引用本文
罗超, 郑洪波, 吴卫华, 杨守业. 长江河水87Sr/86Sr值的季节性变化及其指示意义：以长江大通站为例1 . 地球科学进展, 2014, 29(7): 835-843
Luo Chao, Zheng Hongbo, Wu Weihua, Yang Shouye. Temporal Variation in Sr and87Sr/86Sr of Yangtze River: An Example from Datong Hydrological Station . Advances in Earth Science, 2014, 29(7): 835-843  
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长江河水87Sr/86Sr值的季节性变化及其指示意义：以长江大通站为例1
罗超1, 郑洪波2,*, 吴卫华1, 杨守业3
1. 南京大学表生地球化学教育部重点实验室, 南京大学地球科学与工程学院, 江苏 南京 210023
2. 南京师范大学地理科学学院, 江苏 南京 210023
3. 同济大学海洋地质国家重点实验室, 长江水环境教育部重点实验室, 上海 200092
*通讯作者：郑洪波(1965-),男,山东乳山人,教授,主要从事第四纪地质与过去全球变化研究.E-mail:zhenghb@njnu.edu.cn

作者简介：罗超(1988-),女,江西吉安人,博士研究生,主要从事地球化学研究.E-mail:chaoluo.niki@gmail.com

基金:中国科学院战略性先导科技专项（B类）“青藏高原多层圈相互作用及其资源环境效应”（编号：XDB03020300）;
中国地质调查局项目“中国矿物碳汇试验研究”（编号：12120113005400）资助
摘要

在长江下游大通水文站进行了为期1年的每2周1次的水样采样,分析测试其Sr含量及其同位素组成。结果表明,长江溶解Sr浓度在1.74~2.92 μmol/L之间变化,87Sr/86Sr值的范围为0.710125~ 0.710965,河水Sr含量及同位素组成出现明显的季节性差异,表现为从洪水季节开始87Sr/86Sr值逐步升高,至12月达到最高值后缓慢下降并在下一个洪水季节到来时升高。研究认为,下游河水87Sr/86Sr值的季节性变化主要受流域降雨的时空变化所导致的物源相对贡献比例变化控制。受季风气候影响,当洪水期短期强降雨集中在上游地区时,强烈的风化使得上游贡献增多,致使下游河水Sr同位素组成迅速降低。采样期间（2011年1~5月）中下游的持久干旱致使中下游硅酸盐岩风化对河水Sr贡献减少从而造成河水同位素组成持续降低。同时,基于全年样品数据计算得出长江溶解Sr同位素组成的入海特征值为0.710628,Sr通量为1.9×109mol/a。研究结果表明河水Sr同位素组对流域极端气候的响应较好,可为今后使用历史时期物质Sr同位素研究解释极端气候变化奠定基础。

关键词: 长江; Sr同位素; 物源
中图分类号:P597+.1 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2014)07-0835-09
Temporal Variation in Sr and87Sr/86Sr of Yangtze River: An Example from Datong Hydrological Station
Luo Chao1, Zheng Hongbo2, Wu Weihua1, Yang Shouye3
1. Key Laboratory of Surficial Geochemistry, School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, China
2. School of Geography Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China
3. State Key Laboratory of Marine Geology, Key Laboratory of Yangtze River Water Environment, Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China
Abstract

Temporal variation of dissolved87Sr/86Sr in the Yangtze River is poorly understood compared to other Tibetan rivers. In this study, dissolved Sr and87Sr/86Sr were measured from a temporal series of water samples collected biweekly at Datong Hydrological Station over a period of one year. Our results show that Sr concentration in the Yangtze River ranges from 1.74 to 2.92 μmol/L with87Sr/86Sr of 0.710125 to 0.710965. The Sr concentration and87Sr/86Sr shows a distinct seasonal variation, with a general increase in87Sr/86Sr ratios from summer to winter and some fluctuations during July and December, then followed by a gradually decrease till the next rainy season. The seasonal variation results from the variation of contributions from different sub-basin due to the spatially and seasonally variable rainfall across the basin. During the flood season, more contribution from upper reach (low87Sr/86Sr values) due to the strong rainfall decreases the87Sr/86Sr ratio at lower reach. While the severe drought which happened in the middle-lower reaches (high87Sr/86Sr values) from January to May explains the decrease in the later part of the data by the decrease of the contribution from middle-lower reaches. The discharge weighted annual87Sr/86Sr and annual Sr flux of the Yangtze River based on the time series data are 0.710628 and 1.9×109 mol/a, respectively. It was also indicated that dissolved87Sr/86Sr in the Yangtze River is well correlated to the extreme climate events and might contribute to our explanation for reconstructing past climatic changes by using87Sr/86Sr ratios of the sedimentary record in the delta .

Keyword: The Yangtze River; Sr isotope; Provenance.
1 引 言

新生代全球变冷的解释假说之一是青藏高原隆升导致的硅酸盐岩风化加强从而消耗更多CO2[ 1],而该假说的证据之一是40Ma以来全球海水Sr同位素组成的升高[ 2]。海水Sr同位素主要由河流、热液输入及深海沉积物的成岩作用共同控制,其中河流输入最为重要[ 3]。过去几十年针对流经青藏高原河流的Sr同位素研究较多[ 4, 5, 6, 7, 8]。但由于条件限制,以往研究数据大多来源于某一次野外采集的样品,且采样时间局限于某一个季节。通常情况下由于受季风气候影响[ 9],青藏高原的河流降雨具有时空变化变化,该差异会导致河流搬运物质的地球化学性质随之产生一定变化[ 10, 11]。近年来,已有研究证明青藏高原河流河水Sr存在显著的季节性差异[ 12, 13, 14, 15]。Bickle等[ 12] 和Rai等[ 14] 对恒河及布拉马普特拉河河水的季节性采样分析发现,河水87Sr/86Sr组成呈现洪水季节低而枯水季节高。Tripathy 等[ 15] 进一步对恒河源头3个不同支流季节性采样显示,河水Sr同位素组成的季节性变化同样呈现洪水季节低而枯水季节高。前人的研究显示,这些源自青藏高原的河流其河水Sr的季节性变化特征基本一致,表现为洪水季节较枯水季节具有更低的Sr同位素组成。该季节性差异被认为是由碳酸盐岩风化较短的接触时间及更快的反应动力学参数导致洪水季节碳酸盐岩对河水Sr的贡献大于枯水季节。最近,Wei等[ 16]针对西江河水Sr同位素组成的季节性研究指出,洪水期河水Sr同位素比值高于枯水季节,并指出洪水季节硅酸盐岩贡献比例增高。

因此,河水Sr同位素组成的控制因素是什么?不同河流季节性差异是否一样?前人针对河水Sr同位素季节性变化的研究主要集中在具有相对更高风化速率且高Sr同位素特征的恒河及布拉马普特拉河。长江作为起源于青藏高原的世界第三长河,对其河水Sr同位素的研究较少。仅见Wang等[ 17] 和Chetelat等[ 18]对全流域水样的分析测试,且研究对象主要是长江流域Sr同位素的空间变化。长江流域内年内降水量分配很不均匀,汛期主要集中在5~10月[ 19]。对长江流域的季节性研究对象主要集中在河水的主量元素及悬浮物上[ 20, 21, 22, 23],对长江溶解态Sr同位素体系的研究则尚未见报道。

本文通过系统采集长江下游大通水文站季节性水样,分析测试其Sr同位素组成,来探讨河水Sr同位素组成季节性变化及其控制因素。此外,在采样期间,长江上游嘉陵江,中下游汉江及两湖水系发生近年来较大的一次洪水嘉陵江流域洪水甚至超历史记录[ 24, 25, 26],长江中下游则出现近60年来最大的干旱[ 27]。因此本次研究尝试探讨流域Sr同位素对气候异常的响应。

2 流域地质背景

长江源自青藏高原腹地唐古拉山,全长超过6300 km,流域面积约1.8×106 km2,位置介于24° 30′~35° 45′ N,90° 33′~112° 25′ E之间。长江流域传统长江上中下游的划分为：源头至宜昌为上游;宜昌至湖口为中游;湖口以下为下游。本文为讨论方便,将长江划分为宜昌以上的上游和宜昌以下的中下游。

虽然长江流域地层自元古界至第四系均有出露,源岩组成相当复杂,但整体而言上游与中下游岩性具有一定差异。总的来说,长江上游以古生代碳酸盐岩为主,分布较多的蒸发盐岩及酸—中酸性火成岩。上游金沙江流域地表出露大量的中生代碳酸盐和蒸发盐岩石（主要是石膏）,并发育了钙积作用明显的高山寒钙土。另外,在金沙江楚雄和贡觉地区,地表也出露有大片的第三系陆相蒸发盐（为石盐和石膏）[ 28] （图1a）。支流雅砻江、大渡河及岷江流域以三叠系浅变质碎屑岩、碳酸盐岩最为发育。嘉陵江上游以碎屑岩为主,下游为碎屑岩和碳酸盐岩组合。乌江流域则主要以碳酸盐岩。长江中下游平原主要为第四纪松散沉积物和古生代沉积岩,东部地区分布有红色碎屑岩、中—酸性花岗岩和古老变质岩。汉江流域以古生代变质岩最为发育。洞庭湖流域主要为砂页岩、碳酸盐岩和花岗岩。赣江流域以花岗岩、砂页岩为主,河水化学组成表现为明显的硅酸盐岩控制[ 29, 30]。综上所述,长江上游主要以碳酸盐岩为主,而中下游地区则分布更多的硅酸盐岩。

图1 (a)长江流域岩性图（修改自文献[34]）; (b)大通站采样剖面及采样点示意图Fig. 1 (a) Sketch map of the rock types in the Yangtze River drainage basin (Modified from Reference [34]); (b) Sampling profile at Datong and star indicate position of samples

长江流域的河流以雨水补给为主,流量变化基本反映流域降雨量变化。受季风影响,流域降雨呈现明显季节性变化,年降雨量和暴雨的时空分布很不均匀。杨秋明等已系统总结全球不同空间和时间尺度大气季节内震荡对长江流域暴雨影响[ 31]。通常一般来说,6月至8月为长江的主汛期[ 32],受季风影响降雨量增加,随之流量增大。长江流域最早进入雨季的为洞庭湖、鄱阳湖水系,4月雨季便开始;6月中旬至7月上旬为长江中下游梅雨季节,雨带徘徊于长江干流两岸,呈现出东西向分布;7月中旬至8月,雨带移至四川和汉江流域,呈东北西南向分布,而此时长江中下游和四川东部地区受副热带高压控制,出现伏旱;9月,雨带又南旋回至长江上、中游,多雨区从四川西部移到四川东北部至汉江上游,即为“华西秋雨”;10月,全流域雨季先后结束[ 33]。

3 样品采集与分析方法

本研究取长江大通水文站为采样点, 采样点经纬度： 30°6.61157′N, 117°7.6658′E。大通站为长江干流入海前基本不受潮流影响的最后一个水文站点,控制流域面积1.705×106 km2,占流域面积的95%,基本能代表全流域的水沙状况（图1a）。

采样点选取大通站航测剖面线1050站位,即距离左岸1050 m位置处,基本处于河道中央。采样点水深年际变化约为18~28m,水样采集深度为0.5~1 m水深,属于表层水样。采样时使用大通水文站水文航测船到达采样点后,利用船载铅鱼将绑定的盖式采水器下降到指定水深后关闭两端盖子,采样器收集到指定水深样品。将采样器回收的水样经0.22 μm有机滤膜现场过滤后分为2份,分别装入干净的聚乙烯塑料瓶中并加入蒸馏后的硝酸至pH约为2冷藏保存待分析。一份用于Sr含量测定,另外一份用于Sr同位素组成测定。水样采集同时使用YSI测定河水温度及pH。采样完成后记录采样时期大通站河水流量（数据来自http://xxfb.hydroinfo.gov.cn/nindex_dataList.jsp?type=1）。水样自2010年6月初开始采集,平均每2周前往水文站采集一次,持续采集一个水文循环年,于2011年6月底结束采样,共采集21个水样。过滤并酸化水样的Sr含量在南京大学现代分析中心使用Jarrell-Ash 1100电感耦合等离子直读光谱仪(ICP)进行测定。Sr同位素组成在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室采用热电离质谱仪测试。仪器测量过程中的87Sr/86Sr的分馏使用87Sr/86Sr =0.1194进行内部校正。流程空白样分析为Sr <1 ng。周期分析SRM98787Sr/86Sr r值为0.710268±10（2σ外部标准偏差,n=15）。

4 实验结果

长江大通站采集水样Sr浓度及87Sr/86Sr的测定结果列于表1中。采样期间大通站流量变化在冬季达到最小值12850 m3/s,夏季达到最大值62850 m3/s。河水温度在1月为最低为7.25 ℃,8月上旬达到最大为29.66 ℃。而pH值则在2010-06-12样品中达最高值9.09,却在2011-06-28样品中达到最低值7.58。河水Sr浓度呈现波动式变化,介于1.74~2.92 μmol/L间, 河水Sr浓度与87Sr/86Sr值变化呈现镜像关系。采样期间87Sr/86Sr变化较大,介于0.710125~0.710965之间（图2）,平均值为0.710625,低于世界河流平均组成 （0.7119）[ 3],而高于现代海水组成（0.7092）[ 3];表现为自6月采样开始缓慢升高,10月达到小峰值后降低并在12月达到最大值后逐渐降低直到下次洪水季节的到来前期迅速增加。87Sr/86Sr值具有一定的季节性变化,表现为夏季秋季升高,冬季春季降低。冬季大通流量在12月底及3月底出现两个峰值,对应12月底样品87Sr/86Sr达到最大值,3月底样品87Sr/86Sr值下降趋势有所缓和。

图2 长江大通站水样Sr浓度及87Sr/86Sr组成的季节性变化趋势图Fig. 2 Temporal variations in Sr concentration and87Sr/86Sr of the river water at Datong

表1 长江大通站水样Sr同位素组成 Table 1 Dissolved Sr concentration and isotopic composition at Datong
5 讨 论
5.1 长江Sr含量及同位素的季节性变化及其控制因素

河水Sr浓度呈现波动式变化,介于1.74~2.92 μmol/L之间,季节性差异较小,表现为冬季春季稍高。长江汛期河流流量增大,达到最大值62 850 m3/s高于最低时期5倍,而其Sr浓度基本一样。流量的稀释作用并没有降低其河水Sr浓度,说明在丰水时期流域岩石的风化相对加强。可能的原因是在汛期,降雨加强,温度升高,流域可风化面积相对增大,且物理风化加强也促进了化学风化的进行。

河水Sr同位素组成变化范围为0.710125~0.710965,表现为6月开始逐渐升高趋势,在7月26号出现突然降低,在12月达到最大值后缓慢下降并在下一个洪水季节到来时增高。整体表现为夏季春季河水87Sr/86Sr值逐步升高,冬季和春季则缓慢降低,这与其他青藏高原地区河流相似表现出的洪水季节高于枯水季节不同[ 14, 15]。河水中Sr主要来源于流域岩石的化学风化,通常表现为高87Sr/86Sr值低Sr含量的硅酸盐岩及低87Sr/86Sr值高Sr含量的碳酸盐岩的两端元混合模式。长江流域上游岩性以碳酸盐岩为主,中下游则出露较多硅酸盐岩。流域碳酸盐岩及硅酸盐岩87Sr/86Sr特征值分别为0.708-0.709和0.72-0.73[ 35],两者同位素组成差异较大,它们对河水相对贡献比例的变化也许能解释河水的Sr含量及同位素组成的季节性变化。

流域季节性风化是一个较为复杂的过程,岩石风化主要取决于温度及降雨,因此对流域不同季节风化的影响因素主要表现为温度及降雨的季节性变化。但是,温度或降雨能否影响流域碳酸盐岩及硅酸盐岩风化进而引起两端元混合比例的变化。Tripathy等[ 14]对恒河源头河水Sr同位素组成的季节性表明,温度的季节性变化并不是控制河水Sr同位素组成的因素。长江流域河水温度变化较大,1年内河水温度在7~30 ℃间变化。温度的变化会对岩石的风化速率产生一定影响,从而可能影响流域整体风化模式。但是研究中夏季7月及冬季1月具有相似的同位素比值,但是两者温度却相差较大（27 ℃和7.5 ℃）。说明温度对流域风化模式的影响较小,对河水的同位素组成没有决定性控制作用。

那么,流域降雨的变化能否引起不同端元贡献比例的变化从而改变河水Sr同位素组成。研究显示,长江流域洪水期Sr同位素组成低于枯水期。长江汛期为6~8月,该时期受季风影响,流域降雨中心集中在上游碳酸盐岩地区。洪水期上游强降雨给下游带来较多的含有较低的Sr同位素组成的河水上游,致使碳酸盐岩贡献比例增加,导致河水Sr同位素组成降低。为了进一步检验降雨对河水Sr同位素组成的影响,仔细分析数据中的一些点。河水Sr同位素组成在7月26日的突然降低,与该时期流域发生的洪水事件有关。2010年主汛期长江流域经历了“二下二上”4个集中性强降雨阶段,即前2个阶段多雨区位于中下游地区,后2个则位于长江上游偏北和汉江中上游,各阶段降水强度多以大到暴雨、局地大暴雨为主。具体表现为7月15~25日期间,主雨区西进北抬,强降雨主要发生在嘉、岷流域及汉江上中游地区,最大降雨中心出现在上游嘉陵江支流渠江,导致渠江发生超过历史记录的特大洪水[ 24, 25, 26, 36]。这些降雨区主要以碳酸盐岩为主,导致该时期河水碳酸盐岩贡献急剧增加,河水Sr同位素组成降低。12月27日大通站监测到一次流量小峰,同时Sr同位素组成达到最大值。调查发现该时期赣江及湘江流量同时出现峰值,而赣江流域尤其以大面积的硅酸盐岩为特征,河水组成也表现为明显的典型硅酸盐岩流域特征。赣江流量的增加代表硅酸盐岩贡献的增多,使得下游大通站河水Sr同位素组成升高。12月后,河水Sr同位素组成逐渐降低,直到下一个洪水季节到来前期升高。这可能由长江流域2011年初中下游大面积的干旱导致。2011年1~5月底,长江中下游地区（湖北、江西、安徽、江苏等地）降水异常偏少,平均降水量为196.0 mm,较常年同期（417.0 mm）偏少53%,为60年来历史同期最少,部分地区出现严重旱情[ 27]。5月份时干旱最严重,鄱阳湖及洞庭湖局部甚至见底。中下游流域是长江流域硅酸盐岩分布的主要地区,干旱的发生使得降雨逐渐减少,从而使来自中下游地区的硅酸盐岩风化对河水Sr的总贡献降低,导致年初以来河水Sr同位素组成的不断降低,并在5月达到最低值。随后的6月长江中下游地区降水量较常年同期明显偏多,出现4次集中强降水过程,导致长江流域发生旱涝急转[ 37]。中下游地区突然逆转的强降雨使得硅酸盐岩风化比例增加,从而河水Sr同位素组成迅速升高。为期一年的采样过程中,Sr同位素组成的迅速转折点都对应长江流域洪水事件的发生,说明流域气候的突变会在Sr同位素组成中留下印记。Rai等[ 14]对布拉马普特拉河季节性研究也表明,采样期间流域发生的一次洪水事件造成河水Sr同位素组的突变,并指出利用Sr同位素及主量元素示踪洪水来源及大小的可能性。

由上文分析可知,长江流域上游主要以碳酸盐岩及蒸发岩为主,中下游地区则主要以硅酸盐岩为主,岩性分布的地域差异加之流域季节性降雨区域的变化,使流域不同来源岩石风化贡献对河水的比例随之改变,从而造成河水同位素组成的变化。长江下游采集河水Sr同位素组成可能主要受来自上游及中下游河水相对贡献比例变化影响。此外,采样过程中发生的流量突然增大（洪水）事件及严重干旱事件都对应河水Sr同位素的转变,表明河水Sr同位素对气候的响应。

5.2 长江季节性样品代表性

河流Sr通量可以评估流域风化强度及对海洋Sr的贡献。前人研究对流域Sr通量的计算往往仅取决于某个季节所采集样品的数据。使用单次采样数据计算的全年Sr通量会因为流域流量及河水化学性质的季节性变化产生较大误差。因此,我们试图分析对比长江流域单次采样得到全年Sr通量与系统采样之间的差别。

为了讨论不同时间采集样品的代表性,计算不同时间采集单个样品得到的Sr通量所产生的相对误差∆C,表达如下：

∆C=（ C j -C *） /C *×100% (4)

C i=[Sr]/月×月流量（i=1~12月） (5)

C j=[Sr]/月×年流量（j=1~12月） (6)

C *=

(7)

用每月流量乘以每月采样时期Sr浓度（[Sr]）得到的Sr通量（ C i）相加后得到全年的总Sr通量（ C*）。将由各月的Sr浓度乘以全年流量得到的Sr通量 C j（j=1~12月）和 C*进行比较得到相对误差∆C。

长江大通站溶解Sr通量在枯水季节一月份达到最低值1.47×109 mol/a,七月洪水季节达到最高值2.46×109 mol/a。加权平均入海Sr通量为1.9×109 mol/a,占全球河流搬运入海总通量5.6%。计算结果（图3）表明,某次采集样品得到的流域年Sr通量相对误差范围在29.45 %~-22.9%波动,57%的样品误差范围落在10%以内。洪水季节采集样品计算所得Sr通量的相对误差相对较小,说明洪水季节采集样品更能代表全年Sr通量。同时注意到在旱涝急转或某一突发性洪水事件期间采集样品偏差较大,样品应该避免在这一时期采集。

图3 大通站单个采集河水样品年Sr通量与基于全年样品年Sr通量的相对误差Fig. 3 Uncertainty between annual Sr fluxes based on time series data and single sampling

将本次研究所得流量加权平均同位素组成及Sr通量值与前人研究中某一时间单次样品采集得到的长江溶解Sr同位素组成及通量比较发现（表2）,基于大通站样品数据所得87Sr/86Sr值0.7106稍小于Gaillardet 等[ 37]和Wang等[ 17]发表数据,远小于Chetelat等[ 35]报道数值（0.7115）。计算所得Sr通量也小于前人发表数据。基于上述分析可以发现,季节性采样数据对准确评估河流搬运Sr对海洋的调节作用很有必要,以单次样品采集得到的数据来代表大河全年状况容易导致较大误差。

表2 本次研究中长江流量加权平均Sr含量,87Sr/86Sr及87Srex与其他研究比较 Table 2 Dissolved Sr concentration,87Sr/86Sr, Sr flux and excess87Srex in the Yangtze River from this study and other studies
5.3 长江对海洋Sr同位素的贡献

河流对于海水87Sr/86Sr变化的贡献主要取决于Sr通量以及Sr同位素比值与海水Sr同位素比值之差,可以用“过剩87Sr通量”(87Srex)来表达[ 12]:

87Srex = (87Sr/86Sr-0.709)×Srflux, (8)

Srflux为河流搬运Sr通量,0.709为现代海水Sr同位素组成[ 38]。根据每个月采集样品计算的长江全年87Srex变化范围为2.06~3.90×106 mol/a。我们根据流量加权平均计算得到长江入海Sr通量为1.9×109 mol/a,占发源于青藏高原地区的11条河流入海Sr通量（4.7×109 mol/a）的40.43%[ 39],占全球河流每年供给海洋Sr通量（34×109 mol/a）的5.59%[ 40]。长江加权平均87Sr/86Sr值为0.710628,低于全球河流当前平均值0.7116[ 40]。根据加权平均值计算的87Srex为3.1×106 mol/a,占全球河流87Srex值（83×106 mol/a）的3.73%。布拉马普特拉河与恒河Sr通量为0.94×109 mol/a,两者之和低于长江Sr通量。但是因为其较高的Sr同位素组成（0.7339）,其入海87Srex为23.3×106 mol/a,远高于长江。长江搬运Sr通量占青藏高原地区入海河流Sr通量的一半,但由于流域较低的87Sr/86Sr值,使得总入海87Srex较低,使得长江对海洋Sr同位素变化的影响小于布拉马普特拉河与恒河。

6 结语

通过对长江大通水文站河水Sr含量及同位素组成的连续一年采样分析,得到以下结论:

(1)河水Sr含量呈现波动式变化,整体表现为枯水季节高于丰水季节。洪水期河水Sr含量的降低小于流量的稀释倍数表明洪水季节风化的增强。河水87Sr/86Sr值的变化趋势与其它青藏高原河流稍有不同,没有明显的洪水季节与枯水季节的差异,研究发现其变化主要受不同流域物质来源变化的影响。长江流域岩性分布上游以低87Sr/86Sr值的碳酸盐岩为主,中下游主要分布高87Sr/86Sr值硅酸盐岩。在岩性分布差异性基础上,流域季节性降雨的空间变化是导致河水Sr同位素组成季节性变化的主要原因。

(2)流域洪水及干旱事件都能影响河水Sr同位素组成,说明河水Sr同位素对流域异常气候有较好的响应。

(3)分析对比使用单次采样数据得到的全年Sr通量与基于全年采样得到的Sr通量显示,使用洪水季节采集样品计算Sr通量更能代表河流全年Sr通量。而旱涝急转时期或某一突发性洪水事件期间采集样品所得Sr通量误差较大,样品采集时期应该避开。

(4)计算得出长江溶解Sr同位素组成的入海特征值为0.710628,入海Sr通量为1.9×109 mol/a,占全球河流搬运入海总通量5.59 %,入海87Srex为3.1×106 mol/a。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] Raymo M E, Ruddiman W F, Froelich P N. Cenezoic mountain building on ocean geochemical cycles[J]. Geology, 1988, 16(7): 649-653. [本文引用:1] [JCR: 4.087]
[2] Richter F M, Rowley D B, DePaolo D J. Sr isotope evolution of seawater: The role of tectonics[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1992, 109(1/2): 11-23. [本文引用:1] [JCR: 4.349]
[3] Palmer M R, Edmond J M. The strontium isotope budget of the mordern ocean[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1989, 92(1): 11-26. [本文引用:3] [JCR: 4.349]
[4] Krishnaswami S, Singh S K. Silicate and carbonate weathering in the drainage basins of the Ganga-Ghaghara-Indus head waters: Contributions to major ion and Sr isotope geochemistry[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1998, 107(4): 283-291. [本文引用:1] [JCR: 4.349]
[5] Jacobson A D, Walter L M. Reconciling the elemental and Sr isotope composition of Himalayan weathering fluxes: Insights from the carbonate geochemistry of stream waters[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2002, 66(19): 3417-3429. [本文引用:1] [JCR: 3.884]
[6] Krishnaswami S, Trivedi J R, Sarin M M, et al. Strontium isotopes and rubidium in the Ganga-Brahmaputra River system: Weathering in the Himalaya, fluxes to the bay of Bengal and contributions to the evolution of oceanic87Sr/86Sr[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1992, 109(1/2): 243-253. [本文引用:1] [JCR: 4.349]
[7] Dalai T K, Krishnaswami S, Kumar A. Sr and Sr-87/Sr-86 in the Yamuna River system in the Himalaya: Sources, fluxes, and controls on Sr isotope composition[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2003, 67(16): 2931-2948. [本文引用:1] [JCR: 3.884]
[8] Qin Jianhua, Ran Jing, Shen Ganfu, et al. The current situation and advance of research on the source rock for the strontium isotope in the Himalayan Rivers[J]. Advances in Earth Science, 2006, 21(3): 262-268.
[秦建华, 冉敬, 沈敢富, 等. 喜马拉雅河流Sr同位素异常源岩研究现状及研究进展[J]. 地球科学进展, 2006, 21(3): 262-268. ] [本文引用:1] [CJCR: 1.388]
[9] Lin Xiang, Qian Weihong. Review of the global monsoon and monsoon marginal zones[J]. Advances in Earth Science, 2012, 27(1): 26-34.
[林祥, 钱维宏. 全球季风和季风边缘研究[J]. 地球科学进展, 2012, 27(1): 26-34. ] [本文引用:1] [CJCR: 1.388]
[10] Mao C P, Chen J, Yuan X Y, et al. Seasonal variation in the mineralogy of the suspended particulate matter of the lower Changjiang River at Nanjing, China[J]. Clays and Clay Minerals, 2010, 58(5): 691-706. [本文引用:1] [JCR: 1.114]
[11] Zhang J. Heavy metal compositions of suspended sediments in the Changjiang (Yangtze River) Estuary: Significance of riverine transport to the ocean[J]. Continental Shelf Research, 1999, 19(12): 1521-1543. [本文引用:1] [JCR: 1.889]
[12] Bickle M J, Bunbury J, Chapman H J, et al. Fluxes of Sr into the headwaters of the Ganges[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2003, 67(14): 2567-2584. [本文引用:3] [JCR: 3.884]
[13] Tripathy G R, Goswami V, Singh S K, et al. Temporal variations in Sr and 87Sr/86Sr of the Ganga headwaters: Estimates of dissolved Sr flux to the mainstream[J]. Hydrological Processes, 2010, 24(9): 1159-1171. [本文引用:1]
[14] Rai S K, Singh S K. Temporal variation in Sr and 87Sr/86Sr of the Brahmaputra: Implications for annual fluxes and tracking flash floods through chemical and isotope composition[J]. Geochemistry Geophysics Geosystems, 2007, 8(8), doi: DOI:10.1029/2007GC001610. [本文引用:5] [JCR: 2.939]
[15] Tripathy G R, Singh S K. Chemical erosion rates of river basins of the Ganga system in the Himalaya: Reanalysis based on inversion of dissolved major ions, Sr, and 87Sr/86Sr[J]. Geochemistry Geophysics Geosystems, 2010, 11(3), doi: DOI:10.1029/2009GC002862. [本文引用:3] [JCR: 2.939]
[16] Wei G J, Ma J L, Liu Y, et al. Seasonal changes in the radiogenic and stable strontium isotopic composition of Xijiang River water: Implications for chemical weathering[J]. Chemical Geology, 2013, 343: 67-75. [本文引用:1] [JCR: 3.154]
[17] Wang Z, Zhang J, Liu C. Strontium isotopic compositions of dissolved and suspended loads from the main channel of the Yangtze River[J]. Chemosphere, 2007, 69(7): 1081-1088. [本文引用:2] [JCR: 3.137]
[18] Chetelat B, Liu C Q, Zhao Z Q, et al. Geochemistry of the dissolved load of the Changjiang Basin rivers: Anthropogenic impacts and chemical weathering[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2008, 72(17): 4254-4277. [本文引用:1] [JCR: 3.884]
[19] Yang S, Zhao Q, Belkin I M. Temporal variation in the sediment load of the Yangtze River and the influences of human activities[J]. Journal of Hydrology, 2002, 263(1/4): 56-71. [本文引用:1] [JCR: 2.964]
[20] Mao C P, Chen J, Yuan X Y, et al. Seasonal variations in the Sr-Nd isotopic compositions of suspended particulate matter in the lower Changjiang River: Provenance and erosion constraints[J]. Chinese Science Bulletin, 2011, 56(22): 2371-2378. [本文引用:1] [CJCR: 0.95]
[21] Yao Q, Zhang J, Wu Y, et al. Hydrochemical processes controlling arsenic and selenium in the Changjiang River (Yangtze River) system[J]. Science of the Total Environment, 2007, 377(1): 93-104. [本文引用:1] [JCR: 3.258]
[22] Lu X X, Li S, He M, et al. Seasonal changes of nutrient fluxes in the Upper Changjiang Basin: An example of the Longchuanjiang River, China[J]. Journal of Hydrology, 2011, 405(3/4): 344-351. [本文引用:1] [JCR: 2.964]
[23] Duan S, Liang T, Zhang S, et al. Seasonal changes in nitrogen and phosphorus transport in the lower Changjiang River before the construction of the Three Gorges Dam[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2008, 79(2): 239-250. [本文引用:1] [JCR: 2.324]
[24] Wang Jun, Li Jianyong, Zhou Xinchun, et al. Analysis on storm-flood in Yangtze River in 2010 and influence of storage and discharge of Three Gorges Reservoir[J]. Yangtze River, 2011, 42(6): 1-5.
[王俊, 李键庸, 周新春, 等. 2010年长江暴雨洪水及三峡水库蓄泄影响分析[J]. 人民长江, 2011, 42(6): 1-5. ] [本文引用:2] [CJCR: 0.3811]
[25] Zhou Xinchun, Yang Wenfa. Preliminary analysis of storm-flood in Yangtze River Basin in 2010[J]. Yangtze River, 2011, 42(6): 6-10.
[周新春, 杨文发. 2010年长江流域暴雨洪水初步分析[J]. 人民长江, 2011, 42(6): 6-10. ] [本文引用:2] [CJCR: 0.3811]
[26] Zi Li, Li Chunlong, Zhang Fangwei. Rainstorm forecasting of Poyang Lake and Dongting Lake area in June, 2010 and meteorlogical genesis analysis[J]. Yangtze River, 2011, 42(6): 32-34.
[訾丽, 李春龙, 张方伟. 2010年6月两湖水系暴雨预报与天气成因分析[J]. 人民长江, 2011, 42(6): 32-34. ] [本文引用:2] [CJCR: 0.3811]
[27] Sun Qiying. Analysis of the posssible causes of drought in the middle-lower reaches of the Yangzte River in the early 2011[J]. Journal of Green Science and Technology, 2012, (8): 102-105.
[孙齐颖. 2011年初长江中下游地区干旱的可能成因分析[J]. 绿色科技, 2012, (8): 102-105. ] [本文引用:2]
[28] China Geological Survey. 1∶2500000 Geology Map[M]. Beijing: China SinoMaps Press, 2004.
[中国地质调查局. 1∶ 2500000数字地质图[M]. 北京: 中国地图出版社, 2004. ] [本文引用:1]
[29] Ding T, Wan D, Wang C, et al. Silicon isotope compositions of dissolved silicon and suspended matter in the Yangtze River, China[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2004, 68(2): 205-216. [本文引用:1] [JCR: 3.884]
[30] Chen Z Y, Li J F, Shen H T, et al. Yangtze River of China: Historical analysis of discharge variability and sediment flux[J]. Geomorphology, 2001, 41(2/3): 77-91. [本文引用:1] [JCR: 2.552]
[31] Yang Qiuming, Song Juan, Li Yi, et al. Review of impacts of the global atmospheric intraseasonal oscillation on the continuous heavy rainfall over Yangtze River valley[J]. Advances in Earth Science, 2012, 27(8): 876-884.
[杨秋明, 宋娟, 李熠, 等. 全球大气季节内振荡对长江流域持续暴雨影响的研究进展[J]. 地球科学进展, 2012, 27(8): 876-884]. [本文引用:1] [CJCR: 1.388]
[32] Shen Huying, Kuang Yiyu, Zi Li. Genesis of 2010 storm-flood in Yangtze River Basin and its comparison with 1998 flood[J]. Yangtze River, 2011, 42(6): 11-14.
[沈浒英, 匡奕煜, 訾丽. 2010年长江暴雨洪水成因及与1998年洪水比较[J]. 人民长江, 2011, 42(6): 11-14. ] [本文引用:1] [CJCR: 0.3811]
[33] Changjiang Water Resource Commission, Ministry of Water Resources(CWRC). Floods and Droughts in the Yangtze River Catchment[M]. Beijing: Water Conservancy and Water Electricity Publication House, 2002.
[水利部长江水利委员会. 长江流域水旱灾害[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2002. ] [本文引用:1]
[34] Yang S Y, Wang Z B, Guo Y, et al. Heavy mineral compositions of the Changjiang (Yangtze River) sediments and their provenance-tracing implication[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2009, 35(1): 56-65. [本文引用:1] [JCR: 2.379]
[35] Chetelat B, Liu C Q, Zhao Z Q, et al. Geochemistry of the dissolved load of the Changjiang Basin rivers: Anthropogenic impacts and chemical weathering[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2008, 72(17): 4254-4277. [本文引用:2] [JCR: 3.884]
[36] Feng Guolin, Yang Hanyou, Zhang Shixuan, et al. A preliminary research on the reason of a sharp turn from drought to flood in the middle and lower reaches of the Yangtze River in late spring and early summer of 2011[J]. Atmospheric Sciences, 2012, 36(5): 1009-1026.
[封国林, 杨涵洧, 张世轩, 等. 2011年春末夏初长江中下游地区旱涝急转成因初探[J]. 大气科学, 2012, 36(5): 1009-1026. ] [本文引用:1]
[37] Gaillardet J, Dupré B, Louvat P, et al. Global silicate weathering and CO2 consumption rates deduced from the chemistry of large rivers[J]. Chemical Geology, 1999, 159(1/4): 3-30. [本文引用:2] [JCR: 3.154]
[38] Hodell D A, Mead G A, Mueller P A. Variation in the strontium isotopic composition of seawater (8 Ma to present) : Implications for chemical weathering rates and dissolved fluxes to the oceans[J]. Chemical Geology: Isotope Geoscience Section, 1990, 80(4): 291-307. [本文引用:1]
[39] Wu W H, Yang J D, Xu S J, et al. Sr fluxes and isotopic compositions of the eleven rivers originating from the Qinghai-Tibet Plateau and their contributions to87Sr/86Sr evolution of seawater[J]. Science in China(Series D), 2009, 52(8): 1059-1067. [本文引用:1]
[40] Davis A C, Bickle M J, Teagle D. Imbalance in the oceanic strontium budget[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2003, 211(1/2): 173-187. [本文引用:2] [JCR: 4.349]