利用页硅酸盐黏土中Fe/Sc比值示踪风化锋氧化还原状态的地球化学新指标

本研究针对风化锋氧化还原状态难以直接观测的科学难题，创新性地提出通过页硅酸盐黏土中Fe/Sc比值差异来示踪风化锋的氧化还原环境。研究团队在中国海南岛选取基性-酸性岩对比流域，证实基性岩区风化锋呈还原态（Fe2+优先进入黏土晶格），而酸性岩区呈氧化态（Fe快速形成氧化物）。该指标为追溯古今地球关键带演化提供了新工具。

　　

地球表层系统的化学风化过程深刻影响着全球元素循环和气候调节，而风化锋（weathering front）作为基岩开始发生化学分解的界面，其氧化还原状态直接控制着关键带（Critical Zone）的结构与功能。然而，这个隐藏在地下数米至数十米的风化锋如同"地质黑箱"——厚层风化壳的覆盖使直接观测变得困难，裂隙发育导致的氧化还原条件空间异质性更让科学评估雪上加霜。传统依赖钻探取样或矿物蚀变标志的方法既费时费力，又难以捕捉流域尺度的整体特征。

南京大学地球科学与工程学院的研究团队在《Global and Planetary Change》发表创新性研究，提出通过页硅酸盐黏土（phyllosilicate clays）中铁钪比值（Fe/Sc）的差异来破解这一难题。其核心理论在于：氧化环境下风化释放的铁（Fe）会迅速形成氧化物/氢氧化物，而钪（Sc）则稳定赋存于黏土矿物中；还原环境下Fe²⁺则与Sc同步进入黏土晶格。这种元素分异行为使得黏土矿物的Fe/Sc比值能忠实记录初始风化锋的氧化还原信号，不受后期黏土溶解或河流分选作用的干扰。

研究团队采用多技术联用策略：在海南岛选取花岗岩（酸性）、花岗闪长岩到石英闪长岩（基性）等不同岩性小流域，通过X射线荧光光谱（XRF）分析基岩全岩组成；采用选择性化学提取法分离河流沉积物中的黏土组分；结合电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定Fe、Sc等微量元素；建立Ca/Na、Sr/Na与Fe/Sc的经验函数关系来反演流域尺度风化释放量。

【Sample and analysis】章节显示，研究区结晶基岩的Fe含量跨度达6.9%（图2），Sr/Na和Ca/Na比值呈现两个数量级的变化（图4），为验证指标敏感性提供了理想天然实验室。【Result】部分揭示，基性岩流域黏土Fe/Sc比值接近基岩值（图5），暗示还原性风化锋使80%以上风化释放Fe进入黏土晶格；而酸性岩流域该比例骤降至20%（图7），对应氧化环境促使Fe快速形成氧化物。【Discussion】指出这种差异源于基性岩高Fe含量消耗孔隙氧，形成薄层还原性风化壳；酸性岩低Fe含量和高孔隙度则促进O₂扩散，发育厚层氧化性风化壳。

这项研究开创性地将黏土矿物元素比值发展为风化锋氧化还原状态的"地质温度计"。其重要意义在于：首次实现不依赖钻探的流域尺度风化锋氧化还原状态评估；为理解基岩岩性通过O₂/CO₂扩散深度调控全球风化壳厚度模式（图6）提供了地球化学证据；建立的Fe/Sc指标可应用于古土壤和沉积记录，为重建地质历史时期关键带演化与大气氧含量变化搭建了桥梁。正如通讯作者Gaojun Li强调的，该方法为揭示"岩石-生命共演化"这一地球系统科学前沿问题提供了新的解码工具。