组会：GCA | 玄武质岩石强风化过程中的铷同位素分馏：对示踪深时风化强度的启示

硅酸盐风化是连接地球多圈层的关键过程，调控全球营养物质循环并通过消耗CO₂影响气候与地球宜居性。精确示踪硅酸盐风化强度，对于理解地质历史时期的气候演化、地表物质循环及相关的生物地球化学过程至关重要。近日，中国科学技术大学黄方教授团队对广东湛江玄武质岩石风化剖面开展系统的铷（Rb）同位素研究，首次揭示强风化条件下Rb同位素分馏机理，为示踪深时风化强度提供新见解。论文发表于《Geochimica et Cosmochimica Acta》，第一作者为张雅琦博士研究生，通讯作者为卫炜副研究员，共同作者为宫迎增副教授、张卓盈特任副研究员、胡霞特任副研究员、张兴超博士后、黄方教授。

研究背景

铷作为一种强不相容、中度挥发性且流体活动性强的碱金属元素，显著富集于大陆上地壳中（112 ppm），主要以类质同象替代K的形式赋存于长石、云母等富K矿物中。前人针对广东佛冈花岗岩中等风化剖面的研究表明，次生粘土矿物的吸附-解吸附作用会导致风化产物富集重Rb同位素，并提出Rb同位素可作为一种新兴的硅酸盐风化指标。但是，玄武质岩石强风化过程中Rb的地球化学行为及同位素分馏机理研究仍属空白，极大限制了该指标的广泛应用。为此，我们选择广东湛江辉长岩风化剖面作为研究对象，该地区属于热带湿润季风气候，年降水量超1300 mm，年平均气温23℃，是研究极端风化条件下元素迁移与同位素分馏的理想场所（图1）。

图1 广东湛江辉长岩强风化剖面和样品

主要贡献

我们对剖面不同深度（0–600 cm）的新鲜辉长岩（>600 cm）、半风化辉长岩（500–415 cm）、风化残余土样品（415–0 cm）开展主微量元素与高精度Rb同位素分析（图2），取得关键发现：

图2 广东湛江辉长岩风化剖面地球化学数据

剖面上部残余土（深度：400–0cm）的Rb含量与不可动元素钍（Th）呈极强正相关（R² = 0.97），δ⁸⁷Rb值稳定在–0.15 ± 0.09‰（2SD, n = 30；图3），与中国黄土（–0.11 ± 0.04‰）、剖面新鲜辉长岩（–0.11 ± 0.08‰）高度一致。这表明强烈风化已将母岩来源的Rb完全淋失，残余土中的Rb主要来自外源风尘输入。

图3 剖面残余土层位Rb含量与Th含量相关性图

剖面中部半风化辉长岩（深度：600–400 cm）δ⁸⁷Rb值与风尘Rb占比（f_dust）呈强负相关关系（图4），说明该层位Rb同位素组成是由风尘输入端元与母岩风化残余端元混合控制。扣除风尘输入后，该层位δ⁸⁷Rb值及Rb的残余量（τ_Rb）与风化指标CIA还有粘土矿物高岭石含量均有明显相关性（图5）。这一现象源于次生粘土矿物优先吸附重Rb同位素，而强烈风化导致此前吸附的重Rb同位素逐步解吸附释放。

图4 剖面半风化层位δ⁸⁷Rb与f_dus_t相关性图

图5 剖面半风化层位CIA与（A）τ_Rb值和（B）δ⁸⁷Rb值，高岭石含量与（C）τ_Rb值和（D）δ⁸⁷Rb值相关性图

Rb同位素示踪深时风化强度

基于前人研究及以上分馏机理，我们提出Rb同位素可作为新兴风化指标，为深时风化强度研究提供全新视角。不同的风化条件下，河流悬浮颗粒物（δ⁸⁷Rb_particle）与河水（δ⁸⁷Rb_water）的δ⁸⁷Rb值随风化强度呈现不同变化规律（图6）：（1）风化限制型区域（如山区），极高的物理侵蚀速率导致次生粘土矿物难以大量形成，δ⁸⁷Rb_particle和δ⁸⁷Rb_water值均接近母岩；（2）搬运限制型区域（如山麓与未成熟洪泛平原），较低的物理侵蚀与中等化学风化利于次生粘土矿物形成，致使δ⁸⁷Rb_particle值升高、δ⁸⁷Rb_water值降低；（3）供给限制型区域（如高纬度成熟洪泛平原与热带克拉通土壤），次生粘土矿物发生解吸附，δ⁸⁷Rb_water值向母岩回归，而δ⁸⁷Rb_particle值仍保持极高。因此，δ⁸⁷Rb_particle与δ⁸⁷Rb_water可有效反映区域尺度上的风化强度变化。

图6 不同的风化条件下δ⁸⁷Rb_particle与δ⁸⁷Rbwater值随风化强度的变化

此外，海洋Rb同位素质量平衡模型显示风化增强时海水δ⁸⁷Rb值会发生显著下降（图7），可通过生物/无机碳酸盐等海洋档案重建海水δ⁸⁷Rb变化，继而示踪全球尺度的风化强度。

图7（A）现代海洋Rb同位素质量平衡模型；（B）海水随河水δ⁸⁷Rb值降低的变化情况；（C）海水δ⁸⁷Rb值随河水通量增加的变化情况

本研究得到国家自然科学基金（42330101、42472144、42373009）和中央高校基本科研业务费（WK2080000221）支持。感谢团队成员的通力合作以及评审专家的建设性意见。点击全文链接和数据共享可查看完整文章和研究数据！

文章信息

Zhang, Y.-Q., Wei, W., Gong, Y., Zhang, Z., Zhang, X., Hu, X. and Huang, F. (2026) Rubidium isotope fractionation during intense weathering of basaltic rocks: Implication for tracing weathering intensity in deep time. Geochimica et Cosmochimica Acta.

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.gca.2026.01.005

数据共享：

https://data.mendeley.com/datasets/4cz6f7wfnp/2

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