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【前沿報道】Nature:新近紀全球變冷驅動因素是陸表風化強度增強而非風化通量增大
2019-10-25 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  工業革命以來大氣CO2濃度持續增加,全球氣候變暖問題受到世界各國政府、科學界和社會的廣泛關注。然而,如果從人類尺度延伸至構造尺度(百萬年),全球氣候變化的顯著特點是自新生代尤其是新近紀以來呈現出長期變冷的趨勢,同時伴隨著構造運動、大氣CO2濃度的降低、南北兩極冰蓋的出現和發展(Zachos et al., 2001)。究竟什么因素驅動了新生代以來全球氣候的長期變冷,是科學家們自19世紀初期以來一直在尋找并試圖解決的重大科學問題。 

  隨著研究工作的深入,構造隆升驅動氣候變化假說(Raymo and Ruddiman, 1992)成為解釋新生代全球變冷的重要觀點。該假說認為構造隆升可通過兩種途徑影響全球氣候變化:(1)高原隆升導致的大氣-海洋環流格局變化直接影響氣候變化;(2)構造隆升導致地表硅酸鹽巖化學風化作用增強,使大氣CO2濃度下降,從而間接引起全球溫度變化(Ruddiman, 1997)(圖1)。以Raymo Ruddiman為代表的很多學者,通過將新生代全球構造抬升與大陸化學風化、全球氣候變化等聯系在一起,認為由于構造隆升運動的加劇,引起大陸化學風化速率增強,導致大氣CO2濃度的下降,對全球氣候變冷具有重要且深遠的影響。 

1  構造隆升驅動氣候變化假說模型(Raymo and Ruddiman, 1992)

  大陸化學風化主要包括碳酸鹽巖風化和硅酸鹽巖風化。由于碳酸鹽巖風化主要是巖石中白云石或方解石的酸解作用,在這一化學反應過程中,1個陸地碳酸鹽分子溶解,產生了1個大氣CO2分子,因此對于陸地碳酸鹽巖風化而言,不影響大氣中的CO2濃度;而硅酸鹽巖的風化作用則主要是將大氣CO2分子轉變成為碳酸鹽沉積下來,在長時間尺度上對大氣中的CO2濃度下降具有顯著影響。因此,對全球氣候變化具有深遠影響的大陸化學風化通常指硅酸鹽巖風化。在探討風化過程時,需要特別強調風化強度和風化速率(或風化通量)的差別。風化強度是沉積物受風化改造的程度。風化速率,一般換算成硅酸鹽巖風化速率,即單位時間(單位面積)陸表硅酸鹽巖化學剝蝕量(或厚度)。如何示蹤大陸化學風化速率(或風化通量) 

  海洋Sr同位素組成主要是為幔源和殼源。整個新生代時期全球海底擴張等地球內部運動的平均速率變化較小,早在1948Wickman就已經提出海洋Sr同位素在全球范圍內是均一的;而陸地來源的Sr同位素則主要由陸地風化作用控制,且多數為放射性成因的Sr。由于高原隆升等構造活動可引起大規模的構造熱事件,使巖石發生變質和部分熔融等作用,從而擾動和破壞礦物的Rb-Sr體系,使放射性成因的Sr同位素遷移到易風化礦物中,導致風化產物中放射性成因Sr同位素增加,并借由河流作用進入海洋。通過對比Sr同位素與地質歷史時期中發生的構造事件,Raymo and Ruddiman (1992)認為海水Sr同位素變化可作為全球地表化學風化的替代性指標, 87Sr/86Sr比值高,即指示硅酸鹽巖風化速率高。 

  沉積盆地記錄等顯示全球侵蝕速率自中新世以來增加2-10(Zhang et al., 2001),基于熱年代學推斷的剝蝕速率顯示在過去的8 Ma期間山體侵蝕增加了2-4(Herman et al., 2013)。剝蝕通量越大,則意味著風化通量越高。海洋87Sr/86Sr比值的增高,一直以來被認為是大陸硅酸巖風化通量增大從而導致新近紀以來全球變冷的證據。然而,有研究顯示海洋87Sr/86Sr比值與未風化全巖的87Sr/86Sr比值相近(Bataille et al., 2017),由于受剝蝕方式、源區母巖同位素組成等的影響,海洋87Sr/86Sr能否用于示蹤大陸硅酸鹽巖風化通量非常值得質疑。 

  亥姆霍茲波茨坦中心德國地學中心的von Blanckenburg研究團隊,建議用來源于大陸剝蝕的海水溶解的穩定同位素9Be與海水溶解的恒定的大氣穩定同位素10Be的比值作為替代性指標。他們相關的研究表明,海水和海洋Fe-Mn殼的10Be/9Be比值均顯示12 Ma以來全球大陸硅酸鹽巖風化通量基本沒有發生變化(Willenbring and von Blanckenburg, 2010),說明全球變冷在時間、空間上對平均風化速率的影響不大。因此,他們認為晚中新世以來的脈沖式山體隆升既不是全球氣候變化的直接因素也不是必然結果。然而,只有恒定的化學風化通量,并無法解釋同時期的大氣CO2濃度降低以及化學風化通量穩定的情況下為什么全球氣候依然在變冷。 

  經典假設認為硅酸鹽風化通量是對氣候的負反饋,CO2濃度的變化導致大氣溫度和徑流的變化,進而改變化學風化通量;與上述依靠改變風化通量來解釋全球變冷的假設相反,增加硅酸鹽風化有效性可以更有效地去除碳,從而降低CO2濃度,整個過程中風化通量無變化(Berner and Caldeira, 1997)。然而,尚無直接的數據來約束這種效率變化的精確機制。 

  通過浮游有孔蟲重建的古近紀以來的海水鋰同位素記錄顯示δ7Li濃度的快速增加,與構造抬升加快及大陸剝蝕速率增加相一致(Misra and Froelich, 2012)。由于Li同位素可指示陸地風化過程中形成的粘土的相對數量以及硅酸鹽風化強度,Be同位素可指示進入洋盆的硅酸鹽風化通量。在此研究背景下,為了鑒定上述機制,蘇黎世聯邦理工學院Rugenstein與亥姆霍茲波茨坦中心德國地學中心的von Blanckenburg合作將這兩個對風化敏感同位素(7Li/6Li, 10Be/9Be)的風化帶過程嵌入到碳循環的長期模型中,建立了CLiBeSO-W模型,用這個模型來確定與新近紀海洋δ7Li 10Be/9Be記錄和大氣CO2濃度記錄相匹配所需的地質驅動力(Rugenstein et al., 2019),相關成果發表于Nature 

  模擬結果顯示過去16 Ma以來,要同時降低大氣CO2濃度、增加海水7Li/6Li比值和保持恒定的海水10Be/9Be比值,則必須增加陸地表面的反應性(即陸表風化強度)。他們發現在剝蝕增加的情況下,即使全球硅酸鹽巖風化強度降低,但是全球硅酸鹽巖風化通量依然保持穩定(圖2)。因此,新近紀的長期全球變冷反映了剝蝕、風化和侵蝕分區的變化。剝蝕分區變化和隨之而來的硅酸鹽風化強度變化,使海洋同位素、侵蝕記錄與碳循環中質量平衡的需要保持一致,而整個過程并不需要增加硅酸鹽風化通量。因此,他們認為新近紀以來的全球變冷驅動因素是陸表反應性(風化強度)的增強而非風化通量的增大。 

2  基于CLiBeSO-W模型重建的16Myr-0Myr期間風化和碳循環結果(Rugenstein et al., 2019)

  綜上可知,風化強度與風化速率變化可能并不同步,如長期穩定的風化物風化強度可能很高,但其平均風化速率可能不大。經典認識是化學風化速率與物理剝蝕速率幾乎線性相關,近期的研究則顯示物理剝蝕速率超過一定界限,化學風化速率(或風化通量)會降低,這使得構造隆升驅動氣候變化假說的核心受到質疑。 

  因此,要想進一步理解新近紀全球變冷的驅動因素,首先需要厘清構造抬升歷史、CO2變化歷史、風化剝蝕歷史等,尤其是直接通過陸相沉積指標所重建的風化剝蝕歷史,將上述變化進行綜合,通過模擬手段來探討構造運動-風化-CO2-氣候變化歷史之間的關聯,進而揭示新近紀全球變冷的驅動因素。 

  主要參考文獻 

  Bataille C P, Willis A, Yang X, et al. Continental igneous rock composition: A major control of past global chemical weathering[J]. Science Advances, 2017, 3(3): e1602183.鏈接 

  Berner R A, Caldeira K. The need for mass balance and feedback in the geochemical carbon cycle[J]. Geology, 1997, 25(10): 955-956. 鏈接 

  Rugenstein J K C, Ibarra D E, von Blanckenburg F. Neogene cooling driven by land surface reactivity rather than increased weathering fluxes[J]. Nature, 2019, 571(7763): 99-102. 鏈接 

  Herman F, Seward D, Valla P G, et al. Worldwide acceleration of mountain erosion under a cooling climate[J]. Nature, 2013, 504(7480): 423-426. 鏈接 

  Misra S, Froelich P N. Lithium isotope history of Cenozoic seawater: changes in silicate weathering and reverse weathering[J]. Science, 2012, 335(6070): 818-823.鏈接 

  Raymo M E, Ruddiman W F. Tectonic forcing of late Cenozoic climate[J]. Nature, 1992, 359(6391): 117-122.鏈接 

  Ruddiman W F. Tectonic Uplift and Climate Change[M]. Springer Science & Business Media, 1997.  

  Willenbring J K, von Blanckenburg F. Long-term stability of global erosion rates and weathering during late-Cenozoic cooling[J]. Nature, 2010, 465(7295): 211-214.鏈接 

  Zachos J, Pagani M, Sloan L, et al. Trends, rhythms, and aberrations in global climate 65 Ma to present[J]. Science, 2001, 292(5517): 686-693.鏈接 

  Zhang P Z, Molnar P, Downs W R. Increased sedimentation rates and grain sizes 2–4 Myr ago due to the influence of climate change on erosion rates[J]. Nature, 2001, 410(6831): 891-897.鏈接 

  (撰稿:張春霞/新生代室)

 
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