图3 大陆弧长和全球冰量分布对海水锶同位素组成(87Sr/86Srsw)的影响。(a)大陆弧长的概率密度图,大陆弧长度范划分同图2。大陆弧长度越大,87Sr/86Srsw值越低。(b)冰量纬度分布概率密度图,表明冰川分布的纬度越低,即冰川作用越发育,87Sr/86Srsw值越高(Gernon et al., 2021)
大陆弧长度增加会增加CO2排气速率,有利于促进化学风化作用的进行。今天,大陆弧是地球表面地势最高、剥蚀速率最快的场所,向海水中源源不断地输入富Ca-Mg的硅酸盐风化产物。例如,安第斯山脉主导了进入亚马逊河中的溶解铁通量。此外,现今大陆弧的87Sr/86Sr平均值为0.7044,仅略高于典型的洋中脊玄武岩(MRB)和洋岛玄武岩(OIB)。因此,大陆弧的剥蚀、风化会造成87Sr/86Srsw值降低(图2-图4)。与此同时,温室气候背景下洋底温度增加也会增强洋壳风化,进一步导致87Sr/86Srsw值降低。因此,大陆弧的长度主导了全球化学风化通量,从而驱动400 Ma以来87Sr/86Srsw值的变化。这一认识修正了87Sr/86Srsw值受控于洋壳和陆源风化通量相对贡献大小的传统认识。同时,该结论有助于解释温室气候背景下87Sr/86Srsw值却呈现低值的“矛盾”现象。
图4 表示关键地质过程与海水锶同位素组成(87Sr/86Srsw)耦合关系示意图。a-f分别表示6种地质过程,即大陆弧长度(a)、缝合带长度(b)、陆块离散程度(c)、洋壳增生(d)、冰川纬度分布(e)和大气CO2浓度(f)。图中表示410-0.5 Ma区间内各个地质过程同87Sr/86Srsw的相关性时采用0.5 Myr 的时间步长(考虑时间滞后共计720个时间步长)。CEmp、CBN和CCond是在0至50Myr的滞后时间区间内以2.5 Myr 的时间步长计算得到。滞后时间为0说明该过程发生在同一0.5 Myr的时间步长内。黑色数字表示CEmp的最大绝对值;如果单独考虑每个地质过程,该值则为主要的时间滞后。然而,由于自相关性以及互相依赖关系的存在,各个关键地质过程及其滞后时间需用CCond的峰值表示(红色数字)。水平虚线表示基于给定某一变量原始数据数量计算所得的99%置信区间(Gernon et al., 2021)
此外,该研究的结论也表明,大陆弧扮演着“地质空调”的角色。当大陆弧长度较大时,CO2排气速率较高,导致化学风化增强,便会消耗过多的CO2,导致气候变冷;相反,当大陆弧的长度降低时,CO2排气速率降低,化学风化速率也随之降低,CO2消耗就会减小,气候相对转暖。正是通过这种对大气CO2浓度的自我调节作用,大陆弧能够在地质历史时期维系地球环境的宜居性。
主要参考文献
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美编:傅士旭