地球环境所揭示河水锂同位素指示构造活跃带“近一致”风化

晚新生代以来全球气温下降了约12-15℃，被认为是山脉“构造抬升”通过产生岩石的破碎并提供新鲜矿物表面，加速硅酸盐岩风化，进而吸收大气CO2的结果。然而，山脉“构造抬升”是否驱动全球气候变冷一直争论不断，其核心是缺乏指示硅酸盐岩风化的有效指标。锂同位素（δ7Li）因主要赋存于硅酸盐矿物、在地表风化过程中分馏程度大等优势被认为是示踪大陆硅酸盐岩风化最可靠的指标之一。近20年来，锂同位素示踪硅酸盐岩风化过程的研究引起了广泛讨论，特别是新生代海水δ7Li值呈现出~9‰的上升被归因于构造作用（Misra and Froelich, 2012, Science），从而支持“构造抬升-风化”假说驱动新生代变冷。然而，随后的研究发现造山带上游山区呈现低的河水δ7Li值，而下游洪积平原（如恒河、亚马逊等）呈现高δ7Li值，从而提出“构造抬升”产生的洪积平原过程，延长了水岩反应时间并导致了更大的Li同位素分馏和下游河流高δ7Li值，而非山脉抬升本身。此外，全球河水和海水的δ7Li还受到水文变化控制（Zhang et al., 2022, NC）。因此，大陆风化过程中构造抬升与河水δ7Li的关联机制依然需要更多证据支持。

为此，地球环境研究所金章东研究员团队选取帕米尔高原具有巨大海拔梯度差异的盖孜河流域作为研究对象，通过空间上高分辨率采样，对该构造活跃区河流δ7Li的地球化学行为进行了系统研究。结果发现：河水δ7Li值从上游源头至下游山前平原区显著降低（而非增加）了~15‰（图1）。在上游源头，河水δ7Li值高达~20‰，反映了硅酸盐岩的“不一致风化”过程：这是因为上游强烈的冰川作用产生的平坦的冰前冲积平原和辫状河流地貌延长了水岩反应时间，加上整体低的径流（图1），共同促进了锂同位素的分馏。到中游峡谷区，陡峭的地形、短的水文路径产生了高的地表径流，缩短了水岩反应时间，限制了二次矿物的形成，导致河水δ7Li值迅速降低至~10‰。而在下游山麓区，河水δ7Li值继续降低至~5‰，几乎与当地下游砖红色基岩δ7Li值一致，反映了古老沉积岩的再风化，该下降趋势与前人观察到的下游δ7Li值显著增加截然相反。除干流下降外，从上游到下游的众多小支流（未受到混合干扰）也展示了明确的下降趋势（图1）。

图1 帕米尔盖孜河流域高海拔山区至下游平原河水、沉积物、基岩的δ7Li变化

值得注意的是，尽管地形变化显著，从上游两条大支流康西瓦河和木吉河出口，以及中游段盖孜河干流三个水文监测站的水文数据分析，河水δ7Li依然与径流展示了很强的相关性（图1及原文附件），进一步支持了水文对河流δ7Li的重要影响。

进一步地，该研究指出，上游冰川前缘平坦地形背景下的河水δ7Li值（~20‰）可以类比恒河平原（~21‰）。其差异在于，该研究区上游的2条大支流，即使处于受到强烈冰川研磨和新鲜物质补给的源头，河水δ7Li展示了显著的分馏；形成强烈对比的是，恒河平原的沉积物经历了从上游到下游上千公里的长距离搬运，河水δ7Li却显示了相似的分馏值。这说明构造活跃山区的河水δ7Li可以快速响应地形和水文的变化。

图2 盖孜河流域锂同位素空间变化机制示意图

上述研究成果于2025年9月发表在国际地球化学顶级期刊Geochimica et Cosmochimica Acta上。中国科学院地球环境研究所的胡雅丹博士研究生为第一作者，张飞研究员、金章东研究员、美国南加州大学A. Joshua West教授等为共同作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院国际合作局未来伙伴网络专项等联合资助。

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