渐新世是古近纪全球温室气候向新近纪冷室气候过渡的关键阶段。该时期大气CO2浓度长期显著降低，而全球温度变化较小，并伴随着高纬地区变暖，以及火山活动释放CO2量的增加。在此背景下，大气CO2浓度降低的原因，至今仍是未解之谜。大陆硅酸盐化学风化是调控构造时间尺度大气CO2变化的主要碳汇机制。前人研究表明，构造隆升会导致新鲜硅酸盐的暴露，从而增强陆表风化度（风化度：给定大气CO2浓度下，陆表硅酸盐风化速率），提升硅酸盐化学风化反馈强度，进而导致全球降温以及CO2浓度的降低。那么渐新世大气CO2浓度降低是否与陆表风化度的升高有关，现在尚不明确。因此，在气候变化显著的构造活跃地区召开硅酸盐化学风化研究，对于理解渐新世大气CO2浓度下降之谜具有重要启示意义。
青藏高原现今平均海拔超过4,500 m，面积约为2.5×106 km2。如此巨大高原的形成不仅产生了大量可风化的新鲜矿物，而且高原隆升过程还导致了亚洲气候的重组，因此青藏高原是探讨上述科学问题的理想区域。高原腹地的尼玛盆地保存了陆续在的新生代河湖相地层（图1），近年来科学家在此召开了大量的构造隆升及其气候环境效应研究，为该研究综合探讨化学风化-气候-构造隆升之间的关系给予了契机。中国科研实验室地质与地球物理研究所-岩石圈演化与环境演变全国重点实验室-环境演变与碳循环学科中心（沉积与地球环境学科组）博士生王学婷、靳春胜研究员、孙继敏研究员，联合中国科研实验室青藏高原研究所杨一博研究员、阮笑白博士、博士生严忠义及布朗大学Daniel E. Ibarra副教授，以尼玛盆地达则错剖面晚渐新世的河湖相沉积序列为研究对象，召开分粒级元素地球化学、粘土矿物学研究，重建了该区硅酸盐化学风化历史，以揭示构造隆升、侵蚀、季风演化、硅酸盐化学风化及CO2消耗之间的相互作用关系。
图1 尼玛盆地地质概况及剖面位置。（A为渐新世侵蚀通量增加的流域位置图；B中红点为ODSN重建的26 Ma时尼玛盆地的古位置，黑点为前人古地磁重建的25.1–22.3 Ma期间盆地古纬度，红线为前人模拟的ITCZ；C图右侧粗蓝线指示达则错剖面所在；D为剖面上部照片，显示21个绿层）
粒度效应校正后的粘土粒级化学蚀变指数CIAc和粘土矿物伊利石和绿泥石含量表明，在构造时间尺度上，硅酸盐蚀变程度在南亚季风增强之前（~25.8 Ma）相对较强且稳定，在~25.8 Ma之后硅酸盐蚀变程度长期降低（图2D–图2E）。在轨道时间尺度上，硅酸盐蚀变程度具有明显的强-弱旋回特征，特别是在25.8-23.2 Ma期间强-弱波动更为显著。谱分析显示强-弱旋回周期约405 kyr，与地球轨道理论长偏心率周期同相（图2D、图2E、图2G）。结合全球海表温度、降水指标色度和χfd/HIRM，以及全岩中>63 μm粗颗粒百分含量，他们发现在轨道时间尺度上，高硅酸盐蚀变程度响应于高温、高降水和高的粗颗粒百分含量（图2A–图2F）。
图2 达则错剖面晚渐新世的古气候、化学风化、CO2消耗速率重建及其与全球气候对比。（A为全球海表温度-来自文献；B和C为χfd/HIRM和红度指标，指示古降水变化；D和E为粒度效应校正后的粘土粒级化学蚀变指数CIAc和粘土矿物伊利石和绿泥石之和，指示硅酸盐蚀变程度；F为全岩中>63 μm的粗颗粒百分含量；B–F中蓝色线代表405-kyr滤波；G为理论偏心率-来自文献；H为沉积速率；I为计算所得硅酸盐CO2消耗速率）
研究发现，在构造时间尺度上，~25.8 Ma之后硅酸盐蚀变程度长期降低，可能是青藏高原构造隆升及随同的南亚季风降水强化导致侵蚀和风化机制改变所致（图3A）。具体而言，青藏高原构造隆升和南亚季风降水强化致使剥蚀加强，供应大量可风化的新鲜矿物，陆表风化度增强，此时风化机制由“供应限制”转变为“动力学限制”。在轨道时间尺度上，硅酸盐化学蚀变程度强-弱旋回呈显著的405-kyr长偏心率周期，其中，硅酸盐蚀变程度和季风降水的振幅在~25.8 Ma之后都明显增大（图2B–图2E），重建的硅酸盐风化对大气CO2的消耗速率几乎增加了两倍，表明硅酸盐风化对气候的反馈强度显著增加（图2I，图3B）。陆表风化度和气候-风化反馈增强导致CO2消耗通量增加，进而有可能导致大气CO2浓度降低。鉴于渐新世全球侵蚀速率普遍增加（图4），结合计算和模拟，他们认为该时期陆表风化度增强和气候-风化反馈加强可能是渐新世大气CO2浓度降低的主控因素。
图3 陆表风化度的变化。（A为该研究揭示的侵蚀加剧导致陆表风化度增强的流程图，B为模拟的风化曲线，显示了全球风化速率变化对pCO2的依赖性。Fsw为全球风化速率，k为陆表风化度，n为硅酸盐风化反馈强度，k0为现代陆表风化度相当于现今火山释放CO2的速率5 × 1012 mol C yr–1。①代表早渐新世低陆表风化度和高CO2浓度的稳定状态，②代表晚渐新世高陆表风化度和低CO2浓度的状态）
图4 全球主要流域盆地的沉积通量和pCO2的重建（来自他人文献）。（A为在特定时间输入海洋的100个最高河流沉积通量的模拟结果，橙色星代表对海洋沉积通量的现代估计；B为根据青藏高原东北部新生代沉积物的碎屑磷灰石裂变径迹数据得出的滞后时间；C–H为流域盆地沉积通量的重建；I为风化反馈的相对强度，归一化到现代值；深灰色和蓝色线代表两种不同的CO2评估情景。阴影表示在给定pCO2平均值并考虑硅酸盐风化通量中的1σ不确定性时，风化反馈相对强度的估计范围；J为大气CO2重建）
该研究揭示了硅酸盐风化在构造和轨道时间尺度上对构造和气候过程的不同响应机制，为理解化学风化-气候-构造之间的相互作用给予了新的视角。此外，该研究首次获取了陆表风化度和气候-风化反馈增强导致渐新世大气CO2浓度降低的地质记录，这一发现深化了当前对构造与气候重大转型下地质碳循环如何平衡的认知。
研究结果发表于国际学术期刊EPSL（王学婷，杨一博*，Daniel E. Ibarra，阮笑白，严忠义，孙继敏，靳春胜*. Oligocene atmospheric CO2 drawdown linked to increased land surface weatherability [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2025, 665: 119462. DOI: 10.1016/j.epsl.2025.119462.）。研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科研实验室战略先导专项以及二次青藏科考的联合资助。
王学婷（博士生）
