海洋所研究揭示熱帶西太平洋島弧隆升與風(fēng)化歷史
近日,國(guó)際地學(xué)期刊Geophysical Research Letters《地球物理研究通訊》(Nature Index)在線刊發(fā)了中國(guó)科學(xué)院海洋研究所萬世明研究團(tuán)隊(duì)在晚新生代西太平洋島弧風(fēng)化方面的最新研究成果。研究團(tuán)隊(duì)與法國(guó)巴黎薩克雷大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等單位開展合作,基于國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃IODP 368航次在南海北部鉆探獲取的沉積物巖芯,重建了晚漸新世以來南海北部海水釹(Nd)同位素演化歷史。研究發(fā)現(xiàn)晚中新世約9百萬年前以來熱帶西太平洋島弧構(gòu)造活動(dòng)引起的火山巖風(fēng)化顯著增強(qiáng),為晚新生代全球變冷提供了關(guān)鍵的碳匯證據(jù)。
在地質(zhì)時(shí)間尺度上,硅酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化消耗大氣CO?,是影響地球長(zhǎng)期碳循環(huán)和氣候演變的主要過程。相較于大陸花崗巖,基性或超基性的島弧火山巖風(fēng)化速率高出近一個(gè)數(shù)量級(jí),因此島弧風(fēng)化對(duì)全球碳循環(huán)可能有重要貢獻(xiàn)。然而,在新生代全球氣候顯著變冷的過程中,島弧硅酸鹽風(fēng)化的長(zhǎng)期演變歷史仍不清楚,導(dǎo)致其在新生代變冷中的作用尚不明確。長(zhǎng)久以來,傳統(tǒng)的沉積礦物或元素指標(biāo)用于指示風(fēng)化程度,無法表征風(fēng)化通量變化,而通量正是衡量風(fēng)化碳匯效應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)。針對(duì)以上問題,研究團(tuán)隊(duì)前期工作利用在海水中滯留時(shí)間較短的Nd元素,建立了海水Nd同位素追蹤風(fēng)化通量演變的新方法。本研究將該方法應(yīng)用于南海,以南海北部IODP U1501站位沉積物巖芯為研究材料,通過分析浮游有孔蟲殼體的Nd同位素組成,首次重建了約28百萬年前以來東亞大陸與熱帶西太平洋島弧風(fēng)化產(chǎn)物輸入南海的演變歷史。

圖1 全球及南海海水Nd同位素記錄站位及大洋環(huán)流格局
研究結(jié)果表明,自28百萬年前以來南海北部U1501站位海水Nd同位素變化幅度達(dá)3.6個(gè)εNd單位,且呈現(xiàn)明顯的階段性長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。通過與南大洋和太平洋水團(tuán)Nd同位素長(zhǎng)期演化記錄,以及西太平洋島弧構(gòu)造演化歷史的綜合對(duì)比,結(jié)果揭示在28~17百萬年期間南海北部海水Nd同位素值接近赤道–北太平洋深水水團(tuán)端元,這和該時(shí)期南海處于開放狀態(tài)、與太平洋深水交換強(qiáng)烈有關(guān)。而在17~9百萬年期間,受菲律賓群島向北逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)及南海東部巖石圈向菲律賓海板塊俯沖的影響,呂宋海峽逐漸形成,南海與太平洋深水交換由此受限。與此同時(shí),因青藏高原隆升及東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng),華南大陸向南海的陸源物質(zhì)輸入通量顯著增加。因此,該時(shí)期逐漸減弱的太平洋水團(tuán)侵入,疊加增強(qiáng)的東亞大陸陸源物質(zhì)輸入,共同導(dǎo)致研究站位Nd同位素顯著負(fù)偏。此后,約9百萬年前以來,呂宋島弧與歐亞大陸的弧陸碰撞加劇,導(dǎo)致東南亞島弧快速隆升與火山巖廣泛暴露風(fēng)化,從而向西太平洋及南海輸入更多放射性Nd,最終引起研究站位海水Nd同位素顯著正偏。

圖2 晚新生代南海海水Nd同位素記錄及其與構(gòu)造活動(dòng)和氣候變化對(duì)比
本研究基于南海過去約28百萬年以來的海水Nd同位素記錄,提供了晚中新世以來熱帶西太平洋島弧隆升-風(fēng)化增強(qiáng)的關(guān)鍵地質(zhì)證據(jù),并揭示出島弧風(fēng)化不僅對(duì)晚新生代全球氣候變冷可能有重要貢獻(xiàn),而且其風(fēng)化產(chǎn)物對(duì)大洋海水Nd同位素組成產(chǎn)生了重要影響。
論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院海洋研究所博士李夢(mèng)君,通訊作者為萬世明和于兆杰研究員。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)、泰山學(xué)者項(xiàng)目的支持。
論文信息:Mengjun Li, ChristopheColin, Shiming Wan*, Zhaojie Yu*, Zhimin Jian, Zehua Song, Arnaud Dapoigny, Hualong Jin, Jin Zhang, Debo Zhao, Anchun Li, 2025. Tectonic Modulated Weathering Inputs from the East Asian Continent and Tropical Island Arc to the South China Sea Since the Late Oligocene. Geophysical Research Letters,52, e2024GL114500.
https://doi.org/10.1029/2024GL114500
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