新生代以来地球气温总体呈现波动变冷趋势，对于这一气候变化的原因和机制，科学家提出了一系列解释假说。其中，隆升-风化假说认为高原和山脉的隆升会增加地表侵蚀，进而增强大陆硅酸盐岩的化学风化，降低大气CO2浓度，导致新生代气温降低。然而，侵蚀除了通过控制硅酸盐岩风化对碳循环产生影响外，还会暴露岩石中可能被氧化的硫化矿物。硫化物氧化产生的硫酸消耗碱度，则在地质时间尺度上扮演着“碳源”角色。因此，硅酸盐岩和碳酸盐岩风化所产生的碱度和硫化物氧化所产生的硫酸之间的平衡控制了地质时间尺度上化学风化对无机碳循环的影响。然而，对于侵蚀如何调节这一平衡，目前仍知之甚少。
在岩性复杂的大型流域中，通过河流化学成分的反演溯源来区分不同岩性的风化通量存在诸多挑战。在广泛暴露蒸发岩的地区，蒸发岩矿物的风化可以强烈主导风化通量，它们对河流溶解态组成的贡献很难与硅酸盐岩、碳酸盐岩或硫化矿物区分开。
地科院李思亮教授课题组与德国慕尼黑大学以及德国地学研究中心（GFZ）等单位合作，分析了青藏高原东部三江（长江、澜沧江和怒江）源头区域从高原到高海拔山地侵蚀速率跨越数量级的不同大小流域的流域平均陡度指数、10Be侵蚀速率等地貌特征以及流域内河水、雨水、冰川融水和泉水等溶解态元素含量和同位素组成，通过同位素示踪、蒙特卡罗多情景反演和正演方法结合，区分了蒸发岩、硅酸盐岩、碳酸盐岩和硫化矿物风化对河流溶解态组成的贡献，并分析了化学风化产生的酸和碱度的平衡如何随侵蚀、降雨和冻土覆盖等环境梯度变化而变化。
研究结果表明，长江源头河流溶解态组成显著受蒸发岩溶解影响。通过氧同位素和蒙特卡罗方法计算得到蒸发岩对长江源头主干河流SO42−的贡献高达51 – 84%，反演获得硫化物的δ34S变化范围为-12.2 – 4.1‰，其中沉积岩地区硫化物δ34S值显著低于火成岩和变质岩地区。碳酸盐岩相对于硅酸盐岩对风化碱度的贡献为36 – 98%，而硫化物氧化产生的硫酸则抵消了6 – 63%的风化碱度。因此，长江源头部分流域具有∆ALK/∆DIC>2的风化通量，表明硅酸盐岩、碳酸盐岩风化和硫化物氧化可以在长时间尺度上降低大气pCO2。在绝大多数流域内，风化通量在海洋碳酸盐补偿时间尺度（~103−104 年）内降低大气pCO2，但在大于这个时间尺度并小于海洋硫酸盐滞留时间尺度（~106−107 年）内，会导致大气pCO2上升。研究发现，在河水过饱和的三江源头区域，硅酸盐岩风化速率受动力学限制，碳酸盐岩风化速率受平衡限制，而硫化物氧化则受到矿物供应限制。岩性对于化学风化对碳循环的影响起着根本性作用，但对于相似岩性的流域，侵蚀速率在控制风化的酸碱平衡中起主导作用。随着侵蚀加剧，碳酸盐岩风化和硫酸风化比例均增加，导致流域风化通量趋于成为大气CO2的源。以上结果表明，在造山运动中硫化物风化可能对碳循环起到重要作用。
图1 硫酸盐同位素组成和来源
图2 化学风化对碳循环的影响随侵蚀、降雨和冻土梯度的变化
以上研究成果由天津大学地球系统科学学院李思亮教授课题组和德国慕尼黑大学以及德国地学研究中心（GFZ）等单位的研究人员共同合作完成，发表在《Geochimica et Cosmochimica Acta》期刊上。该研究受国家自然科学基金（41925002）和第二次青藏高原科考项目（2019QZKK0707）资助。
论文信息：Xu, S., Bufe, A., Li, S.-L.*, Erlanger, E.D., Ran, L., Zhong, J., Yang, C.-J., Zhang, L., Ma, T., Sachse, D., 2024. Erosional modulation of the balance between alkalinity and acid generation from rock weathering. Geochimica Et Cosmochimica Acta. 368, 126-146. https://doi.org/10.1016/j.gca.2023.11.010.
