近日，《Nature Communications》在线发表我院邓凯博士与合作者的最新研究成果：“A global temperature control of silicate weathering intensity”。该研究指出温度是控制全球尺度硅酸盐矿物风化程度的主要因素，并且在新生代全球变冷格局下，气候—风化间的负反馈作用可能得到加强。这些认识对于深时古温度重建和碳循环模拟等领域具有重要的参考价值。
硅酸盐矿物的化学风化过程可以从大气中移除CO2，并且可通过负反馈机制来维持地球气候的长期宜居性。这一机制的关键在于硅酸盐风化过程对于地表温度的响应强度。尽管硅酸盐风化的温度效应已经在室内试验以及小流域研究中被观察到，但在更大的时空尺度上却常被其他因素掩盖。后续的研究逐渐转向其他驱动机制来阐述气候—风化反馈，包括水文调控和构造抬升等。因此，硅酸盐风化过程如何响应并调控气候，以及地质历史时期中气候—风化反馈强度如何变化，至今仍然是碳循环和表生地球化学领域中的热门话题。
针对这一经典科学问题，该研究采用将今论古的思路，搜集了全球河流细粒沉积物的元素数据（n=3828）以计算硅酸盐风化程度指标——化学蚀变指数（CIA；图1），并提取相应流域的气候、岩性、地貌和植被等环境因子进行对比，从而能够解析硅酸盐风化程度的主控因素及其地质意义。
图1 细粒沉积物硅酸盐风化程度指标CIA数据汇编。注：CIA高值常见于热带-亚热带地区。
研究发现，在大陆尺度上，硅酸盐矿物的风化程度主要受控于地表温度（图2），而降水以及地形—岩性等参数的控制仅局限于区域尺度。此外，温度对硅酸盐风化的主要过程之一，即长石类矿物的水解（由CIA约束），具有非线性的控制作用：随着温度升高，长石水解过程对于温度的响应逐渐减弱。该研究推断，这一现象是由风化矿物类型的转变导致的：在全球尺度上，随着气温升高，更具化学反应性的斜长石迅速亏损，而溶解速率常数更低的正长石则逐渐成为可风化的主要矿物。
图2 气候因子——温度(a)和降水(b)对CIA的控制作用对比。随着地表温度升高（0-30 ℃），CIA持续增加；而CIA与降水量的关系则更为复杂。
地表温度与硅酸盐风化程度间的内在联系具有显著地质意义（图3）。一方面，该研究基于大量数据提出了沉积物硅酸盐风化程度指标与地表温度的经验关系式，并能够合理地重建地质历史时期中气候冷/暖事件中的古气温变化。更为重要的是，长石类矿物风化过程在大尺度上对于温度变化的非线性响应暗示着地表的可风化性或风化反馈强度在地质历史时期中可能也存在变化：当地球气候转冷时，气候—风化反馈可能得以加强。换言之，在新生代全球变冷的大格局下，地表的可风化性可能逐渐升高。相应地，硅酸盐风化过程会更有能力维持百万年尺度上气候的稳定性。
图3 硅酸盐风化驱动的CO2消耗量对温度变化的响应模拟。模拟结果是基于该研究建立的长石风化模型。
该论文第一和通讯作者为邓凯博士，杨守业教授为共同通讯作者，合作者还包括本单位郭玉龙博士。该项研究得到国家自然科学基金（41991324，42006059和41730531）等项目的资助。
撰稿：邓 凯
编辑：高小丰