近日，5123导航、海洋与地球学院简星研究团队在沉积源-汇系统与化学风化指数领域取得重要进展，相关成果以“Bias in sediment chemical weathering intensity evaluation: A numerical simulation study”为题，发表于地学领域权威期刊Earth-Science Reviews.该研究利用数值模拟的方法，量化分析了沉积物矿物组成及粒度差异对常见化学风化强度指标的控制作用，阐明了沉积源-汇体系中的多种地质过程和地质因素对碎屑沉积记录及其风化信号的影响，研究结果对基于碎屑沉积物化学风化强度的古气候重建及相关的表生地质研究都有重要启示。
化学风化是地表岩石的原生矿物通过一系列化学作用进行分解改造并形成次生矿物的过程。地表风化的碎屑物质，包括风化残留物和次生矿物，在经历剥蚀、搬运、沉积、埋藏等一系列表生地质过程后，能将化学风化信息记录在碎屑沉积物/沉积岩的矿物和地球化学组成中。由于组成矿物的元素在化学风化过程中具有不同的活跃程度，常用的化学风化指数（如：化学蚀变指数CIA，Chemical Index of Alteration）多是基于易迁移元素（如：钾、钙、钠）和难迁移元素（如：铝）的相对含量来指示化学风化的强度。目前普遍认为岩石和矿物风化的化学反应速率主要受气候因子（例如湿度、温度等）的控制，化学风化强度是化学风化速率与时间的函数，也与气候因素紧密相关。因此，基于沉积物/沉积岩的化学风化强度指标被广泛应用于古气候和古环境重建的研究。
然而，这些风化指数所依赖的沉积物元素地球化学或者矿物组成，除了受化学风化影响外，还可能受到源区母岩岩性差异、水动力分选造成的粒度差异、成岩矿物蚀变和沉积再旋回的综合影响。这些非气候-风化因素也会造成化学风化指数值的变化，不准确的量化结果会进一步使得沉积记录里的古气候信息解译出现偏差。因此，亟需阐明沉积源-汇过程、沉积物组成、化学风化强度之间的关系，并量化沉积物组成、粒度等方面的差异对常用化学风化强度指标的影响。
该研究聚焦常见的沉积物碎屑组分，包括石英、斜长石、钾长石和粘土矿物（如：高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石等），利用蒙特卡罗模拟方法对自然状态下可能存在的沉积物/沉积岩矿物组成进行模拟，定量分析了沉积物粒度和矿物比例变化对常见化学风化强度指标（CIA, CIW, PIA, WIP, CIX, K/Al, Na/Al, Na/K, SiO2/Al2O3）值的影响。
模拟结果显示，沉积物中粘土矿物总含量是大多数化学风化指数的主要控制因素（图1），而粘土矿物总含量受到水动力分选和源区化学风化强度的共同控制。在进行沉积物化学风化强度评估时，要格外注意水动力分选（粒度效应）对结果造成的偏差，以CIA指标为例，选用砂质或泥质样品，其分析的CIA差值可达15，这可能完全掩盖气候变化导致的化学风化强度波动信号。此外，在分析富含粘土矿物的沉积物样品时，粘土矿物种类差异也会对特定风化指数产生显著影响（图2），而沉积物中的粘土矿物种类与母岩岩石类型密切相关。
图1. 化学蚀变指数CIA、改进版化学蚀变指数CIX、化学风化指数CIW、斜长石蚀变指数PIA的值随粘土矿物含量（Clay mineral content）的变化，砂质沉积物（Sandy S）、粉砂质沉积物（Silty S）、泥质沉积物（Muddy S）的平均粒径逐渐减小，粘土矿物含量逐渐增大，对应指标的值也有所变化
图2. 在三种粘土矿物含量条件下（Clay Mineral Content=10wt%, 50wt%, 90wt%），化学蚀变指数CIA、帕克风化指数WIP、SiO2/Al2O3指标对沉积物中粘土矿物种类变化（高岭石/伊利石Kao/Ill、高岭石/蒙脱石Kao/Sme）的响应情况
碎屑矿物组成的变化如长石比例变化（斜长石/钾长石）对除CIA之外的所有指标都有影响，尤其是CIW、PIA（图3，r>0.5）。长石含量对大部分指标值都具有显著影响。WIP和SiO2/Al2O3指标则对再旋回相关的石英稀释效应非常敏感（图3，r>0.5）。以CIA和WIP为例，该研究量化了母岩岩性差异（酸性-基性结晶岩、碎屑岩）带来的偏差，通过具有不同化学风化强度的母岩岩性混合模拟实验，揭示了即使在湿润亚热带的强风化条件下，沉积岩/沉积物的物源区母岩岩性偏差也具有不可忽视性。
图3. 化学风化强度指标对粘土矿物含量CMC、石英/长石Qtz/Fsp、斜长石/钾长石Pl/Kfs、高岭石/伊利石Kao/Ill、高岭石/蒙脱石Kao/Sme比例变化的敏感性差异。皮尔逊相关系数（r）绝对值越接近1表示越相关性越强，显著性水平p < 0.01
该研究将定量的数值模拟与定性的实例研究结果相结合，再次强调了母岩岩性和粒度差异对沉积物化学风化强度评估造成的影响，阐明了沉积物源-汇过程、沉积物矿物组成、化学风化指数值间的相互联系（图4），提出在进行化学风化强度评估时需重视指标使用条件的合理性、使用类型的多元化，结合物源分析、矿物组成分析等手段以获取更加准确的结果。
图4.沉积物源-汇过程及相关因素（下）、沉积物矿物组成（中）、化学风化指数（上）三者之间层层作用的关系示意图
该论文的第一作者为5123导航博士研究生傅寒晶，通讯作者为简星副教授，共同作者包括航天航空学院硕士研究生潘涵卿。该项目获得厦门市自然科学基金项目（3502Z20227006）和国家自然科学基金项目（41806052）的联合资助。特别感谢近海海洋环境科学国家重点实验室“MEL优秀博士生奖学金”对论文第一作者傅寒晶的学业资助。
论文来源及链接
Fu, H., Jian, X., & Pan, H. (2023). Bias in sediment chemical weathering intensity evaluation: A numerical simulation study. Earth-Science Reviews, 246, 104574.
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2023.104574
供稿｜傅寒晶、简星
审核｜余凤玲、刘志宇
