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同濟大學海洋地質國家重點實驗室鄧凱博士指出全球硅酸鹽風化因素

分類:特色新工科 發布日期:2022-04-15 發布人:溈徠

近日,同濟大學海洋地質國家重點實驗室鄧凱博士與合作者的最新研究成果“A global temperature control of silicate weathering intensity”在線發表于《自然·通訊》(Nature Communications)。該研究指出溫度是控制全球尺度硅酸鹽礦物風化程度的主要因素,并且在新生代全球變冷格局下,氣候—風化間的負反饋作用可能得到加強。這些認識對于深時古溫度重建和碳循環模擬等領域具有重要參考價值。

硅酸鹽礦物的化學風化過程可以從大氣中移除CO2,并且可通過負反饋機制來維持地球氣候的長期宜居性。這一機制的關鍵在于硅酸鹽風化過程對于地表溫度的響應強度。盡管硅酸鹽風化的溫度效應已經在室內試驗以及小流域研究中被觀察到,但在更大的時空尺度上卻常被其他因素掩蓋。后續的研究逐漸轉向其他驅動機制來闡述氣候—風化反饋,包括水文調控和構造抬升等。因此,硅酸鹽風化過程如何響應并調控氣候,以及地質歷史時期中氣候—風化反饋強度如何變化,至今仍然是碳循環和表生地球化學領域中的熱門話題。

針對這一經典科學問題,該研究采用將今論古的思路,搜集了全球河流細粒沉積物的元素數據(n=3828)以計算硅酸鹽風化程度指標——化學蝕變指數(CIA),并提取相應流域的氣候、巖性、地貌和植被等環境因子進行對比,從而能夠解析硅酸鹽風化程度的主控因素及其地質意義。


同濟大學海洋地質國家重點實驗室鄧凱博士指出全球硅酸鹽風化因素(圖1)


研究發現,在大陸尺度上,硅酸鹽礦物的風化程度主要受控于地表溫度,而降水以及地形—巖性等參數的控制僅局限于區域尺度。此外,溫度對硅酸鹽風化的主要過程之一,即長石類礦物的水解(由CIA約束),具有非線性的控制作用:隨著溫度升高,長石水解過程對于溫度的響應逐漸減弱。該研究推斷,這一現象是由風化礦物類型的轉變導致的:在全球尺度上,隨著氣溫升高,更具化學反應性的斜長石迅速虧損,而溶解速率常數更低的正長石則逐漸成為可風化的主要礦物。


同濟大學海洋地質國家重點實驗室鄧凱博士指出全球硅酸鹽風化因素(圖2)


地表溫度與硅酸鹽風化程度間的內在聯系具有顯著地質意義。一方面,該研究基于大量數據提出了沉積物硅酸鹽風化程度指標與地表溫度的經驗關系式,并能夠合理地重建地質歷史時期中氣候冷/暖事件中的古氣溫變化。更為重要的是,長石類礦物風化過程在大尺度上對于溫度變化的非線性響應暗示著地表的可風化性或風化反饋強度在地質歷史時期中可能也存在變化:當地球氣候轉冷時,氣候—風化反饋可能得以加強。換言之,在新生代全球變冷的大格局下,地表的可風化性可能逐漸升高。相應地,硅酸鹽風化過程會更有能力維持百萬年尺度上氣候的穩定性。


同濟大學海洋地質國家重點實驗室鄧凱博士指出全球硅酸鹽風化因素(圖3)


鄧凱博士為論文第一作者和通訊作者,我校海洋與地球科學學院楊守業教授為共同通訊作者,合作者還包括同濟大學海洋地質國家重點實驗室郭玉龍博士。該項研究得到國家自然科學基金等項目的資助。


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