台湾岛作为全球物理侵蚀和化学风化速率最高的地区之一，是全球表生过程和碳循环研究的天然实验室。过去十年，我院杨守业教授引领的大陆边缘沉积学团队与台湾同行密切合作，系统研究了台湾山溪性流域的风化剥蚀、沉积源汇过程和在边缘海的沉积记录，在国内外刊物发表近20篇研究论文。近期他们与德国地学研究中心GFZ、台湾中山大学以及中正大学等单位合作，发展新的同位素示踪技术，揭示台湾岛的风化剥蚀速率、过程与机制。相关成果发表在QSR、JGR-ES以及EPSL等国际期刊上。
大气10Be揭示台湾快速剥蚀过程
研究台湾造山带百–千年尺度剥蚀过程对于深入理解构造活跃区的地貌时空演化以及自然灾害预测及评估等都具有十分重要的意义。大气10Be/9Be作为新兴的剥蚀速率指标，具有不受限于区域岩性以及所需测样量低等优点，因此被当做是量化台湾表生过程的重要工具。该团队曾于去年将大气10Be/9Be应用于台湾最大流域浊水溪，并揭示出地表剥蚀过程的岩性控制（JGR-ES）。今年，他们进一步优化该指标应用，通过分析台湾不同地区的河流阶地剖面的Be同位素组成，计算出千年尺度的区域10Be沉降通量（0.66–0.88×106 at/cm2/yr）。这一参数的精确约束有助于今后利用大气10Be更准确地测定台湾各类表生过程的速率及年代。该研究成果于2021年8月发表于《Quaternary Science Reviews》。
图1 不同方法给定的台湾地区10Be沉降通量对比（Deng et al., 2021, QSR）
此后，该团队将最新的10Be沉降参数应用于台湾东部受频繁滑坡影响–快速物源转换的山溪性河流立雾溪。研究发现，立雾溪流域剥蚀速率具有极大的空间变率，从~3 mm/yr至>30 mm/yr。基于土壤–基岩混合模型结果，推测该流域极高的速率及极大的变率是由降水引起的随机山体滑坡过程所导致的。该研究对于今后将大气10Be/9Be指标应用于量化滑坡事件相关的风化剥蚀过程具有重要借鉴意义。该成果于2021年10月发表于《Journal of Geophysical Research: Earth Surface》；两篇论文的第一作者是邓凯博士。
图2 多种方法测定的立雾溪流域剥蚀速率（Deng et al., 2021, JGR-ES）
放射成因和稳定Sr同位素示踪台湾流域化学风化过程
台湾造山带快速侵蚀和风化过程对河流水体化学组成有重要影响。稳定锶同位素（δ88/86Sr）是近年来新兴的一种非传统稳定同位素，应用其示踪大陆风化过程与海洋锶循环是前沿领域。在运用大气10Be揭示台湾快速剥蚀过程基础之上，该团队进一步结合放射成因和稳定Sr同位素地球化学约束台湾浊水溪和立雾溪流域的化学风化过程。研究发现高剥蚀区，硅酸盐岩中微量方解石（disseminated calcite）的快速溶解导致河流的溶解态Ca和Mg含量以及87Sr/86Sr比值均较高，而生物利用、次生矿物形成、方解石沉淀等相关过程并未导致显著的稳定Sr同位素分馏，δ88/86Sr的空间变化更多反映的是干支流溶质的混合。这一研究对今后应用Sr同位素探究构造活跃区的山溪性流域化学风化过程及稳定Sr同位素分馏机制有重要启示。该研究近期由苏妮副教授作为第一作者发表在《Earth and Planetary Science Letters》。
图3 浊水溪剥蚀速率与水体Ca/Na、87Sr/86Sr及δ88/86Sr空间变化（Su et al., 2021, EPSL）
以上研究得到国家自然科学基金（项目号41991324, 41730531, 41776062和42006059）等项目的共同资助。
论文链接：
1. Deng, K., Wittmann, H., Hsieh, M.-L., Yang, S., & von Blanckenburg, F. (2021). Deposition and retention of meteoric 10Be in Holocene Taiwan river terraces. Quaternary Science Reviews, 265, 107048. doi: https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2021.107048
2. Deng, K., Wittmann, H., Yang, S., & von Blanckenburg, F. (2021). The Upper Limit of Denudation Rate Measurement from Cosmogenic 10Be(Meteoric)/9Be Ratios in Taiwan. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 126(10), e2021JF006221. doi: https://doi.org/10.1029/2021JF006221
3. Su, N., Yang, S., Deng, K., Chang, Y.-P., Xu, J., & Wu, Z. (2021). Radiogenic and stable Sr isotopes constrain weathering processes in rapidly eroding Taiwan catchments. Earth and Planetary Science Letters, 576, 117235. doi: https://doi.org/10.1016/j.epsl.2021.117235