铀同位素在风化动力学及风尘系统研究中取得新进展

发布者:表生地球发布时间:2019-03-20浏览次数:111

铀同位素在风化动力学及风尘系统研究中取得新进展

李高军教授课题组最近开发了铀同位素方法,在风化动力学及风尘系统研究中都取得了重要的进展。

在风化领域,物理剥蚀与化学风化的关系一直以来都是学界研究与关注的焦点。一般认为,在低剥蚀速率地区,化学风化速率主要受剥蚀产生新鲜物质量的控制,与物理剥蚀速率线性相关,即“供给限制”;在高剥蚀速率地区,剥蚀作用已经产生了足够的新鲜物质,化学风化速率主要受温度、径流量等动力学因子的控制,与物理剥蚀速率不再线性相关,即“动力学限制”(也称“风化限制”)。然而,受岩性差异、自相关等问题的限制,该风化模式并没有得到很好的证明。同时,全球的数据总结表明,化学风化速率与物理剥蚀速率一直存在很好的线性相关关系,与一般接受的风化模式并不吻合。

李高军教授课题组总结了截至目前全球所有发表的河水铀同位素数据(53篇文章,521个数据),同时分析了青藏高原及台湾地区的132个样品点的河水铀同位素数据。结合已经发表的剥蚀速率数据(河流泥沙通量及10Be),他们发现,流域铀同位素与物理剥蚀速率呈现一个U字形的关系(图1)。该U字形的左右支正好反映了“供给限制”和“动力学限制”的风化模式。同时,通过建立铀同位素模型,该研究很好的模拟出了铀同位素与剥蚀速率的U字形关系。


1全球的河水铀同位素数据总结及模型结果


黄土高原是亚洲风尘重要的沉积区之一,黄土物源与粉沙产生机制研究在预报沙尘天气、治理现代沙尘、评估风尘的环境影响、揭示风尘物质的产生机制以及解读风尘沉积的古环境记录等诸多方面皆有重要意义。前人对黄土高原物源进行了大量的研究,发现了一些可靠的物源指标,例如NdSr同位素,单颗粒锆石U

Pb年龄等。并利用这些指标对比潜在源区与风尘沉积的特征,发现黄土高原黄土最终都来自于青藏高原北缘山脉的剥蚀物。但是,这些物源指标只能指示物质最终的岩石学来源,不能指示风尘物质搬运的中间途径,很多潜在源区具有同样的最终源区,很多地球化学成分类似,难以区分。这是现阶段物源研究面临的主要问题。

李高军教授课题组研究发现,固体细颗粒(≤50μm)U同位素能反映颗粒自破碎以来经历的时间,具有示踪颗粒产生、搬运和沉积等一系列中间过程的巨大潜力,是一种地貌学示踪。黄土中不同的搬运路径和不同的粉沙产生机制可能对应不同的颗粒破碎时间,因此具有不同(234U/238U)同位素比值。因此,李高军教授课题组调查了中国北方多个潜在源区物质(包括戈壁沙漠、阿拉善干旱区、柴达木盆地、鄂尔多斯干旱区以及黄河现代沉积物)(234U/238U)比值。结果表明黄土高原物质主要来自三个端源,分别是戈壁沙漠,鄂尔多斯干旱区东部地区以及祁连山北缘。而柴达木盆地和黄河现代河漫滩均不太可能是黄土高原的主要源区。物源示踪结果表明黄土高原细颗粒主要是通过高山过程产生以及部分是通过暴露的地层基岩风化解体产生,而沙漠磨蚀不太可能是黄土高原细颗粒的主要产生机制。这一新的认识对于黄土高原的古环境指标的解读具有重要意义。

2黄土高原黄土以及潜在源区的(234U/238U)特征

上述研究成果分别以“Weathering dynamics reflected by the response of riverine uranium isotope disequilibrium to changes in denudation rate”和“Uranium isotopic constraints on the provenance of dust on the Chinese Loess Plateau”为题发表在地学NI期刊《Earth and Planetary Science Letters》和《Geology》上。两篇论文的第一作者分别是是17级博士生李来峰和15级直博生李乐,通讯作者是李高军教授。上述研究受到国家自然科学基金多个项目(Nos. 41730101, 4176114405841711530222)和南非国家研究基金(No. 110777)的资助。