NG：大陸弧主導的中古生代以來的全球化學風化

NG：大陸弧主導的中古生代以來的全球化學風化

在地質時間尺度（～1-10 Myr）上，地球的火山排氣作用和矽酸鹽化學風化會控制全球碳迴圈，進而調節地球氣候。目前，造山活動（Edmond, 1992; Raymo and Ruddiman, 1992）、大陸弧岩漿活動（McKenzie et al., 2016）、熱帶地區弧－陸碰撞（Macdonald et al., 2019）等均被看作是全球化學風化通量的關鍵控制因素。在以往研究中，這些因素（或過程）常被看作單一因素或變數進行單獨考慮，事實上，這些過程的發生通常是緊密耦合的。究竟哪種因素在控制全球化學風化通量中起主導作用，需要進一步明確。

為回答這一問題，英國南安普頓大學 Thomas M. Gernon 教授及其合作者構建了一個深時貝葉斯網路（deep-time Bayesian Network，BN），利用經驗排序相關性（C_Emp）、貝葉斯網路排序相關性（C_BN）和條件排序相關性（C_Cond）三種引數，以期定量刻畫大陸弧長度、縫合帶長度、陸塊離散程度、洋殼增生、冰川緯度分佈和大氣CO₂濃度等六種關鍵地質過程對全球化學風化通量（用海水的鍶同位素組成即⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw表示）的貢獻（圖1）。

結果表明，大陸弧長度（圖1c）和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值相關性最強（C_Emp= -0.79；C_Cond= -0.70；圖2，圖3a，圖4a），即大陸弧火山作用增強會導致海水非放射性Sr的增加（或⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值降低），反之亦然（圖2，圖3a）。中生代全球大陸弧的長度（～37500 km）是現今（～14000 km）的三倍多（圖1c），指示當時洋底擴張速率劇增（圖1c-圖1d）。與此同時，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值對大陸弧長度變化的響應也很迅速（<0.5 Myr）（圖4a）。

近期有研究認為，熱帶地區弧－陸碰撞能夠促進（超）基性巖的風化，導致pCO₂降低，進而導致冰川增生（Macdonald et al., 2019）。與此同時，超基性岩的化學風化也會造成大量非放射成因鍶透過河流輸入海水，導致⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值降低，因此，兩者應該表現為負相關性。然而，本研究模擬結果顯示，弧－陸碰撞作用的強度（用縫合帶長度來表徵；圖1e）和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值具有顯著的正相關性（圖4b）。因此，作者推測弧－陸碰撞主要促進富含放射成因鍶（即⁸⁷Sr）的陸殼物質風化，而不是先前所認為的超基性岩的風化（Macdonald et al., 2019）。儘管如此，該觀測結果仍與傳統的“構造隆升－風化”假說相一致 (Edmond, 1992)，即弧－陸碰撞能夠透過造山、侵蝕作用促進富含放射成因鍶的陸殼物質風化、移除大量CO₂，進而引起全球降溫（或冰川發育）。

圖1 410 Ma至今全球構造、氣候及海水⁸⁷Sr /⁸⁶Sr值演化趨勢。（a）全球海陸格局。其中，粉色代表陸地，黑色代表現今海岸線輪廓，米黃色代表熱帶地區（距赤道±20°）的範圍。（b）大氣CO₂濃度。黑色實線代表基於多重指標重建的結果，紅色空心圓圈代表基於植烷的重建結果。深藍色實線代表大陸冰蓋的緯度分佈，淺藍色陰影區域代表冰川。（c）大陸弧長。（d）海底擴張速率。（e）縫合帶長度。（f）陸塊破碎指數（即陸塊周長與面積的比值，用黑色實線表示）和位於赤道地區的陸塊總面積（紅色實線）。（g）海水⁸⁷Sr /⁸⁶Sr值演化趨勢（紅色實線），時間步長為0.25 Myr（h）海水⁸⁷Sr /⁸⁶Sr值經過標準化（即扣除地殼中放射性⁸⁷Rb衰變的化學訊號）後的演化趨勢。上述各指標的最大（小）誤差用灰色（或子圖f中的粉色）陰影表示（Gernon et al., 2021）

與此同時，由於陸塊越分散，海水的溼氣便越容易到達陸塊內部，因此，化學風化也對大陸離散程度（或海陸分佈格局）較為敏感。本研究中，作者採用陸塊的周長/面積比值來定量表示陸塊的離散程度（圖1f）。結果顯示，大陸離散程度和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值間具有中等至低的正相關性（C_Cond的最大值為0.31），這與陸塊離散時期富含放射成因鍶的陸殼物質風化增強一致。此外，C_Cond的最大值出現的時間同⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值變化存在～12.5-15 Myr的時間滯後（圖4c），這與大陸解體後完成由裂谷－漂移至盆地連通所需的時間相當。更重要的是，這一時間滯後效應的存在對於正確解釋大陸離散程度同海洋生物多樣性間的成因聯絡至關重要（Fan et al., 2020）。

熱帶地區較高的溫度和降雨量能夠促進化學風化的進行，因此，位於熱帶地區的陸塊面積增加也有可能會顯著影響全球化學風化通量。然而，計算結果表明，儘管在過去400 Myr以來位於熱帶地區的陸地面積呈增加趨勢（圖1f），但對全球化學風化通量的貢獻卻可忽略不計，這可能同熱帶地區的土壤剖面較深且質地堅硬，因而不易被風化、搬運有關。類似地，大火成岩省（LIP）的時空分佈僅和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值具有極弱的相關性，可能源自LIP的地勢相對平坦，因而無法貢獻可觀的風化通量。該結果表明LIP主要透過火山排氣作用而非透過增強基性巖的化學風化來對環境造成擾動的。

通常認為，海底玄武岩蝕變或海底熱液噴口的存在會導致⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值降低（Edmond, 1992），因此，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值與洋殼增生速率（本研究中用洋中脊的長度和擴張速率的乘積來表示）應該具有負相關性（圖1d）。結果顯示，洋殼增生速率與⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值確實表現為負相關關係，並且兩者存在的滯後時間很短（圖4d），可能與洋中脊軸部玄武岩的早期高溫蝕變作用有關。此外，海底玄武岩蝕變對⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值的影響在玄武岩形成後約15-20 Myr後變得可以忽略不計，表明洋底此後不再向海水中輸入非放射成因鍶。這一結果與現有的熱液模型及洋殼中次生礦物的觀測結果吻合較好，說明～70%-80%的流體交換作用只發生在洋殼形成初期的20 Myr以內。此後，富含放射成因鍶的陸殼物質風化開始主導⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw變化，造成⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值與洋殼增生速率轉變為正相關（圖4d）。

冰量大小也會影響⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值的變化。研究發現冰量的緯度分佈（圖1b）同⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值具有顯著的相關性（-0.72；圖3b、圖4e），支援冰川作用會增強陸殼風化的觀點，這可能和冰川移動所致下伏基岩破碎後富含放射成因鍶礦物（如黑雲母）優先被風化有關。此外，觀測結果表明，化學風化會改變大氣CO₂濃度（圖1f），同時，CO₂也會反過來影響化學風化（C_Emp=-0.58，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值滯後CO₂變化0.5-2.5Myr；圖4f）。當滯後時間超過10 Myr時，CO₂和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值之間存在具有統計學意義的弱正相關性（圖4f），表明二氧化碳濃度－矽酸鹽風化負反饋機制可在數十個百萬年時間尺度上存在。

圖2 大陸弧長對海水鍶同位素組成（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw）的影響。（a）標準化後的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw和大陸弧長度間的關係。垂直虛線表示短（小於16100 km）、中（16100-29300 km）和長（大於等於29300 km）不同長度的大陸弧。（b）標準化後的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值和大陸弧長的排序相關圖，注意最小值排序為1（Gernon et al., 2021）

上述分析表明，大陸弧的長度（尤其是在溫室氣候背景下）對全球化學風化通量的控制作用最為顯著。這一結論與已有的例項研究及島弧化學風化主導現今海水Sr迴圈的觀測結果相一致（Allègre et al., 2010）。大陸弧長度和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw間表現出的強烈負相關性（圖2，圖3a，圖4a），也和其形成與分佈控制了全球冰室－溫室氣候狀態轉換相一致（McKenzie et al., 2016）。

圖3 大陸弧長和全球冰量分佈對海水鍶同位素組成（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw）的影響。（a）大陸弧長的機率密度圖，大陸弧長度範劃分同圖2。大陸弧長度越大，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值越低。（b）冰量緯度分佈機率密度圖，表明冰川分佈的緯度越低，即冰川作用越發育，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值越高（Gernon et al., 2021）

大陸弧長度增加會增加CO₂排氣速率，有利於促進化學風化作用的進行。今天，大陸弧是地球表面地勢最高、剝蝕速率最快的場所，向海水中源源不斷地輸入富Ca-Mg的矽酸鹽風化產物。例如，安第斯山脈主導了進入亞馬遜河中的溶解鐵通量。此外，現今大陸弧的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr平均值為0.7044，僅略高於典型的洋中脊玄武岩（MRB）和洋島玄武岩（OIB）。因此，大陸弧的剝蝕、風化會造成⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值降低（圖2-圖4）。與此同時，溫室氣候背景下洋底溫度增加也會增強洋殼風化，進一步導致⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值降低。因此，大陸弧的長度主導了全球化學風化通量，從而驅動400 Ma以來⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值的變化。這一認識修正了⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值受控於洋殼和陸源風化通量相對貢獻大小的傳統認識。同時，該結論有助於解釋溫室氣候背景下⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw值卻呈現低值的“矛盾”現象。

圖4 表示關鍵地質過程與海水鍶同位素組成（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw）耦合關係示意圖。a-f分別表示6種地質過程，即大陸弧長度（a）、縫合帶長度（b）、陸塊離散程度（c）、洋殼增生（d）、冰川緯度分佈（e）和大氣CO₂濃度（f）。圖中表示410-0.5 Ma區間內各個地質過程同⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_sw的相關性時採用0.5 Myr 的時間步長（考慮時間滯後共計720個時間步長）。C_Emp、C_BN和C_Cond是在0至50Myr的滯後時間區間內以2.5 Myr 的時間步長計算得到。滯後時間為0說明該過程發生在同一0.5 Myr的時間步長內。黑色數字表示C_Emp的最大絕對值；如果單獨考慮每個地質過程，該值則為主要的時間滯後。然而，由於自相關性以及互相依賴關係的存在，各個關鍵地質過程及其滯後時間需用C_Cond的峰值表示（紅色數字）。水平虛線表示基於給定某一變數原始資料數量計算所得的99%置信區間（Gernon et al., 2021）

此外，該研究的結論也表明，大陸弧扮演著“地質空調”的角色。當大陸弧長度較大時，CO₂排氣速率較高，導致化學風化增強，便會消耗過多的CO₂，導致氣候變冷；相反，當大陸弧的長度降低時，CO₂排氣速率降低，化學風化速率也隨之降低，CO₂消耗就會減小，氣候相對轉暖。正是透過這種對大氣CO₂濃度的自我調節作用，大陸弧能夠在地質歷史時期維繫地球環境的宜居性。

主要參考文獻

Allègre C J, Louvat P, Gaillardet J, et al. The fundamental role of island arc weathering in the oceanic Sr isotope budget[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2010, 292: 51-56.

Edmond J M. Himalayan tectonics, weathering processes, and the strontium isotope record in marine limestones[J]. Science, 1992, 258: 1594-1597.

Fan J X, Shen S Z, Erwin D H, et al. A high-resolution summary of Cambrian to Early Triassic marine invertebrate biodiversity[J]. Science, 2020, 367: 272-277.

Gernon T M, Hincks T K, Merdith A S, et al. Global chemical weathering dominated by continental arcs since the mid-Palaeozoic[J]. Nature Geoscience, 2021, 14: 690–696. （原文連結）

Macdonald F A, Swanson-Hysell N L, Park Y, et al. Arc-continent collisions in the tropics set Earth's climate state[J]. Science, 2019, 364: 181-184.

McKenzie N R, Horton B K, Loomis S E, et al. Continental arc volcanism as the principal driver of icehouse-greenhouse variability[J]. Science, 2016, 352: 444-447.

Raymo M E, Ruddiman W F. Tectonic forcing of Late Cenozoic climate[J]. Nature, 1992, 359: 117-122.

美編：傅士旭