海洋所研究揭示新生代喜马拉雅风化长期增强

　　近日，国际综合性期刊Science Bulletin在线发表了中国科学院海洋研究所、法国巴黎萨克雷大学、法国岩石与地球化学国家研究中心、自然资源部第一海洋研究所等单位合作的最新研究成果“Enhanced weathering input from South Asia to the Indian Ocean since the late Eocene”。研究团队基于印度洋北部浮游有孔虫钕同位素沉积记录，首次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硅酸盐风化增强在新生代全球变冷中的重要驱动作用。
 
" b- i/ \& E/ d* a　　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。因此，研究人员聚焦于拥有独特地理位置的孟加拉湾，利用国际大洋钻探计划(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(ΔεNd)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。
 
　　浮游有孔虫因其碳酸盐壳上的自生铁锰覆层可以吸附海水中的溶解态Nd，其εNd值代表了该区域底层海水的钕同位素组成。众多研究表明大陆边缘的溶解态Nd同位素特征与大陆剥蚀过程密切相关。孟加拉湾海水εNd值分布呈现出明显的南北梯度（图1c），这是由于来自喜马拉雅大河流域（如恒河–雅鲁藏布江河流系统）的陆源输入(εNd: -16至-10)与来自南大洋的水团输入(εNd: -9至-7)具有截然不同的Nd同位素特征所造成，表明了印度洋深层水团与南亚大陆风化输入的二端元混合。
 
　　基于此，研究人员提出了一个新的风化指标：ΔεNd（印度洋北部与中部海水εNd差值），利用二者εNd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ΔεNd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。
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　　如图2和3所示，ODP 758站有孔虫εNd值呈现长期变负的趋势，且其与同岩芯碎屑组分εNd值和粘土矿物比值蒙脱石/(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。
 
; b% g# S3 X7 H4 u8 B$ v　　研究人员将新指标ΔεNd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(ΔεNd)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。结果显示ΔεNd呈现长期增长的趋势（图4），显示了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%。对比发现，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，ΔεNd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）。这些证据均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。
 
8 Z+ r5 j, I( ^2 G, Q　　本研究是迄今北印度洋地区最长且连续的有孔虫Nd同位素记录，对于理解喜马拉雅构造隆升、风化和新生代气候演化具有重要科学意义。
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& |2 a/ N. w* L. v$ J/ S3 ^) \　　论文的第一作者为中国科学院海洋研究所博士后宋泽华，通讯作者为海洋所万世明研究员和巴黎萨克雷大学Christophe Colin教授。本研究得到了中国大洋发现计划（IODP-China）、国家自然科学基金、国家重点研发计划、泰山和鳌山学者项目等的支持。
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* y, _" i: n% n" ~7 B　　论文信息：Song, Z., Wan, S.*, Colin, C.*, France-Lanord, C., Yu, Z., Dapoigny, A., Jin, H., Li, M., Zhang, J., Zhao, D., Shi, X., Li, A., 2023. Enhanced weathering input from South Asia to the Indian Ocean since the late Eocene. Science Bulletin 68, DOI: 10.1016/j.scib.2023.01.015.
 
" y+ ~. K+ l* D8 X# e9 V/ u　　https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927323000312
 

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图1 南亚区域地质、研究站位及孟加拉湾海水盐度和εNd剖面图
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- q' i' t3 V7 x* I2 R7 |7 n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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图3 ODP 758站沉积物源、有孔虫εNd值和陆源通量演变对比
 
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- A! @4 c* y& d3 I! _3 k  P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