锂同位素分馏的机制及其影响因素：来自中国不同气候区小片花岗岩流域的观察

《The Journal of Arthroplasty》：The mechanisms of lithium isotope fractionation and their influencing factors: Perspectives from small granitic watersheds across different climatic zones in China

中国不同气候区花岗岩流域中锂同位素分馏与化学侵蚀率（CWR）关系呈现“之字形”特征，而化学风化指数（CIA）与沉积物中δ7Li_clay呈高-低-高对应趋势。研究表明，气候通过影响CWR和CIA主导锂同位素分馏，但地形、植被及水岩作用时间等因子也会显著干扰风化过程和同位素分馏机制。高CWR下溶解锂同位素δ7Li_diss降低约8‰，可能与溶解-沉淀及吸附-解吸过程相关。该研究证实锂同位素分馏需综合气候、地形、水岩作用时长及黏土矿物组成等多因素分析。

　　

吴伟华|杨浩|徐成晓|维尔纳·内尔

教育部表面地球化学重点实验室，南京大学地球科学与工程学院，南京210023，中国

摘要

锂同位素迅速成为研究硅酸盐风化过程的最有前景的示踪剂之一。为了探讨影响锂同位素分馏的因素，我们调查了中国不同气候区的小型花岗岩流域。四川西部高原和寒冷温带阿穆尔河流域的化学风化速率（CWR）最低，而热带海南地区的CWR值大约是前者的十倍。此外，海南流域的CWR是降雨量较低的热带泾虹流域的三倍。CWR与溶解锂同位素比值（δ⁷Li_diss）之间存在“回旋镖”关系（即先低后高再低的曲线）。相反，以化学改变化指数（CIA）表示的风化强度与河床沉积物中粘土部分的δ⁷Li_clay值呈现出先高后低再高的趋势。CWR与δ⁷Li_diss以及CIA与δ⁷Li_clay的趋势存在明显差异。尽管四川西部高原和阿穆尔河流域的CWR相似，但它们的风化强度和δ⁷Li_diss值存在波动，这表明除了气候因素外，地形和植被等也影响物理侵蚀、风化强度和锂同位素分馏。在高CWR条件下，δ⁷Li_diss降低了约8‰（从+31.6‰降至+23.7‰），而风化强度和δ⁷Li_clay保持稳定，这可能是由于溶解-沉淀和吸附-解吸过程的作用。鉴于锂同位素在风化过程中的复杂性，我们得出结论：使用锂同位素追踪风化强度需要综合考虑气候、地形、水-岩相互作用时间和粘土矿物组成等因素。

引言

岩石的化学风化在调节地球气候方面起着基础性作用。化学风化过程主要涉及大气中的CO₂与岩石中的矿物之间的反应。随着这一反应的发生，大气中的CO₂被吸收，从而降低了大气中的CO₂浓度，有助于降低全球温度（Walker等人，1981年；Berner等人，1983年）。硅酸盐矿物的风化在地质时间尺度上起到了长期碳汇的作用，并被认为在地球历史上的多次全球降温事件中发挥了重要作用，包括元古代的“雪球地球”事件（例如，Hoffman和Schrag，2002年；Donnadieu等人，2004年；Cox等人，2016年；Brantley等人，2023年）、中古生代和晚古生代的降温阶段（例如，Lenton等人，2012年；Porada等人，2015年；Retallack等人，2015年；Avila等人，2025年）以及新生代的长期降温（Raymo等人，1988年；Raymo和Ruddiman，1992年）。准确量化这些时期的硅酸盐风化速率和强度对于理解其气候影响至关重要。

最近的研究致力于开发可靠的示踪剂来追踪硅酸盐风化过程。由于化学风化主要涉及阳离子的流失，因此像锂（Li）、镁（Mg）、钾（K）和钡（Ba）这样的金属的稳定同位素受到了广泛关注。其中，锂（Li）同位素因其几个关键优势而成为大陆硅酸盐风化的重要示踪剂：（1）锂几乎只存在于硅酸盐矿物中，不受碳酸盐风化的影响；（2）锂的两种稳定同位素（⁶Li和⁷Li）的质量差异较大（约16.7％），允许在低温地球化学过程中发生高达31‰的分馏；（3）锂只有一个氧化态（+1），且是非营养元素，这意味着它不受氧化-还原过程或生物活动的影响（Huh等人，1998年；Pistiner和Henderson，2003年；Misra和Froelich，2012年）。许多研究通过多种方法探讨了风化过程中锂同位素的分馏机制，包括受控实验室实验（例如，Pistiner和Henderson，2003年；Vigier等人，2008年；Wimpenny等人，2010年；Wimpenny等人，2015年）、风化剖面研究（例如，K?sakürek等人，2004年；Rudnick等人，2004年；Pogge von Strandmann等人，2012年；Pogge Von Strandmann等人，2021年）以及河流流域尺度上的研究（例如，Huh等人，1998年；Huh等人，2001年；Millot等人，2010年；Dellinger等人，2014年；Dellinger等人，2015年；Wang等人，2015年；Gou等人，2019年；Ma等人，2020年）。专注于具有相对简单岩性的小流域的研究也为这一领域做出了贡献（例如，K?sakürek等人，2005年；Pogge Von Strandmann等人，2006年；Vigier等人，2009年；Lemarchand等人，2010年）。这些努力共同显著提高了我们对自然系统中锂同位素行为和风化动态的理解。

这些研究的一个关键共识是，锂同位素分馏主要发生在表面风化过程中。当原生矿物溶解时，新形成的次生粘土矿物优先吸附较轻的⁶Li，导致溶解相中较重的锂同位素富集。然而，影响风化过程中锂同位素分馏的因素非常复杂。因此，为了更好地理解气候、风化强度和锂同位素行为之间的相互作用，我们在中国不同气候区的小型花岗岩流域进行了比较研究。在这里，我们分析了主要元素的浓度、锂含量以及溶解相和颗粒相中的锂同位素组成，还有河床沉积物的矿物组成。通过使用一致的花岗岩岩性作为对照，我们能够分离并评估气候和其他环境因素对硅酸盐风化速率和强度的影响。这些发现加深了我们对花岗岩风化过程中锂同位素分馏程度和机制的理解，为使用锂同位素作为大陆风化与气候变化相互作用研究的示踪剂提供了理论基础。

部分摘录

采样与分析

我们在中国不同气候区的小型花岗岩流域进行了采样（图1），包括热带地区（中国南部的海南和西南部的泾虹）、亚热带高原气候区（四川西部高原）以及寒冷温带地区（中国东北部的黑龙江（阿穆尔河）的小流域）。共收集了24个河流水样和16个河床沉积物样本。分析重点关注主要元素的浓度

不同气候区小型花岗岩流域的水文化学特征

四个区域小流域河流水样的分析结果见表1。海南和阿穆尔河流域的水样pH值分别为6.89至7.63（平均7.23）和6.94至7.81（平均7.20），表明它们呈中性。泾虹流域的pH值范围为7.23至7.98，平均值为7.58；四川西部高原的pH值范围为7.29至8.24，平均值为7.82，表明河流

不同气候区内小型花岗岩流域化学风化速率的变化

河流水中的溶解物质主要来源于三个途径：大气输入、人类活动和岩石风化（Galy和France-Lanord，1999年）。由于我们的采样点主要位于偏远山区，人类活动的影响可以忽略不计，这一点从样品中观察到的低浓度NO₃^?和SO₄^2?中可以看出。因此，本研究未考虑人类活动的影响。为了考虑大气输入，我们使用了雨水

结论

本研究对中国不同气候区的小型花岗岩流域的河水和沉积物进行了矿物学、元素地球化学和锂同位素分析。得出以下结论：

(1)

温度和降雨量共同控制着不同气候区花岗岩的风化速率。亚热带的四川西部高原流域由于高原气候，其化学风化速率最低，这与测量结果相当

未引用的参考文献

Luo, 2016, 《中国河湖百科全书》编辑委员会, 2013, Xu等人, 2022.

CRediT作者贡献声明

吴伟华：撰写——初稿撰写、验证、监督、项目管理、方法论、调查、资金获取、数据分析、概念化。杨浩：撰写——初稿撰写、方法论、数据分析。徐成晓：方法论、数据分析、概念化。维尔纳·内尔：撰写——审稿与编辑、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国自然科学基金（41991324、41773007）的支持。编辑和匿名审稿人的评论和修改显著改进了本文的早期版本。