晚新生代以來全球氣候變冷到底是“氣候反饋”還是“構(gòu)造抬升”的結(jié)果？一直是地球科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)之一，存在著不同觀點(diǎn)和激烈爭論。到底是什么機(jī)制主導(dǎo)著大氣CO2濃度的變化是爭論的根源。作為調(diào)控長時(shí)間尺度大氣CO2變化的核心機(jī)制，硅酸鹽巖風(fēng)化又是爭論根源的焦點(diǎn)，而如何有效示蹤硅酸鹽巖風(fēng)化又是焦點(diǎn)中的焦點(diǎn)。那么，河水和海水的δ7Li是否能有效示蹤大陸硅酸鹽巖風(fēng)化呢？其主導(dǎo)的控制因素到底是什么？
中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所張飛副研究員和金章東研究員，聯(lián)合來自英國杜倫大學(xué)、牛津大學(xué)、澳大利亞國立大學(xué)等單位的科學(xué)家形成的國際團(tuán)隊(duì)，開展了現(xiàn)代季節(jié)性到深時(shí)尺度的全球河流和海洋Li同位素大數(shù)據(jù)組網(wǎng)研究。他們從青海湖流域兩個(gè)毗鄰的、不同巖性的布哈河和沙柳河的季節(jié)性Li同位素變化出發(fā)，發(fā)現(xiàn)季節(jié)性河水δ7Li明顯受控于徑流，表現(xiàn)為低δ7Li值對(duì)應(yīng)于雨季的高徑流量，δ7Li值與徑流呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)。隨后，他們又進(jìn)一步測(cè)試并匯總了全球其他河流的季節(jié)性δ7Li及流量數(shù)據(jù)。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從高緯度到赤道均一致展示了河流δ7Li對(duì)水文變化的敏感響應(yīng)，即：氣候變干，河水δ7Li升高；氣候變濕，河水δ7Li降低。
由此，他們提出，這些全球一致的δ7Li變化反映了水巖反應(yīng)時(shí)間的變化：旱季高的δ7Li值歸因于長的水巖反應(yīng)時(shí)間，形成了更多的二次礦物，導(dǎo)致更高比例的6Li被黏土吸附，更多的7Li進(jìn)入到河水。該重要發(fā)現(xiàn)也得到了室內(nèi)玄武巖和黃土溶解實(shí)驗(yàn)結(jié)果的證實(shí)。
他們通過進(jìn)一步空間大尺度對(duì)比研究也顯示同樣結(jié)果：中高緯平坦低地河流具有普遍低的徑流及高的δ7Li值，而熱帶低地及活躍造山帶河流具有高的徑流及低的δ7Li值。
張飛和金章東等認(rèn)為：在不同時(shí)間尺度上，河水和海水δ7Li也受水文主導(dǎo)，從冰期-間冰期石筍記錄，到新生代MMCO、EECO、PETM等關(guān)鍵時(shí)段，乃至深時(shí)尺度的海洋無氧事件（OAE1a、OAE2）以及更古老的晚奧陶紀(jì)冰河期的雪球地球事件（~4.45億年前）。在已有研究文獻(xiàn)中，將形成1700~1500萬年期間的溫暖期稱為中中新世氣候適宜期（Middle Miocene climatic optimum, 簡稱MMCO）；而在5200~5000萬年，全球溫度達(dá)到最高值，稱為早始新世氣候適宜期（EECO）；在古新世與始新世界線(P/E)時(shí)期的短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了一件全球性增溫（變暖）事件，稱為古新世-始新世極熱 (PETM)事件，是發(fā)生在早新生代的一次極端碳循環(huán)擾動(dòng)和全球變暖事件，主要表現(xiàn)為大氣CO2濃度快速增加和全球增溫，地表溫度增加了5～6℃，高低緯度間溫度梯度減小，同時(shí)伴隨有水循環(huán)加快及大規(guī)模生物滅絕、演替和遷徙現(xiàn)象。白堊紀(jì)大洋缺氧事件(OAEs)則記錄了顯著的氣候變化，代表了溫室氣候下全球性的碳循環(huán)擾動(dòng)，而阿普第期(Aptian)早期記錄的大洋缺氧事件(OAE 1a)是中生代最重要的環(huán)境變化事件之一，大洋缺氧事2(OAE2)是白堊紀(jì)中期(~12000-9000萬年)溫室氣候狀態(tài)下出現(xiàn)的一次短暫而影響深遠(yuǎn)的全球性重大古海洋與古氣候事件，對(duì)全球大洋沉積,海洋生物演替，以及全球碳循環(huán)等地球化學(xué)過程等產(chǎn)生了嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，被認(rèn)為是研究地球系統(tǒng)在溫室狀態(tài)下受擾動(dòng)而發(fā)生快速氣候變化的一個(gè)范例。
“需要特別指出的是，PETM、OAE1a、OAE2等短期極端事件僅僅持續(xù)了<100萬年時(shí)間，而海水δ7Li變化幅度竟可以高達(dá)13‰。”金章東強(qiáng)調(diào)說。為此，他們提出，單獨(dú)的氣候驅(qū)動(dòng)的水文變化在短時(shí)間尺度上足以產(chǎn)生顯著的δ7Li變化。進(jìn)一步地表明，晚新生代以來逐漸減弱的陸地徑流（通過增加水巖反應(yīng)時(shí)間）及模型預(yù)測(cè)均可以解釋海水δ7Li值9‰的上升。
“最為關(guān)鍵的是5000萬年以來海水δ7Li上升完美匹配了歐亞板塊大西洋和太平洋兩側(cè)降雨量的減弱?！?張飛博士說。
季節(jié)到深時(shí)尺度河水和海水的δ7Li變化
那么，減弱的水文循環(huán)如何調(diào)節(jié)晚新生代以來大陸硅酸鹽巖風(fēng)化和碳循環(huán)呢？作者在文章中闡述表明：在從全球活躍造山帶和平坦低地的64條河流數(shù)據(jù)來看，徑流與硅酸鹽巖風(fēng)化速率呈現(xiàn)良好的正相關(guān)。這意味著晚新生代全球減弱的水文循環(huán)將降低大陸風(fēng)化通量。該結(jié)果得到現(xiàn)代過程的有力支持，即全球徑流減少1%會(huì)降低0.4-0.7%的大陸河流溶質(zhì)通量。這也和喜馬拉雅山周邊記錄顯示的1600萬年以來減少的風(fēng)化速率一致。因此，上述研究結(jié)果也對(duì)“構(gòu)造-風(fēng)化-氣候”經(jīng)典假說提出了新的質(zhì)疑。
相關(guān)研究領(lǐng)域的專家認(rèn)為，水文對(duì)不同時(shí)間尺度Li同位素控制觀點(diǎn)的提出，將為利用Li同位素重建地球歷史時(shí)期水文變化提供巨大潛力，并激發(fā)有關(guān)不同時(shí)間尺度全球水文變化如何影響大陸風(fēng)化和碳循環(huán)的科學(xué)探索。
河流δ7Li及徑流、侵蝕和風(fēng)化速率的關(guān)系
以上相關(guān)研究成果發(fā)表于在線新出版的《自然通訊》（Nature Communications）。中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所張飛副研究員為第一/通訊作者、金章東研究員為共同通訊作者。
文章相關(guān)信息：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-31076-y
該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)和青促會(huì)的經(jīng)費(fèi)支持。
