近日，南京大学表生地球化学教育部重点实验室李石磊博士等人在新生代风化-碳循环领域取得重大进展，最新研究成果解开了多年来悬而未解的"Be同位素"谜题。
哥伦比亚大学Lamont-Doherty地球观测研究所所长，美国科学院院士Maureen E. Raymo教授于上世纪80年代末提出了著名的"抬升-风化"假说，认为新生代以来，以喜马拉雅山和安第斯山为代表的山脉的隆升造成的大陆物理剥蚀速率的增加，加速了大陆硅酸盐风化过程，驱动了大气CO2浓度的下降，导致新生代变冷和第四纪冰期的来临。该假说的提出极大地推进了新生代风化-碳循环领域的进步，在该假说的启示下，许多科学家开展了大量工作，发现海水Li, Sr, Os 同位素曲线、大洋碳酸盐补偿深度、造山带热年代学数据和深海沉积物通量等一系列新生代地质记录可以有力证明该假说。然而，晚新生代以来海水的Be同位素记录却别树一帜, 前人对其有两种解译结果：一种认为长英质大陆的剥蚀和风化速率在晚新生代均保持恒定；第二种认为其物理剥蚀速率上升，而化学风化速率保持恒定。两种解释均否定了抬升-风化假说。这与其他风化剥蚀指标相矛盾，成为了风化-碳循环领域的一个重要的谜题，得到科学家的广泛关注。
为了解开该谜题，李石磊博士等研究人员一方面开发新的数值模型来计算海水Be同位素比值对大陆风化剥蚀过程的响应。另一方面，对全球河流数据集进行了研究，以观察大陆尺度上物理剥蚀和硅酸盐风化的关系。
图1. 新生代海水Be同位素组成（A）与其对应的剥蚀-风化速率范围（B和C）
新模型的运算结果显示，当剥蚀速率高于20 t/km2/yr时，剥蚀-风化通量增加所释放的Be被河口吸附沉积作用的增强所抵消，使得海水10Be/9Be对大陆剥蚀速率的变化不敏感，这与李石磊博士前期研究中发现K同位素对风化过程的高敏感性截然不同(Li, S L et al., 2019, PNAS 116 (18) 8740-8745)。作者们进一步将模型用于晚新生代海水10Be/9Be记录的解译，模型输出的大陆剥蚀速率和风化速率的历史曲线(图1)与其他风化剥蚀指标重建的风化剥蚀历史相吻合。本研究同时发现在次大陆尺度剥蚀速率与硅酸盐风化速率呈现正相关关系（图2），这与过去认为的山地流域尺度中，高剥蚀速率下，物理剥蚀速率的增加不能继续增加化学风化速率截然不同。论文提出下游的泛滥平原对上游高山剥蚀的新鲜硅酸盐矿物进行了二次风化，进一步提高了河流系统的风化能力，导致了在较高的剥蚀速率下，化学风化仍然受限于物理剥蚀过程对新鲜矿物的供应速率。因此，在晚新生代，即便风化系统处于较高的高剥蚀速率下，剥蚀速率的增加仍然能有效提升长英质大陆硅酸盐的风化速率，否定了剥蚀速率增加而硅酸盐风化速率保持恒定的可能性。至此，所有的主流地质证据都表明，晚新生代的大陆剥蚀速率增加并提升了长英质大陆的风化速率，Be同位素谜题得以破解。
图2. 次大陆尺度上物理剥蚀速率与硅酸盐化学风化速率呈现正相关关系
该成果以" Neogene Continental Denudation and the Beryllium Conundrum"为题于近日发表在国际一流综合性学术期刊《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of Sciences)。李石磊博士是论文的第一作者和通讯作者，Maureen E. Raymo院士和Steven L. Goldstein教授为论文的共同通讯作者，本研究受到陈骏院士主持的国家自然科学基金委重大项目"新生代大陆风化调控机制"（41991321）和南京大学毓秀青年学者计划的联合资助。