反風化作用

反風化作用（Reverse weathering）通常是指利用陽離子和鹼性化合物形成黏土新岩層的過程，與矽酸鹽風化無關。更具體地，反風化作用是指通過以下反應形成自生黏土礦物：(1) 含水陽離子或含陽離子氧化物的生物矽；或(2)具有溶解的陽離子或帶有陽離子的氧化物的貧陽離子前體黏土。富含陽離子的自生矽酸鹽黏土的形成被認為是通過以下簡化反應發生的：

生物矽(SiO₂) + 金屬氫氧化物(Al(OH)₄) + 溶解陽離子(K, Mg, Li, etc.) + 碳酸氫鹽(HCO₃) → 新黏土礦物 + H₂O + CO₂

反風化作用下自生黏土礦物的形成機制尚不完全清楚。許多研究都是在局部地區進行的，如亞馬遜三角洲、密西西比三角洲和衣索比亞裂谷湖，這使得對這一過程的全球了解變得困難。研究反風化作用的主要動力來自於約束河流和海洋之間的化學物質平衡。在發現反風化之前，海洋化學物質平衡模型預測的鹼金屬和碳酸氫鹽(HCO₃)濃度高於觀察到的濃度。最初，自生黏土礦物的形成被認為是造成這種過剩的全部原因，但熱液噴口的發現對此提出了挑戰，因為這些地方也發生了從海洋中去除鹼土金屬和 HCO₃的情況。

基本介紹

• 中文名：反風化作用
• 外文名：Reverse weathering

分析方法

可以利用多種方法和替代指標推斷反向風化的過程和程度。

生物二氧化矽和矽酸（風化產物）的原位測量已被用於分析水生系統內發生逆風化的速率和程度。與上覆水相比，由於溶解的SiO₂濃度相對較低，因此會觀察到由於反向風化而吸收的生物二氧化矽。

實驗室中對反風化現象的觀察是通過反應器來測量蛋白石的溶解速率，使用掃描電子顯微鏡、X 射線和透射電子顯微鏡研究黏土。據觀察，黏土形成得很快，利用這段時間和已知的沉積物含量，估算了這一過程在全球河流中消耗的鉀離子濃度。

實驗室實驗還可以包括孵化實驗，其中從自然環境中獲得的沉積物樣品被密封在密封容器中，容器中裝有不同濃度的反風化反應物（硅藻、陽離子、金屬等形式的生物二氧化矽）。

電感耦合電漿光學發射光譜儀(ICP-OES)還可以提供孔隙水和消化沉積物樣品中陽離子和二氧化矽濃度的濃度和同位素信息。多收集器電感耦合電漿質譜儀(MC-ICP-MS)也被用作獲得溶液中金屬和二氧化矽的同位素數據的手段。

浮游有孔蟲中的鋰同位素濃度已被用於推斷過去68 Ma矽酸鹽和反風化率的變化。從海水中去除鋰主要取決於它在海洋沉積物中的同化作用，除其他因素外，這種變化被認為反映了矽酸鹽風化和反向風化的相對速率。有孔蟲含鋰量較低，指示在該時期反向風化作用可能更為明顯。

控制因素

熱力學

在亞馬遜三角洲沉積物的研究中，通過反風化作用形成的自生矽酸鹽黏土在熱力學上是有利的。形成自生矽酸鹽黏土的主要控制因素是溶液中反應物的供應。有限的生物矽、金屬氫氧化物（例如鋁酸鹽 (Al(OH)₄ )）或溶解的陽離子限制了自生矽酸鹽黏土的生產。金屬、陽離子和二氧化矽主要由陸源物質風化提供，這影響了反風化作用的熱力學有利性。

動力學

在動力學上，由於反風化作用，黏土礦物的形成相對較快(＜1年)。由於形成時間短，反風化作用被認為是各種海洋生物地球化學循環的合理因素。

全球循環的影響

碳循環

通過反向風化作用產生自生黏土礦物的過程釋放出二氧化碳(CO₂) 。然而，矽酸鹽風化釋放的碳酸氫鹽量超過了反向風化產生的二氧化碳量。因此，雖然反向風化作用在自生黏土礦物產生過程中確實增加了CO₂，但它會被系統中HCO₃ 的濃度所淹沒，不會對局部pH產生顯著影響。

碳循環

矽循環

近年來，反風化作用對生物成因二氧化矽循環的影響已成為定量研究的熱點。在風化過程中，溶解的二氧化矽通過冰川徑流和河流輸入進入海洋。這些溶解的二氧化矽被許多海洋生物(如硅藻)吸收，並被用來製造保護殼。當這些生物死亡時，它們會沉入水柱中。在沒有活性生物成因SiO₂產生的情況下，礦物開始成岩作用。通過反向風化過程，將溶解的矽轉化為自生矽酸鹽黏土，將矽的輸入量減少20-25%。

海洋矽循環的基本圖，改編自Treguer等(1995)

由於河流三角洲沉積速率高，且成岩作用迅速，因此常出現反向風化現象。矽酸鹽黏土的形成從沉積物的孔隙水中去除了活性二氧化矽，增加了在這些位置形成的岩石中的二氧化矽濃度。

矽酸鹽風化作用在深層甲烷沉積中也占主導作用，然而反風化作用在表層沉積物中更為常見，但仍以較低的速率發生。

研究區域

三角洲

在亞馬遜河三角洲，大約90%的埋藏SiO₂在反向風化過程中被耗盡，而在該位置產生的鉀離子大約為 2.8 μmol gy。從亞馬遜河輸入的近7-10%的鉀通過形成富含鉀鐵的鋁矽酸鹽而從海洋中移除。在密西西比河三角洲，大約40%埋藏在沉積物中的SiO₂轉化為自生鋁矽酸鹽。這兩個三角洲的主要區別在於，亞馬遜三角洲的沉積物受到一系列侵蝕和沉積過程的影響，從而產生了大量的氧化鐵。沉積物在該地區平均存在30年，但上層每年經歷1-2次重大的物理改造。孔隙水資料表明，亞馬遜三角洲自生黏土的形成時間為幾個月到幾年。該地區黏土形成的限制反應物是有效的SiO₂的數量，因為河水中通常有高濃度的其他反應物，如鐵、鉀、鎂和鋁。而在密西西比三角洲，這些反應的限制營養素是鐵。

亞馬遜河三角洲

裂谷湖

衣索比亞裂谷湖泊的反向風化現象很容易觀察到，最近在該地區的研究已被用來推斷海洋中這一過程的程度。一項研究表明，湖泊中普遍存在鹼度不足，其中略多於一半的鹼度虧損可歸因於鋁矽酸鹽礦物的形成。鹽類的沉澱並不明顯，這使得這些粘土礦物通過反向風化作用的生產比海洋更容易觀察到。該研究以衣索比亞裂谷湖泊的黏土形成速率為基礎，表明海洋中的黏土形成速率太高，不能完全歸因於反向風化過程。由於pH值普遍較低，故深海反向風化過程從未完成。熱液活動是深海黏土形成的主要原因。

衣索比亞裂谷湖泊

海底熱泉

有人推測，熱液噴口可能是反向風化作用的主要來源。一段時間以來，人們認為陸相河流輸入是海洋溶解鹽的單一來源。後來人們發現，熱液噴口通過釋放水/岩石相互作用產生的溶解礦物質的急流，在海洋的鹽度中起著關鍵作用。在這些位置，一些溶解的鹽與岩石發生反應並被除去，從而改變了海水與熱液流體相比的離子組成。

一些研究人員推測，反向風化作用可能在熱液噴口的矽循環中發揮作用。低溫熱液噴口從地殼中釋放出矽酸，在它能夠離開海床之前，冷卻並以黏土的形式沉澱出來，比如蒙皂石。熱液噴口的反向風化作用對整體矽循環的影響程度是一個熱門話題。