刘金科：基于CVXPY的反演模型示踪长江流域化学风化过程【JGR : Biogeosciences, 2023】

发布时间：2023-05-31       阅读：0次

地球气候的长期稳定性取决于化学风化和大气二氧化碳(CO₂)之间的负反馈调节。构造-隆起风化假说认为新生代以来以青藏高原为代表的造山运动引起的大陆剥蚀速率增加导致了大陆硅酸盐风化的加强，进而造成了同时期气候的长期冷却。然而，近期的研究发现剥蚀速率增加所驱动硫化物与碳酸盐的耦合风化可以抵消甚至扭转硅酸盐风化中所消耗的CO₂。因此，探究硅酸盐、碳酸盐以及硫化物等矿物共存时的化学风化作用及其对剥蚀速率变化的响应是近年来相关研究的热点问题，许多研究通过流域水化学探究了化学风化对表生碳循环的影响。然而，在岩性复杂的大型流域中，河流溶质的来源复杂，如何更好地通过水化学数据反演流域内的化学风化过程仍存在较大争议。

针对以上科学问题，我校科学研究院博士生刘金科在导师韩贵琳教授的指导下，对长江上游流域河水样品开展了水化学与稳定同位素地球化学分析，建立了基于凸优化的反演模型，并利用水化学数据反演流域内的化学风化过程，取得主要进展如下：

1、使用python中的凸优化库CVXPY以及蒙脱卡洛原理建立了反演混合模型，通过求解限定条件下由元素比值与同位素比值构成的超定方程组（图1），反演得到不同来源对河流溶质的贡献比例以及混合端元的后验组成，进而计算出化学风化速率、硫化物氧化速率以及对应的CO₂消耗\释放通量。

2、利用Sr、Ca在溶液-碳酸盐分配系数的差异以及悬浮物化学组成定量探究了次生碳酸盐沉淀对河水水化学的影响。碳酸盐风化速率并没有与侵蚀速率之间呈现预期的正相关关系，这可能是因为较高侵蚀速率下，大部分碳酸盐风化产生的离子由于超饱和转化为次生碳酸盐，以悬浮态的形式进行运移。而在三峡库区内侵蚀速率低、水流平缓的河段这些次生矿物发生再溶解，使得表观的碳酸盐风化速率保持不变。这符合前人观察到悬浮物中碳酸盐组分沿流程逐渐降低的现象。而在长江上游研究区内悬浮物中的硅酸盐未表现出明显的化学风化特征（图2）。

3、基于对前人发表的长江流域水化学数据的反演，我们认为长江流域与恒河流域、台湾流域、秘鲁马德雷德迪奥斯流域所呈现出的典型侵蚀控制流域风化的模式所不同，长江流域内广泛分布的碳酸盐矿物以及上述的次生碳酸盐沉淀-再溶解过程使得溶质中碳酸盐风化占比(R)与黄铁矿氧化风化占比(Z)并没有与侵蚀速率之间呈现出明显的联系（图3）。在海水硫酸盐滞留时间内（<10Ma），流域中黄铁矿氧化与碳酸盐矿物的耦合风化所释放的CO₂超过了硅酸盐风化所消耗的CO₂。

 图1 长江流域河水溶质元素/∑⁺与Ca²⁺/∑⁺混合图

图2 长江悬浮物与沉积物中Al/Si与K/Si比值图

图3 海水硫酸盐滞留时间内化学风化对长江流域CO₂循环的影响

本研究受国家自然科学基金重点国际合作资助。研究成果发表在AGU旗下地球科学领域期刊《JGR: Biogeosciences》上：Liu, J., Han, G., & Wang, D. (2023). CO₂ Release Driven by the Combination of Sulfide Oxidation and Carbonate Dissolution in the Upper Changjiang River: Effect of Erosion and Lithology on Chemical Weathering. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 128(5). doi.org/10.1029/2022JG007201

全文链接: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JG007201