近日，国际地学期刊Geophysical Research Letters《地球物理研究通讯》（Nature Index）在线刊发了中国科学院海洋研究所万世明研究团队在晚新生代西太平洋岛弧风化方面的最新研究成果。研究团队与法国巴黎萨克雷大学、同济大学等单位开展合作，基于国际大洋发现计划IODP 368航次在南海北部钻探获取的沉积物岩芯，重建了晚渐新世以来南海北部海水钕（Nd）同位素演化历史。研究发现晚中新世约9百万年前以来热带西太平洋岛弧构造活动引起的火山岩风化显著增强，为晚新生代全球变冷提供了关键的碳汇证据。
在地质时间尺度上，硅酸盐岩化学风化消耗大气CO₂，是影响地球长期碳循环和气候演变的主要过程。相较于大陆花岗岩，基性或超基性的岛弧火山岩风化速率高出近一个数量级，因此岛弧风化对全球碳循环可能有重要贡献。然而，在新生代全球气候显著变冷的过程中，岛弧硅酸盐风化的长期演变历史仍不清楚，导致其在新生代变冷中的作用尚不明确。长久以来，传统的沉积矿物或元素指标用于指示风化程度，无法表征风化通量变化，而通量正是衡量风化碳汇效应的关键参数。针对以上问题，研究团队前期工作利用在海水中滞留时间较短的Nd元素，建立了海水Nd同位素追踪风化通量演变的新方法。本研究将该方法应用于南海，以南海北部IODP U1501站位沉积物岩芯为研究材料，通过分析浮游有孔虫壳体的Nd同位素组成，首次重建了约28百万年前以来东亚大陆与热带西太平洋岛弧风化产物输入南海的演变历史。
图1 全球及南海海水Nd同位素记录站位及大洋环流格局
研究结果表明，自28百万年前以来南海北部U1501站位海水Nd同位素变化幅度达3.6个εNd单位，且呈现明显的阶段性长期变化趋势。通过与南大洋和太平洋水团Nd同位素长期演化记录，以及西太平洋岛弧构造演化历史的综合对比，结果揭示在28~17百万年期间南海北部海水Nd同位素值接近赤道–北太平洋深水水团端元，这和该时期南海处于开放状态、与太平洋深水交换强烈有关。而在17~9百万年期间，受菲律宾群岛向北逆时针旋转及南海东部岩石圈向菲律宾海板块俯冲的影响，吕宋海峡逐渐形成，南海与太平洋深水交换由此受限。与此同时，因青藏高原隆升及东亚夏季风增强驱动，华南大陆向南海的陆源物质输入通量显著增加。因此，该时期逐渐减弱的太平洋水团侵入，叠加增强的东亚大陆陆源物质输入，共同导致研究站位Nd同位素显著负偏。此后，约9百万年前以来，吕宋岛弧与欧亚大陆的弧陆碰撞加剧，导致东南亚岛弧快速隆升与火山岩广泛暴露风化，从而向西太平洋及南海输入更多放射性Nd，最终引起研究站位海水Nd同位素显著正偏。
图2 晚新生代南海海水Nd同位素记录及其与构造活动和气候变化对比
本研究基于南海过去约28百万年以来的海水Nd同位素记录，提供了晚中新世以来热带西太平洋岛弧隆升-风化增强的关键地质证据，并揭示出岛弧风化不仅对晚新生代全球气候变冷可能有重要贡献，而且其风化产物对大洋海水Nd同位素组成产生了重要影响。
论文第一作者为中国科学院海洋研究所博士李梦君，通讯作者为万世明和于兆杰研究员。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略先导科技专项、泰山学者项目的支持。
