『Abstract
Determining the relative proportions of silicate vs. carbonate
weathering in the Himalaya is important for understanding atmospheric
CO2 consumption rates and the temporal evolution
of seawater Sr. However, recent studies have shown that major
element mass-balance equations attribute less CO2
consumption to silicate weathering than methods utilizing Ca/Sr
and 87Sr/86Sr mixing equations. To investigate
this problem, we compiled literature data providing elemental
and 87Sr/86Sr analyses for stream waters
and bedrock from tributary watersheds throughout the Himalaya
Mountains. In addition, carbonate system parameters (PCO2, mineral saturation states) were evaluated for
a selected suite of stream waters. The apparent discrepancy between
the dominant weathering source of dissolved major elements vs.
Sr can be reconciled in terms of carbonate mineral equilibria.
Himalayan streams are predominantly Ca2+-Mg2+-HCO3- waters derived from calcite and
dolomite dissolution, and mass-balance calculations demonstrate
that carbonate weathering contributes 〜87% and 〜76% of the dissolved
Ca2+ and Sr2+, respectively. However, calculated
Ca/Sr ratios for the carbonate weathering flux are much lower
than values observed in carbonate bedrock, suggesting that these
divalent cations do not behave conservatively during stream mixing
over large temperature and PCO2
gradients in the Himalaya.
The state of calcite and dolomite saturation was evaluated across
these gradients, and the data show that upon descending through
the Himalaya, 〜50% of the streams evaluated become highly supersaturated
with respect to calcite as waters warm and degas CO2.
Stream water Ca/Mg and Ca/Sr ratios decrease as the degree of
supersaturation with respect to calcite increases, and Mg2+,
Ca2+, and HCO3- mass balances support interpretations
of preferential Ca2+ removal by calcite precipitation.
On the basis of patterns of saturation state and PCO2 changes, calcite precipitation was estimated
to remove up to 〜70% of the Ca2+ originally derived
from carbonate weathering. Accounting for the nonconservative
behavior of Ca2+ during riverine transport brings the
Ca/Sr and 87Sr/86Sr composition of the carbonate
weathering flux into agreement with the composition of carbonate
bedrock, thereby permitting consistency between elemental and
Sr isotope approaches to partitioning stream water solute sources.
These results resolve the dissolved Sr2+ budget and
suggest that the conventional application of two-component Ca/Sr
and 87Sr/86Sr mixing equations has overestimated
silicate-derived Sr2+ and HCO3-
fluxes from the Himalaya. Inaddition, these findings demonstrate
that integrating stream water carbonate mineral equilibria, divalent
cation compositional trends, and Sr isotope inventories provides
a powerful approach for examining weathering fluxes.』
『要旨
ヒマラヤの珪酸塩対炭酸塩風化の相対的な割合を決めることは、大気CO2の消費速度と海水Srの変遷を理解するために重要である。しかし、最近の研究は、主要元素のマスバランス式は、Ca/Sr
と 87Sr/86Sr を組合せた式を用いる方法よりも、珪酸塩によるCO2消費が少ないことを示している。この問題を調べるために、我々は、ヒマラヤ山脈全体の支流流域からの流水と基盤岩に対して、元素と87Sr/86Sr分析値を提供している文献をまとめた。さらに、炭酸塩系のパラメータ(PCO2、鉱物飽和状態)を、一組の流水を選んで評価した。溶存した主要元素対Srの主要な風化の起源についての見かけのくい違いは、炭酸塩鉱物平衡に関して調和させることができる。ヒマラヤの河川は方解石とドロマイト(苦灰石)の溶解に由来するCa2+-Mg2+-HCO3-に優勢な水であり、マスバランス計算は、溶存するCa2+
および Sr2+のそれぞれ 〜87%および 〜76%が炭酸塩風化によることを示す。しかし、炭酸塩風化フラックスに対して計算したCa/Sr比は、炭酸塩基盤岩で観察される値よりも非常に低く、
ヒマラヤにおいて大きな勾配の温度とPCO2にわたって流水が混合する間に、これらの2価の陽イオンは保存されるように振舞わないことを示している。
方解石とドロマイトの飽和状態はこれらの勾配を横切って評価され、そのデータは、ヒマラヤを下るとともに、水が暖かくなりCO2を脱ガスするにつれて、評価した流水の〜50%は方解石に対して非常に過飽和になることを示している。流水のCa/MgとCa/Sr比は、方解石に対する過飽和度が増加するにつれて減少し、Mg2+・Ca2+・HCO3-
マスバランスの結果は、方解石の沈殿による優先的なCa2+の除去という解釈を支持する。飽和状態とPCO2変化のパターンを基に、方解石の沈殿は、もともと炭酸塩風化に由来するCa2+の〜70%が取り除かれたと見積られた。河川の運搬の間にCa2+は保存されない振舞いをすることを考慮すると、炭酸塩風化フラックスのCa/Sr
と 87Sr/86Sr 組成は、炭酸塩基盤岩組成に一致するようになり、そのため元素とSr同位体のアプローチ間で一致が見られ、流水の溶質の起源を区分することができるようになる。これらの結果は、溶存するSr2+の収支を解明し、そして2成分のCa/Sr
と 87Sr/86Sr 組合せ式を従来のように適当するとヒマラヤの珪酸塩由来のSr2+
と HCO3- のフラックスを過大に見積ることになることを示している。さらに、流水の炭酸塩鉱物平衡、2価の陽イオンの組成傾向、そしてSr同位体データを統合することが、風化フラックスを調べるための強力なアプローチを提供することになることを、これらの発見は示している。』
1. Introduction
2. Materials and methods
2.1. Data sources
2.2. Data treatment
3. Results
3.1. Chemical composition of Himalayan streams and rocks
3.2. Calcite and dolomite saturation state of Himalayan waters
3.3. Ca/Sr and 87Sr/86Sr ratios of stream
water, carbonate rock, and silicate rock
3.4. Ca2+ and Sr2+ contributions from silicate
vs. carbonate weathering
3.4.1. Contribution from precipitation and halite dissolution
3.4.2. Contribution from silicate weathering
3.4.3. Contribution from gypsum weathering
3.5. Results of mass-balance calculation
4. Discussion
4.1. Physical and chemical processes leading to calcite supersaturation
4.2. Evidence for calcite precipitation in Himalayan stream waters
4.3. Quantifying Ca2+ removal by calcite precipitation
4.4. Effect of calcite precipitation on dissolved Ca/Sr ratios
5. Conclusion
Acknowledgments
References