硅酸鹽化學風化強度評估的沉積物指標與方法研究進展*

傅寒晶 簡 星 梁杭海

廈門大學近海海洋環(huán)境科學國家重點實驗室，海洋與地球學院 福建廈門 361102

1 概述

化學風化是在地球表生環(huán)境下通過一系列化學作用對母巖進行分解改造的過程，長時間尺度的全球氣候調控主要依靠硅酸鹽化學風化和大氣CO2濃度的負反饋機制(Kumpetal.， 2000;Maher and Chamberlain，2014)。大陸硅酸鹽化學風化在全球碳循環(huán)過程中作為凈碳匯，對維持地球長期宜居的自然環(huán)境具有重要意義(Olivaetal.， 2003)。當前全球氣候變化形勢空前緊迫，開展硅酸鹽化學風化相關研究可為這一焦點議題提供理論依據。

陸表化學風化的作用對象包括出露的巖石和沉積物，碎屑沉積物的成分和結構會記錄相應的化學風化信息。巖石的風化作用早在20世紀初就受到關注，隨后表征化學風化強度的指標被接連提出并不斷發(fā)展。按研究技術和手段可將化學風化指標分為3類： 巖石學和礦物學指標、元素地球化學指標、非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素指標(林春明等，2021)。巖石學和礦物學指標包括沉積物骨架顆粒組成、粉砂級細粒全巖礦物、礦物表面結構特征、黏土礦物組成和晶體結構，其記錄了氣候主導的化學風化過程的關鍵信息，能夠有效示蹤化學風化強度演變(楊作升等，2008;Kamp，2010;Cliftetal.， 2014;Hessler and Lowe，2017)。基于元素遷移性差異的地球化學指標如K/Al、Rb/Sr、αAlNa、化學蝕變指數(CIA)等是接受度最高、運用最廣泛的一類指標(Dinisetal.， 2020)。新興同位素指標如δ7Li、δ11B、δ41K、δ26Mg、δ30Si 等的開發(fā)和應用是近年來化學風化強度評估的熱門研究方向，具有廣闊的應用前景，有待進一步探究(Millotetal.， 2010;Maetal.， 2015;Weietal.， 2015;Tengetal.， 2020)。

眾多實例研究表明各類化學風化指標在應用中存在一定問題，在應用過程中需綜合考慮選用指標的參數配置和外源性因素如物源供給、水動力分選、成巖蝕變、成土作用、生物利用等對分析結果的干擾(Buggleetal.， 2011;李銀川等，2020)。不同類型指標的影響因素和適用條件不同，多指標綜合運用、相互驗證已經成為化學風化研究的主流趨勢(Garzantietal.， 2014;郭望等，2020)。本研究旨在闡明地表化學風化過程的控制因素，歸納表征硅酸鹽化學風化強度的常用指標，強調各指標在實際應用中常見的問題，以促進硅酸鹽化學風化研究不斷向前發(fā)展。

2 地表化學風化的影響因素

A—供應限制型化學風化，該類化學風化受限于新鮮物質供應速率，多發(fā)育在構造背景相對穩(wěn)定、地形坡度較小、氣候溫暖濕潤、植被茂密的地區(qū)，此處的原位風化剖面所受化學風化作用強，往往發(fā)育較厚的土壤層；B—動力限制型化學風化，該類化學風化主要受限于溫度和降水，多發(fā)育在構造活躍、地形坡度大、氣候寒冷干旱、植被較少的高山地區(qū)，此處的原位風化剖面所受化學風化作用弱，基巖蝕變程度相對較低圖 1 硅酸鹽化學風化機制及其影響因素Fig.1 Mechanisms and influencing factors of silicate chemical weathering

化學風化強度和化學風化速率是化學風化研究的主要內容，化學風化強度由化學風化速率與風化持續(xù)時間共同定義，體現(xiàn)的是一段時間內區(qū)域綜合的化學風化程度。地表化學風化過程的控制因素是多元的，主要包括氣候、構造、地形、水文特征、植被和巖性(圖 1)，上述因素對化學風化的影響程度具有地域性差異。巖石化學風化是在水、酸、空氣等介質的作用下將新鮮礦物轉化為溶解質和次生礦物的過程。從風化機制上，可將化學風化分為供應限制型和動力限制型。供應限制型化學風化多發(fā)生在水熱條件良好、土壤層厚度大的地區(qū)，化學風化速率的改變主要受控于新鮮物質供給(物理剝蝕)速率(Riebeetal.， 2004)，構造活動增強或地形坡度增大能夠加速新鮮巖石的剝蝕，進而增強化學風化作用。但在構造十分活躍的高山地區(qū)，物理剝蝕速率高，新鮮物質供給充足，同時，強烈的構造變形縮短硅酸鹽礦物與水、酸的反應時間，化學風化由供應限制型轉變?yōu)閯恿ο拗菩?。此時化學風化速率主要受控于氣候因素，增加溫度和降水量能夠有效增大化學風化強度(Gabet and Mudd，2009;Dixonetal.， 2012;Riebeetal.， 2017)。植被生長是加速化學風化溶蝕基巖的關鍵生物因素，植物的根系分泌有機酸、蒸騰作用延長水巖接觸時間，均能有效促進硅酸鹽化學風化(Berner，1997)。

除外在的環(huán)境因素外，源巖的結構和礦物組成是影響化學風化作用的重要內因?；鸪蓭r中缺乏晶體結構的玄武巖、安山巖等噴出巖比結晶的花崗巖更易風化(解晨驥等，2012;孫明照等，2018)。硅酸鹽礦物的抗風化能力與巖漿結晶的先后順序有關，常見造巖礦物的化學風化順序與鮑文反應序列相反(Zakharovaetal.， 2007)。同等氣候條件下，新鮮硅酸鹽礦物的風化先后順序如下： 橄欖石>角閃石/輝石>斜長石(鈣長石>鈉長石)>鉀長石，結構相似的云母族礦物中白云母的抗風化能力強于黑云母，石英抗風化能力最強(Nesbittetal.， 1996;White and Buss，2014)。除新鮮火成巖外，沉積巖和變質巖會保留前期風化改造的影響，巖石本身在礦物組成和化學組成上呈現(xiàn)較高的成熟度，沉積旋回帶來的繼承性風化效應和最新的化學風化改造疊加，這在一定程度上會影響化學風化強度的評估(Chesworth，1973)。

3 巖石學礦物學指標

3.1 骨架顆粒組成

A—不同氣候條件下的砂質沉積物骨架顆粒(Q-F-L)組成(修改自Kamp，2010)，圖中顯示隨著氣候條件變濕熱，化學風化強度增大，產生的砂質沉積物中長石含量逐漸減小并不斷富集石英； B—礦物蝕變指數MIA配合Q-P-K圖解用于表征化學風化強度(修改自Roy et al.， 2013)，沉積物樣品骨架顆粒組分投點越靠近石英端元，斜長石、鉀長石含量越小，石英含量越大，MIA指數越大，化學風化強度增強圖 2 沉積物骨架顆粒組成示蹤化學風化強度Fig.2 Framework compositions of sandy sediments for tracing chemical weathering intensity

3.2 粉砂級礦物組成

3.3 礦物表面結構特征

礦物在源匯過程中會經歷多次物理作用和化學作用改造，顆粒表面結構能夠記錄環(huán)境變化信息和沉積物風化形成過程(Velbel，2007)。礦物的風化穩(wěn)定性、晶體結構和所處環(huán)境都會影響其表面結構。研究顯示新鮮基巖結構致密，礦物表面未經蝕變、光滑均勻，晶體邊界無破裂；隨風化作用增強，巖石內部結構變得松散，沿斜長石雙晶面、晶體邊界和礦物核心出現(xiàn)黏土和氧化物蝕變(Hessler and Lowe，2017)。在化學風化程度高的濕熱地區(qū)，強烈的溶解作用會對穩(wěn)定礦物乃至超穩(wěn)定礦物(石英、電石氣和鋯石等)產生影響。因此，碎屑重礦物的表面結構能夠定性反映化學風化強度(Andòetal.， 2012;Lietal.， 2015a)。

圖中礦物顆粒均使用偏光顯微鏡進行鑒定并獲取圖像，單偏光，照片中線段比例尺均代表長度63 μm圖 3 赤道不同流域河砂中角閃石的表面結構特征指示化學風化強度(據Andò et al.， 2012)Fig.3 Visual classification of surface textures in hornblende grains from equatorial river sands in various drainages for indicating chemical weathering intensity (after Andò et al.， 2012)

常見的研究礦物表面結構的方法是使用偏光顯微鏡或掃描電鏡觀察晶體表面特征(Garzantietal.， 2013a;Yueetal.， 2019)。Andò等(2012)提出鑒定砂質沉積物重礦物顆粒表面結構特征的圖版，定義了5個連續(xù)的風化階段(未風化、侵蝕、蝕刻、深蝕、骨架)，每個風化階段又根據侵蝕程度分為4個漸進的等級(圖 3)。相對而言，較不穩(wěn)定的重礦物的結構特征區(qū)分更明顯，鏈狀硅酸鹽礦物(輝石和閃石)在低溫水解作用下會出現(xiàn)鋸齒狀邊緣、蝕刻坑、凹陷等(Velbel，2007)。在對具有相同風化和搬運過程的復合顆粒(由2種及以上礦物組成)的結構特征進行鑒定時可以觀察到明顯的選擇性風化。同一樣品中的同種礦物若出現(xiàn)風化紋理的多峰分布則可能指示著多個風化源，需結合其他信息才能準確再現(xiàn)風化過程。除化學風化外，侵蝕、搬運、沉積和成巖作用，會進一步改變風化顆粒的表面特征，疊加新的紋理，并帶著已有的結構特征進入下一個沉積旋回(Velbel and Losiak，2010)。這為使用礦物表面特征重建化學風化歷史增添困難，但加強對礦物表面結構的特征鑒定無疑對化學風化強度評估具有良好的輔助作用。

3.4 黏土礦物

黏土礦物是化學風化作用的典型產物，主要包括高嶺石(Ka)、綠泥石(Chl)、伊利石(Ill)和蒙脫石(Sm)。高嶺石是在潮濕氣候酸性介質中由長石、云母和輝石受強烈淋濾分解形成(Garzantietal.， 2014;Dinisetal.， 2020)。綠泥石是在化學風化受抑制、弱淋濾作用的堿性環(huán)境中形成，主要來源于低級變質巖和鐵鎂質巖石，通常在冰川或干旱地區(qū)的土壤和沉積物中富集(湯艷杰等，2002)。伊利石是在干旱寒冷的弱淋濾、弱堿性環(huán)境下，由長石、云母等鋁硅酸鹽礦物風化脫鉀形成(Galn and Ferrell，2013;靳華龍等，2019)。伊利石和綠泥石往往指示較差的水熱條件(低溫干旱)和較強的物理風化(方謙等，2018)。蒙脫石是由變質巖中的富鐵鎂鈣礦物在化學風化早期形成，季節(jié)性干濕交替的氣候、中等化學風化程度以及排水不暢的盆地環(huán)境都有利于生成蒙脫石。此外，火山物質在堿性介質中也會蝕變?yōu)槊擅撌?Garzantietal.， 2013a;曾蒙秀等，2014;Pangetal.， 2018)。

沉積物中的黏土礦物按成因可分為碎屑黏土和自生黏土，碎屑成因的黏土礦物在經歷多個源匯過程后匯集在沉積區(qū)，其礦物組成與含量變化記錄的是流域的整體風化情況，是源區(qū)、搬運途徑和沉積區(qū)風化信號的綜合，但自生黏土礦物(湖相、海相)多反映沉積區(qū)原位的氣候變動(Liuetal.， 2010)。當研究區(qū)物源輸入對黏土礦物的影響大于氣候時，黏土礦物指標指示化學風化強度的可靠性會降低(方謙等，2018)。此外，黏土礦物如蒙脫石和高嶺石在成巖過程中會轉變?yōu)橐晾途G泥石，隨埋藏深度的增加，高嶺石、蒙脫石、伊蒙混層礦物會逐漸減少，蒙脫石的成巖伊利石化要求埋藏深度大于1500 m，轉變壓力900～920 kg/cm2，轉變溫度100～140 ℃(Songetal.， 2018)，在成巖過程中發(fā)生的變質作用也會影響伊利石結晶度和化學指數(靳華龍等，2019)。因此，確定化學風化強度需要綜合運用多種黏土礦物指標并充分考慮物源、水動力分選以及成巖作用的影響。

4 元素地球化學指標

4.1 主量元素

基于沉積物主量元素地球化學的雙元素指標(如Al2O3/SiO2、K/Al、Na/Al)和多元素指標是化學風化強度定量分析最常用的指標。早期的主量元素化學風化指標(見表 1，7～16號指標)適用范圍較窄，在近年來的風化研究應用中已較為少見(Gupta and Rao，2001;Duzgoren-Aydin，2002;Price and Velbel，2003)。鑒于該類指標數量眾多，僅具體闡述部分應用廣泛的指標(各指標公式詳見表 1)。長石作為重要的造巖礦物，占據上地殼體積60%以上，硅酸鹽風化過程主要由長石的蝕變程度來表征?；瘜W蝕變指數(CIA)、斜長石蝕變指數(PIA)和化學風化指數(CIW)，這3個指標都是基于長石風化蝕變過程中易遷移的堿金屬元素氧化物K2O、CaO、Na2O和殘留物中難遷移的Al2O3的摩爾百分數比值來表征化學風化強度。

表 1 主量元素化學風化指標綜合表Table 1 Comprehensive summary of major elemental indicators of chemical weathering intensity

A—CIA指數及 A(Al2O3)-CN(CaO*+Na2O)-K(K2O)圖解，據Nesbitt和Young，1984;Fedo等， 1995。線段①是理想化學風化趨勢線，②③表示發(fā)生鉀交代作用，②代表斜長石轉變?yōu)殁涢L石，對CIA計算值不產生影響，③是黏土礦物的伊利石化，會導致CIA計算值明顯降低，④表示經過鉀校正之后CIA值回升。紅點及黑點分別代表正常風化過程及發(fā)生鉀交代時的元素特征。B—利用A-CN-K圖解校正水動力分選導致的粒度效應(修改自Jian et al.， 2013)，受水動力分選影響，同一剖面相鄰采樣點的泥巖較砂巖普遍具有更高的CIA值。通常研究中會使用泥巖的CIA值來評估源區(qū)風化條件而非砂巖，因此需對砂巖結果進行校正，將砂巖樣品的投點和A端的連線與理想風化趨勢線交點處的CIA值作為校正后的CIA值(圖中除粒度影響外，也存在鉀交代，一并校正)。Ka： 高嶺石，Chl： 綠泥石，Gi： 三水鋁石，Sm： 蒙脫石，Ill： 伊利石，Mu： 白云母，Pl： 斜長石，Kfs： 鉀長石圖 4 利用A-CN-K圖解表征化學風化強度(A)和消除粒度效應的校正方法(B)Fig.4 Application of A-CN-K plot in evaluating chemical weathering intensity(A) and calibration method to eliminate grain size effects(B)

Nesbitt 和 Young(1982)定義了CIA，公式(表 1)中CaO*為硅酸鹽礦物中的CaO，常采用酸溶法或使用McLennan(1993)提出的CaO-Na2O轉換計算法排除非硅酸鹽礦物(碳酸鹽、磷酸鹽)中的CaO獲取CaO*值(李徐生等，2007;Shao and Yang，2012)。CIA值與化學風化強度正相關，結合A-CN-K圖解(Al2O3-CaO*+Na2O-K2O)(圖 4-A)，可以有效觀測化學風化趨勢，校正鉀交代引起的CIA值偏差，反映源巖組成，是表征硅酸鹽化學風化程度的理想指標(Nesbitt and Young，1984;馮連君等，2003)?？紤]到鉀離子在化學風化過程中地化行為不一致，強風化時多淋濾遷移，弱風化時多吸附保留，Harnois(1988)在CIA的公式基礎上刪除鉀元素并提出了CIW。但CIW并不適合鉀長石含量高的樣品，富鉀巖石不論風化與否都會產生較高的CIW值。于是，F(xiàn)edo 等(1995)在CIA的基礎上再次修改并提出PIA，用于表征斜長石的化學風化蝕變程度。后續(xù)還提出了蝕變化學指數(CPA)(Buggleetal.， 2011)和CIX指數(Garzantietal.， 2014)用于降低鉀交代和碳酸鹽礦物給化學風化評估帶來的不確定性。上述化學風化指標都是在花崗巖基底的風化剖面研究中提煉出來，Babechuk等(2014)提出了鐵鎂質蝕變指數(MIA)用于量化鐵鎂質基底風化剖面的化學風化強度，并將其分為適用于氧化環(huán)境的MIA(O)和適用于還原環(huán)境的MIA(R)，MIA可以結合Al-Fe-Mg-Ca-Na-K圖解使用。

WIP、CIA、CIW、PIA等雖然具有高風化敏感性，在應用時仍存在一定限制。首先是指標中元素的地球化學行為和賦存礦物類型造成的限制，如使用碳酸鹽相關元素Ca、Mg和Sr時，需要消除碳酸鹽動力學對硅酸鹽化學風化強度評估的干擾；Rb、Ba和K等離子半徑大的元素易溶也易吸附于黏土礦物，使用時需注意元素在整個化學風化過程中行為是否一致(Buggleetal.， 2011)。其次，當剖面經歷的化學風化程度非常高時，沉積物中可能會含有大量氧化物(sesquioxides)，改變風化剖面中Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O和TiO2的理想分布規(guī)律，在沒有野外調查和巖石學手段輔助的情況下使用大部分指標得到的結果都會導致誤判(Duzgoren-Aydinetal.， 2002;Price and Velbel，2003)。河流和湖泊沉積物CIA指示的化學風化強度通常是長時間尺度流域綜合的風化情況(原位風化研究除外)(Shao and Yang，2012)。使用這些指標無法進行實時的化學風化強度監(jiān)測，并且在使用過程中要排除源巖、粒度差異和成巖鉀交代等的影響(徐小濤和邵龍義，2018)。

4.2 微量元素

表 2 穩(wěn)定同位素化學風化指標公式Table 2 Formulas of stable isotopic chemical weathering indicators

αNa=(Sm/Na)sample/(Sm/Na)UCC

(1)

使用αE評估化學風化程度可以減小源巖、沉積旋回的影響。考慮到Ti、Sm、Nd、Th等元素主要賦存在重礦物(獨居石、鈦鐵礦、金紅石)中，而重礦物優(yōu)先富集在砂質沉積物中，為減少水動力分選的干擾，Garzanti 等(2013b)選擇Al元素作為不易遷移元素，重新定義了αAlE：

αAlE=(Al/E)sample/(Al/E)UCC

(2)

5 非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素

近年來，隨著地球化學分析設備的快速發(fā)展，化學風化研究中基于水體和沉積物的非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素指標逐漸興起，文中關注沉積物同位素指標的應用。碎屑沉積物的Sr-Nd同位素組成(87Sr/86Sr和εNd)常被用于探討大流域范圍的化學風化強度變化和全球性氣候事件(Miriyalaetal.， 2017)，實例研究背景宏大，分辨率不高，故在此不作具體展開。著重關注δ7Li、δ11B 、δ41K、δ26Mg和δ30Si 的發(fā)展和應用，指標具體信息見表 2。

5.1 鋰同位素δ7Li

5.2 硼同位素 δ11B

5.3 鉀同位素δ41K

鉀是組成上地殼巖石的主要元素(1.81%wt)，主要賦存在硅酸鹽礦物如鉀長石、白云母、伊利石中(Rudnick and Gao，2014)，具備分布范圍廣、化學活性強等特點。鉀同位素在低溫水巖作用即可顯著分餾，是示蹤硅酸鹽化學風化過程的理想之選(Lietal.， 2019a;Tengetal.， 2020)。在硅酸鹽風化過程中，由于鉀在液相和礦相中的化學鍵能差異，輕鉀同位素39K傾向于以表面吸附或晶格結合的形式保留在次生礦物中(伊利石δ41K值比鉀長石低0.3‰)，而重鉀同位素41K則釋放到水溶液中(Santiago Ramosetal.， 2018; Lietal.， 2019b;Zengetal.， 2019)。風化剖面鉀同位素分餾程度主要由化學風化強度和物質形成過程共同控制(黃土剖面： -0.58‰～-0.35‰；頁巖剖面： -0.69‰～-0.08‰)，黃土主要由物理剝蝕和風力搬運堆積形成，頁巖則要經過化學蝕變、搬運、沉積成巖等更為復雜的過程(Huangetal.， 2020;王昆等，2020)。對于典型的受化學風化主導的花崗巖風化剖面，其δ41K值變化范圍大并與黏土礦物含量耦合(Tengetal.， 2020)。需要注意的是，鉀是生物敏感元素，鉀的生物利用會改變土壤或沉積剖面中的同位素分餾，在使用δ41K 表征化學風化強度時要考慮生物因素的影響(Lietal.， 2016;Chenetal.， 2020a)。關于鉀同位素的分餾機制，目前仍有較多不確定性亟待完善。

5.4 鎂同位素δ26Mg

鎂廣泛分布在水圈、巖石圈和生物圈中，其同位素在低溫水巖作用中即可發(fā)生明顯的質量分餾，鎂無價態(tài)變化，分餾不受氧化還原條件影響(閆雅妮等，2021)。硅酸鹽化學風化會導致較大的鎂同位素分餾，在風化過程中基巖向流體釋放輕鎂同位素24Mg， 保留重鎂同位素26Mg(Liuetal.， 2014)。風化殘留物的δ26Mg值與化學風化強度正相關(Chenetal.， 2020b)。成巖和低級變質作用對碎屑沉積物的δ26Mg 值影響較小(Huangetal.， 2016)。鎂以結構態(tài)和交換態(tài)2種形式賦存在礦物中，結構態(tài)鎂(26Mg)位于礦物晶體的八面體結構中，交換態(tài)鎂(24Mg)則以離子形式吸附在黏土礦物層間或表面(閆雅妮等，2021)?；瘜W風化過程中原生礦物(輝石、角閃石、黑云母)溶解釋放24Mg進入水體，次生礦物對風化殘留物δ26Mg值的影響取決于礦物的種類，伊利石、蒙脫石和綠泥石傾向于保留26Mg，而蛭石和高嶺石傾向于保留24Mg(Opfergeltetal.， 2012;Maetal.， 2015)。除黏土礦物種類外，應用鎂同位素示蹤化學風化強度時，也需要注意物源輸入和搬運途徑的影響，當物源摻入風成沙等弱風化物質，或表層沉積物的風塵搬運和水流運移優(yōu)先帶走富26Mg 的黏土時，都會導致δ26Mg 值偏小(Huetal.， 2017;Breweretal.， 2018)。δ26Mg在黃土—古土壤剖面的應用需格外注意富24Mg的自生碳酸鹽礦物對化學風化強度評估的干擾(Wimpennyetal.， 2014)。鎂同位素會在植物體內分餾，植物根系富集26Mg，葉片和枝條富集24Mg，與植被生長相關的鎂循環(huán)也會改變表層土壤中的δ26Mg 值(Maetal.， 2015;劉金科和韓貴琳，2019)。諸多研究表明鎂同位素對硅酸鹽化學風化具有高敏感性，后續(xù)仍需加強次生礦物種類和植物生長過程對鎂同位素分餾影響的研究，進一步完善其作為化學風化強度指標的機理。

5.5 硅同位素 δ30Si

硅是構成造巖礦物的關鍵元素，硅同位素分餾主要發(fā)生在巖石形成、水巖反應和生物過程中(Opfergelt and Delmelle，2012)。粉砂級沉積物中的δ30Si 值與上地殼硅同位素組成相似，黏土中的δ30Si 值變化范圍較廣，與研究區(qū)氣候條件尤其是溫度具有良好相關性，常被用于示蹤流域硅酸鹽化學風化(Bayonetal.， 2018)?；瘜W風化形成次生黏土礦物和鐵氧化物時優(yōu)先結合輕硅同位素28Si，將重硅同位素30Si排放到水溶液中(Hughesetal.， 2013)。在應用δ30Si 指示化學風化強度時，需要注意以下幾點： (1)碎屑沉積物中石英和原生硅酸鹽礦物與次生黏土礦物的比例會影響δ30Si 的值(Opfergelt and Delmelle，2012)。(2)在動力限制型化學風化主導的高山地區(qū)，硅同位素的分餾程度微弱，干冷缺氧環(huán)境導致次生礦物30Si偏正，難以利用硅同位素示蹤化學風化強度(Bayonetal.， 2018)。(3)源巖類型和沉積旋回會改變細粒沉積物的硅同位素組成(Dingetal.， 2011)。(4)熱帶高風化地區(qū)土壤中的硅同位素組成也會受到生物硅循環(huán)的影響，如含硅生物及組成(硅藻、海綿骨針、硅鞭藻、放射蟲)的生物礦化作用、高等植物利用水體中的溶解硅并富集輕硅同位素形成植硅體等(Baronasetal.， 2020)。

6 沉積物化學風化強度指標應用的外源干擾因素

化學風化作為沉積源匯體系中的重要一環(huán)，與源巖剝蝕、搬運、沉積成巖和再旋回等過程密切相關。不考慮指標本身的參數設置優(yōu)劣，文中介紹的基于沉積物巖石學、礦物學、地球化學的指標在實例應用中都會受到外源信號的干擾。

1)巖性。源巖性質對特定化學風化指標應用的影響主要來源于結晶巖的原生礦物種類和含量差異、沉積巖或變沉積巖的風化繼承性、多源供給引起的碎屑礦物組分的混合和改變(Lietal.， 2012;Garzanti and Resentini，2016;Amireh，2020)。

2)水動力分選。在碎屑顆粒搬運過程中，黏土礦物及云母類礦物富集于泥級沉積物中以懸浮態(tài)搬運，石英、長石和巖屑傾向于在砂級沉積物中以底負載形式搬運，鋯石等重礦物多賦存于粉砂—細砂級沉積物中(Suetal.， 2017;楊江海和馬嚴，2017)。礦物在不同粒級沉積物中的富集導致化學元素也呈現(xiàn)相似規(guī)律，大部分主微量元素(如Al、Fe、Mn、Mg、Ca、K、P、Rb、Ni、V、Sc、Ga、Pb、Cu、Y)趨于在細顆粒沉積物中富集，賦存在石英和重礦物中的Si和高場強元素(U、Th、Zr、Hf)則相反(邵菁清和楊守業(yè)，2012;Pangetal.， 2018)。因此，使用主微量元素和同位素指標對具有相同化學風化背景的沉積物進行分粒級測試得到的化學風化強度會因粒度差異出現(xiàn)不一致(Xiongetal.， 2010)。

3)成巖作用和再旋回作用。成巖過程中黏土礦物的溶解蝕變(高嶺石和蒙脫石的伊利石化)和晶體結構轉變，會削弱黏土礦物指標的風化表征意義(Fedoetal.， 1995;曾蒙秀等，2014)。再旋回的沉積物會保留前期風化形成的礦物組合和顆粒表面結構特征，伴隨著石英稀釋效應，增加了運用骨架顆粒、礦物表面結構特征和地化指標示蹤近期化學風化強度的難度(Guoetal.， 2018)。

4)元素垂向淋濾、成土作用和生物利用。這三者對化學風化指標應用的影響主要體現(xiàn)在原位風化剖面研究中(Meietal.， 2021)。活躍、復雜的生物地球化學交互作用發(fā)生在剖面表層的沉積物和土壤中，包括元素和同位素的生物利用過程、物理淋濾、黏土礦物的吸附解析、不同類型氧化物的生成等，給利用地化指標表征化學風化強度帶來更多不確定性。

圖 5 外源因素影響化學風化強度指標應用圖示Fig.5 Diagram showing external factors affect application of chemical weathering intensity indicators

針對上述問題也有相應的解決方案和改進方法。以常見指標CIA為例，樣品選擇粒度相近的細粒沉積物，并配合粒度敏感指標如Al/Si、Ti/Al、 Zr/Rb和Zr/Al2O3等共同使用，可以有效地降低水動力分選帶來的影響(Liangetal.， 2013;Pangetal.， 2018;Greber and Dauphas，2019)。結合物源分析方法如巖石薄片、重礦物分析、Q-F-L物源判別圖、微量元素二元圖(如Zr/Sc-Th/Sc圖解)、REE特征、成分變異指數(ICV)等可以獲取源巖改變以及再旋回作用的信號(Coxetal.， 1995;徐亞軍等，2007)。當CIA指標指示的化學風化強度結果已經出現(xiàn)粒度效應時，可以嘗試運用A-CN-K圖解進行校正(圖 4-B；Nesbittetal.， 1996;Jianetal.， 2013)。成巖作用的影響可以通過觀察礦物的微觀特征、A-CN-K圖解和黏土礦物隨埋深的變化進行判斷(Fedoetal.， 1995)。只有結合多種化學風化強度指標并綜合運用其他領域的研究手段才能有效提升化學風化強度評估的準確度。此外，還應強調的是，巖石學和礦物學指標，如砂質沉積物的骨架顆粒組成、重礦物結構特征，多用于定性分析；基于XRD分析的黏土礦物和粉砂級細粒全樣礦物的相對含量屬于半定量測定。由于定性和半定量指標較寬泛的誤差值范圍，在運用過程中應更多地關注變化趨勢而非絕對數值。除了改進傳統(tǒng)化學風化強度指標外，加快開發(fā)穩(wěn)定同位素指標并完善其分餾機理也有望推進化學風化強度的準確量化發(fā)展。

7 總結與展望

系統(tǒng)總結了基于沉積物的示蹤硅酸鹽化學風化強度的各類指標，除常用的主微量元素和黏土礦物指標外，砂質沉積物骨架顆粒組成和重礦物表面特征能直觀有效地反映沉積物經化學風化改造后在成分和結構方面的變化特征，在今后的研究中值得更多關注。同位素在化學風化領域的應用尚處于探索階段，對特定同位素分餾機制的探討仍有較大的發(fā)展空間。考慮到全球范圍內實例研究的復雜性以及源匯系統(tǒng)中多種過程的影響，綜合運用多指標評估化學風化強度已成主流趨勢。從巖石學、礦物學和地球化學角度綜合評估化學風化強度可將宏觀與微觀有機結合，有效提升化學風化強度評估的準確度。今后仍需加強對化學風化強度示蹤過程中常見干擾的規(guī)避和校正方法的研究。

致謝兩位審稿專家在文章評審過程中提出了寶貴的建設性修改意見，在此向他們致以衷心的感謝!