地表化学风化作用在陆地侵蚀、土壤形成、植物养分释放、溶解性元素向河流和海洋的输送、大气二氧化碳和全球气候变化方面都扮演着至关重要的角色。近年来，许多金属如锶、锂、钙、镁、硅和钾等同位素体系被证明是追踪地表风化过程的有效示踪剂。但由于单一元素物化性质限制，每种同位素体系示踪结果都具有很大不确定性，需要多种同位素方法来联合约束地表风化过程。
镓稳定同位素是地表风化过程的一个潜在指示剂。在自然界中，镓只以三价态（Ga3+）存在，因此不受氧化还原过程的影响。同时，与锌、铜、铁等元素相比，镓不是大多数生物体生命必需元素，因而受生物作用的影响较小。更重要的是，镓与铝的化学性质非常相似，但与仅有一种天然稳定同位素（27Al）的铝不同的是，镓有两种稳定同位素（69Ga和71Ga）。因此，镓同位素还可能用于示踪主量元素铝的生物地球化学循环。
为了衡量镓及其同位素追踪大陆风化的潜力，天津大学地科院陈玖斌团队选择中国广东雷州半岛玄武岩发育的强风化砖红壤剖面，开展镓同位素组成特征和分馏机理研究。研究结果表明，风化剖面中的镓倾向存在于残留相中的富铝矿物（如，粘土矿物）和富铁矿物（如，铁氧化物）中。该剖面风化过程中，较轻镓同位素（69Ga）被优先保留在风化产物中，而较重镓同位素（71Ga）则被淋滤进入流体，并受风化过程中富铝和富铁矿物的变化共同控制。重要的是，砖红壤的δ71Ga值在整个剖面中的变化显著大于其Ga/Al比值的变化，表明δ71Ga值在示踪地表风化过程的应用中比镓浓度和Ga/Al比值更敏感。此外，研究结果还显示，环境氧化还原条件可能会对镓同位素分馏产生影响，如富铁/锰层（E-I层）和铝矿物层（E-II层）中镓同位素组成的显著变化，预示镓同位素可能是一种有用的古环境示踪剂。
图一 剖面重要参数变化示意图
相关成果发表在地球科学领域国际著名刊物《Geochimica et Cosmochimica Acta》，第一作者为天津大学地科院袁玮博士，通讯作者为陈玖斌教授，合作者来自中国科学技术大学黄方教授、美国纽约城市大学王峥嵘教授、法国图卢兹大学Jacques Schott教授、天津大学地科院Benjamin Chetelat教授和滕辉教授等。
该工作受国家科技部重点研发计划项目（2019YFC1804400）和国家自然科学基金（41973007, 41625012, 41961144028, 41830647）等联合资助。
相关论文信息：
Yuan, W., Gong, Y., Chen, J.*, Wang, Z., Huang, F., Yang, X., Bouchez, J., Teng, H. and Schott, J., 2022. Gallium isotope constraints on the intense weathering of basalt. Geochimica et Cosmochimica Acta 333: 22–38. https://doi.org/10.1016/j.gca.2022.06.042
Yuan, W., Chen, J.*, Teng, H., Chetelat, B., Cai, H., Liu, J., Wang, Z., Bouchez, J., Moynier, F., Gaillardet, J., Schott, J. and Liu, C., 2021. A Review on the Elemental and Isotopic Geochemistry of Gallium. Global Biogeochemical Cycles 35: e2021GB007033. https://doi.org/10.1029/2021GB007033
