综述：关于Sr-K-Mg-Li-Os同位素在大陆风化研究中应用的关键性评述

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综述：关于Sr-K-Mg-Li-Os同位素在大陆风化研究中应用的关键性评述

时间：2026年2月6日

来源：Journal of Asian Earth Sciences

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本文系统综述了Sr-K-Mg-Li-Os同位素系统在大陆风化研究中的应用，分析其方法学、地质储层特征及分馏机制，揭示其在风化强度、气候关联及产物溯源中的优势，并提出多同位素耦合与机器学习结合的未来研究方向。

中国武汉长江大学地球科学学院，430100

摘要

大陆风化在地球表面物质循环中起着关键作用，追踪其过程一直是地球科学的前沿课题。传统的地球化学方法常常受到岩石类型多样性和分析灵敏度低的限制，而锶（Sr）-钾（K）-镁（Mg）-锂（Li）-锇（Os）同位素系统则能提供更敏感和全面的见解。本文系统地回顾了这些同位素系统在分析方法、地球化学储库特征和分馏机制方面的相似性和差异，并总结了它们在阐明风化与气候之间的联系、约束风化强度及其控制过程、明确风化的水文效应以及追踪风化产物来源和传输路径方面的最新进展。文章进一步指出，多同位素耦合方法通过整合各个同位素系统提供的互补信息，不仅增强了我们对风化机制的理解，还使得源贡献、物质传输路径以及风化过程与气候之间的耦合关系能够得到更全面的重建。未来的研究应侧重于改进实验室模拟和高精度的同步多同位素分析，并通过整合机器学习来开发定量耦合模型。同时，应努力构建跨领域的综合框架，将非传统的多同位素示踪剂与传统的地球化学指标相结合，以加深我们对大陆风化过程的理解。

引言

大陆风化是指在气候、水文和生物活动的共同影响下，地表岩石发生的物理分解、化学溶解和生物降解过程。作为地球表面物质循环的初始步骤，这一过程在控制元素循环和温室气体吸收与转化的平衡中起着重要作用（Zhang等人，2025年；Luo等人，2025年）。全面理解大陆风化机制不仅有助于揭示过去的气候演变，也为解释地表地球化学过程提供了理论基础（Li等人，2024年；Zeng等人，2025年）。

传统的地球化学指标（如化学风化指数-CIA和化学风化指数-CIW）是评估大陆风化的重要工具。它们可以量化硅酸盐风化的强度，建立风化评估标准，并为区域环境演变研究提供关键依据（Lan等人，2024年；Zhao等人，2024年）。就微量元素而言，较高的Rb/Sr比值表明硅酸盐矿物发生了分解（Yu等人，2025年），而La/Sm比值可用于追踪弱风化沉积物的来源（Fu等人，2021年）。然而，这些指标常常受到源岩异质性、沉积物分选和成岩作用的影响，难以捕捉风化过程的多阶段演变和动态速率（Shao等人，2012年；Li等人，2022年；Bouchez等人，2011年）。

相比之下，非传统的Sr-K-Mg-Li-Os同位素系统能够有效抵抗沉积后的地质改造（如热液活动和变质作用），并更好地保留了原始风化信号。这些同位素对风化强度的变化非常敏感，即使在风化作用较弱的情况下也能产生可测量的分馏，因此对于追踪风化的长期动态演变具有很高的价值（Bai等人，2020年；Sun等人，2025年；Zhu等人，2024年）。其中，Sr由于其水溶性而在化学风化过程中高度迁移并容易发生转化，但其氧化状态保持稳定，不受氧化还原过程的影响（de Souza等人，2010年；Lai等人，2020年）；K同位素在表面环境中会发生显著的分馏，河流中的溶解δ⁴¹K能够准确反映流域的硅酸盐风化强度（Li等人，2019年；Feng等人，2024年）；Mg虽然在化学性质上稳定，但在风化过程中会发生明显的同位素分馏，并在不同相中表现出不同的地球化学行为（Wang等人，2023年；Ma等人，2024年）；Li受生物活动的影响较小，并且由于其同位素之间的相对质量差异较大而容易发生分馏（Ye等人，2024年；Xiong等人，2022年）；此外，在氧化风化条件下，陆地中的Os可以通过河流输送到海洋（Chu等人，2023年；Torres等人，2014年）。由于不同同位素在响应机制、来源指示和时间尺度上的互补性，多同位素系统（如δ²⁶Mg-δ⁷Li、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr-δ^88/86Sr、¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os-⁸⁷Sr/⁸⁶Sr以及δ⁷Li-¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os组合）的联合分析能够同时实现对风化通量的定量约束、侵蚀率的时空反演以及风化动态演变的非线性追踪（Zhu等人，2013年；Pokrovsky等人，2011年；Sproson等人，2022年；Teng等人，2017年；Yin等人，2023年）。

为了更好地解读大陆风化的多维特性，本文系统回顾了Sr-K-Mg-Li-Os同位素系统在分析技术、储库分布、表面分馏机制和风化应用方面的最新进展。目的是阐明大陆风化的复杂机制，明确非传统风化敏感同位素的具体响应，并探索它们联合使用如何提供更全面的风化历史记录。

分析方法和最新进展

基于溶液的方法因其高精度、高灵敏度和广泛的适用性而受到广泛认可，能够准确测定微量元素和低丰度同位素（表1）。然而，这种方法也存在一些局限性：（a）干扰校正对测量精度、实验室间偏差和同位素测量重复性的影响；（b）对于复杂基质样品的制备存在挑战。

δ^88/86Sr储库

硅酸盐岩石的δ^88/86Sr值范围为+0.08‰至+0.46‰（图1）。其中，大陆玄武岩的平均δ^88/86Sr值为0.24±0.02‰，洋中脊玄武岩（MORB）的δ^88/86Sr值为0.29±0.17‰，而洋岛玄武岩（OIB）的δ^88/86Sr值约为0.31±0.05‰。这些变化反映了大陆风化对玄武岩源区成分演化的影响。这种修改效应在变质岩中更为明显

分馏机制

同位素分馏是指由于同位素质量或键能的差异，同位素在各种相、化合物或分子之间的差异性分配。这一过程可以通过多种机制体现，包括原生矿物的溶解、次生矿物的形成、粘土吸附、扩散和离子交换（表2）（Liu等人，2015年）。

在解释大陆风化中的应用

大陆风化通常通过风化强度、风化速率和风化通量来表征。风化强度反映了区域尺度上的化学风化综合程度；沉积物中可移动元素的耗竭程度表示了沉积物的风化程度；风化速率和风化通量分别代表了区域化学风化释放的离子的速率和总量（Wei等人，2022年；Zhu等人，2013年）。

多同位素联合追踪

与单一同位素示踪剂相比，多个同位素系统的整合可以提供多维和互补的信息，系统地解决单一指标在复杂地球化学过程中无法解决的多个问题。整合δ^88/86Sr-δ⁴¹K-δ²⁶Mg-δ⁷Li-¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os同位素系统有助于系统地解析风化机制、古环境演变以及风化产物的迁移和沉积过程（表4）。

结论

1)
五种同位素系统在不同地质储库中表现出成分差异。在分馏过程中，重的Sr–Mg同位素主要保留在固相中，而重的K–Li同位素则富集在液相中。Os同位素的组成受到源岩信号的综合作用。这些特征为阐明和追踪风化过程提供了重要依据。
2)
δ^88/86Sr的变化在不同岩性流域中存在差异

挑战与展望

尽管相关研究取得了显著进展，但仍存在一些关键的知识空白。例如，为了解决混合硅酸盐–碳酸盐流域中风化贡献的区分问题，可以使用δ^88/86Sr同位素来区分硅酸盐和碳酸盐风化的类型。当与δ⁴¹K（与风化强度负相关）和δ²⁶Mg（与化学风化指数CWI负相关）结合使用时，这种方法

未引用的参考文献

An和Huang，2014年；Berglund和Wieser，2011年；Bharadwaj和Sharma，2024年；Chen，2023年；Chen等人，2023年；Chen等人，2025年；Chu和Xu，2021年；Chu，2021年；De等人，2010年；Dellinger等人，2017年；Dixon和Von Blanckenburg，2012年；Dong和Han，2017年；Elderfield，2025年；Esser和Turekian，1993年；Irrgeher和Prohaska，2016年；Jia等人，2025年；Li和West，2014年；Li等人，2021年；Li等人，2024年；Li，2017年；Li等人，2019年；Li等人，2019年；Li等人，2022年；Li等人，2023年；Li，2022年，

CRediT作者贡献声明

Jiezhi Zhang：撰写 – 审稿与编辑；Guangyou Zhu：可视化；Xi Li：可视化；Heting Gao：可视化；Sheng Li：可视化；Kaihang Zheng：可视化；Siyu Chen：可视化；Yue Huang：可视化。