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【前沿可以领彩金的网站】Nature:新近纪全球变冷驱动因素是陆表风化强度增强而非风化通量增大
2019-10-25 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  工业革命以来大气CO2浓度持续增加,全球气候变暖问题受到世界各国政府、科学界和社会的广泛关注。然而,如果从人类尺度延伸至构造尺度(百万年),全球气候变化的显著特点是自新生代尤其是新近纪以来呈现出长期变冷的趋势,同时伴随着构造运动、大气CO2浓度的降低、南北两极冰盖的出现和发展(Zachos et al., 2001)。究竟什么因素驱动了新生代以来全球气候的长期变冷,是科学家们自19世纪初期以来一直在寻找并试图解决的重大科学问题。 

  随着研究送彩金200的网站大白菜的深入,构造隆升驱动气候变化假说(Raymo and Ruddiman, 1992)成为解释新生代全球变冷的重要观点。该假说认为构造隆升可通过两种途径影响全球气候变化:(1)高原隆升导致的大气-海洋环流格局变化直接影响气候变化;(2)构造隆升导致地表硅酸盐岩化学风化作用增强,使大气CO2浓度下降,从而间接引起全球温度变化(Ruddiman, 1997)(图1)。以Raymo Ruddiman为代表的很多学者,通过将新生代全球构造抬升与大陆化学风化、全球气候变化等联系在一起,认为由于构造隆升运动的加剧,引起大陆化学风化速率增强,导致大气CO2浓度的下降,对全球气候变冷具有重要且深远的影响。 

1  构造隆升驱动气候变化假说模型(Raymo and Ruddiman, 1992)

  大陆化学风化主要包括碳酸盐岩风化和硅酸盐岩风化。由于碳酸盐岩风化主要是岩石中白云石或方解石的酸解作用,在这一化学反应过程中,1个陆地碳酸盐分子溶解,产生了1个大气CO2分子,因此对于陆地碳酸盐岩风化而言,不影响大气中的CO2浓度;而硅酸盐岩的风化作用则主要是将大气CO2分子转变成为碳酸盐沉积下来,在长时间尺度上对大气中的CO2浓度下降具有显著影响。因此,对全球气候变化具有深远影响的大陆化学风化通常指硅酸盐岩风化。在探讨风化过程时,需要特别强调风化强度和风化速率(或风化通量)的差别。风化强度是沉积物受风化改造的程度。风化速率,一般换算成硅酸盐岩风化速率,即单位时间(单位面积)陆表硅酸盐岩化学剥蚀量(或厚度)。如何示踪大陆化学风化速率(或风化通量) 

  海洋Sr同位素组成主要是为幔源和壳源。整个新生代时期全球海底扩张等地球内部运动的平均速率变化较小,早在1948Wickman就已经提出海洋Sr同位素在全球范围内是均一的;而陆地来源的Sr同位素则主要由陆地风化作用控制,且多数为放射性成因的Sr。由于高原隆升等构造活动可引起大规模的构造热事件,使岩石发生变质和部分熔融等作用,从而扰动和破坏矿物的Rb-Sr体系,使放射性成因的Sr同位素迁移到易风化矿物中,导致风化产物中放射性成因Sr同位素增加,并借由河流作用进入海洋。通过对比Sr同位素与地质历史时期中发生的构造事件,Raymo and Ruddiman (1992)认为海水Sr同位素变化可作为全球地表化学风化的替代性指标, 87Sr/86Sr比值高,即指示硅酸盐岩风化速率高。 

  沉积盆地记录等显示全球侵蚀速率自中新世以来增加2-10(Zhang et al., 2001),基于热年代学推断的剥蚀速率显示在过去的8 Ma期间山体侵蚀增加了2-4(Herman et al., 2013)。剥蚀通量越大,则意味着风化通量越高。海洋87Sr/86Sr比值的增高,一直以来被认为是大陆硅酸岩风化通量增大从而导致新近纪以来全球变冷的证据。然而,有研究显示海洋87Sr/86Sr比值与未风化全岩的87Sr/86Sr比值相近(Bataille et al., 2017),由于受剥蚀方式、源区母岩同位素组成等的影响,海洋87Sr/86Sr能否用于示踪大陆硅酸盐岩风化通量非常值得质疑。 

  亥姆霍兹波茨坦中心德国地学中心的von Blanckenburg研究团队,建议用来源于大陆剥蚀的海水溶解的稳定同位素9Be与海水溶解的恒定的大气稳定同位素10Be的比值作为替代性指标。他们相关的研究表明,海水和海洋Fe-Mn壳的10Be/9Be比值均显示12 Ma以来全球大陆硅酸盐岩风化通量基本没有发生变化(Willenbring and von Blanckenburg, 2010),说明全球变冷在时间、空间上对平均风化速率的影响不大。因此,他们认为晚中新世以来的脉冲式山体隆升既不是全球气候变化的直接因素也不是必然结果。然而,只有恒定的化学风化通量,并无法解释同时期的大气CO2浓度降低以及化学风化通量稳定的情况下为什么全球气候依然在变冷。 

  经典假设认为硅酸盐风化通量是对气候的负反馈,CO2浓度的变化导致大气温度和径流的变化,进而改变化学风化通量;与上述依靠改变风化通量来解释全球变冷的假设相反,增加硅酸盐风化有效性可以更有效地去除碳,从而降低CO2浓度,整个过程中风化通量无变化(Berner and Caldeira, 1997)。然而,尚无直接的数据来约束这种效率变化的精确机制。 

  通过浮游有孔虫重建的古近纪以来的海水锂同位素记录显示δ7Li浓度的快速增加,与构造抬升加快及大陆剥蚀速率增加相一致(Misra and Froelich, 2012)。由于Li同位素可指示陆地风化过程中形成的粘土的相对数量以及硅酸盐风化强度,Be同位素可指示进入洋盆的硅酸盐风化通量。在此研究背景下,为了鉴定上述机制,苏黎世联邦理工学院Rugenstein与亥姆霍兹波茨坦中心德国地学中心的von Blanckenburg合作将这两个对风化敏感同位素(7Li/6Li, 10Be/9Be)的风化带过程嵌入到碳循环的长期模型中,建立了CLiBeSO-W模型,用这个模型来确定与新近纪海洋δ7Li 10Be/9Be记录和大气CO2浓度记录相匹配所需的地质驱动力(Rugenstein et al., 2019),相关成果发表于Nature 

  模拟结果显示过去16 Ma以来,要同时降低大气CO2浓度、增加海水7Li/6Li比值和保持恒定的海水10Be/9Be比值,则必须增加陆地表面的反应性(即陆表风化强度)。他们发现在剥蚀增加的情况下,即使全球硅酸盐岩风化强度降低,但是全球硅酸盐岩风化通量依然保持稳定(图2)。因此,新近纪的长期全球变冷反映了剥蚀、风化和侵蚀分区的变化。剥蚀分区变化和随之而来的硅酸盐风化强度变化,使海洋同位素、侵蚀记录与碳循环中质量平衡的需要保持一致,而整个过程并不需要增加硅酸盐风化通量。因此,他们认为新近纪以来的全球变冷驱动因素是陆表反应性(风化强度)的增强而非风化通量的增大。 

2  基于CLiBeSO-W模型重建的16Myr-0Myr期间风化和碳循环结果(Rugenstein et al., 2019)

  综上可知,风化强度与风化速率变化可能并不同步,如长期稳定的风化物风化强度可能很高,但其平均风化速率可能不大。经典认识是化学风化速率与物理剥蚀速率几乎线性相关,近期的研究则显示物理剥蚀速率超过一定界限,化学风化速率(或风化通量)会降低,这使得构造隆升驱动气候变化假说的核心受到质疑。 

  因此,要想进一步理解新近纪全球变冷的驱动因素,首先需要厘清构造抬升历史、CO2变化历史、风化剥蚀历史等,尤其是直接通过陆相沉积指标所重建的风化剥蚀历史,将上述变化进行综合,通过模拟手段来探讨构造运动-风化-CO2-气候变化历史之间的关联,进而揭示新近纪全球变冷的驱动因素。 

  主要参考文献 

  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.链接 

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

  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. 链接 

  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. 链接 

  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.链接 

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

  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.链接 

  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.链接 

  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.链接 

  (撰稿:张春霞/新生代室)

 
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