青藏高原始新世隆升期间化学风化机制的演变：从气候驱动到气候—构造耦合控制

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Evolving chemical weathering regimes during Eocene uplift of the Tibetan Plateau: From climatic forcing to coupled climate–tectonic control

　　

青藏高原在新生代（Cenozoic）的隆升深刻影响了区域至全球气候，而构造过程也通过控制侵蚀、沉积物搬运及停留时间来调节大陆化学风化。然而，造山系统中的化学风化究竟主要受气候还是构造控制，以及二者相对作用在早期造山过程中如何演化，仍不清楚。早—中始新世跨越了早始新世气候最适期（Early Eocene Climatic Optimum, EECO）向后续降温转变的关键阶段，为评估这些控制因素提供了天然框架。青藏高原东南部的贡觉盆地（Gonjo Basin）保存了一套连续的约53–38 Ma地层序列，为分析气候—构造相互作用提供了难得机会。研究人员综合沉积学（sedimentology）、黏土矿物学（clay mineralogy）、黏土粒级地球化学（clay-sized geochemistry）、锂同位素（lithium isotopes, δ⁷Li）以及碎屑锆石U-Pb年代学（detrital zircon U-Pb geochronology），重建风化强度与沉积物源。

研究识别出三个阶段。阶段I（53–51 Ma）表现为稳定的沉积物输送体系，物源主要受松潘—甘孜（Songpan–Ganzi）和羌塘北部（Northern Qiangtang）控制。该阶段与早始新世气候最适期（EECO）相对应，温暖湿润条件促进了强烈化学风化，指示出以气候主导的风化机制。阶段II（51–43 Ma）期间，羌塘地体（Qiangtang Terrane）岩浆活动增强且构造隆升加剧，导致物理侵蚀增强并改变了物源组成；与此同时，受全球降温影响，化学风化减弱。约43 Ma之后的阶段III中，持续降温与进一步隆升共同限制了沉积物输送路径，使其主要局限于近源区，并维持较弱的化学风化状态。

这些结果表明，在早—中始新世期间，化学风化控制机制由气候主导逐步转变为气候—构造耦合控制，并强调了沉积物输送体系（sediment routing）在早期青藏高原生长过程中制约硅酸盐风化效率（silicate weathering efficiency）的重要作用。

该文发表于《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》，聚焦青藏高原东南缘贡觉盆地始新世沉积记录，探讨高原早期隆升背景下化学风化机制如何在气候变化与构造抬升共同作用下发生阶段性转变。研究背景在于：新生代青藏高原隆升不仅重塑了亚洲大气环流和区域水文气候，也通过改变地形起伏、侵蚀强度、沉积物输送路径和物质停留时间，深刻影响大陆表层过程。大陆化学风化是连接构造与气候的关键环节，因为硅酸盐风化能够调节大气CO₂并参与长期碳循环。然而，对于造山带中化学风化究竟由气候强迫主导，还是由构造过程主导，尤其是在山地快速生长、排水体系频繁重组的早期阶段，相关认识一直存在争议。早—中始新世恰好经历了由早始新世气候最适期（EECO）向持续降温的转变，因此为识别气候效应与构造效应的相对贡献提供了理想窗口。

贡觉盆地位于青藏高原东南缘、金沙江缝合带以北，处在印度—亚洲碰撞带与原始高原演化区的关键过渡部位，对古近纪气候与构造变化都极为敏感。该盆地保存了较厚且相对连续的早—中始新世陆相沉积地层，尤其适合追踪早期高原隆升时期的地表过程响应。既有研究多集中于古新世至早始新世的地层学、古高度及源—汇演化，对EECO及其后续降温过程中，气候强迫如何与构造隆升共同调控盆地内化学风化和沉积响应，缺乏系统检验。基于此，研究人员选取盆地北部盛达（SD）剖面，围绕约53–38 Ma沉积序列，联合分析风化指标与物源指标，旨在回答三个核心问题：化学风化强度如何响应EECO向后续降温的转变；这些变化在多大程度上受气候或构造隆升控制；气候—构造耦合调控何时在青藏高原早期隆升过程中开始显现。

方法概括：研究以贡觉盆地盛达剖面约53–38 Ma连续地层为对象，沿剖面系统采集砂岩与泥岩样品共973件，采样间距1–2 m。研究主要采用黏土矿物组合分析、黏土粒级主量—微量元素地球化学分析、锂同位素δ⁷Li测试及13件砂岩样品的碎屑锆石U-Pb年代学分析，并结合沉积学观察、物源敏感地球化学比值和多元统计分析，联合重建化学风化强度、沉积物来源及沉积物输送体系的阶段性演化。

研究结果部分可概括如下。

Regional geological framework
论文首先说明了研究区的区域地质背景。贡觉盆地位于青藏高原东南缘，紧邻金沙江缝合带北侧，夹处于北羌塘地体（Northern Qiangtang Terrane, NQT）与松潘—甘孜地体（Songpan–Ganze Terrane, SGT）之间。该位置使其能够敏感记录早新生代构造隆升、排水重组与沉积物输送体系变化，因此成为检验气候与构造共同作用的关键天然实验场。

Sampling and sample preparation
研究人员对盛达剖面进行了高分辨率连续采样，覆盖约53–38 Ma的主要沉积层段。不同粒级和岩性的样品分别用于碎屑锆石U-Pb定年、黏土矿物学、元素地球化学及同位素分析，为时间约束下的风化—物源协同重建提供了数据基础。

Vertical variations in clay minerals
黏土矿物垂向变化揭示了风化环境和沉积输入的持续调整。伊利石（illite）在全剖面中占主导，并总体向上增加；高岭石（kaolinite）的变化则反映出较暖湿环境下更强烈的化学蚀变。该类矿物组合通常被视为古气候和风化强度的重要指标。研究据此识别出剖面下部风化较强、上部风化减弱的整体趋势，这一变化与始新世全球由暖向冷的背景相一致。

Provenance shifts and tectonic reorganization
物源转换与构造重组是论文的核心结果之一。碎屑锆石U-Pb年龄谱、物源敏感地球化学比值及多元统计分析共同显示，贡觉盆地在早—中始新世经历了明确的三阶段沉积物源演化。基底层段即阶段I（53–51 Ma）缺失新生代锆石，表明沉积物主要来自松潘—甘孜地体和北羌塘地体，沉积物输送路径相对稳定。阶段II（51–43 Ma）中，随着羌塘地体岩浆活动增强及构造隆升加快，物源组成发生明显变化，表明更广泛的上游地区被卷入供源系统，沉积物输送体系开始重组。阶段III（约43–38 Ma）期间，进一步的构造抬升与地貌分异导致输送范围收缩，沉积物来源趋于近源化，反映出盆地周缘地形屏障增强和流域整合方式改变。

结合风化指标，研究人员进一步提出三阶段风化机制演化模式。阶段I对应EECO时段，全球温暖湿润，反应动力学增强，流域内化学风化强烈，尽管区域处于活动构造背景之中，但稳定的输送体系和较长的物质反应机会使气候效应占据主导。阶段II中，全球持续降温降低了化学反应速率，同时构造抬升与岩浆活动增强，提升了物理侵蚀和新鲜矿物暴露，缩短了颗粒停留时间，因而化学风化总体减弱；这一阶段显示出气候变化与构造过程开始共同影响风化产物的形成与保存。阶段III中，降温延续，且盆地沉积物更多来自近源快速供给区，沉积物在源区—汇区系统中的停留时间进一步缩短，使化学风化持续维持在较弱状态，显示出更加明显的气候—构造耦合约束。

论文的重要意义在于，它并未将化学风化简单归因于单一气候信号或单一构造信号，而是通过时间分辨的物源重建与风化指标对照，展示了二者相对作用会随造山阶段而变化。也就是说，在高原早期生长阶段，温暖湿润气候能够主导强风化；而随着构造隆升增强、侵蚀加速及沉积物输送体系重组，物质停留时间与供源空间结构发生变化，风化效率逐渐转入由气候与构造共同控制的状态。这一认识对于理解青藏高原早期地表演化、陆地硅酸盐风化反馈及新生代长期碳循环具有重要价值。

讨论部分总结显示，研究人员强调沉积物输送体系（sediment routing）是连接构造抬升与化学风化效率的关键中介。构造过程不仅改变地形和侵蚀速率，也通过改变沉积物来源、搬运距离及滞留时间影响风化反应是否能够充分进行。因此，在活动大陆内部，仅凭传统风化指标不足以区分气候与构造效应，必须结合可靠的物源约束。贡觉盆地的记录表明，早—中始新世化学风化机制经历了从气候主导到气候—构造耦合控制的演变，这种转换与青藏高原东南缘早期隆升及流域重组密切相关。

研究结论可译述为：本研究综合盛达剖面的碎屑锆石U-Pb年代学、黏土矿物学、黏土粒级地球化学和锂同位素资料，限定了青藏高原东南缘贡觉盆地早—中始新世（约53–38 Ma）期间沉积物源与化学风化的协同演化。沉积学与物源记录共同表明，伴随高原早期隆升，沉积物输送体系发生了系统性的三阶段演化。阶段I（53–51 Ma）期间，在EECO温暖湿润背景下，稳定的远源供给促进了强烈化学风化，风化机制以气候控制为主；阶段II（51–43 Ma）期间，羌塘地体构造抬升和岩浆活动增强，引起物源调整并强化物理侵蚀，同时全球降温导致化学风化减弱；阶段III（约43–38 Ma）期间，进一步降温和持续隆升使沉积物输送受限于近源区，化学风化保持较弱。总体而言，贡觉盆地记录揭示出化学风化控制机制由气候主导向气候—构造耦合调控转变，并凸显了沉积物输送体系在早期青藏高原生长过程中限制硅酸盐风化效率的重要作用。