陆地地表物质在日晒雨淋和生物共同作用下，会发生物理和化学性质的改变，进而形成新矿物，特别是新的粘土矿物。这一过程被称为地表风化作用。地表风化作用受气候变化、地表物质组成和生物活动等多重因素影响。这一过程还会消耗大气CO2，产生微生物种群聚集，发育不同的土壤，并调节区域环境。长期以来，虽然风化过程在地表无处不在，但对于其在特定区域的演变过程及其驱动机制尚不清楚，是表层地球系统科学研究的一个难点。公司环境演变课题组，围绕渭河盆地的沉积记录，开展了我国中部风化强度演化和季风演变的研究，取得了重要进展。他们的研究成果以中英文形式同时在重要学术刊物《中国科学: 地球科学》发表，受到同行专家的高度肯定。公司硕士研究生吕恒志为该论文第一作者，鹿化煜教授为通讯作者。
渭河盆地是位于我国中部的一个断陷盆地，伴随着其南边的秦岭造山带和北边的鄂尔多斯地块在新生代(最近6000万年的时间段)的不断抬升，和渭河盆地持续沉降，盆地中心堆积了厚度约9千米的沉积物，其成为揭示过去5000万年环境演变不可多得的材料。渭河流域面积13.48万平方公里，其流水汇集到渭河盆地(面积2万平方公里)。渭河流域地表径流受季节分明的季风降水控制，因此，渭河盆地相当于流域内季风降水的“雨量筒”，记录着流域降水长期变化过程。其中，流域降水和湿度是影响地表风化强度的关键因素之一。在渭河流域，增加的降水量和升高的气温，会加强流域风化强度。风化强度增强是过去降水和温度升高的写照。
吕恒志同学从2018年攻读硕士学位开始，导师鹿化煜教授为他制定了利用渭河盆地沉积序列粘土矿物组合重建风化强度的学位论文主题。他们对渭河盆地东南部蓝田地区出露的1600多米的沉积剖面进行了系统分析，选取了沉积序列中具有代表性的河湖相细颗粒层位138层 (图1、图2)，开展土壤形态、岩石薄片、矿物组成、粘土矿物组合以及沉积相、序列对比等分析，重建了近5000万年以来渭河流域风化强度的演变过程。吕恒志同学等在公司和同济大学，应用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜(SEM)和X射线能谱(EDS)系统等先进仪器，进行测试分析，获得了粘土矿物组成的准确数据(图3、图4)，成为揭示渭河流域风化强度演变的新记录。
他们的研究表明，渭河盆地新生代河湖相沉积物黏土矿物组成以蒙皂石和伊利石为主, 含量可达到91%; 绿泥石、高岭石次之, 含量在8%左右。渭河盆地沉积序列的蒙皂石是半干旱气候条件下的产物，其含量变化指示了气候干湿程度的变化，进而是风化强度的指示。伊利石结晶度、伊利石化学指数、蒙皂石与伊利石和绿泥石的比例等，表明中晚始新世(距今4000万年前)渭河流域可能处于较为湿润的环境，揭示了 4600万年以来在半干旱半湿润的环境下, 渭河流域化学风化阶段性减弱的演化特征。他们的黏土矿物分析还揭示, 随着中新世中期(1600万年)以来全球温度阶段性降低，渭河盆地风化强度逐步减弱；4600万年以来东亚气候阶段性演化并在第四纪变干。他们的研究表明，在始新世和渐新世(距今约5000-2400万年)，渭河流域就可能有较大的降水量和季节性干湿变化，指示在那时亚洲季风气候可能已经开始发育。当时的季风气候应该是一种相对热干背景下的季风，降水量大但蒸发量也高，与现在的季风环流可能有一定的区别。另外, 渭河盆地在3400万年前后的气候变干，可能是对当时全球变冷转型(EOT)的响应。那时，南极洲的冰盖快速增长，地球从暖湿气候(Green house)转变为干冷气候 (Ice house), 海面迅速降低, 地球高纬和低纬温度梯度增大。渭河盆地的黏土矿物组合还揭示，在晚新生代东亚气候演变与全球、尤其是北半球温度变化有直接联系。当然，上述这些新的认识，还需要进一步研究检验。
参加这项研究的还有同济大学海洋地质国家重点实验室刘志飞教授，公司地球科学与工程学院季峻峰教授以及公司师生王逸超、张瀚之、王珧、王可欣、赖文、和同济大学海洋地质国家重点实验室李艳丽。这项研究也是公司“关键地球物质循环前沿科学中心”新成果之一。研究工作得到了国家自然科学基金委委员会基础研究中心项目、重大项目课题和创新研究群体项目的联合资助。
图1. 渭河流域工作地点图。1a 渭河流域在亚洲季风环流中的位置(五角星指示渭河盆地)；1b 渭河盆地蓝田地区采样点(红色实心圆)。
图2. 渭河盆地连续的新生代沉积序列及黏土矿物研究分析采样层位(黑色加号)
图 3. 渭河盆地新生代沉积序列黏土矿物样品定向片X射线衍射分析 (XRD)谱. (a) 含坡缕石样品; (b) 不含坡缕石样品.
图 4. 渭河盆地新生代沉积序列黏土矿物揭示的风化强度变化过程
论文信息:
吕恒志, 鹿化煜, 王逸超, 张瀚之, 王珧, 王可欣, 赖文, 刘志飞, 李艳丽, 季峻峰. 2021. 中始新世晚期以来东亚气候变化的渭河盆地黏土矿物记录. 中国科学: 地球科学, 51, doi: 10.1360/SSTe-2020-0369 (Lyu H, Lu H, Wang Y, Zhang H, Wang Y, Wang K, Lai W, Liu Z, Li Y, Ji J. 2021. East Asian paleoclimate change in the Weihe Basin (central China) since the middleEocene revealed by clay mineral analysis. Science China Earth Sciences, https://doi.org/10.1007/s11430-020-9799-6)
论文链接：
中文: https://www.sciengine.com/publisher/scp/journal/SSTe/doi/10.1360/SSTe-2020-0369?slug=fulltext (英文: https://www.sciengine.com/publisher/scp/journal/SCES/64/8/10.1007/s11430-020-9799-6?slug=fulltext)
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bwin 供稿
2021年8月15日