晚始新世以来印度洋长期增强的南亚风化输入 | Science Bulletin

中国科学院海洋研究所万世明研究团队以“Enhanced weathering input from South Asia to the Indian Ocean since the late Eocene”为题于Science Bulletin 2023年第3期发表了南亚硅酸盐风化演变的新进展。该研究提供了晚始新世以来南亚风化长期增强的海水Nd同位素证据，揭示了喜马拉雅构造隆升及硅酸盐风化增强在晚新生代全球变冷中的重要驱动作用。

该文第一作者为中国科学院海洋研究所博士后宋泽华，通讯作者为中国科学院海洋研究所万世明研究员和法国巴黎萨克雷大学Christophe Colin教授（通讯作者），合作单位包括自然资源部第一海洋研究所等。

研究团队利用孟加拉湾沉积岩芯中的浮游有孔虫钕同位素记录，提供了晚始新世以来南亚风化长期增强的关键证据，揭示了喜马拉雅构造隆升及其硅酸盐风化增强在新生代全球变冷中的重要驱动作用。

新生代地球气候经历了剧烈的变化：以整体变冷和南北两极相继发育大冰盖为基本特征，而大气CO₂浓度的逐渐降低被认为是新生代长期变冷趋势的关键因素。但是，其降低的原因是由于构造活动引起的地球内部排气作用所主导，还是青藏高原隆升-风化/有机碳埋藏所驱动，迄今仍然充满争论。这些假说很大程度上基于数值模拟研究，缺乏可靠量化的新生代风化剥蚀记录，尤其缺少强烈影响全球风化通量平衡的喜马拉雅-青藏高原地区的长期风化记录。因此，建立新生代喜马拉雅长时间序列风化通量演变，揭示其与构造-气候变化的联系，是回答新生代气候变冷问题的关键。

恒河–雅鲁藏布江作为全球沉积物输送量最大的河流系统，新生代向孟加拉湾直接输送了来自喜马拉雅和青藏高原东南部的巨量陆源剥蚀物质。

研究人员聚焦于拥有独特地理位置的孟加拉湾，利用大洋钻探计划（ODP）758站岩芯中的浮游有孔虫放射性Nd同位素记录重建了晚始新世以来印度洋北部海水Nd同位素的长期演变（图1&2），并将其与印度洋中部海水钕同位素记录进行对比而剔除印度洋水团影响，其二者差值（∆ε_Nd）的变化趋势被用以指示来自南亚的大陆风化输入对印度洋的贡献。

图1 南亚区域地质、研究站位及孟加拉湾海水盐度和ε_Nd剖面图

图2 晚始新世以来印度洋北部（ODP 758站）与印度洋中部（铁锰结壳）的海水Nd同位素记录

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基于此，研究人员提出了一个新的风化指标：∆ε_Nd（印度洋北部与中部海水ε_Nd差值），利用二者ε_Nd值的差异来指示喜马拉雅陆源Nd输入的相对贡献。第四纪记录表明，间冰期期间南亚季风降水的增多导致喜马拉雅区域更强的风化剥蚀，最终向孟加拉湾释放了更多的陆源Nd输入。因此，冰期-间冰期尺度∆ε_Nd指标的应用可以为构造时间尺度风化输入的解释提供潜在方法。

如图2和3所示，ODP 758站有孔虫ε_Nd值呈现长期变负的趋势，且其与同岩芯碎屑组分ε_Nd值和黏土矿物比值蒙脱石/(伊利石+绿泥石)显示出截然不同的长期变化，但在21 Ma、8 Ma、6 Ma和3 Ma显示出与陆源通量相同的增长趋势，这表明758站有孔虫Nd同位素组成不受沉积物物源和风化程度变化的影响，而主要反映了南亚陆源风化的长期输入演变。

图3  ODP 758站沉积物源、有孔虫ε_Nd值和陆源通量演变对比

研究人员将新指标∆ε_Nd应用在构造时间尺度上，利用ODP 758站有孔虫重建的晚始新世以来印度洋北部海水Nd同位素组成与铁锰结壳重建的印度洋中部海水Nd同位素记录进行对比（图2），二者差值（∆ε_Nd）的变化趋势可指示来自南亚的大陆风化输入对印度洋的贡献。

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结果显示∆ε_Nd呈现长期增长的趋势（图4），表明晚新生代南亚风化的长期增强。其中，25~13 Ma和5~0 Ma南亚风化输入的快速增强时期分别对应了晚渐新世-中新世喜马拉雅造山带的快速隆起期和早上新世青藏高原东南部增长与北半球冰盖形成时期，这表明了南亚区域构造与风化的耦合演化。

现代观测表明，喜马拉雅源-汇系统主要的河流流域硅酸盐风化每年共消耗~1.6×10¹² mol的CO₂，约占全球河流硅酸盐风化通量的30%。研究发现，在南亚大陆风化增强期间，大气CO₂浓度也显示出整体下降的趋势；与此同时，∆ε_Nd长期增强与全球海水Li和Sr同位素指示的大陆风化趋势相似（图4）。这些证据暗示喜马拉雅构造隆升引起的硅酸盐风化增强对于晚新生代全球变冷有着重要驱动作用。今后的研究需要结合模拟进一步准确定量南亚风化的碳汇效应及其长期演变。

图4 新生代南亚风化输入的演变及其与全球气候和构造事件的联系

该研究得到了中国大洋发现计划(IODP-China)、国家自然科学基金、国家重点研发项目等的支持。

Song Zehua, Wan Shiming, Christophe Colin, Christian France-Lanord, Yu Zhaojie, Arnaud Dapoigny, Jin Hualong, Li Mengjun, Zhang Jin, Zhao Debo, Shi Xuefa, Li Anchun. Enhanced weathering input from South Asia to the Indian Ocean since the late Eocene. Science Bulletin, 2023, 68(3): 305-313

https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.01.015

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