岩性对化学风化的影响：来自亚热带气候条件下花岗岩和安山岩的对比

孙明照，瞿书逸，李来峰，李 乐，吴卫华*

(1.南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210023；2.南京大学 表生地球化学教育部重点实验室，江苏 南京 210023)

0 引 言

当前，科学界面临着有关气候变化和人类活动对地球生态系统影响的重要环境问题[1]。而地球表面的岩石风化在表生地球化学中是一个关键过程。在地质时间尺度上，硅酸盐风化对于全球碳循环和气候变化非常重要[2-7]。气候变化研究中的一个主要兴趣是量化气候和化学风化之间的反馈机理[8]。一些硅酸盐风化控制气候变化的假说被提出，例如，“BLAG”模型[3]、“抬升-风化”假说(Uplift-weather-ing Hypothesis)[4,9-10]和“跷跷板”假说(Seesaw Balance Hypothesis)等[11]。目前研究硅酸盐风化速率控制因素的方法主要有两种：一种是实验室淋滤实验，主要用来观察硅酸盐风化和溶液化学之间的关系[12-17]；另一种是单一岩性小流域的研究，因为单一岩性的小流域可以尽可能地简化风化机理的复杂性，进而建立“风化-气候”模型[13,18-21]。

硅酸盐风化在调节气候变化方面非常重要，但控制其风化强度的因素和机理还没有完全研究清楚。前人已经对硅酸盐风化的控制因素开展了大量研究，包括构造抬升和物理剥蚀的影响[4,22-23]、降雨和温度等气候条件的影响[13,24-27]、植被和岩性的影响等[18,28-31]。前人对硅酸盐风化中不同岩性的贡献也做了很多工作。例如，Meybeck估算了大陆地表各岩石类型出露面积和贡献的溶解载荷比例[32]；Bluth等总结了美国、波多黎各和冰岛101条流域的水化学数据，得出砂岩、花岗岩、玄武岩、页岩和碳酸盐的化学风化速率依次有增加的趋势[18]；Suchet等基于全球49条大河数据提出不同岩性的CO2消耗速率差别很大[33]；White等通过大量实验室单矿物淋滤实验，计算出各种矿物的风化速率[14]。然而，无论前人基于大河的水化学研究还是实验室淋滤实验，都不能较好地直观对比流域尺度上岩性对于风化速率的影响。大河的岩性复杂，影响因素多，而实验室淋滤实验计算出的风化速率则与野外有数量级的差别。因此，在其他控制因素都相同的条件下，对单一变量岩性进行小流域尺度的对比研究十分必要。

基于此，本文选取了云南省腾冲市北海湿地数十平方千米范围作为研究区域。在此区域内，除了北海湿地周围有一些第四系现代沼泽相砂、黏土及泥炭，其他均为喜山期花岗岩和第四系安山岩。在4个采样流域中，采样点G-1和G-3流经纯粹的花岗岩，采样点A-2流经安山岩脉，采样点A-4是北海湿地的水样，代表了包围北海湿地的安山岩流域平均值。因此，在其他构造、气候和植被等影响硅酸盐风化速率的控制因素均相同的情况下，可以直观地研究单一变量岩性对于硅酸盐风化速率的影响。

1 区域地质概况

采样点位于云南省腾冲市区东北方向约20 km的北海湿地，其中采样点G-1、A-2和G-3分别位于北海湿地的郭家营、邓村和杜家湾附近，采样点A-4位于北海湿地(图1)。采样区域地处亚热带季风气候区，多年平均气温为14.7 ℃，多年平均降雨量和蒸发量分别为1 520 mm和1 601 mm。

龙川江相距采样点仅数千米，为金沙江南岸一级支流，流域多年(1960～2010年)平均径流量为470 mm，夏季(6月到8月)的径流量占全年的52%，其中7月的径流量约为936 mm[34-35]。

图1 云南省腾冲市北海湿地采样点分布Fig.1 Distribution of Sampling Locations in Beihai Wetland of Tengchong City, Yunnan Province

腾冲—梁河地区位于喜马拉雅东构造结南部、大转弯构造岩浆弧的南端，东侧以龙川江断裂与高黎贡山花岗岩相连，西侧以墨托—巴西加—瑞丽深断裂与密支那地块相连，主要由变形的早元古宙变质基底、晚古生代碎屑岩-碳酸盐岩、中生代基性—超基性岩及新生代花岗岩和玄武质火山岩组成[36]。主量元素中，SiO2含量(质量分数，下同)为65.0%～76.4%，Al2O3为12.5%～18.8%，K2O与Na2O含量之和为6.8%～13.5%。微量元素中，Ce及左侧不相容性更强的元素明显富集，Eu、Ba、Sr、P、Zr、Ti等元素明显负异常[36]。

采样点A-2和G-1位于河流上游，人类活动影响很少。流域周围出露的基岩中暗色矿物含量较多，矿物颗粒较细。采样点G-3和A-2相距约3 km，周围有采砂作业，从采出的河沙和基岩露头来看，暗色矿物变少，矿物组成以长石和石英为主，颗粒较粗。

采样点G-1和G-3基岩均为喜山期酸性侵入岩，主要为黑云母二长花岗岩、花岗闪长岩、斜长花岗岩和石英闪长岩[36]。采样点A-2及上游正好位于喜山期酸性侵入岩中的安山岩脉。采样点A-4和G-1的直线距离约4 km，位于北海湿地。北海湿地是中国西南高原唯一的火山堰塞湖，四周植被发育，湿地内发育现代沼泽相砂、黏土及泥炭。北海湿地四周岩性一致，均为更新世安山岩、英安岩和安山质英安岩。湿地的水均来自于四周的山间溪流和雨水。因此，采集的水样可以代表北海湿地四周安山质岩石风化的平均值。

由于采样区域内只有4个采样点，并且只在夏季进行了采样，样品代表性可能有一定欠缺。然而，孙明照近几年对安徽省青阳县九华山10条花岗岩小流域做了为期1年、每月1到2次的高频率采样工作，结果表明在人类扰动稀少的山间小流域，河水中主量离子的时空变化非常小[37]。考虑到北海湿地的采样区域只有数十平方千米，采样点G-1、A-2、G-3与A-4之间仅相隔一条公路，较少样品应该不会对研究结果产生很大影响。

2 样品采集和分析方法

2017年7月进行了样品采集工作，包括4个河水样品和1个雨水样品。水样储存在干净的聚乙烯瓶子中。在野外使用手持式多功能水质分析仪(型号为WTW 340i)测量水温、pH值和固溶物总量(TDS)，使用流速仪测量河水流速，同时测量河流的水深和宽度，用以计算流域的径流值。

3 结果分析

4个采样点的Sr2+浓度为0.084～0.589 μmol·L-1(表2)。采样点G-1的Sr2+浓度最低，采样点A-4最高。样品的N(87Sr)/N(86Sr)值为0.709 996～0.710 302，花岗岩N(87Sr)/N(86Sr)值要高于安山岩。

表1 河水和雨水主量离子组成及采样信息Tab.1 Major Ion Compositions and Sampling Informations of River and Rain Water

注：T为温度；c(·)为离子浓度。

表2河水Sr2+浓度和Sr同位素比值
Tab.2Sr2+ConcentrationsandSrIsotopeRatiosofRiver

采样点c(Sr2+)/(μmol ·L-1)N(87Sr)/N(86Sr)G-10.0840.710 302A-20.4940.709 996G-30.1720.710 141A-40.5890.710 294

注：N(·)/N(·)为同一元素同位素比值，N(·)为该元素的原子丰度。

4 讨 论

图2 Ca/Na-Mg/Na图解和Ca/Na-HCO3/Na图解Fig.2 Diagrams of Ca/Na-Mg/Na and Ca/Na-HCO3/Na

4.1 Sr2+浓度和Sr同位素比值

图3 1/c(Sr2+)-N(87Sr)/N(86Sr)图解Fig.3 Diagram of 1/c(Sr2+)-N(87Sr)/N(86Sr)

花岗岩区域采样点G-1和G-3的Sr2+浓度明显低于安山岩区域采样点A-2和A-4。相反，采样点G-1和G-3的Sr同位素比值较高，分别为0.710 302和0.710 141，高于采样点A-2和A-4(0.719 996和0.710 294)。花岗岩和安山岩的N(87Sr)/N(86Sr)值均高于现代海水N(87Sr)/N(86Sr)值(0.709 16[40])，表明在采样区域内不论是酸性侵入岩还是中性喷出岩，它们的风化都会对海水N(87Sr)/N(86Sr)值的升高有所贡献。流域中Sr2+浓度的倒数和Sr同位素比值之间的关系如图3所示，两者之间成很好的正相关性(判定系数为0.882)，这体现出采样流域内的水化学整体是两个端元混合的趋势。其中，采样点A-2是花岗岩中的安山岩脉，流域内的水化学会不可避免地受到花岗岩的影响，Sr的来源是花岗岩和安山岩两个端元，同位素比值也处于两个端元Sr同位素比值的中间。腾冲地区地下热液活动十分强烈，与北海湿地相邻仅数千米的青海之所以呈现出酸性的湖泊环境，这与持续酸性地下水补给是分不开的[41]。而采样点A-4偏离趋势线可能是地下水端元的混入所导致。采样点G-1、A-2和G-3属于山间的小流域，并且采样点都位于流域的上游，四周也没有发现泉水。因此，这3条流域可能没有受到地下水端元混入的影响。

4.2 主量离子的来源

在河水中任一溶解元素X的平衡方程[37]为

(1)

式中：Xriver为河水中溶质X的浓度；Xcyclic、Xanthropogenic、Xevaporite、Xcarbonate、Xsilicate、Xsulfide分别为大气输入、人类活动输入、蒸发岩、碳酸盐风化、硅酸盐风化和硫化物贡献到河水中的溶质X浓度。

在采样点流域内未见蒸发岩，也没有发现硫化物。因此，蒸发岩和硫化物的贡献可以忽略不计。采样流域附近人类活动稀少，未见工厂，仅少量农田，且采样点位于流域上游，人类活动输入也可以忽略不计。因此，河水中主量离子的主要贡献来源是大气输入、硅酸盐风化以及碳酸盐风化。

4.2.1 大气输入

化学元素的大气输入贡献计算公式[37]为

(2)

4.2.2 硅酸盐风化

河流中的Na+可来源于海盐、岩盐溶解和硅酸盐风化。K+的主要来源是硅酸盐风化。河流中的Cl-是循环盐和岩盐的指标，Na+和K+的硅酸盐部分评估公式[42-43]为

c(Na+)silicate=c(Na+)river-c(Cl-)river

(3)

c(K+)silicate≈c(K+)river

(4)

式中：c(Na+)silicate和c(K+)silicate分别为来自硅酸盐风化的Na+和K+浓度；c(Na+)river和c(K+)river分别为河水中的Na+和K+浓度。

流域内未见岩盐，虽然可能有碳酸盐风化，但碳酸盐风化对Na+的贡献可以忽略不计[44]。流域内硅酸盐来源的Ca2+和Mg2+浓度评估公式[42]为

c(Ca2+)silicate=c(Na+)silicate(c(Ca2+)/c(Na+))sol

(5)

c(Mg2+)silicate=c(K+)silicate(c(Mg2+)/c(K+))sol

(6)

式中：c(Ca2+)silicate和c(Mg2+)silicate分别为来自硅酸盐风化的Ca2+和Mg2+浓度； (c(Ca2+)/c(Na+))sol和(c(Mg2+)/c(K+))sol是流域内硅酸盐风化所释放到河水中的摩尔比值，(c(Ca2+)/c(Na+))sol和(c(Mg2+)/c(K+))sol的可靠度决定了c(Ca2+)silicate和c(Mg2+)silicate计算的不确定性，流域中花岗岩和安山岩的(c(Ca2+)/c(Na+))sol分别取0.308和0.036，(c(Mg2+)/c(K+))sol分别取1.745和1.034[36,45]。

根据式(5)、(6)，硅酸盐风化对于流域内主量阳离子的贡献比例(Ication-silicate)为[44]

Ication-silicate=(c(Na+)silicate+c(K+)silicate+

2c(Ca2+)silicate+2c(Mg2+)silicate)/(c(Na+)river+

c(K+)river+2c(Mg2+)river+2c(Ca2+)river)=

[c(Na+)silicate+c(K+)silicate+2c(Na+)silicate·

(c(Ca2+)/c(Na+))sol+2c(K+)silicate(c(Mg2+)/

c(K+))sol]/(c(Na+)river+c(K+)river+

2c(Mg2+)river+2c(Ca2+)river)

(7)

式中：c(Mg2+)river和c(Ca2+)river分别为河水中的Mg2+和Ca2+浓度。

4.2.3 碳酸盐风化

c(Ca2+)carbonate=c(Ca2+)river-c(Ca2+)silicate

(8)

c(Mg2+)carbonate=c(Mg2+)river-c(Mg2+)silicate

(9)

式中：c(Ca2+)carbonate和c(Mg2+)carbonate分别为来自碳酸盐风化的Ca2+和Mg2+浓度。

根据式(8)、(9)计算碳酸盐风化所贡献的流域内主量阳离子比例(Ication-carbonate)为

Ication-carbonate=[2(c(Ca2+)river-c(Ca2)silicate)+

2(c(Mg2+)river-c(Mg2+)silicate)]/

(c(Na+)river+c(K+)river+2c(Mg2+)river+

2c(Ca2+)river)={2[c(Ca2+)river-

c(Na+)silicate(c(Ca2+)/c(Na+))sol]+

2[c(Mg2+)river-c(K+)silicate(c(Mg2+)/

c(K+))sol]}/(c(Na+)river+c(K+)river+

2c(Mg2+)river+2c(Ca2+)river)

(10)

根据式(2)、(7)、(10)计算出各个端元对河水中主量离子的贡献比例如图4所示。大气输入、碳酸盐风化和硅酸盐风化对于采样流域主量阳离子的贡献比例平均值分别为8.1%、16.0%和76.5%。

采样点及平均值图4 不同来源对采样流域主量阳离子的贡献Fig.4 Contributions of Different Sources to Major Cations of Sampling Watershed

4.3 流域内的风化速率和大气CO2消耗速率

通过使用硅酸盐风化产生的阳离子以及流域面积和流量来计算流域内硅酸盐风化速率。其表达式为

vSWR=(m(Ca2+)silicate+m(Mg2+)silicate+

m(Na+)silicate+m(K+)silicate)D/S

(11)

式中：vSWR为硅酸盐风化速率；m(Ca2+)silicate、m(Mg2+)silicate、m(Na+)silicate、m(K+)silicate分别为硅酸盐风化贡献的Ca2+、Mg2+、Na+、K+质量浓度；D和S分别为采样流域内的流量和流域面积。

碳酸盐风化速率为

vCWR=(m(Ca2+)carbonate+m(Mg2+)carbonate+

(12)

根据野外测量的河流宽度、深度及流量计算出的径流量(812 mm·年-1)与龙川江夏季多年平均值(936 mm·年-1)相差不大。为了计算结果的可靠性，本文使用龙川江夏季多年平均径流量值(引自中华人民共和国水文年鉴)来计算采样流域内的硅酸盐风化速率。

通过采样流域内阳离子浓度、流量和流域面积来计算硅酸盐和碳酸盐风化大气CO2消耗速率。其表达式为

Φ(CO2)silicate=(2c(Ca2+)silicate+2c(Mg2+)silicate+

c(Na+)silicate+c(K+)silicate)D/S

(13)

Φ(CO2)carbonate=(c(Ca2+)carbonate+

c(Mg2+)carbonate)D/S

(14)

式中：Φ(CO2)silicate和Φ(CO2)carbonate分别为硅酸盐风化和碳酸盐风化大气CO2消耗速率。

根据式(11)～(14)，计算得到的硅酸盐和碳酸盐风化速率平均值分别为5.68、9.96 t·km-2·年-1，大气CO2消耗速率分别为2.68×105、0.29×105mol·km-2·年-1(表3)。

表3 化学风化速率和大气CO2消耗速率Tab.3 Chemical Weathering and Atmospheric CO2Consuming Rate

4.4 岩性对硅酸盐风化速率的影响

在采样区域内，安山岩流域和花岗岩流域相距仅数千米，气候因素高度一致。安山岩流域的最高海拔为2 040 m，花岗岩流域的最高海拔为2 120 m，因此，地形和物理剥蚀速率应该也极为接近。此外，相距如此近的距离，植被的种类和覆盖程度也几乎一致。根据计算，云南省腾冲市北海湿地花岗岩和安山岩的平均风化速率分别为3.22、8.14 t·km-2·年-1，安山岩的风化速率是花岗岩的2.5倍。因此，在气候、构造和植被等因素均高度一致的情况下，岩性的影响是硅酸盐风化速率差异的主导因素。

根据计算，采样流域内硅酸盐风化速率(5.68 t·km-2·年-1)与邻近区域西南三江流域的硅酸盐风化速率(3.0 t·km-2·年-1)基本一致[46]。其中，流域内花岗岩的风化速率为3.22 t·km-2·年-1，与全球花岗岩平均风化速率(3.98 t·km-2·年-1)[13]非常相近，低于同处亚热带高级变质岩占主导的浠水流域(6.9 t·km-2·年-1)[47]，这可能与浠水流域的岩性较为混杂有关。安山岩的风化速率平均为8.14 t·km-2·年-1，比地处热带的加勒比海Lesser Antilles安山岩流域的风化速率(56 t·km-2·年-1)几乎低一个数量级[48]，也低于同处于亚热带气候的墨西哥Rio Ameca安山岩流域(28 t·km-2·年-1 [49])，这可能与龙川江的径流量较低有很大关系。龙川江全年的径流量平均是470 mm，夏季汛期的径流量也仅为930 mm，均远低于同处于亚热带墨西哥Rio Ameca流域的径流量。流域内硅酸盐风化的大气CO2消耗速率为2.68×105mol·km-2·年-1，要高于全球平均值(2.46×105mol·km-2·年-1)[39]，这说明该研究区域是全球岩石风化碳汇的一个重要组成部分。该大气CO2消耗速率与同属于亚热带季风区且流域内硅酸盐风化占主导的赣江上游流域(2.11×105mol·km-2·年-1)、东江流域((3.02～3.08)×105mol·km-2·年-1)、韩江流域(2.52×105mol·km-2·年-1)和珠江花岗岩小流域(2.39×105mol·km-2·年-1)等很接近[50-53]，比地处寒温带的嫩江硅酸盐流域(0.4×105mol·km-2·年-1)、松花江流域(0.67×105mol·km-2·年-1)等高出一个数量级[54-55]。以上对比表明，不同气候带硅酸盐风化速率和大气CO2消耗速率相差一个数量级以上。相比之下，单一岩性因素对硅酸盐风化速率的影响为2～3倍。因此，研究结果初步表明，气候因素(温度和径流量)对硅酸盐风化速率的影响要明显超过岩性。

5 结 语

(1)云南省腾冲市北海湿地采样流域中雨水对于流域内主量阳离子的贡献为8.1%，碳酸盐风化对于流域内主量阳离子的贡献为16.0%，这种不等比例的贡献主要归因于碳酸盐矿物更快的风化速率。

(2)采样区域内，计算得到的平均硅酸盐风化速率为5.70 t·km-2·年-1。其中，花岗岩和安山岩的风化速率分别为3.22、8.14 t·km-2·年-1，安山岩的风化速率是花岗岩的2.5倍，表明在相同植被、气候和构造等条件下，流域的岩性是化学风化的主导因素。