钾（K）是一种重要的生命元素，地壳中K与Na元素丰度相近，但自然水体中K含量显著低于Na含量。硅酸盐风化是地下水中K的主要来源，然而目前对地下环境的硅酸盐化学风化强度尚不明确；地下水循环过程中K含量下降的控制过程还缺少有效的识别手段，限制了对地下水中低K/Na成因的定量认识。
为了识别地下水循环过程中K的迁移转化机理，中国地质大学（北京）水资源与环境学院求真博士后姬韬韬在合作导师蒋小伟教授指导下，与韩贵琳、郭华明和金章东等国内学者合作，以鄂尔多斯盆地典型流域为例，利用K同位素精准识别出地下水循环过程中硅酸盐风化（次生黏土形成）、黏土吸附是导致地下水K/Na值低的主要原因。通过定量计算，主要发现如下：
1、补给区年龄为几十年的地下水（RG），δ41K值高于世界自然水体上限，反映了地下水蕴含了独特的化学风化信息。K/Na显著低于砂岩沥出液，发现硅酸盐溶解释放的K已有92%被去除。根据地下水δ41K值（0.57‰~0.69‰）显著高于岩石δ41K值（-0.31‰）的特征，识别出次生黏土形成控制了补给区K的去除，对应分馏系数为0.9995~0.9997（图1）。地下水的极高δ41K值指示了地下环境曾发生强烈的硅酸盐风化。
2、地下水由补给区向排泄区流动过程中，地下水K含量显著降低，千年-万年地下水（DG1和DG2）K/Na低至10-3。δ41K值随吸附率升高而减小（图2），指示了CO2含量较低情况下K的去除主要由黏土吸附控制。研究发现黏土吸附贡献的地下水中K去除率随循环距离增大而增大。以补给区地下水为初始端元，发现黏土吸附过程引起的K同位素分馏可以用Rayleigh分馏模型刻画，对应分馏系数为1.00033。
3、在定性识别出千年-万年尺度地下水先经历形成次生黏土过程、后经历黏土吸附过程的基础上，利用补给区和排泄区地下水的δ41K与K含量关系（图3）定量计算了两个过程对K去除的贡献比例。对于硅酸盐溶解释放的K离子，有92%在强烈风化过程中因进入次生黏土而被去除，有4.2%~7.2%在漫长径流过程因黏土吸附而被逐步去除。
本研究加深了对不同滞留时间控制下的水体K同位素分馏机理的认识，合理解释了地下水贫K的控制机理，从而加深了对闭系统中岩石风化过程及水化学演化机理的认识（图4）。此外，本研究识别出不同年龄地下水K含量及K同位素值差异显著，可以为未来全球K元素循环研究提供参考。
图1 补给区δ41K与[K]/[Na*]关系指示强烈风化
图2 排泄区δ41K–[K]/[Na*]关系指示物理吸附作用对K含量的控制，其定量关系可以用Rayleigh模型刻画
图3（a）黏土形成与黏土吸附对K的“分步”去除示意图；（b）三组不同年龄地下水样品（RG,DG1,DG2）黏土形成与黏土吸附对K的去除贡献比例对比图。随着地下水年龄和径流距离的增大，黏土形成对K的去除贡献比例不变，但黏土吸附对K的去除贡献比例逐渐增大
图4 地下水循环过程中控制K含量及同位素的主要地球化学过程
上述成果在线发表于地学领域国际著名期刊《Earth and Planetary Science Letters》：Tao-Tao Ji, Xiao-Wei Jiang*, Guilin Han, Xiaoqiang Li, Li Wan, Ze-Zhou Wang, Huaming Guo, Zhangdong Jin. 2024. Contrasting behavior of K isotopes in modern and fossil groundwater: Implications for K cycle and subsurface weathering. Earth and Planetary Science Letters, 626: 118526.
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2023.118526.
