近日，國際綜合性期刊Science Bulletin在線發(fā)表了中國科學(xué)院海洋研究所、法國巴黎薩克雷大學(xué)、法國巖石與地球化學(xué)國家研究中心、自然資源部第一海洋研究所等單位合作的最新研究成果“Enhanced weathering input from South Asia to the Indian Ocean since the late Eocene”。研究團隊基于印度洋北部浮游有孔蟲釹同位素沉積記錄，首次提供了晚始新世以來南亞風(fēng)化長期增強的關(guān)鍵證據(jù)，揭示了喜馬拉雅構(gòu)造隆升及硅酸鹽風(fēng)化增強在新生代全球變冷中的重要驅(qū)動作用。
新生代地球氣候經(jīng)歷了劇烈的變化：以整體變冷和南北兩極相繼發(fā)育大冰蓋為基本特征，而大氣CO2濃度的逐漸降低被認(rèn)為是新生代長期變冷趨勢的關(guān)鍵因素。但是，其降低的原因是由于構(gòu)造活動引起的地球內(nèi)部排氣作用所主導(dǎo)，還是青藏高原隆升-風(fēng)化/有機碳埋藏所驅(qū)動，迄今仍然充滿爭論。這些假說很大程度上基于數(shù)值模擬研究，缺乏可靠量化的新生代風(fēng)化剝蝕記錄，尤其缺少強烈影響全球風(fēng)化通量平衡的喜馬拉雅-青藏高原地區(qū)的長期風(fēng)化記錄。因此，建立新生代喜馬拉雅長時間序列風(fēng)化通量演變，揭示其與構(gòu)造-氣候變化的聯(lián)系，是回答新生代氣候變冷問題的關(guān)鍵。
恒河–雅魯藏布江作為全球沉積物輸送量最大的河流系統(tǒng)，新生代向孟加拉灣直接輸送了來自喜馬拉雅和青藏高原東南部的巨量陸源剝蝕物質(zhì)。因此，研究人員聚焦于擁有獨特地理位置的孟加拉灣，利用國際大洋鉆探計劃(ODP)758站巖芯中的浮游有孔蟲放射性Nd同位素記錄重建了晚始新世以來印度洋北部海水Nd同位素的長期演變（圖1&2），并將其與印度洋中部海水釹同位素記錄進行對比而剔除印度洋水團影響，其二者差值( Nd)的變化趨勢被用以指示來自南亞的大陸風(fēng)化輸入對印度洋的貢獻(xiàn)。
浮游有孔蟲因其碳酸鹽殼上的自生鐵錳覆層可以吸附海水中的溶解態(tài)Nd，其 Nd值代表了該區(qū)域底層海水的釹同位素組成。眾多研究表明大陸邊緣的溶解態(tài)Nd同位素特征與大陸剝蝕過程密切相關(guān)。孟加拉灣海水 Nd值分布呈現(xiàn)出明顯的南北梯度（圖1c），這是由于來自喜馬拉雅大河流域（如恒河–雅魯藏布江河流系統(tǒng)）的陸源輸入( Nd: -16至-10)與來自南大洋的水團輸入( Nd: -9至-7)具有截然不同的Nd同位素特征所造成，表明了印度洋深層水團與南亞大陸風(fēng)化輸入的二端元混合。
基于此，研究人員提出了一個新的風(fēng)化指標(biāo)： Nd（印度洋北部與中部海水 Nd差值），利用二者 Nd值的差異來指示喜馬拉雅陸源Nd輸入的相對貢獻(xiàn)。第四紀(jì)記錄表明，間冰期期間南亞季風(fēng)降水的增多導(dǎo)致喜馬拉雅區(qū)域更強的風(fēng)化剝蝕，最終向孟加拉灣釋放了更多的陸源Nd輸入。因此，冰期-間冰期尺度 Nd指標(biāo)的應(yīng)用可以為構(gòu)造時間尺度風(fēng)化輸入的解釋提供潛在方法。
如圖2和3所示，ODP 758站有孔蟲 Nd值呈現(xiàn)長期變負(fù)的趨勢，且其與同巖芯碎屑組分 Nd值和粘土礦物比值蒙脫石/(伊利石+綠泥石)顯示出截然不同的長期變化，但在21 Ma、8 Ma、6 Ma和3 Ma顯示出與陸源通量相同的增長趨勢，這表明758站有孔蟲Nd同位素組成不受沉積物物源和風(fēng)化程度變化的影響，而主要反映了南亞陸源風(fēng)化的長期輸入演變。
研究人員將新指標(biāo) Nd應(yīng)用在構(gòu)造時間尺度上，利用ODP 758站有孔蟲重建的晚始新世以來印度洋北部海水Nd同位素組成與鐵錳結(jié)殼重建的印度洋中部海水Nd同位素記錄進行對比(圖2)，二者差值( Nd)的變化趨勢可指示來自南亞的大陸風(fēng)化輸入對印度洋的貢獻(xiàn)。結(jié)果顯示 Nd呈現(xiàn)長期增長的趨勢（圖4），顯示了晚新生代南亞風(fēng)化的長期增強。其中，25-13 Ma和5-0 Ma南亞風(fēng)化輸入的快速增強時期分別對應(yīng)了晚漸新世-中新世喜馬拉雅造山帶的快速隆起期和早上新世青藏高原東南部增長與北半球冰蓋形成時期，這表明了南亞區(qū)域構(gòu)造與風(fēng)化的耦合演化?，F(xiàn)代觀測表明，喜馬拉雅源-匯系統(tǒng)主要的河流流域硅酸鹽風(fēng)化每年共消耗~1.6 1012 mol的CO2，約占全球河流硅酸鹽風(fēng)化通量的30%。對比發(fā)現(xiàn)，在南亞大陸風(fēng)化增強期間，大氣CO2濃度也顯示出整體下降的趨勢；與此同時， Nd長期增強與全球海水Li和Sr同位素指示的大陸風(fēng)化趨勢相似（圖4）。這些證據(jù)均暗示喜馬拉雅構(gòu)造隆升引起的硅酸鹽風(fēng)化增強對于晚新生代全球變冷有著重要驅(qū)動作用。
本研究是迄今北印度洋地區(qū)最長且連續(xù)的有孔蟲Nd同位素記錄，對于理解喜馬拉雅構(gòu)造隆升、風(fēng)化和新生代氣候演化具有重要科學(xué)意義。
論文的第一作者為中國科學(xué)院海洋研究所博士后宋澤華，通訊作者為海洋所萬世明研究員和巴黎薩克雷大學(xué)Christophe Colin教授。本研究得到了中國大洋發(fā)現(xiàn)計劃（IODP-China）、國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、泰山和鰲山學(xué)者項目等的支持。
論文信息：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.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927323000312
圖1 南亞區(qū)域地質(zhì)、研究站位及孟加拉灣海水鹽度和 Nd剖面圖
圖2 晚始新世以來印度洋北部（ODP 758站）與印度洋中部（鐵錳結(jié)殼）的海水Nd同位素記錄
圖3 ODP 758站沉積物源、有孔蟲 Nd值和陸源通量演變對比
圖4 新生代南亞風(fēng)化輸入的演變及其與全球氣候和構(gòu)造事件的聯(lián)系
