大陆硅酸盐岩石风化过程中镁同位素地球化学研究进展

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.031

地球科学进展 ›› 2021, Vol. 36 ›› Issue (3): 325 -334. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.031

研究简报上一篇

大陆硅酸盐岩石风化过程中镁同位素地球化学研究进展

闫雅妮 ¹ ^, ² ^, ³(

), 张伟 ¹ ^, ² ^, ³, 张俊文 ⁴, 任亚雄 ¹ ^, ² ^, ³, 赵志琦 ¹ ^, ² ^, ³(

)

^1.长安大学地球科学与资源学院，陕西西安 710054
^2.西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西西安 710054
^3.长安大学成矿作用及动力学实验室，陕西西安 710054
^4.天津大学地球系统科学学院，天津 300072

收稿日期:2020-10-03 修回日期:2021-01-06 出版日期:2021-04-30
通讯作者: 赵志琦 E-mail:2019027015@chd.edu.cn;zhaozhiqi@chd.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目“玄武岩和花岗岩风化过程的Li、Mg同位素分馏机理研究”(41930863);长安大学中央高校基本科研项目“河套平原黄土与黄河相互作用之环境影响研究”(300102278302)

Advances in Magnesium Isotope Geochemistry During Weathering of Continental Silicate Rocks

Yani YAN ¹ ^, ² ^, ³( ), Wei ZHANG ¹ ^, ² ^, ³, Junwen ZHANG ⁴, Yaxiong REN ¹ ^, ² ^, ³, Zhiqi ZHAO ¹ ^, ² ^, ³( )

^1.School of Earth Science and Resources，Chang'an University，Xi'an 710054，China
^2.Key Laboratory of Western Mineral Resources and Geological Engineering Ministry of Education of China，Xi'an 710054，China
^3.Laboratory of Mineralization and Dynamics，Chang'an University，Xi'an 710054，China
^4.School of Earth System Science，Tianjin University，Tianjin 300072，China

Received:2020-10-03 Revised:2021-01-06 Online:2021-04-30 Published:2021-04-30
Contact: Zhiqi ZHAO E-mail:2019027015@chd.edu.cn;zhaozhiqi@chd.edu.cn
About author:YAN Yani （1990-）， female， Hanzhong City， Shaanxi Province， Ph.D student. Research areas include isotopic geochemical. E-mail： 2019027015@chd.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China "Mechanism research for the isotopic fractionation of lithium and magnesium during the weathering of basalt and granite"(41930863);The Special Fund for Basic Scientific Research of Central Colleges, Chang’ an University "Research on the environmental impact of the interaction between the loess in the Hetao Plain and the Yellow River"(300102278302)

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Mg同位素体系被证明在示踪硅酸盐矿物风化方面颇具优势。通过总结近年来大陆硅酸盐风化过程中Mg同位素地球化学的研究，归纳出以下认识： $①$ 化学风化方面，原生矿物溶解使得液相的Mg同位素组成变轻，而固相残留的Mg同位素组成变重；次生矿物中含有两种形态的Mg（交换态Mg和结构态Mg），二者δ²⁶Mg不同，次生矿物形成过程中Mg同位素分馏方向与矿物种类、结构和形成机制等因素有关；黏土矿物吸附和解吸Mg²⁺引起Mg同位素分馏，但方向尚不确定；土壤可交换复合物倾向于优先吸附和解吸²⁶Mg。 $②$ 物理风化方面，水流、风等造成的矿物分选会引起风化产物Mg同位素组成发生变化。 $③$ 植物—土壤体系Mg同位素的分馏很小。目前，大陆硅酸盐风化中一些重要过程的Mg同位素地球化学行为还存在争议，亟待通过室内试验、模拟计算，以及与其他同位素联用等途径完善理论基础，推动Mg同位素在示踪大陆风化中的广泛应用。

关键词: 镁同位素, 硅酸盐, 风化, 分馏, 次生矿物

The magnesium （Mg） isotope system has been proved to be quite advantageous in tracking silicate weathering. By summarizing the researches about Mg isotope geochemistry in the process of continental silicate weathering， the following cognitions are summarized： $①$ In terms of chemical weathering， dissolution of primary minerals makes the Mg isotopic composition of the liquid phase lighter and the residual solid phase heavier. The secondary minerals contain two forms of Mg （exchangeable Mg and structural Mg） with different δ²⁶Mg. During the formation of secondary minerals， the Mg isotope fractionation direction is related to their types，structures and formation mechanisms. When Mg²⁺ is^{adsorbed and desorbed by clay minerals， the Mg isotope fractionation direction is still uncertain. However， compared to ²⁴Mg， ²⁶Mg preferentially tends to be adsorbed and desorbed by the soil exchange complex.

$②$
In terms of physical weathering， mineral separation caused by water and wind will change the Mg isotope composition of weathering products.

$③$
In plant-soil system， the degree of Mg isotope fractionation is very small. At present， in some important processes of continental silicate weathering， the Mg isotope geochemical behavior is still controversial. Therefore， laboratory tests， simulation calculations， and the combination with other isotopes are needed urgently to consummate the theoretical basis， so as to promote the widespread application of Mg isotopes in the tracking of continental weathering.}

Key words: Magnesium isotopes, Silicate, Weathering, Fractionation, Secondary minerals

中图分类号:

P595

图1 天然储库的δ²⁶Mg值^{[

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Fig.1 δ²⁶Mg values of natural reservoirs^{[

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图2 不同岩性原岩风化产物的δ²⁶Mg值（纵坐标参考文献代表数据来源）

Fig.2 Weathering products δ²⁶Mg values of the different lithologies rocks (The ordinate references represent data sources)

图2 不同岩性原岩风化产物的δ²⁶Mg值（纵坐标参考文献代表数据来源）

Fig.2 Weathering products δ²⁶Mg values of the different lithologies rocks (The ordinate references represent data sources)

图3 主要富Mg硅酸盐原生矿物的δ²⁶Mg^{[

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Fig.3 The δ²⁶Mg of primary Mg-rich silicate minerals^{[

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图4 四面体—八面体—四面体（TOT）层状结构中Mg的分布及δ²⁶Mg的特征^{[

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Fig.4 The distribution and the characteristic of Mg and δ²⁶Mg in Tetrahedra-Octahedra-Tetrahedra (TOT) layered structure^{[

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图4 四面体—八面体—四面体（TOT）层状结构中Mg的分布及δ²⁶Mg的特征^{[

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	董爱国，韩贵琳.镁同位素体系在河流中的研究进展［J］. 地球科学进展， 2017， 32（8）： 800-809.
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	陈骏，杨杰东，李春雷.大陆风化与全球气候变化［J］.地球科学进展，2001， 16（3）： 399-405.
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31	SCHAUBLE E A. First-principles estimates of equilibrium magnesium isotope fractionation in silicate， oxide， carbonate and hexaaquamagnesium （2+） crystals ［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2011， 75（3）： 844-869.
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	黄康俊. 低温水—岩相互作用过程中镁同位素的行为研究［D］. 武汉：中国地质大学（武汉），2013.
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36	OPFERGELT S， GEORG R， DELVAUX B， et al. Mechanisms of magnesium isotope fractionation in volcanic soil weathering sequences，Guadeloupe［J］. Earth and Planetary Science Letters，2012，341：176-185．
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37	BRENOT A， CLOQUET C， VIGIER N， et al. Magnesium isotope systematics of the lithologically varied Moselle river basin， France［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2008， 72（20）： 5 070-5 089.
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38	TIPPER E T， GALY A， GAILLARDET J， et al. The magnesium isotope budget of the modern ocean： Constraints from riverine magnesium isotope ratios［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2006， 250（1/2）： 241-253.
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39	TIPPER E T， GALY A， BICKLE M J. Calcium and magnesium isotope systematics in rivers draining the Himalaya-Tibetan-Plateau region： Lithological or fractionation control？［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2008， 72（4）： 1 057-1 075.
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40	TIPPER E T， CALMELS D， GAILLARDET J， et al. Positive correlation between Li and Mg isotope ratios in the river waters of the Mackenzie Basin challenges the interpretation of apparent isotopic fractionation during weathering［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2012， 333： 35-45.
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41	TIPPER E T， LEMARCHAND E， HINDSHAW R S， et al. Seasonal sensitivity of weathering processes： Hints from magnesium isotopes in a glacial stream［J］. Chemical Geology， 2012， 312： 80-92.
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42	FOSTER G L， POGGE VON STRANDMANN P A E， RAE J W B. Boron and magnesium isotopic composition of seawater［J］. Geochemistry， Geophysics， Geosystems， 2010， 11（8）： 253-274．
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43	LING M X， SEDAGHATPOUR F， TENG F Z， et al. Homogeneous Magnesium isotopic composition of seawater： An excellent geostandard for Mg isotope analysis［J］. Rapid Communications in Mass Spectrometry，2011，25（19）： 2 828-2 836.
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44	HUANG K J， TENG F Z， WEI G J， et al. Adsorption-and desorption-controlled magnesium isotope fractionation during extreme weathering of basalt in Hainan Island， China［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2012， 359： 73-83.
	HUANG K J， TENG F Z， WEI G J， et al. Adsorption-and desorption-controlled magnesium isotope fractionation during extreme weathering of basalt in Hainan Island， China［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2012， 359： 73-83.
45	POGGE VON STRANDMAN P A E， OPFERGELT S， LAI Y J， et al. Lithium， magnesium and silicon isotope behaviour accompanying weathering in a basaltic soil and pore water profile in Iceland［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2012， 339： 11-23.
	POGGE VON STRANDMAN P A E， OPFERGELT S， LAI Y J， et al. Lithium， magnesium and silicon isotope behaviour accompanying weathering in a basaltic soil and pore water profile in Iceland［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2012， 339： 11-23.
46	OPFERGELT S， BURTON K W， GEORG R B， et al. Magnesium retention on the soil exchange complex controlling Mg isotope variations in soils， soil solutions and vegetation in volcanic soils， Iceland［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2014， 125： 110-130.
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47	GAO Ting. High-precision measurement of Mg isotopes and their geochemical behaviors during continental weathering［D］. Beijing： China University of Geoscience （Beijing）， 2016.
	GAO Ting. High-precision measurement of Mg isotopes and their geochemical behaviors during continental weathering［D］. Beijing： China University of Geoscience （Beijing）， 2016.
	高庭. Mg同位素的高精度测定及其在大陆风化过程中的地球化学行为［D］.北京：中国地质大学（北京）， 2016.
	高庭. Mg同位素的高精度测定及其在大陆风化过程中的地球化学行为［D］.北京：中国地质大学（北京）， 2016.
48	BREWER A， TENG F Z， DETHIER D. Magnesium isotope fractionation during granite weathering［J］. Chemical Geology， 2018， 501： 95-103.
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49	LI M Y H， TENG F Z， ZHOU M F. Phyllosilicate controls on magnesium isotopic fractionation during weathering of granites： Implications for continental weathering and riverine system［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2021， 553. DOI： 10.1016/j.epsl.2020.116613.
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50	MA L， TENG F Z， JIN L， et al. Magnesium isotope fractionation during shale weathering in the Shale Hills Critical Zone Observatory： Accumulation of light Mg isotopes in soils by clay mineral transformation［J］. Chemical Geology， 2015， 397： 37-50.
	MA L， TENG F Z， JIN L， et al. Magnesium isotope fractionation during shale weathering in the Shale Hills Critical Zone Observatory： Accumulation of light Mg isotopes in soils by clay mineral transformation［J］. Chemical Geology， 2015， 397： 37-50.
51	TENG F Z， LI W Y， RUDNICK R L， et al. Contrasting lithium and magnesium isotope fractionation during continental weathering［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2010， 300 （1/2）： 63-71.
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52	LARA M C， BUSS H L， POGGE VON STRANDMANN P A E， et al. The influence of critical zone processes on the Mg isotope budget in a tropical， highly weathered andesitic catchment［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2017， 202： 77-100.
	LARA M C， BUSS H L， POGGE VON STRANDMANN P A E， et al. The influence of critical zone processes on the Mg isotope budget in a tropical， highly weathered andesitic catchment［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2017， 202： 77-100.
53	WIMPENNY J， GÍSLASON S R， JAMES R H， et al. The behaviour of Li and Mg isotopes during primary phase dissolution and secondary mineral formation in basalt［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2010， 74（18）： 5 259-5 279.
	WIMPENNY J， GíSLASON S R， JAMES R H， et al. The behaviour of Li and Mg isotopes during primary phase dissolution and secondary mineral formation in basalt［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2010， 74（18）： 5 259-5 279.
54	RYU J S， VIGIER N， DECARREAU A， et al. Experimental investigation of Mg isotope fractionation during mineral dissolution and clay formation［J］. Chemical Geology， 2016， 445：135-145.
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55	LAI Zheng， SU Ni， WU Zhouyang， et al. Stable strontium isotopic fractionation during chemical weathering in drainage basins：Mechanisms and applications［J］. Advances in Earth Science，2020，35（7）：691-703.
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	赖正，苏妮，吴舟扬，等. 流域风化过程稳定锶同位素的分馏与示踪［J］. 地球科学进展，2020，35（7）：691-703.
	赖正，苏妮，吴舟扬，等. 流域风化过程稳定锶同位素的分馏与示踪［J］. 地球科学进展，2020，35（7）：691-703.
56	CUOZZO N， SLETTEN R S， HU Y， et al. Silicate weathering in Antarctic Ice-rich Permafrost： Insights using Magnesium isotopes［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2020， 278： 244-260.
	CUOZZO N， SLETTEN R S， HU Y， et al. Silicate weathering in Antarctic Ice-rich Permafrost： Insights using Magnesium isotopes［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2020， 278： 244-260.
57	CHACKO T， COLE D R， HORITA J. Equilibrium oxygen， hydrogen and carbon isotope fractionation factors applicable to geologic systems［J］. Reviews in Mineralogy and Geochemistry， 2001， 43（1）： 1-81.
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58	LIU S A， TENG F Z， HE Y， et al. Investigation of magnesium isotope fractionation during granite differentiation： Implication for Mg isotopic composition of the continental crust［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2010， 297（3/4）： 646-654.
	LIU S A， TENG F Z， HE Y， et al. Investigation of magnesium isotope fractionation during granite differentiation： Implication for Mg isotopic composition of the continental crust［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2010， 297（3/4）： 646-654.
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	范百龄，陶发祥，赵志琦. 地表及海洋环境的镁同位素地球化学研究进展［J］. 矿物岩石地球化学通报， 2013 （1）： 114-120.
	范百龄，陶发祥，赵志琦. 地表及海洋环境的镁同位素地球化学研究进展［J］. 矿物岩石地球化学通报， 2013 （1）： 114-120.
60	HANDLER M R， BAKER J A， SCHILLER M， et al. Magnesium stable isotope composition of Earth's upper mantle［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2009， 282（1/4）： 306-313.
	HANDLER M R， BAKER J A， SCHILLER M， et al. Magnesium stable isotope composition of Earth's upper mantle［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2009， 282（1/4）： 306-313.
61	YOUNG E D， TONUI E， MANNING C E， et al. Spinel-olivine magnesium isotope thermometry in the mantle and implications for the Mg isotopic composition of Earth［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2009， 288（3/4）： 524-533.
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62	KE Shan， LIU Shengao， LI Wangye， et al. Advances and application in magnesium isotope geochemistry［J］. Acta Petrologica Sinica， 2011， 27（2）： 383-397.
	KE Shan， LIU Shengao， LI Wangye， et al. Advances and application in magnesium isotope geochemistry［J］. Acta Petrologica Sinica， 2011， 27（2）： 383-397.
	柯珊，刘盛遨，李王晔，等. 镁同位素地球化学研究新进展及其应用［J］. 岩石学报， 2011， 27（2）： 383-397.
	柯珊，刘盛遨，李王晔，等. 镁同位素地球化学研究新进展及其应用［J］. 岩石学报， 2011， 27（2）： 383-397.
63	RYU J S， JACOBSON A D， HOLMDEN C， et al. The major ion， δ^44/40Ca， δ^44/42Ca， and δ^26/24Mg geochemistry of granite weathering at pH=1 and T=25 °C： Power-law processes and the relative reactivity of minerals ［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2011， 75（20）： 6 004-6 026.
	RYU J S， JACOBSON A D， HOLMDEN C， et al. The major ion， δ^44/40Ca， δ^44/42Ca， and δ^26/24Mg geochemistry of granite weathering at pH=1 and T=25 °C： Power-law processes and the relative reactivity of minerals ［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2011， 75（20）： 6 004-6 026.
64	CHEN Jun， WANG Henian. Geochemistry［M］. Beijing： Science Press， 2016： 273-280.
	CHEN Jun， WANG Henian. Geochemistry［M］. Beijing： Science Press， 2016： 273-280.
	陈骏，王鹤年. 地球化学［M］. 北京：科学出版社， 2016： 273-280.
	陈骏，王鹤年. 地球化学［M］. 北京：科学出版社， 2016： 273-280.
65	WIMPENNY J， COLLA C A， YIN Q Z， et al. Investigating the behaviour of Mg isotopes during the formation of clay minerals［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2014， 128：178-194.
	WIMPENNY J， COLLA C A， YIN Q Z， et al. Investigating the behaviour of Mg isotopes during the formation of clay minerals［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2014， 128：178-194.
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	GAO T， KE S， WANG S J， et al. Contrasting Mg isotopic compositions between Fe-Mn nodules and surrounding soils： Accumulation of light Mg isotopes by Mg-depleted clay minerals and Fe oxides ［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2018， 237： 205-222.
67	DONG Aiguo， ZHU Xiangkun．Mg isotope geochemical cycle in supergene environment ［J］．Advances in Earth Science， 2016， 31（1）： 43-58.
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	董爱国，朱祥坤．表生环境中镁同位素的地球化学循环［J］.地球科学进展， 2016， 31（1）： 43-58.
	董爱国，朱祥坤．表生环境中镁同位素的地球化学循环［J］.地球科学进展， 2016， 31（1）： 43-58.
68	POGGE VON STRANDMAN P A E， BURTON K W， JAMES R H， et al. The influence of weathering processes on riverine magnesium isotopes in a basaltic terrain ［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2008， 276（1/2）： 187-197.
	POGGE VON STRANDMAN P A E， BURTON K W， JAMES R H， et al. The influence of weathering processes on riverine magnesium isotopes in a basaltic terrain ［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2008， 276（1/2）： 187-197.
69	HINDSHAWA R S， TOSCAB R， TOSCA N J， et al. Experimental constraints on Mg isotope fractionation during clay formation： Implications for the global biogeochemical cycle of Mg［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2020. DOI： 10.1016/j.epsl.2019.115980.
	HINDSHAWA R S， TOSCAB R， TOSCA N J， et al. Experimental constraints on Mg isotope fractionation during clay formation： Implications for the global biogeochemical cycle of Mg［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2020. DOI： 10.1016/j.epsl.2019.115980. doi: 10.1016/j.epsl.2019.115980
70	LI W Q， BEARD B L， LI C， et al. Magnesium isotope fractionation between brucite ［Mg（OH）₂］ and Mg aqueous species： Implications for silicate weathering and biogeochemical processes［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2014， 394： 82-93.
	LI W Q， BEARD B L， LI C， et al. Magnesium isotope fractionation between brucite ［Mg（OH）₂］ and Mg aqueous species： Implications for silicate weathering and biogeochemical processes［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2014， 394： 82-93.
71	LI Chen. Study of vermiculite adsorption to Ca and Mg metal ions［D］. Beijing： China University of Geoscience （Beijing）， 2009.
	LI Chen. Study of vermiculite adsorption to Ca and Mg metal ions［D］. Beijing： China University of Geoscience （Beijing）， 2009.
	李陈. 蛭石对钙镁阳离子的吸附性能探讨［D］. 北京：中国地质大学（北京）， 2009.
	李陈. 蛭石对钙镁阳离子的吸附性能探讨［D］. 北京：中国地质大学（北京）， 2009.
72	FRIES D M， JAMES R H， DESSERT C， et al. The response of Li and Mg isotopes to rain events in a highly-weathered catchment［J］. Chemical Geology， 2019， 519： 68-82.
	FRIES D M， JAMES R H， DESSERT C， et al. The response of Li and Mg isotopes to rain events in a highly-weathered catchment［J］. Chemical Geology， 2019， 519： 68-82.
73	MOULTON K L， WEST J， BERNER R A. Solute flux and mineral mass balance approaches to the quantification of plant effects on silicate weathering［J］. American Journal of Science， 2000， 300（7）： 539-570.
	MOULTON K L， WEST J， BERNER R A. Solute flux and mineral mass balance approaches to the quantification of plant effects on silicate weathering［J］. American Journal of Science， 2000， 300（7）： 539-570.
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	BOLOU-BI E B， POSZWA A， LEYVAL C， et al. Experimental determination of magnesium isotope fractionation during higher plant growth［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2010， 74（9）： 2 523-2 537.
75	BOLOU-BI E B， VIGIER N， POSZWA A， et al. Effects of biogeochemical processes on magnesium isotope variations in a forested catchment in the Vosges Mountains （France）［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2012， 87： 341-355.
	BOLOU-BI E B， VIGIER N， POSZWA A， et al. Effects of biogeochemical processes on magnesium isotope variations in a forested catchment in the Vosges Mountains （France）［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2012， 87： 341-355.
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77	BLACK J R， EPSTEIN E， RAINS W D， et al. Magnesium-isotope fractionation during plant growth［J］. Environmental Science and Technology， 2008， 42（21）： 7 831-7 836.
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78	TIPPER E T， GAILLARDET J， LOUVAT P， et al. Mg isotope constraints on soil pore-fluid chemistry： Evidence from Santa Cruz， California［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2010， 74（14）： 3 883-3 896.
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79	RYU J S， VIGIER N， DERRY L， et al. Variations of Mg isotope geochemistry in soils over a Hawaiian 4 Myr chronosequence［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2021， 292： 94-114.
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