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flyindusk

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专业: Cenozoic Geology

[交流] [原创][非首发]抬升－风化－冰期已有6人参与

17世纪，欧洲大陆和英国地表的松散堆积是和诺亚洪水完美交织在一起的。一直到18世纪末，苏格兰的James Hutton在其著作中提到，源自阿尔卑斯的冰川可能是砾石到处散落的推手，但认为气候没有变化，只是阿尔卑斯山更高而已。
   现代意义上的冰期思想是由瑞士Louis Agassiz提出的。这位也是个传奇。职业生涯初期因为研究鱼类化石成为第三位Wollaston Medal得主(1836)。获得奖章的第二年的夏天，30岁的Agassiz在一个会议论文中提出了冰期思想，并随后进行全面论述：我们生活在相对温暖的时期，但地球温度曾经反复波动，更冷的气候可能再次来临。冰期学说解释了欧洲普遍存在的漂砾、冰碛，预言了欧洲北部存在统一的冰盖。1840年，他在格拉斯哥的会议上遇见了Lyell，当时Lyell还主张均变论观点。在苏格兰的野外工作中Agassiz向Lyell等介绍冰蚀地貌和冰川作用的微观证据，促使Lyell接受了冰期思想。再后来，1846年，Agassiz前往美国，作为博物学家在康奈尔和哈佛终老。不足10年，他就开创了一个让无数后来者呕心沥血的方向。
   很快，探索冰期成因走上历史舞台。1842年，有两件事对后来影响深远。法国Adhémar尝试用岁差解释冰期成因，美国MacLaren在介绍Agassiz的冰期理论时提出冰川对海平面的影响，——它们分别成为后来轨道尺度Milankovitch假说和构造尺度抬升－风化假说的源头。
   今年的Wollaston Medal得主Maureen Raymo在这两个方向上都有杰出表现。[有关天文要素驱动冰期的不完整的介绍在这里，也是我胡诌的]。今天的Science文章对她的抬升－风化理论是一个有力补充，重点说这个。
   在美国东部阿巴拉契亚造山带的研究中，已经注意到海平面(侵蚀基准面)变化(Suess 1883)以及地壳均衡(Hall 1857)反弹之间复杂的联系。James D. Dana(1856)首先注意到了构造抬升和CO2消耗的关系。北美四次冰期证据的发现者、USGS负责人Thomas Chamberlin(1898, 1899)结合沉积证据，将碳循环与冰期旋回联系起来。
   20世纪的前80年里，横扫全球四次冰期从1955年开始多旋回理论所取代，地球轨道影响冰期的Milankovitch假说从理论走向实证。但构造尺度上，冰期成因似乎毫无进展。

   时间到了1980年代初。当时，深海沉积已经获得了新生代底栖有孔虫的同位素序列，有力支持Milankovitch假说。1982年底，Milankovitch假说的拥护者在美国Palisades碰头(论文集Milankovitch and Climate 1984年出版)，进一步推动Milankovitch假说走向应用。Heller & Liu (1982)用古地磁方法测定了中国洛川黄土的年龄，同年，Raymo从布朗大学毕业，进入哥伦比亚大学读研究生。
   构造尺度上重要进展是碳循环的BLAG模型。Robert Berner, Tony LAsaga & Bob Garrels假设过去100Ma以来CO2地球化学循环稳定，加入速度取决于洋壳生成和俯冲，移除速率与可接受风化的大陆面积成正比，——风化速率与温度正相关。BLAG模型成功模拟了白垩纪的高温和高CO2浓度，同时预测CO2浓度和温度的最大降幅发生在50Ma之前。
   博士期间，基于现代河流资料，Raymo (1988)发现，控制化学风化的主要因素是大陆高程，而不是BLAG模型提出的大陆面积和温度。山区机械剥蚀强烈，增大了可供化学风化的新鲜矿物表面积。而且，易风化的硅酸盐矿物出露、抬升导致地形雨增加、坡度增加导致冲刷加强，使得新鲜矿物持续出露。由此，Raymo建立了抬升与风化的联系。
   硅酸盐风化消耗CO2确信无疑。但CO2与温度的直接联系得益于Vostok冰芯记录：过去16万年大气CO2浓度变化与冰期－间冰期的温度变化非常一致；谱分析显示CO2由强烈的轨道周期，暗示CO2浓度对气候变化有驱动作用。
   选择指标表征大陆风化强度是成了建立假说的关键，Raymo选择了锶同位素比值。简单地说，海水中的锶是两个端元的混合：洋中脊热液活动提供的锶，具有较低的87Sr/86Sr值；地壳物质风化通过河流输入海洋的锶，具有较高的87Sr/86Sr值。由于海水中锶的滞留时间远大于海水的混合时间，所以一般认为海水的锶同位素比值是时间的函数，大陆风化越强，海水锶同位素比值越高。
   以锶同位素为桥梁，Raymo基于当时极为有限的古高度数据提出，40Ma以来，锶同位素比值升高与喜马拉雅－青藏高原、安第斯山抬升造成的化学风化加强有关；风化降低了大气中CO2含量，促使冰期形成。此外，她比较了显生宙冰期和锶同位素序列的关系：二者时间上一致性。同时，在文章的标题中明确提及Chamberlin (1899)的思想，获得了交口赞誉。她1991年Geology论文的审稿人评价是“复活了一个有趣的理论”，“势必引发争议。…品位之作，我喜欢”。
   新说法有争议本来毫不稀奇。稀奇的是Raymo在GEOLOGY写文章论假说，批评的文章竟然发在NATURE上。来自MIT的Peter Molnar和剑桥大学的Philip England合作在Nature上发表了题为"Late  Cenozoic uplift of mountain ranges and global climate change: chicken or egg?"的综述文章，提出气候变化－风化－侵蚀－地壳均衡之间存在一系列的正反馈：降温使得风化、剥蚀加强，消耗大气CO2，导致进一步降温。侵蚀和地壳均衡可能改变高程分布，使得山体更高；批评Raymo的抬升－风化颠倒了构造－气候之间的因果关系。没有谁比对手更适合标定你的地位了，对手越强说明自己的等级越高。
   但是，这个看似严厉的指责是以降温为起点的，反而成了Raymo的垫脚石。在1992年她和导师合作的Nature文章中，Molnar和England提出的“降温－剥蚀－均衡－抬升”的解释被当成了"抬升－风化"假说的正反馈的一部分，“may in fact provide a fully complementary source of positive feedback”。这就更显得人家厉害了。有人气势汹汹来攻，结果Raymo挥了挥衣袖，就把人家招安了。
   其实，Raymo也知道，正反馈是"抬升－风化"假说的最大弱点：抬升导致侵蚀加剧，CO2浓度降低，造成降温。侵蚀加剧会引起地壳均衡反弹，导致进一步抬升，进一步侵蚀，进一步降温。然后，然后地球就被冻死了。
   地球化学模型已经证实，如果火山作用保持不变，化学风化可以在几个百万年内将大气CO2消耗殆尽。所以，肯定存在负反馈。Raymo和Ruddiman提到了三种可能的负反馈机制。因此，Raymo和Ruddiman讨论了三种可能的负反馈机制：有机碳循环、深海硅酸盐矿物沉降以及海底玄武岩风化。
   有机碳极端富集12C，任何有机碳库的变化都会显著影响海洋－大气的13C/12C组成。有机碳埋藏可以通过碳同位素分馏影响大气CO2浓度，与硅酸盐风化、地幔去气无关。第二种负反馈机制主要是含Na、K矿物以硅酸盐矿物的形式在海底沉降。同时，硅酸盐风化产生的钙主要以碳酸岩沉降，消耗大气CO2。当大气CO2降低，海水pH升高，更有利于硅酸盐沉降。从而使得硅酸盐风化速率和CO2浓度之间的解耦。第三种机制是海水中氢离子与海底玄武岩反应释放出钙离子，并与海中的CO2结合成碳酸岩，导致海－气系统CO2的净移出。但大气CO2降低，海水pH值升高，抑制该过程继续，——同样也起到负反馈的作用。这三种机制中，有机碳循环已经被新生代海洋碳同位素所否定，而后两种机制的具体过程迄今所知甚少。
   尽管Ruddiman (2007)认为风化本身很可能就是地球的温度控制器，但是他并没有对此进行详细阐述。最近，Stanford大学的两位地球化学家，Kate Maher和Page  Chamberlain，通过对风化过程本身的深入发掘，提出了一种被编辑称为“水文温控器Hydrologic Thermostat”的理论模型。论文今天在这期Science上刊出。
   新的数学模型框架是这样的。单位面积的风化速率与河流-构造之间的相互作用关系密切，具体来说，取决于水-岩作用的时间和矿物风化的动力学过程。水-岩作用时间主要与流量和流程长度有关，风化动力学则是矿物组成、温度和风化速率的函数。
   如此一来，在溶解-沉降达到热力学平衡时，进入海洋的风化通量达到最大值。如果水岩作用的时间不足以使风化反应达到平衡，风化通量最小。抬升发生时，构造导致的降温受热力学平衡制约，而降温则会减缓风化，抑制造山过程。
   该模型最大亮点在于发现风化过程本身存在的负反馈机制，宾州州立大学Lee Kump教授评价这项工作“优雅而简洁elegant and straightforward”。
   反过来看，人类从1824年开始认识温室效应，1856年意识到造山消耗CO2，但绝大多数时候把风化消耗CO2简化成CaSiO3+CO2=CaCO3+SiO2。这两位地球化学家意识到风化作为化学反应，需要介质、需要时间、反应方向受各种因素制约，他们对影响因素参数化并成功构建模型，这些立刻给抬升－风化假说带来新的活力。模型仍可改进，前途一片光明。
   说明两个问题：1.基本概念永不过时；2.业余选手不要和专业达人比，即使在自己领域你天纵奇才。

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