徐国真, 沈俊, 喻建新等
全球变暖和气候极端化是当今人类面临的一个重大气候环境危机议题。大陆硅酸盐岩化学风化是地质历史时期维持大气CO2含量平衡和气候稳定最主要的自然调节机制之一（Penman et al., 2020）。然而，由于缺乏详细的化学风化记录，这一机制在地质历史重大碳循环波动时期的有效性仍存在很大争议。因此，充分了解硅酸盐岩化学风化作用在地质历史时期——尤其是气候变暖时期——的碳汇能力及效率，不仅可以帮助我们更好地了解硅酸盐岩风化-气候这一反馈机制在地质历史时期中维持气候稳定的有效性，同时还可以正确评估当今世界气候变暖大背景下大陆风化的碳汇能力、有利于未来气候变化预测及其应对措施的制定与优化。
二叠纪-三叠纪之交是显生宙以来最受瞩目的快速变暖时期之一。生物成因氧同位素证据表明低纬地区的海水表层温度从晚二叠世的20°C左右迅速上升到早三叠世早期的 30°C 以上，其增幅在不到10万年间超过10°C，并且在早三叠世几百万年的时间内持续高温不下（Sun et al., 2012）。气候模型模拟认为当时的碳排放速率在0.4-1.9 Pg C yr-1，是生命大爆发以来碳排放速率最快、温度增幅最快最大的关键转折期之一（e.g., Wu et al., 2021; Song et al., 2021）。然而，陆地硅酸盐岩风化作用对如此重大的气候剧变的响应和调节仍未得到很好的解答，这在很大程度上归因于相关研究资料的匮乏和系统整理的不足。
对此，中国地质大学（武汉）徐国真博士、沈俊和喻建新教授等人对近全球分布的二叠系-三叠系碎屑岩陆相剖面和部分细碎屑成分丰富的海相剖面（当剖面以生物化学沉积为主时，仅选取碎屑成分较多的层位）的化学风化指数（CIA）及部分陆相剖面的黏土矿物组成进行了整理汇编（图1），在分析了物源稳定性、沉积再循环、粒度分选以及后期成岩作用的影响之后，从中提取出当时全球范围内陆地硅酸盐岩化学风化强度（以下简称化学风化强度，除非特殊说明，后文化学风化作用均代指陆地硅酸盐岩化学风化作用）的信息，并探讨了其在二叠纪-三叠纪之交的演变原因及其对陆地硅酸盐岩风化-气候反馈机制有效性的启示（Xu et al., 2023）。
汇
图1 二叠纪-三叠纪古地理图。蓝色圆圈为海相剖面，红色三角形为陆相剖面。修改自Xu et al. (2023)
研究结果显示，晚二叠世生物大灭绝之后，除了澳大利亚Sydney和Bowen盆地表现出明显的化学风化强度增加之外，其它研究地区的化学风化强度或表现为变化不明显（如南非Karoo盆地Ripplemead和Bethulie剖面），或表现为不同程度的下降趋势（图2-4）。这个结果似乎与根据水热反应定律及化学风化-气候反馈机制预测的气候变暖时期应有的化学风化响应相矛盾。
图2 代表性陆相剖面CIA（蓝色）和CIAcorr.（紫色）曲线图
缩写：Wcp = 吴家坪阶；Chx = 长兴阶；Grb = 格林斯巴赫亚阶；Die = 第纳尔亚阶；Smi = 史密斯亚阶；Spa = 斯帕斯亚阶；St = 阶；LPME = 晚二叠世末生物大灭绝；PTB = 二叠系-三叠系界线； 下同。修改自Xu et al. (2023)。
图3 代表性海相剖面CIA（蓝色）和CIAcorr.（紫色）曲线图。修改自Xu et al. (2023)
图4 晚二叠世灭绝前后CIA 变化
ΔCIA指（灭绝后-印度期）-（灭绝前长兴期）的平均CIA值差。A, C, E代表了钾交代校正之前的ΔCIA； B, D, F代表了钾交代之后的ΔCIAcorr。A, B为CaO wt% < 16%的结果；C, D为CaO wt% < 10%的结果；E, F为CaO wt% < 5%的结果。红色表示ΔCIA > 0的剖面，绿色代表ΔCIA < 0的剖面。修改自Xu et al. (2023)。
事实上，化学风化作用受温度和陆表水循环条件共同作用的影响（Maher and Chamberlain, 2014）。本研究认为，二叠纪-三叠纪之交化学风化强度的不增反降与当时恶化的气候环境相关，而在大部分地区，水圈循环、陆地水文条件的变化可能主导了化学风化强度的演变规律，而非温度变化（图5）。在当时，陆地森林系统的大量消亡、水圈循环的强化甚至极端化（表现为降水和地表径流在时空分布上更集中、瞬时、高能；河流类型从以曲流河为主向以辫状河为主的转变以及风暴沉积的大量发育等）以及大范围气候干旱化（表现为早三叠世红层发育、喜湿植被让位于耐寒植物、野火频发和古土壤钙化等）共同导致了陆地上物理侵蚀作用的大大加强。Algeo and Twitchett（2010）通过对全球海相PTB剖面碎屑组分沉积通量的计算表明，全球物理侵蚀速率在生物灭绝之后较之前增加了7倍，而Yang et al.（2022）和Hua et al.（2023）根据中国黔西滇东地区的陆相PTB剖面计算得出峨眉山玄武岩的剥蚀速率由晚二叠世的 < 300 t/km2/yr增加到早三叠世的> 2000 t/km2/yr，与Algeo and Twitchett（2010）给出的结果相当。在现代环境中，物理风化速率在百吨/km2/yr 的级别时，风化模式以供给限制风化类型为主，表现为化学风化速率随着物理风化作用的增长而增长；而当物理风化速率超过1000 t/km2/yr时，风化模式转化为以动力限制风化类型为主，此时化学风化速率随物理风化速率增长的现象并不明显，甚至出现降低（West et al., 2005; Gabet and Mudd, 2009）。由此可见，二叠纪-三叠纪之交的化学风化类型很有可能从以供给限制风化类型为主转变为动力限制类型为主，在这种情形下，化学风化速率随物理风化速率增加的现象可能会被大大削弱。
图5 晚二叠世灭绝前后（圆形代表灭绝前，方形代表灭绝后）化学风化强度与温度和水的可利用率之间的关系示意图
理论上，较高（较低）的温度和增强（减少）的水分可利用率有利于增加（降低）化学风化强度。早三叠世化学风化强度变化率取决于温度升高和水的可利用率降低的共同作用：（1）当温度效应占主导位置时，CIA显示增加（红色箭头；如Bowen和Sydney盆地）；（2）当温度和水的可利用率两者影响相当时，CIA几乎不变（黑色箭头；如Karoo盆地）；（3）当水的可利用率占主导地位时，CIA降低（蓝色箭头；其它大部地区）。修改自Xu et al. (2023)。
然而，化学风化强度主要反映的是母岩被化学风化作用改造的程度，并不能等同于化学风化速率或化学风化通量，后两者才是直接反映大陆风化碳汇能力的指标。现阶段，不论是对现代河流还是地质历史时期化学风化通量的精准估算，都是非常困难的，但一些指标的应用可以对其进行一定的限定。那么二叠纪-三叠纪之交的化学风化通量到底是如何演变的呢？Song et al.（2015）通过对海水Sr同位素的模拟结果表明当时大陆Sr元素风化通量增加了2-3倍；Yang et al.（2022）根据现代河流化学组成与温度关系的经验公式得出，二叠纪-三叠纪之交峨眉山玄武岩的化学风化通量增加了约2倍。而基于海水Li同位素的模拟则显示全球化学风化通量的增加远远小于2倍（Cao et al., 2022），甚至不增反降（Sun et al., 2018）。总的来说，现有的研究资料证明二叠纪-三叠纪之交的化学风化通量总体上很大可能还是增加的，但其增幅可能保持在2-3倍以内。
现代河流数据表明，物理风化速率与化学风化速率通常存在指数增长关系（公式1； Gaillardet et al., 1999; Gabet and Mudd, 2009），也即，
CWR = a* PERb，（公式1）
式中PER为物理风化速率；CWR为化学风化速率； a、b为常速，其中b值一般在0.4-1之间
因此当物理化学风化增加7-10倍的情况下，化学风化一般增加2-10倍之间。显然，二叠纪-三叠纪之交化学风化通量的增幅也仅仅处于可能范围的低值区域，相对于该时期大幅的升温和物理侵蚀加强是明显相对不足的。由于化学风化的通量可以简化表达为以下公式2，
F ≡ Γ × ΔΦ，（公式2）
其中F为化学风化通量；Γ为化学风化强度变化；ΔΦ为物理风化强度/速率的变化幅度
因此当物理风化速率大幅增加而化学风化通量增幅又较小时，化学风化强度在整体上会出现下降的趋势，这与本工作研究观察到的大部分地区化学风化强度不增反降的现象相一致。
综上，本次研究工作揭示了化学风化强度在二叠纪-三叠纪之交不增反降的现象。同时，结合物理风化速率增长的地质证据及化学风化通量的模拟结果，本研究认为化学风化强度的这种变化从侧面印证了当时较低的化学风化速率增幅，而后者直接反映出大陆硅酸盐岩风化这一气候调节机制并未展现与温度和物理风化速率增幅相匹配的碳汇能力，因而很有可能是导致早三叠世持续高温不下的重要原因之一。
该研究成果于近日发表在国际知名期刊《地球与行星科学通讯》（Earth and Planetary Science Letters）上，https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0012821X23002480。更多详情，请参考文章全文和参考文献。
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