【Rio Icacos流域で、とくに黒雲母の風化速度と風化メカニズムについて検討】
『Abstract
Samples of soil, saprolite, bedrock, and porewater from a lower
montane wet forest, the Luquillo Experimental Forest (LEF) in
Puerto Rico, were studied to investigate the rates and mechanisms
of biotite weathering. The soil profile, at the top of
a ridge in the Rio Icacos watershed, consists of a 50-100-cm thick
layer of unstructured soil above a 600-800 cm thick saprolite
developed on quartz diorite. The only minerals present
in significant concentration within the soil and saprolite are
biotite, quartz, kaolinite, and iron oxides.
Biotite is the only primary silicate releasing significant
K and Mg to porewaters. Although biotite in samples of
the quartz diorite bedrock is extensively chloritized,
chlorite is almost entirely absent in the saprolite phyllosilicates.
Phyllosilicate grains are present as 200-1000 μm wide books below
about 50 cm depth. X-ray diffraction (XRD) and electron microprobe
analyses indicate that the phyllosilicate grains contain a core
of biotite surrounded by variable amounts of kaolinite.
Lattice fringe images under transmission electron microscope (TEM)
show single layers of biotite altering to two layers of
kaolinite, suggesting dissolution of biotite and
precipitation of kaolinite at discrete boundaries. Some
single 14-Å layers are also observed in the biotite under
TEM. The degree of kaolinitization of individual phyllosilicate
grains as observed by TEM decreases with depth in the saprolite.
This TEM work is the first such microstructural evidence of epitaxial
growth of kaolinite onto biotite during alteration
in low-temperature environments.
The rate of release of Mg in the profile, calculated as a flux
through the soil normalized per watershed land area, is approximately
500 mol hectare-1 yr-1 (1.6×10-9
molMg msoil-2
s-1). This rate is similar to the flux estimated from
Mg discharge out the Rio Icacos (1000 mol hectare-1
yr-1, or 3.5×10-9 molMg
msoil-2 s-1), indicating
that scaling up from the soil to the watershed is possible for
Mg release. The rate of Mg release from biotite, normalized
to Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area, is calculated using
a mass balance equation which includes the density and volume
of phyllosilicate grains, porewater chemistry and flux, and soil
porosity. The mean rates of biotite weathering calculated
from K and Mg release rates are approximately 6 and 11×10-16
molbiotite mbiotite-2
s-1 respectively, significantly slower than laboratory
rates (10-12 to 10-11 molbiotite
mbiotite-2 s-1). The
discrepancy in scaling down from the soil to the laboratory is
probably explained by (1) differences in weathering mechanism
between the two environments, (2) higher solute concentrations
in soil porewaters, (3) loss of reactive surface area of biotite
in the saprolite due to kaolinite and iron oxide
coatings, and/or (4) unaccounted-for heterogeneities in flow path
through the soil.』
『要旨
プエルトリコのLuquillo 実験林（LEF）において、低い山岳の湿潤林から土壌・サプロライト・基盤岩・孔隙水の試料を採取して、黒雲母の風化の速度とメカニズムについての研究を行った。Rio
Icacos流域の尾根の頂部にある土壌断面は、石英閃緑岩上に発達した600～800cmの厚さのサプロライトと、その上の組織化されていない50～100cmの厚さの土壌層からなっている。土壌およびサプロライト中に相当濃度で存在する鉱物は、黒雲母・石英・カオリナイト・鉄酸化物のみである。黒雲母は孔隙水にかなりのKとMgを放出する唯一の主要な珪酸塩である。基盤岩の石英閃緑岩の試料中の黒雲母は広範囲に緑泥石化しているが、緑泥石はサプロライトのフィロ珪酸塩にはほとんどまったく存在しない。フィロ珪酸塩粒子は約50cmの深さ以下に200～1000μm幅の束状（books）として存在している。X線回折（XDR）とEPMA分析から、フィロ珪酸塩粒子はさまざまな量のカオリナイトにより包まれた黒雲母の核をもっていることが示された。透過電顕（TEM）下での格子縞像は、黒雲母の一層がカオリナイトの二層に変質していることを示し、これはとびとびの境界部で黒雲母の溶解とカオリナイトの沈殿が起こっていることを示唆している。TEM下で、いくらかの14-Å単層も黒雲母中に観察されている。TEMにより観察されるような個々のフィロ珪酸塩粒子のカオリナイト化の度合は、サプロライトにおいて深さとともに減少する。このTEMによる仕事は、低温環境での変質の間におこる黒雲母上へのカオリナイトのエピタキシャル成長について初めて微小構造の証拠を示したものである。
断面でのMgの放出速度は、流域面積当りにノーマライズした土壌を通過するフラックスとして計算されているが、ほぼ 500 mol/ha/年（1.6×10-9
molMg/msoil2/秒）である。この速度は、Rio
Icacos（1000 mol/ha/年、または 3.5×10-9 molMg/msoil2/秒）から流出するMgから見積られたフラックスに似ており、土壌から流域へ拡大（スケールアップ）することがMgの放出に対して可能であることを示している。BET（Brunauer-Emmett-Teller）表面積にノーマライズされた黒雲母からのMg放出速度は、フィロ珪酸塩粒子の密度と体積・孔隙水の化学組成とフラックス・土壌孔隙率を含むマスバランス式を用いて計算された。KおよびMgの放出から計算された黒雲母風化の平均速度は、それぞれほぼ
6 および 11×10-16 molbiotite/mbiotite2/秒であり、実験による速度よりもかなり遅い（10-12
～ 10-11 molbiotite/mbiotite2/秒）。土壌から実験室へと規模を小さくした時の食い違いは、（１）二つの環境間での風化メカニズムの相違、（２）土壌孔隙水における高い溶質濃度、（３）カオリナイトおよび鉄酸化物コーティングによるサプロライト中の黒雲母の反応表面積の損失、および（または）（４）土壌中の流路の不明な不均質性、によりおそらく説明される。』
1. Introduction
1.1. Mechanism of biotite weathering
1.2. Rate of biotite weathering
2. Geologic setting
3. Analytical methods
4. Results
4.1. Bedrock biotite mineralogy
4.2. Saprolite phyllosilicate mineralogy and chemistry
4.2.1. Physical and chemical analysis
4.2.2. SEM and electron microprobe analysis
4.2.3. X-ray diffraction analysis
4.2.4. TEM analysis
4.3. Porewater chemistry
5. Discussion
5.1. Mechanism of biotite transformation
5.2. Stoichiometry of biotite weathering
5.3. Quantification of the biotite weathering rate
5.3.1. Rate of magnesium release
5.3.2. Rate of potassium release
5.4. Comparison of release rates to laboratory studies
6. Conclusion
Acknowledgments
References