海洋所揭示第四紀(jì)冰期旋回中?。粎R區(qū)硅酸鹽風(fēng)化過程及機(jī)制
近日,中國科學(xué)院海洋研究所古海洋與古環(huán)境研究組和海洋沉積與古氣候研究組在Nature旗下地學(xué)期刊Communications Earth & Environment發(fā)表在線論文,通過耦合全球地球化學(xué)模型與多種機(jī)器學(xué)習(xí)算法,重建了過去70萬年內(nèi)?。粎R區(qū)地表硅酸鹽風(fēng)化通量的演變歷史,進(jìn)而量化了海平面變化對(duì)硅酸鹽風(fēng)化過程的影響,并揭示了強(qiáng)降水在冰期風(fēng)化碳匯效應(yīng)增強(qiáng)中的協(xié)同作用,這為理解第四紀(jì)冰期-間冰期旋回中關(guān)鍵區(qū)域碳循環(huán)的調(diào)控機(jī)制提供了新視角與新方法。
印-太交匯區(qū)是全球最重要的碳匯區(qū)域之一,這里寬廣的陸架、較高的溫度和充沛的降水,使其具有成為第四紀(jì)冰期-間冰期旋回中地表硅酸鹽風(fēng)化碳匯的潛在可能。但前人針對(duì)該區(qū)域的相關(guān)研究工作較少,僅基于少數(shù)鉆孔記錄零星地探討了海平面變化對(duì)冰期時(shí)陸架風(fēng)化作用的影響,進(jìn)而難以從整體上準(zhǔn)確評(píng)估印-太交匯區(qū)陸架風(fēng)化在第四紀(jì)冰期-間冰期旋回中的碳匯效應(yīng)。針對(duì)該關(guān)鍵科學(xué)問題,本研究首先基于地球化學(xué)模型GEOCLIM,并結(jié)合HadCM3古氣候模型數(shù)據(jù)集,模擬了過去12萬年內(nèi)該區(qū)域地表硅酸鹽風(fēng)化通量的演變歷史。其結(jié)果顯示:冰期時(shí)的風(fēng)化通量普遍高于間冰期,其平均增幅約為6%,而在極端低海平面時(shí)(如距今5.8萬年左右)的增幅可達(dá)33%(圖1a)。這一變化與冰期時(shí)巽他等陸架的廣泛暴露密切相關(guān),表明海平面的下降顯著促進(jìn)了該區(qū)域的地表硅酸鹽風(fēng)化過程。

圖1?GEOCLIM模型的主要輸入與輸出結(jié)果
此外,為了查明多個(gè)冰期-間冰期旋回中研究區(qū)的風(fēng)化演變歷史,本研究引入了多種機(jī)器學(xué)習(xí)方法(如隨機(jī)森林、集成學(xué)習(xí)及深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)),對(duì)過去70萬年內(nèi)的風(fēng)化通量進(jìn)行了系統(tǒng)重建。其模擬結(jié)果表明:風(fēng)化通量與海平面變化間具有顯著的負(fù)相關(guān)性,并表現(xiàn)出明顯的10萬年周期(圖2e)。這從數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)角度進(jìn)一步印證了海平面波動(dòng)對(duì)該區(qū)域硅酸鹽風(fēng)化過程的重要調(diào)控作用。

圖2?機(jī)器學(xué)習(xí)模型的主要輸入與輸出結(jié)果
本研究還進(jìn)一步評(píng)估了不同的降水條件對(duì)印-太交匯區(qū)硅酸鹽風(fēng)化作用的影響,其結(jié)果顯示:在極端低海平面時(shí)期(如距今5.8萬年左右),若疊加上基于模型輸出和巖芯記錄的顯著降水增強(qiáng)條件,研究區(qū)硅酸鹽風(fēng)化通量的提升幅度更是高達(dá)54~130%(圖3)。這說明第四紀(jì)冰期時(shí)除了海平面下降所提供的背景條件之外,水文條件的增強(qiáng)亦是推動(dòng)硅酸鹽風(fēng)化碳匯效應(yīng)增強(qiáng)的關(guān)鍵因素,二者共同塑造了此時(shí)印-太交匯區(qū)的重要碳匯角色。

圖3?冰期?。粎R區(qū)硅酸鹽風(fēng)化對(duì)不同降水條件的響應(yīng)
本研究基于地球化學(xué)模型模擬與機(jī)器學(xué)習(xí)算法的融合,系統(tǒng)探討了第四紀(jì)冰期-間冰期旋回中?。粎R區(qū)的硅酸鹽風(fēng)化演變歷史及其碳匯效應(yīng)。當(dāng)海平面下降時(shí),研究區(qū)內(nèi)寬廣陸架的出露提供了硅酸鹽風(fēng)化作用增強(qiáng)的前提條件,而強(qiáng)降雨則進(jìn)一步促進(jìn)了該反應(yīng)的進(jìn)程。在二者的協(xié)同作用下,?。粎R區(qū)在第四紀(jì)冰期階段成為重要的碳匯,并對(duì)大氣中溫室氣體CO2濃度的降低產(chǎn)生了不可忽視的貢獻(xiàn)。該成果不僅深化了學(xué)術(shù)界對(duì)于熱帶硅酸鹽風(fēng)化碳循環(huán)過程的理解,也為綜合利用多學(xué)科方法深入研究全球變化機(jī)理提供了重要參考。
論文第一作者為中國科學(xué)院海洋研究所楊逸飛博士研究生,通訊作者為徐兆凱研究員和趙德博副研究員,共同作者為萬世明研究員。本研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。
論文信息:
Yifei Yang, Zhaokai Xu*, Debo Zhao*, Shiming Wan, 2026. Rainfall amplified sea-level control on silicate weathering in the Indo-Pacific Convergence Zone during Quaternary glacials. Communications Earth & Environment.?https://doi.org/10.1038/s43247-026-03219-2
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