华南区域风化指标助力解析晚古生代大冰期大陆风化演变过程

大陆硅酸盐风化为地球维持宜居性提供了重要的负反馈机制，作为“地质空调”在地质时间尺度上调节全球碳循环和气候变化。硅酸盐风化通过消耗温室气体改变大气成分，并向海洋输送陆源营养物质，改变海水化学组成，并刺激海洋初级生产力，是关联表生地球各圈层的关键切入点。因此，在针对地史中关键气候转折期的研究中，硅酸盐风化过程一直是国际学术前沿领域。

晚古生代大冰期启动于泥盆纪-石炭纪之交（-360 Ma），于二叠纪早期（-290 Ma）主幕结束，是地球自陆地出现维管类高等植物和复杂生态系统以来，唯一记录了全球从“冰室”向“温室”气候转变的地质时期。此外，该时期与新生代冰期大气CO2和O2浓度可较好类比。大量研究表明，泛大陆低纬度地区的海西造山运动与陆地植物演化与扩张，均可通过提高大陆硅酸盐风化速率，致使大气CO2浓度降低，从而驱动和调节晚古生代大冰期的演化。阐明这两大驱动因素如何影响大陆硅酸盐风化作用，对于理解晚古生代大冰期的古气候动力学至关重要。

基于海西造山运动和陆地植物演化对大陆硅酸盐风化影响的区域和机制的差异性（海西造山隆升只增强相关区域剥蚀速率，而陆地植物扩张可增强广泛的区域化学风化速率），通过对比全球大陆风化与低纬度区域大陆风化记录，可以解析这两类驱动因素的相对风化贡献。华南板块在晚古生代时期具有稳定的构造背景，并持续孤立地处于古赤道附近，具有较为一致的气候带环境，为解析大陆风化提供了理想的研究区。

近日，中国科学院南京地质古生物研究所晚古生代团队高彪博士联合团队成员徐国真博士和博士研究生杨文莉，在研究员陈吉涛的组织带领下，对华南贵州罗甸盆地下石炭系至下二叠系（333–275 Ma）的深水碳酸盐岩沉积建造中薄层钙质泥岩夹层开展了高时间分辨率的主微量元素和黏土矿物组分研究，从而获得了第一条晚古生代大冰期长时间尺度的化学蚀变指数（CIA）曲线；同时，结合该时段的锶-锂同位素、大气CO2浓度、中-高纬度地区冰川沉积记录以及火山活动、植被演化等地质事件，综合探讨了该时段全球大陆风化主要影响因素及其风化作用机制的演化过程。相关成果最近发表于国际地学自然指数期刊《地球物理研究通讯》（Geophysical Research Letters）上。

研究发现，贵州纳庆剖面的CIA记录显示清晰的区域风化强度的四个阶段演化过程。其中，在晚石炭世–早二叠世时期（316–275 Ma）其与大气CO2浓度变化基本耦合，指示了华南区域大陆风化强度主要受温室气体（气候）的控制。然而在早石炭世晚期–晚石炭世早期（333–316 Ma），在大气CO2浓度下降、大陆冰川体积扩张及气候变冷的背景下，华南大陆风化强度却呈现增强趋势，表明另有其他强迫因素。基于相关数据分析，排除了物源、沉积物粒度及成岩作用等干扰因素影响，综合对比同时期的地质记录，表明古热带雨林的扩张是其最合理的驱动来源。

该研究梳理前人发表的牙形刺锶同位素比值（87Sr/86Sr）与碳酸盐岩全岩及腕足壳体锂同位素（δ7Li）数据，综合对比分析发现：海西造山带的隆升对全球大陆风化速率起主要控制作用（333–291 Ma）；并且，热带雨林植物在其快速扩张阶段（333–316 Ma）也对全球大陆风化速率提高做出了显著的贡献；而早二叠世后期（291–275Ma），尽管火山排气增强致使大气CO2浓度上升，强迫同时期华南区域风化增加，然而更广泛区域的气候干旱化加剧与海西造山带垮塌共同促使大陆硅酸盐风化速率下降。

这项研究的意义在于，通过对比晚古生代大冰期区域风化记录与全球硅酸盐风化速率变化过程，明确了这一时期大陆风化增强主要受海西造山带隆升作用驱动，而热带森林植物对大陆风化的提升主要呈现在其快速扩张阶段。这一认识对晚古生代大冰期冰川演化模拟中，协调海西造山带隆升与陆地植物演化扩张过程对大陆风化作用的影响具有重要意义，从而能更好地理解冰室地球气候系统内部的关联与反馈机制，为模拟当前全球长时间尺度的气候变化提供更具价值的参照。

本研究得到国家自然科学基金重大项目和青年科学基金项目联合资助。

论文相关信息：Biao Gao (高彪), Guozhen Xu (徐国真), Wenli Yang (杨文莉), Jitao Chen* (陈吉涛). Disentangling Continental Weathering during the Late Paleozoic Ice Age. Geophysical Research Letters, 52, e2025GL117395. https://doi.org/10.1029/2025GL117395.

石炭–二叠纪全球与华南古地理图与贵州罗甸盆地纳庆剖面研究层段的岩性柱状图

华南贵州纳庆剖面化学蚀变指数（CIA）及其他区域风化指标

早石炭世晚期–早二叠世大陆风化、气候、陆地热带森林与火山事件等记录对比图

晚古生代大冰期大陆风化演化模式图