近日，國際地學期刊Geophysical Research Letters《地球物理研究通訊》（Nature Index）在線刊發了中國科學院海洋研究所萬世明研究團隊在晚新生代西太平洋島弧風化方面的最新研究成果。研究團隊與法國巴黎薩克雷大學、同濟大學等單位開展合作，基于國際大洋發現計劃IODP 368航次在南海北部鉆探獲取的沉積物巖芯，重建了晚漸新世以來南海北部海水釹（Nd）同位素演化歷史。研究發現晚中新世約9百萬年前以來熱帶西太平洋島弧構造活動引起的火山巖風化顯著增強，為晚新生代全球變冷提供了關鍵的碳匯證據。
在地質時間尺度上，硅酸鹽巖化學風化消耗大氣CO?，是影響地球長期碳循環和氣候演變的主要過程。相較于大陸花崗巖，基性或超基性的島弧火山巖風化速率高出近一個數量級，因此島弧風化對全球碳循環可能有重要貢獻。然而，在新生代全球氣候顯著變冷的過程中，島弧硅酸鹽風化的長期演變歷史仍不清楚，導致其在新生代變冷中的作用尚不明確。長久以來，傳統的沉積礦物或元素指標用于指示風化程度，無法表征風化通量變化，而通量正是衡量風化碳匯效應的關鍵參數。針對以上問題，研究團隊前期工作利用在海水中滯留時間較短的Nd元素，建立了海水Nd同位素追蹤風化通量演變的新方法。本研究將該方法應用于南海，以南海北部IODP U1501站位沉積物巖芯為研究材料，通過分析浮游有孔蟲殼體的Nd同位素組成，首次重建了約28百萬年前以來東亞大陸與熱帶西太平洋島弧風化產物輸入南海的演變歷史。
圖1 全球及南海海水Nd同位素記錄站位及大洋環流格局
研究結果表明，自28百萬年前以來南海北部U1501站位海水Nd同位素變化幅度達3.6個εNd單位，且呈現明顯的階段性長期變化趨勢。通過與南大洋和太平洋水團Nd同位素長期演化記錄，以及西太平洋島弧構造演化歷史的綜合對比，結果揭示在28~17百萬年期間南海北部海水Nd同位素值接近赤道–北太平洋深水水團端元，這和該時期南海處于開放狀態、與太平洋深水交換強烈有關。而在17~9百萬年期間，受菲律賓群島向北逆時針旋轉及南海東部巖石圈向菲律賓海板塊俯沖的影響，呂宋海峽逐漸形成，南海與太平洋深水交換由此受限。與此同時，因青藏高原隆升及東亞夏季風增強驅動，華南大陸向南海的陸源物質輸入通量顯著增加。因此，該時期逐漸減弱的太平洋水團侵入，疊加增強的東亞大陸陸源物質輸入，共同導致研究站位Nd同位素顯著負偏。此后，約9百萬年前以來，呂宋島弧與歐亞大陸的弧陸碰撞加劇，導致東南亞島弧快速隆升與火山巖廣泛暴露風化，從而向西太平洋及南海輸入更多放射性Nd，最終引起研究站位海水Nd同位素顯著正偏。
圖2 晚新生代南海海水Nd同位素記錄及其與構造活動和氣候變化對比
本研究基于南海過去約28百萬年以來的海水Nd同位素記錄，提供了晚中新世以來熱帶西太平洋島弧隆升-風化增強的關鍵地質證據，并揭示出島弧風化不僅對晚新生代全球氣候變冷可能有重要貢獻，而且其風化產物對大洋海水Nd同位素組成產生了重要影響。
論文第一作者為中國科學院海洋研究所博士李夢君，通訊作者為萬世明和于兆杰研究員。本研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院戰略先導科技專項、泰山學者項目的支持。
