逆风化作用及其在粘土矿物形成与二氧化碳循环中的研究进展综述

本文由Kejun Zheng、Shangying Li、Yulong Gao、Wenzhe Meng和Hongfei Cheng*（通讯作者）合作完成，作者单位包括长安大学地球科学与资源学院等。论文发表于ACS Earth Space Chem.期刊2024年第8卷，页码1680−1689。

研究主题与背景

本文是一篇综述性论文，聚焦于逆风化作用（reverse weathering）在地球演化过程中对粘土矿物形成及全球碳循环的影响。逆风化作用是大陆风化作用的逆向过程，通过消耗海洋中的碱度（如碳酸氢盐）和溶解硅，形成自生粘土矿物（authigenic clay minerals），同时释放二氧化碳（CO₂）。这一过程对维持海洋元素平衡、调节大气CO₂浓度及古环境重建具有重要意义。

主要观点与论据

1. 逆风化作用的机制与发生环境

逆风化作用的核心是溶解的硅、铝、铁等与海水中的阳离子（如K⁺、Mg²⁺、Li⁺）反应，形成自生粘土矿物（如伊利石-蒙脱石混合层矿物）。其反应式如下：
> 溶解硅 + 铝质粘土 + 铁氢氧化物 + 阳离子 + HCO₃⁻ → 粘土矿物 + CO₂ + H₂O

支持证据：
- 亚马逊河口沉积物实验显示，硅藻细胞被微晶粘土矿物快速取代，表明硅与阳离子的反应速率极高（Michalopoulos & Aller, 1995）。
- 长江口孔隙水研究发现，随着深度增加，Mg²⁺/Cl⁻和K⁺/Cl⁻比值下降，证实自生碳酸盐和硅酸盐矿物的形成（Zhao et al., 2017）。

逆风化作用主要发生在物质交换活跃的区域，如河口、三角洲、沉积盆地和深海沉积环境。这些区域具有丰富的陆源碎屑和还原性条件（如Fe²⁺富集），为反应提供了理想条件。

2. 逆风化作用对元素循环的影响

逆风化作用通过以下途径参与全球元素循环：
- 硅（Si）循环：海洋中30%的硅通过逆风化作用埋藏，形成粘土矿物（Tréguer & De La Rocha, 2013）。
- 阳离子循环：Li、K、Mg等元素在粘土矿物形成过程中被固定，其同位素分馏（如δ⁷Li、δ²⁶Mg）可作为古环境指标。例如，深海沉积物中δ⁷Li值升高反映锂的优先吸附（Andrews et al., 2020）。
- 铁（Fe）和铝（Al）的迁移：铁氢氧化物还原为Fe²⁺后参与矿物形成，而铝通过孔隙水中的Al/Si比值变化指示粘土矿物的生成（Mackin & Aller, 1984）。

3. 逆风化作用与CO₂循环的关联

逆风化作用通过消耗HCO₃⁻并释放CO₂，影响全球碳循环：
- 前寒武纪冰期：缺乏生物硅泵（biogenic silica pump）导致海洋中溶解硅富集，逆风化作用增强，释放大量CO₂，延缓了冰期后大气CO₂浓度的下降（Li et al., 2021）。
- 二叠纪-三叠纪边界（P-T界线）：δ⁷Li值的负偏（从20‰降至5‰）与陆源物质输入增加和生物硅泵减弱相关，表明逆风化作用加剧了CO₂释放（Cao et al., 2022）。
- 新生代气候变冷：δ⁷Li值的升高和Mg/Ca比增加反映逆风化作用减弱，减少了CO₂的补充，促进了气候变冷（Misra & Froelich, 2012）。

4. 古环境重建的指示意义

粘土矿物的组合与同位素记录可揭示古气候条件：
- 伊利石和绿泥石：形成于干旱寒冷环境，反映弱化学风化。
- 高岭石：形成于温暖湿润的酸性环境，指示强烈淋溶作用。
- 蒙脱石：形成于半干旱-半湿润的温带气候。

例如，西班牙Ainsa盆地δ³⁰Si值的变化揭示了海岸沉积物中逆风化作用的加速（Zhang et al., 2022）。

研究意义与价值

1. 理论价值：
   
   • 完善了地球演化中元素循环与碳循环的联动机制。
     
   • 为古环境重建（如冰期-间冰期转换、P-T事件）提供了新视角。
     
2. 应用价值：
   
   • 有助于预测现代气候变化背景下海洋酸化与CO₂释放的潜在影响。
     
   • 为全球硅循环模型的修正提供依据（如生物硅埋藏量被低估20−30%）。
     

研究亮点

1. 多学科证据整合：结合同位素地球化学（Li、Mg、Si）、矿物学与古气候模拟，系统论证逆风化作用的环境效应。
   
2. 时间尺度覆盖广：从前寒武纪到新生代，揭示了逆风化作用在不同地质时期的动态角色。
   
3. 争议性问题突破：首次提出逆风化作用是P-T界线CO₂异常升高的关键驱动因素之一。
   

未来研究方向

1. 扩展对亚热带和温带河口逆风化作用的研究（受人类活动与水文季节性影响显著）。
   
2. 量化陆地沉积环境中逆风化作用的贡献（目前研究多集中于海洋系统）。
   
3. 探索植物光合作用与逆风化作用在碳循环中的协同效应。
   

本文为理解地球表层系统元素循环与气候调节机制提供了重要框架，并为后续研究奠定了理论基础。