海洋所在邊緣海海水釹同位素示蹤大陸風化演變方面取得新進展
近日,Nature Index期刊Geochimica et Cosmochimica Acta在線發(fā)表了由中國科學院海洋研究所牽頭,聯(lián)合中南大學、法國巴黎薩克雷大學、法國海洋開發(fā)研究院、倫敦大學學院等團隊完成的綜述論文。該研究創(chuàng)新性地將邊緣海海水釹同位素應用于大陸風化輸入歷史的追溯,系統(tǒng)揭示了其在季節(jié)、千年、軌道及百萬年時間尺度上對大陸風化輸入的響應特征,構建了晚始新世以來喜馬拉雅風化歷史的完整演化框架,為理解構造運動、氣候變化與大陸風化的深層聯(lián)系提供了新途徑。
在百萬年時間尺度上,硅酸鹽風化通過消耗大氣CO2成為驅動氣候變化與碳循環(huán)的關鍵過程。新生代以來,“隆升-風化”假說提出板塊碰撞導致大陸高原隆升,進而促進大陸風化并消耗大氣CO2,可能引發(fā)全球氣候變冷。這一假說雖被視為新生代氣候變冷機制研究的重要突破,但仍存在諸多爭議。例如,盡管證據(jù)支持青藏高原隆升導致風化增強,但其碳循環(huán)平衡機制尚未明確;構造穩(wěn)定區(qū)響應氣候變冷、通過負反饋降低大氣CO2濃度的理論框架,也缺乏沉積記錄驗證。此外,模擬顯示熱帶島弧風化對新生代氣候變冷的貢獻遠超預期,但其地質演變與氣候效應仍不清晰。準確重建局部區(qū)域風化輸入通量演變,成為檢驗上述猜想的關鍵,但現(xiàn)有指標和記錄難以有效解決這一問題。

圖1 海水釹元素的來源及其控制機制示意圖
傳統(tǒng)硅酸鹽風化指標(如礦物/元素組成)僅能表征風化強度,無法重建輸入通量變化;而海水溶解態(tài)鍶、鋨、鋰等元素雖主要源自陸地風化,但其同位素比值受全球混合影響,停留時間遠超海洋水團混合周期(約1000年),導致新生代記錄反映的是全球陸地風化的混合結果,無法精確重建局部區(qū)域輸入通量。相比之下,釹元素在海洋中的滯留時間僅約600年,短于水團混合周期,使其同位素分布具有空間異質性。這種異質性主要受控于鄰近局部地表風化輸入通量變化,且釹同位素對生物過程不敏感,輸入組成不受粒度效應或風化強度顯著影響。因此,受陸源輸入強烈影響的邊緣海區(qū)海水釹同位素組成,成為追溯大陸風化輸入的理想示蹤劑。

圖2 千年和軌道時間尺度北印度洋海水釹同位素記錄對比
基于此,研究以孟加拉灣為驗證場,通過分析恒河-布拉馬普特拉河系統(tǒng)季節(jié)性風化輸入(εNd組成:-18至-14)與印度洋水團(εNd值:-9至-7)的混合特征,揭示了季風降水驅動的風化輸入通量變化?,F(xiàn)代海水εNd值顯示明顯緯度梯度,6月樣品比11月樣品更富放射性,清晰反映了季節(jié)性風化輸入差異。在千年時間尺度上,盡管冷事件期間εNd值略偏放射性,但整體變率不顯著;而在軌道時間尺度上,孟加拉灣海水εNd值呈現(xiàn)顯著的冰期-間冰期變化,間冰期(如MIS 1和5階段)為非放射性(εNd約-10至-12),冰期為偏放射性(εNd約-7至-8),區(qū)域變化達2~5 εNd單位,與南亞夏季風強度變化同步。

圖3 晚始新世以來北印度洋海水釹與鍶、鋰同位素記錄對比及其定量重建的南亞大陸風化輸入演變
在百萬年尺度上,孟加拉灣海水εNd值自晚始新世(約-7)至現(xiàn)今(-10)呈長期降低趨勢,揭示了晚新生代青藏高原隆升導致的南亞大陸風化輸入持續(xù)增強?;诂F(xiàn)代季節(jié)性風化輸入與海水釹同位素絕對值的關系,研究首次實現(xiàn)了過去風化輸入的定量評估:喜馬拉雅風化輸入自晚漸新世(2500萬年前)逐漸增加,中新世中期(1500萬年前)達現(xiàn)代水平的一半,經(jīng)約700萬年穩(wěn)定期后,自晚中新世(800萬年前)快速上升,至晚更新世達到現(xiàn)代水平。
除孟加拉灣外,邊緣海海水釹同位素記錄追溯區(qū)域風化輸入的方法已成功應用于南海和東印度洋。未來仍需在更多邊緣海獲取海水釹同位素記錄,以解決區(qū)域風化輸入的差異性演化問題,并進一步研究礦物分異、早期成巖作用、沉積速率及氧化還原條件對邊界交換和底棲通量的影響。
論文第一作者為中國科學院海洋研究所于兆杰研究員,共同通訊作者為萬世明研究員和法國巴黎薩克雷大學Christophe Colin教授,合作者包括海洋所宋澤華、康曉瑩和靳華龍,中南大學黃怡,法國海洋開發(fā)研究院Germain Bayon、倫敦大學學院David J. Wilson博士。該研究得到了國家和山東省自然科學基金等項目支持。
論文信息:
Yu, Z., Song, Z., Tang, X., Wilson, D.J., Bayon, G., Huang, Y., Kang, X., Jin, H., Wan, S.*, Colin, C.*, 2025. Neodymium isotopes in marginal seawater trace continental weathering inputs. Geochimica et Cosmochimica Acta.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S001670372500674X#ab005
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