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(wàn)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(kāi)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(lái)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(wàn)年前以來(lái)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(guò)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(guò)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(lái)，傳統(tǒng)的沉積礦物或元素指標(biāo)用于指示風(fēng)化程度，無(wú)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(wèn)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(guò)分析浮游有孔蟲(chóng)殼體的Nd同位素組成，首次重建了約28百萬(wàn)年前以來(lái)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(wàn)年前以來(lái)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(guò)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(wàn)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(kāi)放狀態(tài)、與太平洋深水交換強(qiáng)烈有關(guān)。而在17~9百萬(wàn)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(wàn)年前以來(lái)，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(guò)去約28百萬(wàn)年以來(lái)的海水Nd同位素記錄，提供了晚中新世以來(lái)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(wàn)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。
