青藏高原湖泊中镁同位素证据揭示逆向风化（reverse weathering）是重要的镁汇
作者及机构
本研究的通讯作者为Zhongya Hu（同济大学海洋地质国家重点实验室）和Shouye Yang（同济大学海洋地质国家重点实验室），合作者包括Marc Weynell（柏林自由大学）、Ni Su、Simon V. Hohl、Zhong Han（成都理工大学）、Yixiong Wen（中国地质大学北京）。研究发表于2025年的《Quaternary Science Reviews》期刊（Volume 349, 109138）。
学术背景
青藏高原被称为“亚洲水塔”，其河流和湖泊的化学风化过程对全球碳循环具有重要影响。镁（Mg）是地壳中第八大元素，其同位素组成（δ²⁶Mg）可有效示踪硅酸盐与碳酸盐风化过程，进而量化CO₂消耗量。然而，高原内部封闭湖泊中镁的归宿及其对碳循环的影响尚不明确。本研究通过系统分析青藏高原河流、湖泊水体和古湖沉积物的元素与镁同位素地球化学特征，揭示了逆向风化（即自生富镁黏土矿物的形成）是湖泊中镁的主要汇，并探讨了其对长期碳循环的潜在影响。
研究流程
样品采集与处理
- 研究对象：2021年夏季采集了25份河流与湖泊水样（覆盖高原南部雅鲁藏布江流域及北部内陆湖区），22份古湖沉积物（来自伦坡拉盆地始新世-渐新世纽保组），另采集现代开放湖泊（洞庭湖、鄱阳湖）黏土沉积物作为对比。
- 水样处理：现场用0.2 μm滤膜过滤，保存于酸洗HDPE瓶中，测定阴阳离子浓度（Cl⁻、NO₃⁻、SO₄²⁻、F⁻）及碱度（通过电荷平衡计算）。
矿物与元素分析
- 岩相学观察：薄片偏光显微镜和扫描电镜（SEM-EDS）分析沉积物层理结构与矿物共生关系，发现碳酸盐与富镁黏土矿物交替层理（图2）。
- 元素测定：ICP-OES（主量元素）和ICP-MS（微量元素）分析溶解相与沉积物的Mg、Ca、Na、Al等含量，发现古湖沉积物中Ti含量低（平均90 μg/g），排除了陆源碎屑污染。
镁同位素分析
- 纯化与测试：采用两阶段离子交换法纯化Mg，通过MC-ICP-MS（Thermo Fisher Neptune Plus）测定δ²⁶Mg，精度优于±0.04‰。标样（如IAPSO海水、BHVO-2）结果与文献值一致（附录表S2）。
主要结果
河流镁来源
- 同位素特征：河流δ²⁶Mg值介于-2.00‰至-0.60‰（平均-1.12±0.60‰），南部雅鲁藏布江流域与北部内陆河流差异显著。通过Mg/Na*与Sr/Na*比值分析，表明镁主要来自白云岩（δ²⁶Mg≈-2.2‰）和硅酸盐岩（δ²⁶Mg≈-0.5‰）的风化，地热流体和大气输入影响可忽略（图4, 图6）。
湖泊镁汇机制
- 元素与同位素分馏：封闭湖泊（如色林错、纳木错）的δ²⁶Mg值（-0.61±0.65‰）显著高于河流输入，且Mg/Na*、Al/Na*比值降低，表明90%的河流镁被自生矿物消耗。质量平衡模型显示，自生碳酸盐与黏土矿物共沉淀导致δ²⁶Mg分馏因子（Δ²⁶Mg矿物-水）仅-0.09‰至-0.06‰（图8）。
- 古湖沉积证据：纽保组沉积物中富镁黏土（EDS显示Mg/Ca≈1）与白云岩互层（图2f-i），δ²⁶Mg值（-1.25‰至-0.40‰）支持逆向风化主导镁汇（占80%）。
碳循环意义
- 逆向风化反应（如：Mg²⁺ + Al³⁺ + Si⁴⁺ → 黏土矿物 + H⁺）释放CO₂，部分抵消硅酸盐风化对CO₂的消耗。估算显示，青藏高原封闭湖泊面积占全球非冰盖陆地的0.25%，其逆向风化对大气CO₂平衡的潜在影响需重新评估。
结论与价值
本研究首次量化了逆向风化在青藏高原湖泊镁循环中的主导作用（贡献80%镁汇），揭示了其对长期碳循环的双向调控机制。成果为理解高原隆升-风化-气候耦合提供了新视角，并指出全球变暖背景下湖泊扩张可能通过逆向风化加剧CO₂释放。
研究亮点
1. 方法创新：结合现代水体与古湖沉积记录，通过多同位素-元素联合示踪，解析了镁的源-汇过程。
2. 理论突破：发现碳酸盐与黏土共沉淀导致微小同位素分馏（Δ²⁶Mg≈-0.1‰），修正了传统分馏模型。
3. 应用价值：为评估全球封闭湖泊对碳循环的贡献提供了定量框架。
其他发现
- 北部河流因蒸发强烈更易形成高镁方解石，导致Ca/Mg比值降低（图7d）。
- 开放湖泊（如洞庭湖）因水力停留时间短，逆向风化影响微弱（δ²⁶Mg≈-1.37‰），与河流输入一致。