常用化学风化指标综述：应用与展望

李绪龙，张 霞，林春明，黄舒雅，李 鑫

内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，南京大学 地球科学与工程学院，南京 210023

1 前言

化学风化作用是影响全球气候变化、地表物质循环和海水化学组成的重要因素，有利于调节全球碳循环（Walker et al., 1981; Berner et al., 1983）。河流连接陆地和海洋，从陆地向海洋搬运大量物质，其所携带的风化物质具有重要的大陆风化、侵蚀和环境等地质信息（McLennan, 1993; Milliman and Farnsworth, 2011）。目前，许多研究利用大量的矿物学和地球化学指标分析河流沉积物的化学风化强度，进而评价其流域的化学风化特征，重建古气候变化（Nesbitt et al., 1996; Ding et al., 2009; Garzanti et al., 2013），但因沉积物化学风化的复杂性，常用地球化学指标的使用都存在一定局限性，受多种因素控制，包括源岩类型、气候状况、构造和地形、植被、土壤发育、粒径、水动力过程和人类活动等（Gibbs, 1970; Meybeck, 1987; Grantham and Velbel,1988; Berner, 1992; Stallard, 1995; Gaillardet et al.,1999a; Oliva et al., 2003; Garzanti et al., 2008; Bouchez et al., 2011）。并且，化学风化指标所反映的是特定流域的综合风化情况及其继承性，并不是沉积物在搬运和沉积过程中的瞬时风化情况（Gaillardet et al., 1999b; Li and Yang, 2010）。因此，在利用各种风化指标定量评价化学风化强度和气候变化时，必须深入理解这些化学风化指标的适用范围和控制因素。本文结合前人研究成果，分析了常用化学风化指标的基本原理、计算方法、不同化学风化指标所存在的局限性以及受到的各种影响因素。基于各化学风化指标原理和适用性，作者进一步提出综合运用化学风化指标进行化学风化强度评价的流程，希望所提出的评价流程对实际工作具有借鉴意义。

2 化学风化指标类型及含义

其中应用较多的化学风化指标有化学蚀变指数CIA（Chemical Index of Alteration）、帕克风化指数WIP（Weathering Index of Parker）、斜长石蚀变指数PIA（Plagioclase Index of Alteration）、化学风化指数CIW（Chemical Index of Weathering）、成分变异指数 ICV（Index of Compositional Variability） 、化学风化指数CIX（Chemical Index of Weathering excluded CaO）和αAlE 指数等 （表1）。

Parker（1970）最先提出通过计算碱金属和碱土金属元素在风化产物中所占的比例来评价硅酸盐岩的风化强度，将其定义为帕克风化指数（WIP；表 1），后经 Hamdan 和 Burnham（1996）得以推广，广泛用于判别化学风化强度。该指标采用元素（K、Ca、Na、Mg）与氧结合的键强作为加权因子来反映岩石的风化情况以及对进一步风化的敏感程度，因键强既可衡量破坏化学键所需能量，也能评估元素参与风化反应的相对可能性（Nicholls,1963）。因SiO2在风化过程中移动不规律，且损失比例小，所以指数未考虑SiO2。WIP值越小，风化作用越强。WIP指数不适用于强风化情况，因为碱金属和碱土金属元素在强风化情况下所剩无几（Eswaran et al., 1973）。

表1 常用化学风化指标Table 1 Common chemical weathering indices

化学蚀变指数（CIA; 表1）用于定量评价长石的化学风化强度，为Al2O3与不稳定氧化物的比例，反映长石转化为黏土矿物的风化程度（Nesbitt and Young, 1982）。CIA值越高，指示硅酸盐矿物中K、Na和Ca元素从母岩中淋失越多，长石的化学风化越强（Nesbitt and Young, 1984, 1989）。Fedo等（1995）总结得出: CIA=50～60，反映了弱风化程度；CIA=60～80，为中等风化程度；CIA=80～100，反映了强烈风化程度。不同矿物和岩石具有不同的CIA值，平均上地壳的CIA值为50，长石容易风化，所以长石的CIA值（50）一般较低，诸如更新世冰川黏土、黄土、平均页岩的CIA值间于60～80，伊利石、蒙脱石、亚马逊泥岩和残留黏土等物质的CIA值较高，而彻底风化能达到绿泥石、高岭石的CIA值（100）（表2; Nesbitt and Young, 1982）。

表2 部分矿物和岩石的CIA值 (Nesbitt and Young, 1982)Table 2 CIA values of some minerals and rocks(Nesbitt and Young, 1982)

在进行CIA值计算的同时还应进行成分变异指数（ICV; Index of Compositional Variability; 表1）的检查，其表示为风化过程容易迁移的元素之和与不易迁移的铝元素的比值。随着风化的不断进行，长石遭受风化逐渐转化为黏土，ICV值也随之逐渐降低，非黏土的硅酸盐矿物具有比黏土更高的ICV值（表3），因此，ICV值可以表征矿物成分的成熟度。一般认为，若ICV＞1，表明细碎屑岩含很少黏土物质，成分成熟度较低；若ICV值＜1，则表明细碎屑岩含较多黏土成分，指示强烈的化学风化作用（Cox et al., 1995）。

表3 不同硅酸盐矿物的ICV值 (Cox et al., 1995)Table 3 ICV values of different silicate minerals (Cox et al., 1995)

即使CIA值计算中除去碳酸盐和磷酸盐中的CaO值，但碳酸盐的残余会导致CIA值评价化学风化强度存在误差，所以在碳酸盐颗粒存在的地方，为避免风化强度计算误差，通常使用化学风化指数CIX (表1) 评估化学风化情况，该指标不用考虑CaO（Garzanti et al., 2014）。

除CIX的其他化学风化指标中均计算了硅酸盐中的CaO*，对于CaO*的计算和校正，一般用公式 CaO*=n(CaO) -(10/3)×n(P2O5)-r×n(CO2)，n 为摩尔含量，当碳酸盐矿物为方解石时r=1，为白云岩时r=0.5。因实际操作中不易区分获得的CO2是来自于方解石还是白云石，通常采用McLennan （1993）提出的方法进行校正，若n(CaO) ＜ n(Na2O)，则采用n(CaO)作为样品CaO*，相反则采用n(Na2O)作为CaO*。

Gaillardet等（1999b）利用具有相似岩浆相容性的易迁移元素（Na、K、Mg、Ca、Sr、Ba）和不易迁移元素（Al、Ti、Sm、Nd、Th）的浓度比值估计风化程度。这一系列风化指标被定义为αE，E为所研究元素，αE中的不易迁移元素一般为Th，Ti和 REEs（Rare Earth Elements），但由于 REEs、Th和Ti受到水动力作用的强烈影响而优先赋存在重矿物中，所以对于富含重矿物的样品，利用αE评估风化强度可能会产生很大误差。为了降低水动力造成的偏差，Garzanti等（2013）提出αAlE=(Al/E)sample/(Al/E)UCC，将Al作为不易迁移元素，因为Al不在重矿物中富集。通常河流沉积物中的αAlE值变化可以反映出易迁移元素相对于大陆上地壳（the Upper Continental Crust; UCC）的迁移顺序（Garzanti et al., 2014）。对于大多数沉积物而言，其迁移顺序为 Na＞Ca＞Sr＞Mg＞K＞Ba＞Rb，说明 Na和Ca的淋滤极多，Sr的淋滤强，Mg和K的淋滤适度，Ba和Rb淋滤少量（Garzanti et al., 2013）。硅酸盐风化开始阶段为Na、Ca和少量K的淋滤，元素淋滤越强，αAlE值越大。在硅酸盐岩风化为黏土过程中，同一风化阶段的αAlNa、αAlCa和αAlK与Al/Si呈正比（Garzanti et al., 2013）。

3 化学风化指标的控制因素

化学风化是地球科学研究中的热点话题，利用化学风化指标指示风化情况在前人研究中不断深化，但缺乏对控制化学风化强度的因素和机制的深入探讨。针对这一科学问题，前人对化学风化的控制因素已开展大量研究，包括物源岩性、粒度、水动力作用、气候和植被等（Taylor and Mclennan, 1985; Oliva et al., 2003; Houben et al., 2012;Eynatten et al., 2012; Schneider et al., 2016; Garzanti and Resentini, 2016; Guo et al., 2018）。

3.1 物源岩性和气候对化学风化指数的影响

较早研究中利用美国、波多黎各和冰岛101条流域的水化学数据，发现不同岩性因其化学成分差异有其独特的风化速率，从砂岩、花岗岩、玄武岩、页岩至碳酸盐岩，化学风化速率逐渐增加 （Bluth et al., 1994; Sun et al., 2018）。但以上研究内容并未得出物源对化学风化程度和化学风化指标的控制结果，而了解物源信息是解释化学风化变化和合理使用化学风化指标的前提（Gaillardet et al., 1999a;Chetelat et al., 2013; Garzanti and Resentini, 2016; Sun et al., 2018; 徐小涛和邵龙义, 2018）。

Sc和Th作为惰性元素，在化学风化和沉积物形成过程中受到水动力作用影响较小，能够很好记录沉积物的源岩性质。通常，Sc/Th＜1为花岗岩，反之为镁铁质岩石（Taylor and Mclennan, 1985）。除指示物源信息外，还能反映粒径对源岩成分信息的影响，如果同一流域的悬浮物和岸滩沉积物的Sc/Th近似相等，表明受粒径控制作用较小（图1；Guo et al., 2018）。可利用Sc/Th反映化学风化指标与火成岩源岩之间的关系，如果CIA与Sc/Th比值之间具明显相关性，则表明源区风化强度与镁铁质或长英质物源有关，反之则表明源区化学风化强度受物源岩性影响较弱。前人大量研究证明，岩性对中国大陆流域硅酸盐风化的控制作用并不明显（Li and Yang, 2010; Shao et al., 2012; Bi et al., 2015）。Chetelat等（2013）对长江流域的悬浮物质进行了化学风化研究，长江上游为峨眉山大火成岩省有关的铁镁质物源，中下游为长英质物源，通过化学蚀变指数（CIA）与不同火成岩分异指数（Cr/Th、Eu/Eu*）的相关性分析显示长英质比镁铁质的化学风化程度高，研究表明气候变化对沉积物源产生影响，进而导致化学风化强度的差异。邵菁清和杨守业（2012）通过研究长江干支流悬浮物的CIA值在时空上的变化特征发现长江下游（南京和南通）干流枯季悬浮物的CIA值多高于洪季（图2），这主要是因为流域季节性的降雨区迁移使得进入下游干流的悬浮物来源，即上游和中下游的相对贡献发生明显变化。洪季5～6月，强降雨带位于中下游地区，中下游流域物理风化加强，对下游干流的悬浮细颗粒物质贡献增多，导致 5～6月入海悬浮物的CIA值较高；而6月中旬到7月上旬为长江中下游地区的梅雨季节，CIA值呈下降趋势，这可能与中下游河流物质贡献有关；7～9月强降雨区向上游地区迁移，上游强烈的物理剥蚀输运大量碎屑物质进入下游干流，使得这期间入海悬浮物中来自上游的组分占主导，CIA值较低；从10月开始降雨带又逐渐往中下游迁移，另外三峡水库的枯季蓄水也拦截了大量上游侵蚀来沙，使得中下游流域的物质输入对河口区的悬浮物贡献比例又逐渐增大，使得CIA值总体又逐渐升高（图2）。以上研究内容证明CIA与研究区沉积物质来源有关，沉积物地球化学特征也会因此而改变。

图1 长江、浙闽和台湾河流沉积物的CIA-Sc/Th 图解Fig. 1 Plot of CIA vs. Sc/Th ratios of fluvial sediments along the East China Sea coast

图2 长江流域悬浮物CIA值季节性变化 (a) 南京样品; (b) 南通样品 (邵菁清和杨守业, 2012)Fig. 2 Seasonal variation of CIA values of suspended solids in the Yangtze River basin (a) samples of Nanjing; (b) samples of Nantong

3.2 沉积分异作用对化学风化指标的影响

Nesbitt和Young（1982）最初提出CIA时以泥质岩为研究对象，之后也被用来进行砂岩常量元素的CIA计算并推测物源区风化程度。碎屑沉积物在产生过程中元素组成受物理和化学过程控制，物理风化过程根据沉积物颗粒大小、密度和形状对其进行水动力分选，产生的粗细颗粒会对沉积物的矿物组成产生影响（粒度效应），造成粗细颗粒中不同元素的富集，使得CIA等化学风化指标不能指示其真实的化学风化强度，表明化学风化指标会受到粒径影响（Eynatten et al., 2012; Guo et al.,2018）。如砂岩中保留的黏土矿物相对较少，CIA计算值偏低，因此，用砂岩计算出的CIA值不能错误的采用泥质岩的判断标准来分析物源区风化程度（Armstrong-Altrin et al., 2004; Garzanti et al., 2011）。

Shao等（2012）研究了长江中下游河漫滩沉积物和悬浮物质，发现流域内沉积物CIA与粒度存在较好相关性（R2=0.79），但不同样品性质和流域不同地区的粒度与CIA相关性不同，较粗粒沉积物（Ф＜7.0）的平均粒径与CIA相关性好（R2=0.71），而较细的悬浮物质（Ф＞7.0）平均粒径与CIA相关性差（R2=0.23），各相关系数均在0.01水平（双侧）上进行相关性检验 （图3）。长江上游悬浮物粒度粗，CIA值总体较低，中下游悬浮物粒度相对较细，CIA值高。可见粒度越细，黏土组分相对富集，CIA值就越高。因此，CIA在实际应用中需要考虑粒度影响（Shao et al., 2012）。长江下游干流和入海悬浮物的CIA受悬浮物粒度的影响非常弱，且下游河道宽坡度小，水动力弱，导致悬浮物的平均粒径较细且变化不大,可反映流域综合风化历史（Potter et al., 2001）。

图3 长江沉积物平均粒径 (Mz) 与CIA 的相关性 (a: 长江下游河漫滩与悬浮物CIA与粒度的相关性；虚线为总相关性；b: 长江流域悬浮物CIA与粒度的相关性. 其中N代表样品数量, Shao et al., 2012)Fig. 3 Correlations of the CIA values with mean grain size (Mz) from the Changjiang River sediments (a, Correlation between CIA and mean grain size of the lower Yangtze River floodplain and SPM samples; The dotted line is the total correlation; b, Correlation between CIA and mean grain size of SPM of the Yangtze River. The N value means the number of samples, Shao et al., 2012)

毋庸置疑，选择不同粒径沉积物指示同一物源区的风化情况未必能取得风化强度真实值。由于泥质岩具有较好的均质性和沉积后的低渗透性，受粒度和再风化作用的影响较小，更好地保留了物源区信息，泥质岩比其他碎屑岩更适合进行物源区风化程度及古气候的研究（Garzanti et al., 2013）。Bao等（2018）考虑到化学风化指标的适用性，认为选取沉积物中的黏土组分（＜2 μm）进行化学风化指标的计算，进而可以更加准确的反映源区的化学风化强度。Xiong等（2010）发现同一位置的中粗粒沉积物（5～20 μm、20～63 μm）与细粒沉积物 （＜5 μm）有不同的CIA值，表明风化程度不一致，认为选取＜5 μm细粒组分即可很好反映源区的风化强度。因此，在利用CIA评价化学风化时，最好选用能反映物源成分的泥岩或细碎屑岩、具代表性的悬浮物，以此可降低粒径对化学风化指标的控制作用（王自强等, 2006; Shao et al., 2012）。但如何精确界定最适合用于化学风化分析的沉积物粒度范围仍须进一步研究。

3.3 沉积再旋回效应对化学风化指标的影响

沉积物再旋回效应对化学风化的影响不容忽视（Gaillardet et al., 1999a）。前人在研究青藏高原东部和俄罗斯远东河床沉积物的物源及风化作用时，发现沉积作用的不断旋回以及对前一个沉积旋回物质的继承性会对化学风化指标的应用产生较大影响（Borges et al., 2008）。再旋回过程中母岩物质经历再次风化，CIA值偏大，因此不能准确评价源区风化程度和古气候特征，而ICV可用来判断源区物质是否遭受再旋回作用。一般ICV＜1说明样品成熟度较高，富黏土矿物成分（高岭石、蒙脱石、绢云母等），可能经历了再旋回作用或首次沉积时经历强风化作用；ICV＞1表明样品成熟度较低，黏土成分不多（Barshad, 1966）。在利用CIA评价风化时应选取ICV＞1的样品排除再旋回影响。利用ICV确定是否遭受再旋回的基础上，利用Th/Sc-Zr/Sc图区分沉积物分选和再旋回作用的影响（图4；Kasanzu et al., 2008），Th/Sc和Zr/Sc在沉积初期明显正相关，经历再旋回作用后，Zr/Sc大幅增加，Th/Sc无明显变化。样品分布呈趋势线1表明沉积物并未受再旋回影响，成分接近于源岩；若样品分布呈趋势线2，则表明沉积物受到再旋回影响，使得Zr元素富集（图4）。

图4 Th/Sc vs. Zr/Sc图解（蓝色和红色点分别代表坦桑尼亚东北部新元古代Ikorongo群的页岩和粉砂岩；Kasanzu et al., 2008)Fig. 4 Diagram of Th/Sc vs. Zr/Sc. Blue and read points represent the shales and siltstones of the Neoproterozoic Ikorongo group in northeastern Tanzania (Kasanzu et al., 2008)

石英作为物理性质和化学性质均十分稳定的矿物，在再旋回过程中不断汇聚，特别是在化学侵蚀过程中，通过多次沉积旋回而累积下来，但石英的富集并不能简单认为就是化学风化强度的增加（Garzanti et al., 2019）。沉积物富含石英颗粒很难被界定是由于广泛的风化作用和长石等不稳定矿物的破碎，还是石英砂岩中的石英颗粒在再旋回过程中的不断汇聚（Basu, 2017）。由于石英富集而导致的石英稀释作用解释了除Si以外的大多数元素的消耗，在探讨再旋回作用对化学风化指标的控制作用中，也同样要考虑到石英稀释作用的影响，即化学风化指标随SiO2相对含量增加的变化特征（Garzanti et al., 2013）。Guo等 （2018） 认为CIA和αAlNa均不受石英稀释作用的控制，而WIP随石英稀释作用的增强呈现减小趋势（图5）。

图5 CIA、αAlNa 和 WIP受石英稀释作用的影响情况 (改自Guo et al., 2018)Fig. 5 Diagrams illustrating the variations of CIA, αAlNa and WIP with increasing quartz dilution (modified from Guo et al., 2018)

3.4 钾交代作用对化学风化指数的影响

CIA值常与A-CN-K [Al2O3-(CaO*+Na2O) -K2O]三角图相结合来反映碎屑沉积物的化学风化程度和母岩成分（Nesbitt and Young, 1989; Fedo et al., 1995;Nesbitt et al., 1996; Eynatten et al., 2003）。根据元素的迁移顺序，风化作用可分为以下三个阶段：早期的去Na、Ca阶段，主要为斜长石的风化，在A-CN-K图上，风化趋势线平行于A-CN连线并指向A；中期的风化为去K阶段，风化趋势线平行于A-K连线，此时以钾长石和伊利石的风化为主，斜长石几乎完全消失；晚期阶段风化残余物为高岭石、石英、三水铝石以及铁氧化物，落于A-CN-K图的A点（图6；陈骏等, 2001）。

图6 Al2O3-CaO*+Na2O-K2O (A-CN-K) 三角图 (改自Fedo et al., 1995; 徐小涛等, 2018)Fig. 6 Plotted as molar proportions on Al2O3-(CaO*+Na2O) -K2O (A-CN-K) diagram (modified from Fedo et al., 1995)

前人通过采集粉砂岩和砂质粉砂岩进行分析，发现细碎屑岩在成岩过程中的钾交代会改变原岩成分，需要进行钾交代作用校正以获得原岩真实风化程度。在使用CIA之前通过计算ICV进行成熟度判别，选取ICV＞1的样品进行CIA计算，再利用A-CN-K图提出的公式对钾交代进行校正，经校正后的CIA计算值可判断源岩的风化程度（徐小涛和邵龙义, 2018；林春明等, 2021）。除了可以利用A-CN-K图校正钾交代作用，还可利用 Panahi（2000）提出的公式进行校正，计算得出未发生钾交代的CIA值（CIAcorr），元素氧化物取摩尔含量，相关表达式如下：

Fedo等（1995）根据动力学浸出速率绘制出古元古代的平均页岩和晚太古代上地壳的风化趋势线 （图6a中箭头b所示; Nesbitt and Young, 1984），但实测的古元古代平均页岩数据竟位于该趋势线之下，表明已经历了钾交代作用。钾交代一般有两种途径：（1）铝土矿向伊利石转化（图 6b）；（2） 斜长石向钾长石转化，斜长石被自生钾长石取代，即K对Na和Ca的取代（图6c）。两个过程都会导致K的富集，从而使得化学风化趋势偏移。

通过A-CN-K图也可确定钾的富集量和风化前后对应的CIA值（Fedo et al., 1995），图6a中的钾交代为第一种，即向铝土矿中加入K2O，K的顶点与平均页岩的连线与预测的风化趋势线相交于一点，该点为沉积物发生钾交代之前的成分点，d线所指即为其对应的CIA值（图6a），而平均页岩的CIA值为a线所指 （图6a），表明页岩在交代过程中平均增加了约10%的K2O。

在黏土形成过程中K2O被淋滤形成钾离子，钾离子进入溶液后既可以形成钾矿物也可以通过离子交换吸附在黏土表面，CIA值不能准确反映化学风化作用强度，而使用化学风化指数CIW（Chemical Index of Weathering）则可避免该点。CIW在CIA的基础上去除了钾，若CIW变化趋势与CIA一致，既可排除钾交代作用对CIA指数演化趋势的影响，又可证明研究数据的可靠性（表1; Harnois,1988; 齐靓等, 2015）。但CIW的计算可能忽略了钾长石中的铝（Fedo et al., 1995），会导致计算结果偏高，而斜长石蚀变指数PIA（Plagioclase Index of Alteration; 表1）将钾长石中的铝去除，可以作为定量分析斜长石化学风化强度的指标。

3.5 沉积区进一步风化作用的影响

Young和Nesbitt（1999）在研究古元古代化学风化时得出，泥质岩在沉积区经历进一步风化会导致CIA值偏大，因此CIA并不能真实反映源区的风化程度。沉积物暴露于地表经历风化作用形成古土壤和松散的残积物。古土壤层表明岩石在沉积区经历成土作用并遭受淋滤作用，这种淋滤作用会导致 Ca、Na、K 等元素进一步流失，但并不是物源区风化作用的结果，因此使用经历过淋滤作用的古土壤泥质岩化学成分计算的CIA 值不能反映物源区风化作用（徐小涛和邵龙义, 2018）。成土作用过程中生物活动和植物根系分泌的有机酸会影响到古土壤的风化，对物源区风化作用结果产生干扰 （Egli et al., 2001; Wilson,2004; Skiba, 2007）。利用丛枝菌根真菌（AMF）死亡或菌根裂解时向土壤释放的球囊霉素研究球囊霉素蛋白（glomalin-related soil protein, GRSP）与地球地表风化作用的相关性，该蛋白与地表植被初级生产力呈正相关。GRSP含量的升高表明该区域植被生长旺盛，植物根系生长过程中对沉积物中 K、Na 等矿物元素的吸收和对岩石的物理破坏将导致 CIA 值升高。此外，物源区的岩浆岩与上覆古土壤层的 CIA 会有明显不同，反映出同一风化壳不同深度的古土壤所代表的风化作用程度明显不同，例如 Szymański 和 Szkaradek （2018）所研究的安山岩及其上覆的古土壤层。因此，在选取样品时应避开沉积区风化壳或根土岩，否则会导致物源区风化程度的判断不准确（Yang et al.,2014; Awasthi, 2017; Babeesh et al., 2017）。

3.6 环境因素差异对化学风化指标的影响

一般来说，在湿润地区碱金属和碱土金属等化学元素的流动性最高（Schneider et al., 2016），在寒冷地区化学风化强度会由于低温和较低湿度而表现较弱（Nesbitt and Young, 1996; Potter et al., 2001;Hall et al., 2002）。在湿热的气候条件下，风化作用导致源岩中化学不稳定矿物中流动元素的淋滤，从而富集黏土矿物（如高岭石; Garzanti et al., 2019）。研究发现黏土矿物的分布与纬度有关：高岭石、铝土矿和蒙脱石向南北两极逐渐减少，主要分布在湿热地区；绿泥石和伊利石主要分布在中、高纬度的寒冷和湿润地区（Fagel, 2007）。Dinis等（2017）以非洲南部大西洋边缘地区为研究对象探讨气候对沉积物组成的影响，并验证不同化学风化指标指示气候的可靠性。通过研究非洲南部西海岸河流砂和黏土的化学风化情况，结果显示化学元素的迁移明显受到强烈纬度控制和气候梯度影响。

Yang 等（2004）在讨论长江和黄河流域硅酸盐矿物的化学风化时，认为气候是控制化学风化的主要因素，源岩等其他因素影响不大。Li和Yang（2010）比较了全球主要河流的CIA组成，认为相比全球流域而言，中国纬向分布的主要河流流域的硅酸盐岩化学风化对气候的响应比对源岩、流域面积和物理侵蚀更为敏感。从构造角度讲，长江的青藏高原源区及上游地区受新构造运动影响显著，新生代抬升剥蚀快，新鲜岩石暴露多而有利于化学风化进行，但由于上游源区气候条件恶劣且快速剥蚀使得土壤层并不发育，硅酸盐岩风化难以深入进行，而中下游的扬子克拉通相对稳定，地形坡度小，适宜的气候条件使得化学风化更为完全（邵菁清和杨守业, 2012）。在利用化学风化指标评价化学风化强度时，要同时考虑研究区气候与构造特征对物源区化学风化的控制作用。

Dinis等（2017）利用Hijmans 等（2005）的气候数据计算了各流域的降雨量，结果显示年平均降雨量与大多数风化指标（CIA、WIP、CIX）的相关性较差，说明这些参数不能真实反映当地气候条件。在很大程度上，由于再旋回作用和对过去地质历史的继承，河流黏土质和砂质的CIA、CIX和WIP指标只能部分用于推断集水区的降雨。在排除沉积物以长英质为主的小流域后，河泥的αAlMg与降雨相关性最好，高降水区域（＞600 mm）河流砂中的αAlNa与降雨相关性最好（图7）。铁镁质物源沉积物中的镁含量通常比长英质物源沉积物高，但是这种由物源成分造成的差异在细粒沉积物中会很大程度上减弱（Eynatten et al., 2012, 2016）。黏土的αAlNa与降雨缺乏相关性，可能是主要受再旋回作用的影响，在旋回过程中沉积物中的Na含量不断被损耗。关于黏土矿物组合与降水的相关性特征，结果显示低降水（＜600 mm）时蒙脱石与降水呈负相关，说明高纬度干旱区河流沉积物中蒙脱石与降水之间的关系更为明显（Dinis et al., 2017）。高岭石含量和蒙脱石/高岭石与降雨量的相关性较差。高岭石的形成与地形有关，在风化长期进行的平坦地区更容易形成和富集，因此高岭石并不能很好的用于指示气候特征。除了利用泥质沉积物的αAlMg、砂质沉积物的αAlNa和蒙脱石反映气候特征以外，黏土和沙中的CIA、WIP与CIX均与降水相关性较差，利用这些参数可在排除气候（主要是降水）控制的情况下更加准确反映源区的风化特征，且采用细粒沉积物作为化学风化样品可能减小降雨变化对化学风化程度的影响（图7）。

赵占仑等（2018）在研究位于甘肃省古浪县土门镇的一处黄土—古土壤—湖相沉积—沙丘砂沉积旋回的地球化学特征时，通过计算该剖面中位于末次冰消期的各沉积相的CIA值，发现其化学风化强度与该时期内的气候变化特征相矛盾，认为沉积物质来源的不同，导致不同沉积相在堆积初始阶段主量元素便存在差异，不同物源的不同沉积相计算的CIA指数失去了对比的前提。同一剖面的不同沉积相在堆积过程中因作用条件存在差异，可能会受到不同干扰因素的影响（如物源差异、粒度效应、碳酸盐沉积、水动力等），是否化学蚀变指数（CIA）能够指示同一剖面出现的不同沉积相的相对化学风化强度，进而揭示该地区古沉积环境及气候变化？该问题值得研究与探讨。

4 化学风化指标的使用流程及展望

沉积物在化学风化过程中经历了复杂地质过程，如何精确判别物源区化学风化强度依旧是值得深入研究的科学问题。利用化学风化指标评价源岩化学风化强度要考虑各指标的受控因素，否则其评价结果必然会失真。本文以化学蚀变指数CIA为主要评价指标，辅以WIP、CIW、PIA、ICV、CIX和αAlE等指标共同指示化学风化强度，理清化学蚀变指数CIA的控制因素及其影响因子，进而达到定量化解释研究区化学风化强度的目的（图8）。

图8 物源区化学风化强度判别流程图Fig. 8 Diagram showing how to judge chemical weathering intensity in provenance area

掌握研究区相关地质资料是研究物源区化学风化的首要前提，需了解源区岩石、土壤特征和沉积物类型等地质信息。选择细粒沉积物或悬浮物质且避开根土岩和古土壤等再风化产物，可有效避免粒度效应对化学风化指标的控制作用（Nesbitt and Young, 1982, 1984; 邵菁清和杨守业, 2012; Yang et al., 2014; Guo et al., 2018）。主微量元素测试前要对样品进行前处理和去除其中的非硅酸盐成分，样品称量后放入特氟龙烧杯中，加入一定浓度的稀盐酸和H2O2溶液去除样品中的碳酸盐和有机质组分，然后做超声震荡，使得在分析之前沉积物完全解聚。一般采用自然沉降法或离心处理获取特定粒径的沉积物组分，向样品中加入1 mol/L的至纯盐酸在60℃恒温震荡箱中进行淋滤，从而去除自生的和吸附的磷酸盐/碳酸盐成分（Bao et al., 2018;Guo et al., 2018）。化学风化指标计算过程中常利用McLennan（1993）提出的方法对硅酸盐中的CaO进行校正（Garzanti et al., 2014; Dinis et al., 2017）。通过获取处理后样品的地球化学信息进行化学风化控制因素分析，利用Sc/Th-CIA 判别图反映原岩信息，Sc/Th比值与CIA之间相关性强弱指示化学风化是否受源区原岩性质的影响。利用Th/Sc-Zr/Sc判别图进一步确认沉积分异或沉积再旋回的控制作用，若样品点呈图4中的趋势线1则表明该样品经历沉积分异作用，趋势线2表明受沉积再旋回作用控制，通过选取ICV＞1的样品排除再旋回影响。钾交代作用导致CIA值不能准确反映硅酸盐化学风化强度，用A-CN-K图或Panahi（2000）提出的公式进行钾交代作用的校正，最终通过CIA计算得出源岩化学风化强度。

为验证和确保CIA受控因素以及真实反映源区化学风化，有学者提出研究源区化学风化的新思路。为剥离诸多因子的复杂影响，有研究者采集青藏高原东南缘的雅砻江下游不同地貌部位和植物群落的表土样品做CIA的影响因子分析。发现其CIA与母岩、植被、海拔、坡度、坡向、土壤含水量、土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）含量等环境因子呈显著相关性（Feng et al., 2020）。各环境因子之间也具有一定共线性，运用岭回归法（Zhang et al., 2013）可以解决自变量共线问题并定量估算各环境因子对CIA值的控制作用。研究结果表明母岩性质是控制化学风化过程的主要因素, 地貌要素（海拔和坡度）是驱动化学风化过程的主要外部因素且海拔高度的影响大于坡度; 生物作用对 CIA值有一定的贡献。王亚暐等（2018）使用SPSS.22软件将风化前后岩样的主量元素组成进行单因素方差分析（ANOVA），得出其风化过程中的控制性元素后进行判别方程式拟合，与前人已有的风化指标进行对比，得出适用于研究区千枚岩类风化的判别式 Fi=42.161×ln(SiO2)+0.062×ln(TiO2)-4.100×ln(A l2O3)+1.033×ln(Fe2O3)+0.005×ln(MgO)-0.230×ln(K2O)-1.179×ln(Na2O)-87.97。在进行研究区的化学风化判别式拟合之前，对源区物质和风化后的沉积物样品的主量元素组成进行单因素方差分析，进而从中筛选出Sig.＜0.05的元素组分，显著性小于0.05意味着这些组分是控制化学风化的关键组分，并且可以得知各元素组分影响化学风化的比重。挑选出主量元素中的关键组分用于化学风化指数拟合，使用Fisher判别法或主成分分析，通过数据降维处理，依据上述挑选出的关键组分的贡献率确定特征化学风化判别函数。为避免使用CIA评价化学风化的单一性和误差，结合WIP、CIW、PIA、ICV、CIX和αAlE等指标共同指示源区元素迁移和淋滤特征，硅酸盐化学风化强度。通过以上研究思路和方法，定量解释源区化学风化强度。

5 结论

各化学风化指标适用条件有所差异，受物源岩性、沉积分异、沉积再旋回、钾交代作用沉积区进一步风化作用和环境因素差异等不同因素控制，厘清化学风化指标的受控因素是正确评价化学风化强度的必要前提。再旋回影响可通过选择细粒沉积物或悬浮物质有效减弱。样品地球化学分析前处理包括去除杂质和硅酸盐中CaO的校正。为明确化学风化指标受控因素特征，分别利用Sc/Th-CIA判别源区原岩特征，Th/Sc-Zr/Sc进一步区分沉积分异和沉积再旋回影响，选取不受再旋回影响的样品判断并校正钾交代影响。研究区的差异决定了化学风化指标所受控制因素不同，CIA受控因子分析可定量评价化学风化指标受控因素的影响因子，并以此得出研究区特征风化指标。在利用化学风化指标评价源区化学风化情况时，为避免使用单一化学风化指标导致的评价结果失真，往往结合WIP、CIA、PIA、ICV、CIX、αAlE等多个指标共同指示源区化学风化情况。

致谢:南京大学地球科学与工程学院凌洪飞教授、地理与海洋科学学院李徐生副教授给予悉心指导与热情帮助；同济大学海洋与地球科学学院郭玉龙老师、中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院徐小涛老师在成文过程中给予有益的建议和讨论；两位匿名审稿专家提出了建设性修改意见，在此一并向他们致以衷心的感谢！