

综合全球玄武岩风化剖面的镁同位素数据，研究进一步揭示了镁同位素在硅酸盐风化过程中的系统性特征。这些数据表明，镁同位素的分馏行为与风化强度密切相关，而不同的风化模式可能对镁同位素的分馏产生不同的控制作用。这一发现不仅加深了我们对镁同位素行为的理解，也为未来利用镁同位素作为风化过程的代理指标提供了理论依据。

研究结果表明，镁同位素在不同风化模式下的行为具有显著差异，这使得它们成为研究硅酸盐风化过程的重要工具。动力学受限模式下的镁同位素分馏主要由伊利石的形成主导，而供给受限模式下的分馏则受到高岭石形成的影响。这些差异可能与不同矿物的吸附能力和风化动力学有关，从而为解释镁同位素的风化行为提供了新的视角。

此外，研究还强调了镁同位素在不同风化模式下的应用潜力。通过结合δ2?Mg和τMg，可以更有效地识别和区分不同风化模式，这对于理解全球碳循环和气候调节机制具有重要意义。镁同位素的这一特性使其成为一种可靠的代理指标，尤其适用于研究高风化强度的环境。

总之，本文通过对峨眉山地区两个玄武岩风化剖面的详细研究，揭示了镁同位素在不同风化模式下的行为特征。研究结果不仅有助于理解镁同位素的风化机制，还为未来利用镁同位素作为气候和环境变化的代理指标提供了重要的理论和实践依据。这些发现进一步证明了镁同位素在追踪硅酸盐风化过程中的价值，并为相关研究提供了新的方向和思路。