《Global and Planetary Change》：Enhanced silicate chemical weathering of the South African Plateau and its contribution to the global climate cooling trend during the late cretaceous
编辑推荐：
地质冷却与风化作用关系研究 | 南非洲 plateau 构造抬升 | 化学风化增强 | 海洋生产力提升 | CO2汇作用 |
卡米洛·E·盖坦（Camilo E. Gaitan）|埃马纽埃尔·普塞阿特（Emmanuelle Pucéat）|皮埃尔·佩莱纳尔（Pierre Pellenard）|埃马纽埃尔·维南（Emmanuelle Venin）|法布里斯·莫纳（Fabrice Monna）|热尔曼·巴永（Germain Bayon）|蒂埃里·阿达特（Thierry Adatte）|塞西尔·罗宾（Cécile Robin）|弗朗索瓦·吉洛肖（Fran?ois Guillocheau）
法国吉夫-苏尔-伊韦特（Gif-sur-Yvette）的克莱默罗克（Climerock）
摘要
晚白垩世（约1亿至6600万年前）的气候冷却与南美洲东部边缘和南非西部边缘记录的加速剥蚀事件导致的二氧化碳（CO2）减少有关。然而，这些剥蚀事件的开始时间实际上晚于晚白垩世的主要气候冷却阶段，后者发生在桑托尼安-早坎帕阶（约8600万至8100万年前）。在这里，我们研究了位于南非西部边缘附近的开普盆地（Cape Basin）大陆坡上的O-A1钻孔中的沉积物中粒径小于2微米的粘土成分。我们将这些结果与来自该盆地的先前记录（DSDP 361）结合起来，以探讨控制南非高原剥蚀过程的因素及其与晚白垩世气候冷却之间的关系。O-A1地点的ΔεHf记录（作为硅酸盐风化强度的代用指标）显示，在森诺曼阶-马斯特里赫特阶（约9500万至6800万年前）期间，硅酸盐化学风化强度有所增加，这早于DSDP 361记录所显示的坎帕阶-丹尼安阶时期。虽然这种差异可以归因于DSDP 361地点的年龄模型不确定性，但观察到的硅酸盐化学风化强度的增加与南非高原的物理侵蚀和构造抬升相同时期，并反映了当时海水中87Sr/86Sr的比例变化。此外，即使在全球气候冷却的背景下，这种风化强度的增加也表明其主要是由构造活动驱动的。O-A1地点的ΔεHf数据首次表明，早在森诺曼阶时期，硅酸盐化学风化强度就已经增强，这不仅表明它可能在维持晚白垩世的寒冷气候趋势中起到了作用，还可能促成了从图尔诺阶末期开始并在坎帕阶持续发生的二氧化碳减少现象。这一过程似乎由两种不同的机制驱动：一是通过硅酸盐反应，二是通过河流输入的养分增加，后者可能促进了初级生产力的提升和有机碳的储存（如桑托尼安-马斯特里赫特阶期间Baexcess的增加所示）。我们的研究确立了南非高原上的加速风化作用可能是晚白垩世冷却趋势的早期贡献因素，并强调了受养分驱动的海洋生产力作为二氧化碳减少机制的重要性，尽管这一机制目前研究较少。
引言
沉积盆地是追踪古代环境中长期剥蚀过程的最佳档案。最近在南非东部边缘和南非西部边缘附近进行的研究将构造活动与加速的剥蚀事件、随后的二氧化碳减少以及气候冷却联系起来（Corentin等人，2024；Corentin等人，2022；Corentin等人，2023；Gaitan等人，2023）。这些研究通过粘土矿物学和同位素记录（粘土中的Hf-Nd同位素）表明，晚白垩世期间硅酸盐化学风化加剧，这是二氧化碳减少的一个重要机制（Berner等人，1983；Gaillardet等人，1999；Hilton和West，2020）。这些风化事件与晚白垩世长期的气候冷却趋势相吻合（Friedrich等人，2012；O'Brien等人，2017）。Hf-Nd同位素记录显示，在桑托尼安-坎帕阶期间，南非边缘的硅酸盐风化强度增强（Corentin等人，2022；Corentin等人，2023），以及在桑托尼安-马斯特里赫特阶期间，南非西部边缘的硅酸盐风化强度也增强（Corentin等人，2024；Gaitan等人，2023）。然而，这些事件都与晚白垩世气候下降的主要冷却阶段同时发生，但开始时间晚于该阶段在其他地区的记录（Friedrich等人，2012；O'Brien等人，2017；Petrizzo等人，2022）。在南非边缘的背景下，关于化学风化强度增加的结论仅基于DSDP 361岩芯的地球化学记录。然而，该地点的沉积物年龄模型存在较大不确定性（Gaitan等人，2023），这阻碍了对风化事件开始时间的精确确定。此外，在图尔诺阶-坎帕阶期间，DSDP 361岩芯并未检测到南非边缘化学风化的显著变化，而这一时期正是全球同位素记录所显示的主要冷却阶段（δ18O海底值）（Friedrich等人，2012；O'Brien等人，2017；Huber等人，2018；Petrizzo等人，2022）。因此，尽管南非东部和西部边缘记录的风化事件可能有助于维持晚白垩世的寒冷气候，但导致冷却开始的机制仍不明确。
DSDP 361岩芯中的化学风化信号演变依赖于主要来自南非高原的碎屑粘土矿物的分析，这些粘土沉积在开普盆地的深海平原（Gaitan等人，2023）。然而，由于沉积记录的远距离位置，深底电流带来的外来沉积物的混入不能完全排除（Murphy和Thomas，2013；Natland，1978），粘土矿物上的差异沉降过程也可能引入某些古气候解释的偏差（Gibbs，1977；Petschick等人，1996）。多种热年代学数据——磷灰石裂变径迹（AFT）和磷灰石（U-Th）/氦（AHe）——表明，晚白垩世期间高原地区的地质结构对岩石冷却事件具有重要影响（Green等人，2017；Kounov等人，2009；Kounov等人，2013；Raab等人，2002；Stanley和Flowers，2020；Tinker等人，2008；Wildman等人，2015；Wildman等人，2021）。这些区域结构可能改变了从这些岩石冷却事件推断出的剥蚀（即侵蚀和风化）的来源区域。这些剥蚀事件进一步与涉及大陆倾斜的构造抬升有关（Baby等人，2018a；Baby等人，2019；Braun等人，2014；Stanley等人，2021），这导致了排水系统的重组（De Wit等人，2009；De Wit，1999；Goudie，2005；Stevenson和Mcmillan，2004），进而影响了沉积物来源区域的变化。沉积物通量和体积的估计也表明，抬升的倾斜成分似乎影响了南非东部边缘附近盆地的沉积物分布（Baby等人，2019）。总之，这些影响开普盆地沉积物来源和分布的过程可能改变了剥蚀记录，特别是化学风化过程，并阻碍了对这些过程在晚白垩世气候中影响的解释。因此，对比开普盆地沿线的剥蚀记录与过程响应对于理解控制这一记录的动态及其对气候解释的意义至关重要。
本研究的目的是分析开普盆地大陆坡上的沉积记录（O-A1钻孔——图1），并将其与来自深海平原的先前记录（DSDP 361岩芯——图1；Gaitan等人，2023）进行比较。通过这种比较，我们研究了沉积物分布和来源变化对开普盆地侵蚀和化学风化信号的影响，同时探讨了这一记录与晚白垩世全球气候冷却之间的联系。为此，我们结合了X射线衍射（XRD）分析、主要和微量元素分析、透射电子显微镜（TEM）以及粘土成分（< 2微米）的Hf-Nd同位素组成分析（Bayon等人，2016）。通过这套技术，我们试图理解影响地球化学信号的动态，特别是沉积物传输系统中的粘土成分。
南非西部边缘的演变
南非边缘的演变始于侏罗纪晚期至白垩纪早期，当时南美洲板块和非洲板块之间开始分离，大西洋逐渐形成（Moulin等人，2010；Torsvik等人，2009）。有研究表明，这一分离过程始于南部区域，并向北扩展（Koopmann等人，2016；Rabinowitz和LaBrecque，1979），但由于年龄数据的不确定性，南部区域的分离起始时间尚未完全明确。
钻孔描述
在本研究中，我们分析了南非石油局提供的O-A1钻孔中的91个切割样本。该钻孔位于开普盆地的大陆坡上（图1；33.161539°S 16.822406°E），距离南非西部边缘约100公里。钻孔的地层序列长达约3650米，涵盖从阿普特阶-巴雷姆阶到始新世中期的时间（Valicenti等人，1993），但本研究中分析的样本主要来自阿尔比阶到...
岩石整体成分和粘土矿物组合——XRD分析
岩石整体成分分析显示，该段中石英和叶状硅酸盐（即粘土和云母）占主导地位，直到桑托尼安阶（约2800米深处；约8400万年前）钙质才开始占主导（补充表S4；图2）。在阿普特阶-阿尔比阶期间（约1.14亿至1.1亿年前），石英含量增加，达到约88%；之后石英含量减少，而叶状硅酸盐含量增加，在图尔诺阶（约9000万年前）达到约35%。
粘土矿物的来源
沉积盆地中的碎屑粘土矿物是理解地表大陆过程演变的有用示踪剂（例如，Bougeault等人，2017；Chamley，1989；Corentin等人，2022；Corentin等人，2023；Dera等人，2009；Gaitan等人，2023）。然而，粘土矿物也可以通过热液活动、逆风化作用、火山灰沉积物的改变或在深海条件下的相互作用在沉积盆地中形成。结论
我们来自O-A1钻孔的数据首次表明，南非高原上由构造活动驱动的硅酸盐化学风化增强可能在触发晚白垩世全球冷却趋势中起到了关键作用，这一趋势始于森诺曼阶-图尔诺阶过渡期。此外，硅酸盐化学风化增强对二氧化碳的影响似乎超出了硅酸盐矿物反应的范围，还可能与...
CRediT作者贡献声明
卡米洛·E·盖坦（Camilo E. Gaitan）：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、调查、数据分析、数据管理。埃马纽埃尔·普塞阿特（Emmanuelle Pucéat）：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源获取、概念化。皮埃尔·佩莱纳尔（Pierre Pellenard）：撰写——审稿与编辑、验证、方法学、概念化。法布里斯·莫纳（Fabrice Monna）：验证、软件应用、方法学。热尔曼·巴永（Germain Bayon）：撰写——审稿与编辑、验证、方法学、概念化。蒂埃里·阿达特（Thierry Adatte）：撰写——
未引用的参考文献
Bufe等人，2024
Caves等人，2019
Gabet和Mudd，2009
Gutjahr等人，2007
Maher和Chamberlain，2014
Moore和Reynolds，1997
NASA JPL，2013
Sarr等人，2025
West等人，2005
利益冲突声明
作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：卡米洛·埃斯特万·盖坦（Camilo Esteban Gaitan Valencia）表示，他的工作得到了Horizon Europe和ANR RISE项目的资助。如果还有其他作者，他们声明自己没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢南非石油局（SAPA）提供O-A1钻孔的材料。该项目获得了欧盟“地平线2020”研究与创新计划（Marie Sklodowska-Curie资助协议编号860383）以及ANR RISE项目的资助。我们还要感谢布尔戈尼大学ICB实验室的Rémi Chassagnon和Dijon的INRAe、布尔戈尼大学生物地球科学实验室的Ludovic Bruneau以及GISMO分析平台的支持。
