EPSL：锂同位素新研究, 揭示气候变冷之谜

地刊速览 · 公众号 · 科技自媒体 · 2024-11-08 10:05

主要观点总结

最新研究分析了北美地区的奥陶纪碳酸盐岩，构建了首个高分辨率海水锂同位素组成曲线。研究发现早奥陶世海水锂同位素值显著下降，暗示大陆硅酸盐风化作用模式的转变，这一变化可能导致大气中的二氧化碳减少和全球降温。

关键观点总结

关键观点1: 奥陶纪碳酸盐岩的分析和研究

研究人员构建了首个高分辨率海水锂同位素组成曲线，该曲线基于对北美劳伦大陆六个不同地层的奥陶纪碳酸盐岩样品的分析。

关键观点2: 海水锂同位素值的显著下降

研究发现早奥陶世到中奥陶世期间，海水锂同位素值显著下降，这与同期的全球变冷趋势相吻合。

关键观点3: 大陆硅酸盐风化作用模式的转变

研究认为海水锂同位素值的变化可能暗示了大陆硅酸盐风化作用模式的转变，这种转变最终导致了大气中的二氧化碳浓度下降和全球降温。

关键观点4: 研究的重要性和价值

这项研究不仅加深了我们对奥陶纪气候变化驱动因素的理解，还突出了锂同位素在重建古代风化作用中的重要价值。此外，该研究为理解地球气候的长期演变提供了重要信息。

正文

【导读】 最新发表在《地球与行星科学快报》上的研究分析了北美地区的奥陶纪碳酸盐岩，构建了首个高分辨率海水锂同位素组成曲线。研究发现，早奥陶世海水锂同位素值显著下降，暗示了大陆硅酸盐风化作用模式的转变。硅酸盐风化会消耗大气中的二氧化碳，从而降低温度。这项研究加深了我们对奥陶纪气候变化驱动因素的理解，并突出了锂同位素在重建古代风化作用中的重要价值。

奥陶纪（Ordovician period, 4.88亿年-4.43亿年前）的地球气候经历了剧烈变化，从早期的温室气候逐渐过渡到冰室气候，最终以晚奥陶世的赫南特冰期（Hirnantian Glaciation）结束。是什么导致了这次剧烈的全球降温？最新研究，利用锂同位素（Lithium isotopes）这一新兴的地球化学指标，为我们揭开了奥陶纪气候变冷之谜的一角。

硅酸盐风化作用（Silicate weathering）被认为是地球上最重要的“空调”之一。它像一块巨大的海绵，吸收大气中的二氧化碳，并将其转化为固态碳酸盐沉积到海底，从而有效调节地球的温度。因此，硅酸盐风化作用的变化对理解地球气候的长期演变至关重要。

长期以来，科学家们利用各种方法重建古代硅酸盐风化的强度，例如锶同位素（Strontium isotopes, ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）。而近年来，锂同位素（δ⁷Li）作为一种新的指标，逐渐受到关注，它能更全面地反映硅酸盐风化的动态变化

此前，一些研究已经将中奥陶世气候变冷与硅酸盐风化作用增强联系起来。然而，对于早奥陶世降温的驱动因素却知之甚少。此外，利用碳酸盐岩中的锂同位素来重建古代海水锂同位素值，也面临着成岩作用（Diagenesis，岩石形成后发生的物理和化学变化）干扰的挑战。

为了解决这些难题，这项新研究分析了来自北美劳伦大陆（Laurentia）六个不同地层的奥陶纪碳酸盐岩样品。这些样品涵盖了早奥陶世到晚奥陶世的不同阶段，拥有精确的年代地层框架。研究人员通过一系列严格的地球化学筛选，去除了受成岩作用和碎屑物质污染的样品，最终构建了首个高分辨率的奥陶纪海水锂同位素曲线。

图1 奥陶纪风化、古温度和古地理重建

图2 本研究中使用的岩石的古地理（A）、位置图（B）和碳同位素剖面（C）

研究结果显示，早奥陶世到中奥陶世期间，海水锂同位素值（δ⁷Lisw）显著下降。这一下降与已知的同期全球变冷趋势以及⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值的变化相吻合。结合数值模拟，研究人员认为，这种变化并非由海洋硅循环（Silicon cycle）驱动，而更可能指向大陆硅酸盐风化作用模式的转变，并最终导致大气CO2浓度下降和气候变冷。

图3 δ7Li与元素比率的散点图和用于过滤潜在成岩蚀变样品的箱图

这项研究加深了我们对奥陶纪气候变化驱动因素的理解，并突出了锂同位素在重建古代风化作用中的重要价值。

图4 岩石地层和同位素化学地层剖面

图5 随机Li质量平衡模型的结果

Fig. 6. Phanerozoic δ ⁷ Li _carb compilation with a conversion to δ ⁷ Li _sw

参考文献 ：Y. Datu Adiatma et al., 2024. Lithium isotope stratigraphy and Ordovician weathering. Earth and Planetary Science Letters Volume 647, 1 December 2024, 119030