硅酸盐矿物风化速率、机制及其影响因素：来自九华山小流域的研究

The studied field of this project is selected in a small watershed draining granitic rocks in the Jiuhuashan Mountains. Combined stream water, rain water, ground water, and soil water with regolith in the watershed to construct a 'watershed system', and chemical weathering rates of silicate minerals are systematically studied in the system. By analyzing major ions, Si and Sr concentrations and 87Sr/86Sr ratios in water, we evaluate the contribution of atmospheric inputs, anthropogenic activities and rock weathering to solute, and calculate silicate weathering and atmospheric CO2 consumption rates. By analyzing mineral morphology and compositions, major and minor element concentrations and Sr isotopic compositions of soil, saprolite, and bedrock cross depth profiles, we calculate the long term weathering rates of silicate minerals, and discuss the relations between silicate minerals weathering rates and some controlling factors, such as, temperature, rainfall, topography, vegetation, physical weathering and land use, and estimate the mechanism of element distribution, transfer, depletion and enrichment in the watershed system.

本项目的研究目标计划选择在安徽九华山地区流经花岗岩地层的小流域。考虑流域中溪水、雨水、地下水、土壤孔隙水的作用，结合流域内的风化壳为一"流域系统"进行综合研究。通过现场采样并分析水样的主量离子、Si、Sr含量和Sr同位素比值，估算大气输入、人类活动、岩石风化等对溶解质的贡献，计算硅酸盐风化速率及对大气CO2的消耗速率；采集流域中风化壳剖面的土壤、腐泥土和原岩样品，分析矿物形态和相对含量、常微量元素含量和Sr同位素组成及随剖面深度的变化，通过与未风化原岩相应成分的对比，计算硅酸盐矿物的长期风化速率。探讨硅酸盐矿物风化和温度、降水、地形、植被覆盖、物理风化和土地利用等之间的关系，探讨元素在"流域系统"中的分配、迁移、亏损和富集机制。

硅酸盐风化在全球碳循环及气候变化中有着重要作用，被称为“地质空调”。为了更好的理解硅酸盐风化的机制及其控制因素，对流经“单一岩性”的小流域进行详细研究是一条主要的途径。. 本项目对九华山10条花岗岩小流域进行了为期一个完整水文年的研究，每月采集溪水样品1-2次，共采集190个。采集了不同时期的27个雨水样品和7个农田水样品来估算大气输入和农业活动的影响。计算得到的雨水输入的贡献为14.2–23.9%（平均18.9%）。结合雨水较低的pH值，表明即使在极少工业活动的山区，酸雨的影响仍不可忽视。利用“农田泾流深度”和农田水的主量离子浓度估算的农田水贡献为0–4.6%，平均2.3%，表明农业活动的影响较小。根据1:5万地质图、野外勘察和河床沉积物的镜下观察，我们估计碳酸盐岩在流域内的出露面积应该不超过5%。计算得到的碳酸盐风化对溪水中主量离子的贡献为11.7–42.7%，平均28.3%。考虑到碳酸盐岩相比长英质硅酸盐岩显著更高的溶解速率，不到5%的出露面积贡献约28%的主量离子量并不出乎意料。. 每月平均SWR（硅酸盐风化速率）与每月温度、径流量之间有着很好的相关性。为进一步探讨气候因子的作用，我们编辑了全球不同气候带一百多个花岗岩小流域的SWR与气候因子（温度与径流量）之间的关系。气候带从冻土苔原到热带，温度、径流量和海拔变化范围分别为–4.6°C到29°C、100 mm–7380 mm和0–3000 m。从全球角度看，113个样品展现了SWR和径流量、温度之间的正相关，但相关性并不强，相关系数分别为0.33和0.39。河流发源地与取样点之间的海拔差异可用来代表近似的物理侵蚀。当我们只考虑海拔差超过400 m的流域时，SWR和温度之间的相关系数显著增加，也就是说，在高物理剥蚀区域，温度和SWR之间的关系明显更强，在这种“风化受限”区域，温度是控制化学风化的最关键因素。而在“供给受限”区域，并没有发现这种相关性增加的趋势。. 因此，全球花岗岩小流域的统计分析表明，在“风化受限”区域，温度是控制SWR的一级控制因素，这一结果与前人的室内实验和野外观察研究一致。