东海郁陵盆地高碱度孔隙水成因：富镁层状硅酸盐溶解驱动的海洋硅酸盐风化及其稳定硅同位素证据

本研究针对海洋沉积物中硅酸盐风化(LSi溶解)与反向风化(黏土形成)对碳循环影响的争议问题，通过分析郁陵盆地(东海/日本海)两个钻孔岩芯孔隙水和固体硅相的稳定硅同位素(δ30Si)特征，结合反应传输模型，首次证实富镁层状硅酸盐(云母族矿物)溶解是驱动极端高碱度(TA达131 meq L?1)孔隙水形成的主控因素。研究发现微生物代谢过程通过调节孔隙水pH和溶解铝(DAl)浓度，控制着不同成岩带中硅酸盐溶解与黏土形成的速率平衡，为理解早期成岩过程中硅-碳耦合机制提供了新视角。

　　

海洋沉积物中的硅酸盐风化(LSi溶解)和反向风化(黏土形成)是调控全球碳循环的关键过程，但长期以来存在两个核心争议：一是哪些硅酸盐矿物实际参与反应，二是微生物活动如何影响反应速率。传统观点认为长石等原生硅酸盐是主要反应物，但近年研究发现黏土矿物溶解可能更为普遍。更复杂的是，LSi溶解消耗CO₂产生HCO₃^?(海洋硅酸盐风化)，而黏土形成却释放CO₂(反向风化)，二者的净效应直接影响海洋碳汇能力。

针对这些争议，斯德哥尔摩大学(Stockholm University)的研究团队选择东海郁陵盆地(Ulleung Basin)两个具有极端高孔隙水碱度(TA最高达131 meq L^?1)的钻孔(UBGH 2-1_1和2-6)开展研究。通过改进的连续浸提技术分离不同硅相，结合稳定硅同位素分析和反应传输模型，首次揭示富镁层状硅酸盐溶解是驱动高碱度孔隙水形成的主控因素，相关成果发表在《Geochimica et Cosmochimica Acta》。

研究采用四项关键技术：(1)改进的连续浸提方案(H25协议)分离反应性LSi、生物硅(BSi)和次生硅相；(2)ICP-OES测定孔隙水和浸提液的Si/Al/K等元素比值；(3)MC-ICP-MS分析δ³⁰Si同位素组成；(4)基于Crunchflow构建的反应传输模型，整合19种初级物种和10种次级物种的反应网络，模拟70 kyr时间尺度的成岩过程。

3.1 Si相分离与元素同位素特征
改进的NaOH浸提方案成功区分了反应性LSi相(δ³⁰Si=?0.7±0.2‰，Si/K≈3.1)与BSi相(δ³⁰Si=1.5±0.2‰)。孔隙水表现出显著低的δ³⁰Si值(?0.6至1.2‰)，且Si/Al比值最高，这与云母族矿物的溶解特征相符。

3.2 孔隙水地球化学分带
根据DSi/Cl^?和δ³⁰Si_pw变化划分三个成岩带：

• Zone 1(硫酸盐还原带)：δ³⁰Si_pw最高(0.4‰)，净反向风化主导
• Zone 2(浅层产甲烷带)：δ³⁰Si_pw最低(?0.6‰)，净硅酸盐风化显著
• Zone 3(深层产甲烷带)：δ³⁰Si_pw回升，DAl积累抑制反应

3.3 模型揭示的控制机制
反应传输模型显示：

• 云母族矿物(金云母/蛭石)在全部情景下均不饱和，而蒙脱石等黏土矿物过饱和
• Zone 2中发酵产生的H⁺抑制黏土形成，使LSi溶解速率达BSi的3倍
• Zone 3中DAl积累使净硅酸盐风化速率降低40%

4.讨论与意义
该研究突破性地证实：

1. 矿物特异性：云母族矿物(而非传统认为的长石)是郁陵盆地硅酸盐风化的主要反应物，其Mg²⁺/K⁺释放贡献了孔隙水TA的40%
2. 微生物调控：有机质水解速率每提高2.2倍，净碱度产生增加100%，但主要源于pH降低对黏土形成的抑制(占效应85%)而非LSi溶解增强
3. 同位素示踪：δ³⁰Si_pw的"V型"剖面(Zone 2最低)成为识别净硅酸盐风化的新指标

这项研究建立了"微生物代谢-孔隙水化学-硅同位素分馏"的关联框架，为理解地质历史中硅-碳耦合提供了新工具。特别是发现黏土形成速率(而非传统认为的LSi溶解速率)实际控制着孔隙水碱度水平，这将深刻影响对海洋碳汇能力的评估。未来研究可拓展至生物硅富集区和火山沉积区，进一步验证该模型的普适性。