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NG:大陆弧主导的中古生代以来的全球化学风化
2021-10-13 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  在地质时间尺度(~1-10 Myr)上,地球的火山排气作用和硅酸盐化学风化会控制全球碳循环,进而调节地球气候。目前,造山活动(Edmond, 1992; Raymo and Ruddiman, 1992)、大陆弧岩浆活动(McKenzie et al., 2016)、热带地区弧-陆碰撞(Macdonald et al., 2019)等均被看作是全球化学风化通量的关键控制因素。在以往研究中,这些因素(或过程)常被看作单一因素或变量进行单独考虑,事实上,这些过程的发生通常是紧密耦合的。究竟哪种因素在控制全球化学风化通量中起主导作用,需要进一步明确。 

  为回答这一问题,英国南安普顿大学 Thomas M. Gernon 教授及其合作者构建了一个深时贝叶斯网络(deep-time Bayesian NetworkBN),利用经验排序相关性(CEmp)、贝叶斯网络排序相关性(CBN)和条件排序相关性(CCond)三种参数,以期定量刻画大陆弧长度、缝合带长度、陆块离散程度、洋壳增生、冰川纬度分布和大气CO2浓度等六种关键地质过程对全球化学风化通量(用海水的锶同位素组成即87Sr/86Srsw表示)的贡献(图1)。 

  结果表明,大陆弧长度(图1c)和87Sr/86Srsw值相关性最强(CEmp = -0.79CCond = -0.70;图2,图3a,图4a),即大陆弧火山作用增强会导致海水非放射性Sr的增加(或87Sr/86Srsw值降低),反之亦然(图2,图3a)。中生代全球大陆弧的长度(~37500 km)是现今(~14000 km)的三倍多(图1c),指示当时洋底扩张速率剧增(图1c-1d)。与此同时,87Sr/86Srsw值对大陆弧长度变化的响应也很迅速(<0.5 Myr)(图4a)。 

  近期有研究认为,热带地区弧-陆碰撞能够促进(超)基性岩的风化,导致pCO2降低,进而导致冰川增生(Macdonald et al., 2019)。与此同时,超基性岩的化学风化也会造成大量非放射成因锶通过河流输入海水,导致87Sr/86Srsw值降低,因此,两者应该表现为负相关性。然而,本研究模拟结果显示,弧-陆碰撞作用的强度(用缝合带长度来表征;图1e)和87Sr/86Srsw值具有显著的正相关性(图4b)。因此,作者推测弧-陆碰撞主要促进富含放射成因锶(即87Sr)的陆壳物质风化,而不是先前所认为的超基性岩的风化(Macdonald et al., 2019)。尽管如此,该观测结果仍与传统的构造隆升-风化假说相一致 (Edmond, 1992),即弧-陆碰撞能够通过造山、侵蚀作用促进富含放射成因锶的陆壳物质风化、移除大量CO2,进而引起全球降温(或冰川发育)。 

1 410 Ma至今全球构造、气候及海水87Sr/86Sr值演化趋势。(a)全球海陆格局。其中,粉色代表陆地,黑色代表现今海岸线轮廓,米黄色代表热带地区(距赤道±20°)的范围。(b)大气CO2浓度。黑色实线代表基于多重指标重建的结果,红色空心圆圈代表基于植烷的重建结果。深蓝色实线代表大陆冰盖的纬度分布,浅蓝色阴影区域代表冰川。(c)大陆弧长。(d)海底扩张速率。(e)缝合带长度。(f)陆块破碎指数(即陆块周长与面积的比值,用黑色实线表示)和位于赤道地区的陆块总面积(红色实线)。(g)海水87Sr/86Sr值演化趋势(红色实线),时间步长为0.25 Myr(h)海水87Sr/86Sr值经过标准化(即扣除地壳中放射性87Rb衰变的化学信号)后的演化趋势。上述各指标的最大(小)误差用灰色(或子图f中的粉色)阴影表示(Gernon et al., 2021

  与此同时,由于陆块越分散,海水的湿气便越容易到达陆块内部,因此,化学风化也对大陆离散程度(或海陆分布格局)较为敏感。本研究中,作者采用陆块的周长/面积比值来定量表示陆块的离散程度(图1f)。结果显示,大陆离散程度和87Sr/86Srsw值间具有中等至低的正相关性(CCond的最大值为0.31),这与陆块离散时期富含放射成因锶的陆壳物质风化增强一致。此外,CCond的最大值出现的时间同87Sr/86Srsw值变化存在~12.5-15 Myr的时间滞后(图4c),这与大陆解体后完成由裂谷-漂移至盆地连通所需的时间相当。更重要的是,这一时间滞后效应的存在对于正确解释大陆离散程度同海洋生物多样性间的成因联系至关重要(Fan et al., 2020)。 

  热带地区较高的温度和降雨量能够促进化学风化的进行,因此,位于热带地区的陆块面积增加也有可能会显著影响全球化学风化通量。然而,计算结果表明,尽管在过去400 Myr以来位于热带地区的陆地面积呈增加趋势(图1f),但对全球化学风化通量的贡献却可忽略不计,这可能同热带地区的土壤剖面较深且质地坚硬,因而不易被风化、搬运有关。类似地,大火成岩省(LIP)的时空分布仅和87Sr/86Srsw值具有极弱的相关性,可能源自LIP的地势相对平坦,因而无法贡献可观的风化通量。该结果表明LIP主要通过火山排气作用而非通过增强基性岩的化学风化来对环境造成扰动的。 

  通常认为,海底玄武岩蚀变或海底热液喷口的存在会导致87Sr/86Srsw值降低(Edmond, 1992),因此, 87Sr/86Srsw值与洋壳增生速率(本研究中用洋中脊的长度和扩张速率的乘积来表示)应该具有负相关性(图1d)。结果显示,洋壳增生速率与87Sr/86Srsw值确实表现为负相关关系,并且两者存在的滞后时间很短(图4d),可能与洋中脊轴部玄武岩的早期高温蚀变作用有关。此外,海底玄武岩蚀变对87Sr/86Srsw值的影响在玄武岩形成后约15-20 Myr后变得可以忽略不计,表明洋底此后不再向海水中输入非放射成因锶。这一结果与现有的热液模型及洋壳中次生矿物的观测结果吻合较好,说明~70%-80%的流体交换作用只发生在洋壳形成初期的20 Myr以内。此后,富含放射成因锶的陆壳物质风化开始主导87Sr/86Srsw变化,造成87Sr/86Srsw值与洋壳增生速率转变为正相关(图4d)。 

  冰量大小也会影响87Sr/86Srsw值的变化。研究发现冰量的纬度分布(图1b)同87Sr/86Srsw值具有显著的相关性(-0.72;图3b、图4e),支持冰川作用会增强陆壳风化的观点,这可能和冰川移动所致下伏基岩破碎后富含放射成因锶矿物(如黑云母)优先被风化有关。此外,观测结果表明,化学风化会改变大气CO2浓度(图1f),同时,CO2也会反过来影响化学风化(CEmp=-0.5887Sr/86Srsw值滞后CO2变化0.5-2.5Myr;图4f)。当滞后时间超过10 Myr时,CO287Sr/86Srsw值之间存在具有统计学意义的弱正相关性(图4f),表明二氧化碳浓度-硅酸盐风化负反馈机制可在数十个百万年时间尺度上存在。 

2 大陆弧长对海水锶同位素组成(87Sr/86Srw)的影响。(a)标准化后的87Sr/86Srw和大陆弧长度间的关系。垂直虚线表示短(小于16100 km)、中(16100-29300 km)和长(大于等于29300 km)不同长度的大陆弧。(b)标准化后的87Sr/86Srw值和大陆弧长的排序相关图,注意最小值排序为1Gernon et al., 2021

  上述分析表明,大陆弧的长度(尤其是在温室气候背景下)对全球化学风化通量的控制作用最为显著。这一结论与已有的实例研究及岛弧化学风化主导现今海水Sr循环的观测结果相一致(Allègre et al., 2010)。大陆弧长度和87Sr/86Srsw间表现出的强烈负相关性(图2,图3a,4a),也和其形成与分布控制了全球冰室-温室气候状态转换相一致(McKenzie et al., 2016)。 

3 大陆弧长和全球冰量分布对海水锶同位素组成(87Sr/86Srw)的影响。(a)大陆弧长的概率密度图,大陆弧长度范划分同图2。大陆弧长度越大,87Sr/86Srw值越低。(b)冰量纬度分布概率密度图,表明冰川分布的纬度越低,即冰川作用越发育,87Sr/86Srw值越高(Gernon et al., 2021

  大陆弧长度增加会增加CO2排气速率,有利于促进化学风化作用的进行。今天,大陆弧是地球表面地势最高、剥蚀速率最快的场所,向海水中源源不断地输入富Ca-Mg的硅酸盐风化产物。例如,安第斯山脉主导了进入亚马逊河中的溶解铁通量。此外,现今大陆弧的87Sr/86Sr平均值为0.7044,仅略高于典型的洋中脊玄武岩(MRB)和洋岛玄武岩(OIB)。因此,大陆弧的剥蚀、风化会造成87Sr/86Srsw值降低(图2-4)。与此同时,温室气候背景下洋底温度增加也会增强洋壳风化,进一步导致87Sr/86Srsw值降低。因此,大陆弧的长度主导了全球化学风化通量,从而驱动400 Ma以来87Sr/86Srsw值的变化。这一认识修正了87Sr/86Srsw值受控于洋壳和陆源风化通量相对贡献大小的传统认识。同时,该结论有助于解释温室气候背景下87Sr/86Srsw值却呈现低值的矛盾现象。 

4 表示关键地质过程与海水锶同位素组成(87Sr/86Srw)耦合关系示意图。a-f分别表示6种地质过程,即大陆弧长度(a)、缝合带长度(b)、陆块离散程度(c)、洋壳增生(d)、冰川纬度分布(e)和大气CO2浓度(f)。图中表示410-0.5 Ma区间内各个地质过程同87Sr/86Srw的相关性时采用0.5 Myr 的时间步长(考虑时间滞后共计720个时间步长)。CEmpCBNCCond是在050Myr的滞后时间区间内以2.5 Myr 的时间步长计算得到。滞后时间为0说明该过程发生在同一0.5 Myr的时间步长内。黑色数字表示CEmp的最大绝对值;如果单独考虑每个地质过程,该值则为主要的时间滞后。然而,由于自相关性以及互相依赖关系的存在,各个关键地质过程及其滞后时间需用CCond的峰值表示(红色数字)。水平虚线表示基于给定某一变量原始数据数量计算所得的99%置信区间(Gernon et al., 2021 

  此外,该研究的结论也表明,大陆弧扮演着地质空调的角色。当大陆弧长度较大时,CO2排气速率较高,导致化学风化增强,便会消耗过多的CO2,导致气候变冷;相反,当大陆弧的长度降低时,CO2排气速率降低,化学风化速率也随之降低,CO2消耗就会减小,气候相对转暖。正是通过这种对大气CO2浓度的自我调节作用,大陆弧能够在地质历史时期维系地球环境的宜居性。     

  主要参考文献 

  Allègre C J, Louvat P, Gaillardet J, et al. The fundamental role of island arc weathering in the oceanic Sr isotope budget[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2010, 292: 51-56. 

  Edmond J M. Himalayan tectonics, weathering processes, and the strontium isotope record in marine limestones[J]. Science, 1992, 258: 1594-1597. 

  Fan J X, Shen S Z, Erwin D H, et al. A high-resolution summary of Cambrian to Early Triassic marine invertebrate biodiversity[J]. Science, 2020, 367: 272-277. 

  Gernon T M, Hincks T K, Merdith A S, et al. Global chemical weathering dominated by continental arcs since the mid-Palaeozoic[J]. Nature Geoscience, 2021, 14: 690–696. 原文链接 

  Macdonald F A, Swanson-Hysell N L, Park Y, et al. Arc-continent collisions in the tropics set Earth's climate state[J]. Science, 2019, 364: 181-184. 

  McKenzie N R, Horton B K, Loomis S E, et al. Continental arc volcanism as the principal driver of icehouse-greenhouse variability[J]. Science, 2016, 352: 444-447. 

  Raymo M E, Ruddiman W F. Tectonic forcing of Late Cenozoic climate[J]. Nature, 1992, 359: 117-122.

  (撰稿:刘康,陈代钊/新生代室)

 
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