地球環境所揭示河水鋰同位素指示構造活躍帶“近一致”風化

晚新生代以來全球氣溫下降了約12-15℃，被認為是山脈“構造抬升”通過產生巖石的破碎并提供新鮮礦物表面，加速硅酸鹽巖風化，進而吸收大氣CO2的結果。然而，山脈“構造抬升”是否驅動全球氣候變冷一直爭論不斷，其核心是缺乏指示硅酸鹽巖風化的有效指標。鋰同位素（δ7Li）因主要賦存于硅酸鹽礦物、在地表風化過程中分餾程度大等優勢被認為是示蹤大陸硅酸鹽巖風化最可靠的指標之一。近20年來，鋰同位素示蹤硅酸鹽巖風化過程的研究引起了廣泛討論，特別是新生代海水δ7Li值呈現出~9‰的上升被歸因于構造作用（Misra and Froelich, 2012, Science），從而支持“構造抬升-風化”假說驅動新生代變冷。然而，隨后的研究發現造山帶上游山區呈現低的河水δ7Li值，而下游洪積平原（如恒河、亞馬遜等）呈現高δ7Li值，從而提出“構造抬升”產生的洪積平原過程，延長了水巖反應時間并導致了更大的Li同位素分餾和下游河流高δ7Li值，而非山脈抬升本身。此外，全球河水和海水的δ7Li還受到水文變化控制（Zhang et al., 2022, NC）。因此，大陸風化過程中構造抬升與河水δ7Li的關聯機制依然需要更多證據支持。

為此，地球環境研究所金章東研究員團隊選取帕米爾高原具有巨大海拔梯度差異的蓋孜河流域作為研究對象，通過空間上高分辨率采樣，對該構造活躍區河流δ7Li的地球化學行為進行了系統研究。結果發現：河水δ7Li值從上游源頭至下游山前平原區顯著降低（而非增加）了~15‰（圖1）。在上游源頭，河水δ7Li值高達~20‰，反映了硅酸鹽巖的“不一致風化”過程：這是因為上游強烈的冰川作用產生的平坦的冰前沖積平原和辮狀河流地貌延長了水巖反應時間，加上整體低的徑流（圖1），共同促進了鋰同位素的分餾。到中游峽谷區，陡峭的地形、短的水文路徑產生了高的地表徑流，縮短了水巖反應時間，限制了二次礦物的形成，導致河水δ7Li值迅速降低至~10‰。而在下游山麓區，河水δ7Li值繼續降低至~5‰，幾乎與當地下游磚紅色基巖δ7Li值一致，反映了古老沉積巖的再風化，該下降趨勢與前人觀察到的下游δ7Li值顯著增加截然相反。除干流下降外，從上游到下游的眾多小支流（未受到混合干擾）也展示了明確的下降趨勢（圖1）。

圖1 帕米爾蓋孜河流域高海拔山區至下游平原河水、沉積物、基巖的δ7Li變化

值得注意的是，盡管地形變化顯著，從上游兩條大支流康西瓦河和木吉河出口，以及中游段蓋孜河干流三個水文監測站的水文數據分析，河水δ7Li依然與徑流展示了很強的相關性（圖1及原文附件），進一步支持了水文對河流δ7Li的重要影響。

進一步地，該研究指出，上游冰川前緣平坦地形背景下的河水δ7Li值（~20‰）可以類比恒河平原（~21‰）。其差異在于，該研究區上游的2條大支流，即使處于受到強烈冰川研磨和新鮮物質補給的源頭，河水δ7Li展示了顯著的分餾；形成強烈對比的是，恒河平原的沉積物經歷了從上游到下游上千公里的長距離搬運，河水δ7Li卻顯示了相似的分餾值。這說明構造活躍山區的河水δ7Li可以快速響應地形和水文的變化。

圖2 蓋孜河流域鋰同位素空間變化機制示意圖

上述研究成果于2025年9月發表在國際地球化學頂級期刊Geochimica et Cosmochimica Acta上。中國科學院地球環境研究所的胡雅丹博士研究生為第一作者，張飛研究員、金章東研究員、美國南加州大學A. Joshua West教授等為共同作者。該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院國際合作局未來伙伴網絡專項等聯合資助。

Yadan Hu, Fei Zhang*, Zhangdong Jin, et al. Near-congruent Li isotope signature from weathering and erosion of a tectonically active mountain range. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2025.

https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.09.028