表生过程中关于水-沉积物相互作用的研究往往聚焦于矿物溶解-沉淀过程。尽管矿物表面或层间可交换阳离子的存在早已被认识，但这一活性阳离子储库与地表水耦合的化学演化过程仍有待深入研究。蔡迪博士及合作者，通过实验证实镁同位素可作为示踪阳离子交换过程的有效示踪指标，并利用镁同位素系统阐述了表生过程中阳离子交换反应对水化学演化的影响。
首先，该研究所开展的系列模拟试验显示，溶解态镁在与黏土矿物(高岭石、蒙脱石)、阳离子交换树脂，以及天然风化沉积物的交换过程中，镁同位素分馏并不显著(<0.2‰)。野外观测进一步证实了实验室的模拟实验结果：河岸带、河流及海洋环境中溶解态镁与可交换镁的同位素组成几乎一致。因此，镁同位素交换可以视作一个简单的混合过程，可交换镁改变水体镁同位素组成的潜力(或反之)取决于两相中镁的质量比。
图1 模拟实验验证镁交换过程中几乎没有分馏
图2 野外观测显示河岸带沉积物与孔隙水之间镁同位素之间几乎没有分馏
该研究进一步探究了从风化壳到河流最终至河口的地表沉积物产生-搬运过程，并定量化对比了不同阶段沉积物可交换态镁与对应水体的镁含量差异，以及各个阶段阳离子交换反应对镁同位素循环的影响。结果表明：风化剖面中的可交换阳离子总量一般远高于雨水或孔隙水；风化壳中庞大的可交换镁储库可有效缓冲渗流水的镁浓度及同位素组成。在全球河流中，河流悬浮物的可交换镁仅占溶解态镁总量的6±1.5%；但在强烈侵蚀流域，侵蚀沉积物携带的可交换镁可能与溶解态相当甚至更高，可能通过快速交换反应影响河水镁同位素组成。当河流沉积物入海时，与海水建立的新交换平衡可改变某些溶解阳离子（如Ba，重金属元素等）向海洋的输出通量；但由于入海溶解镁通量远超沉积物携带的可交换镁，镁及其同位素受此过程影响较小。
图3 风化剖面的可交换镁含量受到岩性与风化过程的双重控制，其含量一般远高于雨水的镁含量，风化壳内的交换反应能在短时间尺度显著缓冲水化学的演化。
图4 河流沉积物携带的可交换态镁含量随河流悬浮物浓度升高而增加；但在全球尺度上这一储库仅占河流溶解态的6% 左右。
该研究利用镁同位素梳理了表生过程中阳离子交换的定义、发生的主要场所、以及对水化学演化的影响，其意义可能不仅限于镁元素。文章第一作者和通讯作者为我院博士后蔡迪，合作者为学院杨守业教授。该研究得到自然科学基金委重点项目资助。
原文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024GB008411