海洋所定量重建晚上新世以來長江流域硅酸鹽風(fēng)化歷史
近日,國際地學(xué)刊物Global and Planetary Change《全球和行星變化》在線發(fā)表了中國科學(xué)院海洋研究所萬世明研究團(tuán)隊(duì)在新生代大陸風(fēng)化演化方面的最新研究成果。研究團(tuán)隊(duì)和英國倫敦大學(xué)學(xué)院等開展合作,基于中國大陸架科學(xué)鉆探在南黃海獲取的CSDP-1巖芯沉積物的研究,首次定量重建了晚上新世以來長江流域硅酸鹽風(fēng)化通量的演化歷史,提出大河流域盆地尺度“地質(zhì)空調(diào)”和“隆升風(fēng)化”兩種風(fēng)化機(jī)制協(xié)同調(diào)控了晚新生代氣候變化。
深海記錄揭示新生代氣候整體變冷,但是變冷機(jī)制不明確。喜馬拉雅-青藏高原隆升引起的硅酸鹽風(fēng)化作用增強(qiáng)被認(rèn)為是導(dǎo)致大氣CO2濃度下降和新生代變冷的重要原因。然而,硅酸鹽風(fēng)化如何響應(yīng)構(gòu)造和氣候變化以及對全球碳循環(huán)的長期影響仍然不清楚,其中關(guān)鍵原因是缺乏亞洲大陸長時(shí)間尺度的風(fēng)化和剝蝕通量的定量重建。
長江是發(fā)源于青藏高原東部的亞洲第一大河,跨越中國地形的三大階梯,最終注入中國東部邊緣海。因此,長江流域盆地的長期風(fēng)化剝蝕歷史的定量重建,對于評估青藏高原地區(qū)的風(fēng)化碳匯效應(yīng)及新生代氣候變冷機(jī)制極其重要。相比于陸相盆地,海洋記錄具有更好的區(qū)域代表性、沉積連續(xù)性和年代約束優(yōu)勢。南黃海是地質(zhì)歷史上長江的主要沉積匯,其保存的巨厚沉積物是重建構(gòu)造時(shí)間尺度長江流域大陸風(fēng)化剝蝕演化的寶貴材料。研究團(tuán)隊(duì)以南黃海陸架CSDP-1巖芯沉積物為研究材料,在前期物源和沉積環(huán)境研究的基礎(chǔ)上,通過粘土組分的常微量元素組成和陸源通量分析,結(jié)合已發(fā)表的數(shù)據(jù),重建了過去3.5?Ma(百萬年)以來長江流域硅酸鹽風(fēng)化強(qiáng)度和風(fēng)化通量的演化歷史。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)背景和研究站位圖
結(jié)果顯示,3.5?Ma以來長江流域的硅酸鹽風(fēng)化強(qiáng)度(程度)以及硅酸鹽風(fēng)化的CO2消耗效率整體呈現(xiàn)下降趨勢。同時(shí),全球變冷和區(qū)域干旱度增強(qiáng),表明氣候變化對長江流域化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度的變化起主導(dǎo)作用。綜合多個(gè)長巖芯記錄和區(qū)域地震資料重建的陸源物質(zhì)通量,均呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢,反映了長江流域的大陸侵蝕通量由氣候主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?gòu)造控制。定量估算表明,晚上新世以來長江流域硅酸鹽風(fēng)化引起的碳消耗通量約在0.09-0.21 Tmol/yr變化,且其長期變化趨勢類似于侵蝕通量,表明侵蝕通量是風(fēng)化通量演變的一級控制因素,而化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度的影響有限。晚上新世-早更新世晚期,長江流域構(gòu)造相對穩(wěn)定,由于全球變冷和區(qū)域變干,侵蝕通量和硅酸鹽風(fēng)化通量逐漸降低,CO2的消耗減少,從而對氣候起到負(fù)反饋?zhàn)饔?;而早更新世晚期以來,流域?gòu)造相對活躍,驅(qū)動(dòng)了侵蝕通量增強(qiáng),硅酸鹽風(fēng)化導(dǎo)致的CO2消耗增加,進(jìn)而貢獻(xiàn)了全球氣候進(jìn)一步變冷。

圖2 晚上新世以來長江流域硅酸鹽風(fēng)化演化歷史
結(jié)合以前的研究工作,研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,在長時(shí)間尺度上,大陸硅酸鹽風(fēng)化強(qiáng)度(程度)的變化主要受控于全球溫度,而侵蝕通量則是控制硅酸鹽風(fēng)化通量即碳消耗的關(guān)鍵因素,風(fēng)化通量受硅酸鹽風(fēng)化強(qiáng)度變化的影響較小。由于構(gòu)造活動(dòng)對侵蝕通量的重要控制作用,源自喜馬拉雅-青藏高原的大型河流不同構(gòu)造演化階段對長期碳循環(huán)的影響可能是變化的。在較慢的侵蝕時(shí)期,由于構(gòu)造相對穩(wěn)定,硅酸鹽風(fēng)化主要響應(yīng)于氣候變化,對地球氣候起到負(fù)反饋的“地質(zhì)空調(diào)”作用;在快速侵蝕時(shí)期,很可能與構(gòu)造相對活躍有關(guān),硅酸鹽風(fēng)化消耗了更多的CO2,從而構(gòu)造隆升驅(qū)動(dòng)著全球氣候變冷。這一機(jī)制既解釋了晚新生代全球氣候的加速變冷,又避免了地球在幾百萬年內(nèi)耗盡大氣中的二氧化碳而溫度失衡,從而這兩種風(fēng)化過程可能協(xié)同調(diào)控著全球氣候長期變化。

圖3 大河流域構(gòu)造-氣候-風(fēng)化-碳循環(huán)聯(lián)系的概念模型
本研究是迄今南黃海最長且連續(xù)的大陸風(fēng)化剝蝕記錄,對于揭示地球氣候長期演變機(jī)制具有重要科學(xué)意義。
論文第一作者為中國科學(xué)院海洋研究所博士后張晉,通訊作者為萬世明研究員。本研究得到了中國大陸架科學(xué)鉆探計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。
論文信息:
Jin Zhang,Shiming Wan*,Peter D. Clift,Hualong Jin,Zehua Song,Yi Tang,Zhaojie Yu,Kaidi Zhang,Jian Lu,Wenjun Jiao,Anchun Li,2025. Evolution of silicate weathering in the Yangtze River Basin since 3.5?Ma as archived in the East China Seas: Controlling factors and global significance. Global and Planetary Change 250,DOI: 10.1016/j.gloplacha.2025.104807
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092181812500116X
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