地球環(huán)境所揭示河水鋰同位素指示構(gòu)造活躍帶“近一致”風(fēng)化

晚新生代以來全球氣溫下降了約12-15℃，被認為是山脈“構(gòu)造抬升”通過產(chǎn)生巖石的破碎并提供新鮮礦物表面，加速硅酸鹽巖風(fēng)化，進而吸收大氣CO2的結(jié)果。然而，山脈“構(gòu)造抬升”是否驅(qū)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(fēng)化的有效指標(biāo)。鋰同位素（δ7Li）因主要賦存于硅酸鹽礦物、在地表風(fēng)化過程中分餾程度大等優(yōu)勢被認為是示蹤大陸硅酸鹽巖風(fēng)化最可靠的指標(biāo)之一。近20年來，鋰同位素示蹤硅酸鹽巖風(fēng)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(xiàn)出~9‰的上升被歸因于構(gòu)造作用（Misra and Froelich, 2012, Science），從而支持“構(gòu)造抬升-風(fēng)化”假說驅(qū)動新生代變冷。然而，隨后的研究發(fā)現(xiàn)造山帶上游山區(qū)呈現(xiàn)低的河水δ7Li值，而下游洪積平原（如恒河、亞馬遜等）呈現(xiàn)高δ7Li值，從而提出“構(gòu)造抬升”產(chǎn)生的洪積平原過程，延長了水巖反應(yīng)時間并導(dǎo)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(fēng)化過程中構(gòu)造抬升與河水δ7Li的關(guān)聯(lián)機制依然需要更多證據(jù)支持。

為此，地球環(huán)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(gòu)造活躍區(qū)河流δ7Li的地球化學(xué)行為進行了系統(tǒng)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：河水δ7Li值從上游源頭至下游山前平原區(qū)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(fēng)化”過程：這是因為上游強烈的冰川作用產(chǎn)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(yīng)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(qū)，陡峭的地形、短的水文路徑產(chǎn)生了高的地表徑流，縮短了水巖反應(yīng)時間，限制了二次礦物的形成，導(dǎo)致河水δ7Li值迅速降低至~10‰。而在下游山麓區(qū)，河水δ7Li值繼續(xù)降低至~5‰，幾乎與當(dāng)?shù)叵掠未u紅色基巖δ7Li值一致，反映了古老沉積巖的再風(fēng)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(qū)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(jiān)測站的水文數(shù)據(jù)分析，河水δ7Li依然與徑流展示了很強的相關(guān)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(qū)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(zhì)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(jīng)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(gòu)造活躍山區(qū)的河水δ7Li可以快速響應(yīng)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(fā)表在國際地球化學(xué)頂級期刊Geochimica et Cosmochimica Acta上。中國科學(xué)院地球環(huán)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(xué)A. Joshua West教授等為共同作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院國際合作局未來伙伴網(wǎng)絡(luò)專項等聯(lián)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