晚新生代以來全球氣溫下降了約12-15℃，被認(rèn)為是山脈“構(gòu)造抬升”通過產(chǎn)生巖石的破碎并提供新鮮礦物表面，加速硅酸鹽巖風(fēng)化，進(jìn)而吸收大氣CO2的結(jié)果。然而，山脈“構(gòu)造抬升”是否驅(qū)動(dòng)全球氣候變冷一直爭論不斷，其核心是缺乏指示硅酸鹽巖風(fēng)化的有效指標(biāo)。鋰同位素（δ7Li）因主要賦存于硅酸鹽礦物、在地表風(fēng)化過程中分餾程度大等優(yōu)勢被認(rèn)為是示蹤大陸硅酸鹽巖風(fēng)化最可靠的指標(biāo)之一。近20年來，鋰同位素示蹤硅酸鹽巖風(fēng)化過程的研究引起了廣泛討論，特別是新生代海水δ7Li值呈現(xiàn)出~9‰的上升被歸因于構(gòu)造作用（Misra and Froelich, 2012, Science），從而支持“構(gòu)造抬升-風(fēng)化”假說驅(qū)動(dòng)新生代變冷。然而，隨后的研究發(fā)現(xiàn)造山帶上游山區(qū)呈現(xiàn)低的河水δ7Li值，而下游洪積平原（如恒河、亞馬遜等）呈現(xiàn)高δ7Li值，從而提出“構(gòu)造抬升”產(chǎn)生的洪積平原過程，延長了水巖反應(yīng)時(shí)間并導(dǎo)致了更大的Li同位素分餾和下游河流高δ7Li值，而非山脈抬升本身。此外，全球河水和海水的δ7Li還受到水文變化控制（Zhang et al., 2022, NC）。因此，大陸風(fēng)化過程中構(gòu)造抬升與河水δ7Li的關(guān)聯(lián)機(jī)制依然需要更多證據(jù)支持。

為此，地球環(huán)境研究所金章東研究員團(tuán)隊(duì)選取帕米爾高原具有巨大海拔梯度差異的蓋孜河流域作為研究對象，通過空間上高分辨率采樣，對該構(gòu)造活躍區(qū)河流δ7Li的地球化學(xué)行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：河水δ7Li值從上游源頭至下游山前平原區(qū)顯著降低（而非增加）了~15‰（圖1）。在上游源頭，河水δ7Li值高達(dá)~20‰，反映了硅酸鹽巖的“不一致風(fēng)化”過程：這是因?yàn)樯嫌螐?qiáng)烈的冰川作用產(chǎn)生的平坦的冰前沖積平原和辮狀河流地貌延長了水巖反應(yīng)時(shí)間，加上整體低的徑流（圖1），共同促進(jìn)了鋰同位素的分餾。到中游峽谷區(qū)，陡峭的地形、短的水文路徑產(chǎn)生了高的地表徑流，縮短了水巖反應(yīng)時(shí)間，限制了二次礦物的形成，導(dǎo)致河水δ7Li值迅速降低至~10‰。而在下游山麓區(qū)，河水δ7Li值繼續(xù)降低至~5‰，幾乎與當(dāng)?shù)叵掠未u紅色基巖δ7Li值一致，反映了古老沉積巖的再風(fēng)化，該下降趨勢與前人觀察到的下游δ7Li值顯著增加截然相反。除干流下降外，從上游到下游的眾多小支流（未受到混合干擾）也展示了明確的下降趨勢（圖1）。

圖1 帕米爾蓋孜河流域高海拔山區(qū)至下游平原河水、沉積物、基巖的δ7Li變化

值得注意的是，盡管地形變化顯著，從上游兩條大支流康西瓦河和木吉河出口，以及中游段蓋孜河干流三個(gè)水文監(jiān)測站的水文數(shù)據(jù)分析，河水δ7Li依然與徑流展示了很強(qiáng)的相關(guān)性（圖1及原文附件），進(jìn)一步支持了水文對河流δ7Li的重要影響。

進(jìn)一步地，該研究指出，上游冰川前緣平坦地形背景下的河水δ7Li值（~20‰）可以類比恒河平原（~21‰）。其差異在于，該研究區(qū)上游的2條大支流，即使處于受到強(qiáng)烈冰川研磨和新鮮物質(zhì)補(bǔ)給的源頭，河水δ7Li展示了顯著的分餾；形成強(qiáng)烈對比的是，恒河平原的沉積物經(jīng)歷了從上游到下游上千公里的長距離搬運(yùn)，河水δ7Li卻顯示了相似的分餾值。這說明構(gòu)造活躍山區(qū)的河水δ7Li可以快速響應(yīng)地形和水文的變化。

圖2 蓋孜河流域鋰同位素空間變化機(jī)制示意圖

上述研究成果于2025年9月發(fā)表在國際地球化學(xué)頂級期刊Geochimica et Cosmochimica Acta上。中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所的胡雅丹博士研究生為第一作者，張飛研究員、金章東研究員、美國南加州大學(xué)A. Joshua West教授等為共同作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院國際合作局未來伙伴網(wǎng)絡(luò)專項(xiàng)等聯(lián)合資助。

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