中国科学院广州地球化学研究所博士生雒恺在该所正高级工程师马金龙和研究员韦刚健的指导下，联合华盛顿大学教授滕方振，通过玄武岩风化剖面的研究揭示了玄武岩风化过程中的镁（Mg）同位素分馏，创新性地提出估算风化通量和二氧化碳消耗的新方法。近日，相关成果发表于《地球物理学研究杂志：地球表面》（Journal of Geophysical Research: Earth Surface）。

大陆硅酸盐岩的风化作用是长时间尺度上调节全球碳循环平衡和维持地球宜居性的关键机制，其不仅控制着地表的物质循环和元素迁移，也影响着大陆风化输出通量的变化。尽管大陆风化通量的重要性已被广泛认可，但含钙镁硅酸盐岩风化输出的物质通量的准确量化和大气二氧化碳消耗对气候变量的反馈仍然未受到有效限制。

近年来，非传统稳定同位素地球化学在大陆风化研究中得到了广泛应用，为示踪风化作用机制和地表物质迁移转化提供了新视角。其中，Mg同位素在示踪大陆风化作用方面优势显著，风化过程中原生矿物溶解、次生矿物形成、黏土矿物的吸附与解吸附过程以及生物作用均会导致Mg同位素分馏，使得Mg同位素在不同相态的物质中具有不同的地球化学行为。然而，硅酸盐岩风化过程中Mg同位素分馏机制及影响因素仍存在争议。

针对上述科学问题，研究人员在国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究重大项目等项目的联合资助下，选取海南岛北部的玄武岩风化剖面作为研究对象，开展了矿物学、元素和Mg同位素组成研究。研究发现，风化产物的τ_Mg,Ti值为-34.1%~-95.7%，δ²⁶Mg值为-0.25‰~0.43‰，Mg同位素组成在剖面中自下而上呈现出先增加后减小的趋势，且大部分风化产物的δ²⁶Mg值高于母岩值。

此外，含镁原生矿物分解释放出可迁移的Mg，但该过程对Mg同位素分馏似乎没有明显影响。蒙脱石形成和分解过程影响了风化产物中Mg的亏损，这一过程可能影响Mg同位素分馏。高岭石是风化剖面中Mg同位素分馏的主导因素，不同pH条件下高岭石结构的变化对²⁶Mg表现出明显的倾向性, 中性条件下²⁶Mg并入高岭石结构取代Al³⁺，弱酸性条件下高岭石结构发生轻微溶蚀，并入的²⁶Mg重新释放，上述过程导致Mg同位素显著分馏。

基于风化剖面尺度，研究人员创新性地提出依据质量平衡法估算风化通量和二氧化碳消耗的新方法，计算得到玄武岩化学风化过程中的Mg元素通量（MgFlux）为2.45~5.85 mol/cm²/Myr，Mg同位素通量（δ²⁶Mg_Flux）为-0.44∽-0.04 ‰/mol/cm2/Myr。他们进一步估算了研究区内玄武岩风化消耗的大气二氧化碳通量，并将这一结果推广至全球范围。结果显示，全球玄武岩风化消耗的二氧化碳通量为2.3×10¹²mol/yr。

该研究为大陆硅酸盐岩化学风化过程中元素与同位素行为及其风化输出通量的定量化研究提供了技术手段，也明确了玄武岩风化在全球碳循环平衡中的关键作用。

相关论文信息：https://doi.org/10.1029/2024JF007774