解密：水文主導(dǎo)河流和海水Li 同位素變化

張 飛，金章東

中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710061

晚新生代以來全球氣候變冷到底是受“氣候反饋”還是“構(gòu)造抬升”控制一直是地球科學(xué)研究的前沿?zé)狳c之一，存在不同觀點和激烈爭論，大量論文發(fā)表在Nature 和Science 上（Molnar and England，1990；Raymo and Ruddiman，1992；Willenbring and von Blanckenburg，2010；Caves Rugenstein et al，2019）。其爭論的根源在于：到底是什么機制主導(dǎo)著硅酸鹽巖風(fēng)化，進而調(diào)控著大氣CO2濃度的變化？Misra and Froelich（2012）在Science 發(fā)表了68 Ma 以來海水Li 同位素（δ7Li）的變化曲線，提出海水δ7Li 值可以反映造山帶風(fēng)化，并認為新生代以來海水δ7Li 值增加9‰是構(gòu)造抬升導(dǎo)致風(fēng)化增強的結(jié)果。該文的發(fā)表掀起了Li 同位素示蹤大陸風(fēng)化的浪潮，再次刺激了“構(gòu)造 — 風(fēng)化 — 氣候”內(nèi)在聯(lián)系的新一輪爭議（Caves et al，2016；Penniston-Dorland et al，2017；Caves Rugenstein et al，2019；Si and Rosenthal，2019；Clift and Jonell，2021）。那么，海水的δ7Li 是否能有效示蹤硅酸鹽巖風(fēng)化呢？其主導(dǎo)的控制因素到底是什么？

最近，Zhang et al（2022）開展了現(xiàn)代季節(jié)性到深時尺度的全球河流和海洋Li 同位素大數(shù)據(jù)組網(wǎng)研究。從青海湖流域兩個毗鄰的、不同巖性的布哈河和沙柳河的季節(jié)性Li 同位素變化出發(fā)，發(fā)現(xiàn)季節(jié)性河水δ7Li 明顯受控于徑流，表現(xiàn)為低δ7Li 值對應(yīng)于雨季的高徑流量，δ7Li 值與徑流呈現(xiàn)顯著負相關(guān)。隨后，他們進一步測試并匯總了全球其他河流的季節(jié)性δ7Li 及流量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)從高緯度到赤道均一致展示了河流δ7Li 對水文變化的敏感響應(yīng)，即：氣候變干，河水δ7Li 升高；氣候變濕，河水δ7Li 降低。由此提出：這些全球一致的δ7Li 變化反映了水巖反應(yīng)時間的變化 —— 旱季高的δ7Li 值歸因于長的水巖反應(yīng)時間，形成了更多的二次礦物，導(dǎo)致更高比例的6Li 被黏土吸附，更多的7Li 進入到河水。該重要發(fā)現(xiàn)也得到了室內(nèi)玄武巖和黃土溶解實驗結(jié)果的證實。

進一步空間上全球64 條河流的對比也顯示同樣結(jié)果：中高緯平坦低地河流具有普遍低的徑流及高的δ7Li 值，而熱帶低地及活躍造山帶河流具有高的徑流及低的δ7Li 值。

更令人興奮的是，在不同時間尺度上，河水和海水δ7Li 也受水文主導(dǎo) —— 從冰期-間冰期石筍記錄，到新生代MMCO、EECO、PETM 等關(guān)鍵時段，乃至深時尺度的海洋無氧事件（OAE1a、OAE2）以及更古老的晚奧陶紀冰河期的雪球地球事件（距今約445 Ma）（圖1）。需要特別指出的是，PETM、OAE1a、OAE2 等短期極端事件僅僅持續(xù)了＜1 Ma 時間，而海水δ7Li 變化幅度竟高達13‰。Zhang et al（2022）由此提出：單獨的氣候驅(qū)動的水文變化在不同時間尺度上足以產(chǎn)生顯著的δ7Li 變化。進一步地，晚新生代以來逐漸減弱的陸地徑流（通過增加水巖反應(yīng)時間）及模型預(yù)測均可以解釋海水δ7Li 值9‰的上升。最為關(guān)鍵的是，50 Ma 以來海水δ7Li 上升完美匹配了歐亞板塊大西洋和太平洋兩側(cè)降雨量的減弱（Utescher et al，2015）。

那么，減弱的水文循環(huán)如何調(diào)節(jié)晚新生代以來大陸硅酸鹽巖風(fēng)化和碳循環(huán)呢？從全球活躍造山帶和平坦低地的64 條河流數(shù)據(jù)來看，徑流與硅酸鹽巖風(fēng)化速率呈現(xiàn)良好的正相關(guān)，這意味著晚新生代全球減弱的水文循環(huán)將降低大陸風(fēng)化通量。該結(jié)果得到現(xiàn)代過程的有力支持，即全球徑流減少1%會降低0.4% — 0.7%的大陸河流溶質(zhì)通量（Maher and Chamberlain，2014；West et al，2005）。這也和喜馬拉雅山周邊記錄顯示的16 Ma 以來減少的風(fēng)化速率一致（Clift and Jonell，2021）。上述研究對“構(gòu)造 — 風(fēng)化 — 氣候”經(jīng)典假說提出了新的質(zhì)疑。

更有意義的是，水文對Li 同位素控制觀點的提出，將統(tǒng)一目前國際上對河流和海水Li 同位素分餾機制的爭論，為利用Li 同位素重建地球歷史時期水文變化提供巨大潛力，并激發(fā)有關(guān)不同時間尺度全球水文變化如何影響大陸風(fēng)化和碳循環(huán)的科學(xué)探索。此外，這也是與硅酸鹽巖風(fēng)化緊密關(guān)聯(lián)的，跨越了從現(xiàn)代季節(jié)性到末次冰期循環(huán)一直延展到深時雪球地球事件（距今約445 Ma）等一系列時間尺度，唯一一個非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素能反映一致解釋機制的最新成果。

圖1 季節(jié)到深時尺度河水和海水的δ7Li 變化Fig. 1 Temporal evolution of δ7Li on various timescales ranging from days to months, millennial, and million years

致謝：本文得到國家自然科學(xué)基金（41991322，41930864）、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B 類）和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會（E029070299）的經(jīng)費支持。