最近，NatureCommunications发表了关于硅酸盐风化及其控制因素的最新研究成果。研究人员揭示出温度是控制全球尺度硅酸盐矿物风化程度的主要因素，并深入讨论了相关认识对于古气候重建和碳循环等领域的指示意义。
题目：Aglobaltemperaturecontrolofsilicateweatheringintensity
作者：邓凯*，杨守业*，郭玉龙
期刊：《NatureCommunications》（NC）
内容介绍：
硅酸盐矿物的化学风化过程可以从大气中移除CO2，是全球碳循环中的重要碳汇，也是近来热门的碳封存技术的理论基础之一。在地质时间尺度上，硅酸盐矿物风化可以通过一种负反馈机制来维持地球气候的长期宜居性，因此被认为是气候的“恒温器”。经典的负反馈假说认为：如果火山排气作用增强，CO2释放量增加并通过温室效应引起地表温度升高；同时，温度的升高会促进硅酸盐矿物风化，导致CO2消耗增加，并最终将大气CO2浓度维持在稳定水平。因此，该假说的关键在于硅酸盐风化过程对于温度的响应强度。
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，由于温度和其他环境因子存在共变或者温度变率较小，这一效应常被掩盖。因此，后续的研究逐渐转向其他驱动机制以阐述气候-风化的反馈作用，包括水文调控和构造抬升等。然而，在地质时间尺度上验证这些假设极具挑战性：一方面是因为不同代用指标重建的古风化记录存在不一致性，另一方面则是由于可供对比的单一环境因子的高分辨率记录较为缺乏。因此，硅酸盐风化过程如何响应并调控地球气候，以及气候-风化反馈强度如何随时间变化，虽然已经争论了几十年，但至今未有定论。
针对这一碳循环和表生地球化学领域中的热门话题，同济大学杨守业教授团队采用将今论古的思路，利用现代丰富的硅酸盐风化程度数据及其覆盖的巨大环境梯度来检验流域尺度环境因子和硅酸盐风化间的联系。其中，硅酸盐风化程度主要通过河流细粒沉积物的化学蚀变指数（CIA）来表征。CIA是稳定金属氧化物和易变金属氧物的比值，在一定程度上反映了上地壳中最丰富的的造岩矿物——长石的水解过程，即矿物中Ca、Na和K等阳离子的淋失以及稳定铝硅酸盐粘土矿物的形成。该研究搜集了全球河流细粒沉积物的主量元素数据（n=）以计算风化程度指标CIA（图1），并进一步提取了相应流域的气候、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。
将风化程度指标与众多环境因子的变化进行对比可发现，在大陆尺度上，硅酸盐矿物的风化强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而处于次要地位。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。文中推测，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的地质意义（图3）。一方面，该研究基于大量文献数据提出了沉积物硅酸盐风化程度指标与地表气温的经验关系式（ΔMAT/ΔCIA≈1），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（图4）。更为重要的是，在全球尺度上，长石类矿物风化过程对于温度变化的非线性响应暗示着地表的可风化性（weatherability）或风化反馈强度（weatheringfeedbackstrength）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，即温度（MAT）、CIA、长石溶解比例和CO2消耗量之间的定量关系。
图4不同方法所重建的气候冷/暖事件古温度变化（?MAT）对比。方法包括MAT-CIA经验关系式（该研究文献）和生物标志物/花粉记录（文献）。两种方法给出的?MAT在两倍以内吻合。
该研究论文的第一作者为邓凯博士，杨守业教授为共同通讯作者，合作者还包括同济大学郭玉龙博士。该项研究得到国家自然科学基金（，和）等项目的资助。
注：论文介绍部分引用自同济大学海洋与地球科学学院