海院科研动态（147）| 揭示气候驱动陆地风化信号在海洋沉积记录中的响应滞后

研究背景

风化作用指地表岩石的分解过程，对长期气候调节至关重要；其与气候之间的反馈机制，更是维系地球乃至行星长期宜居性的关键环节。然而，由于难以准确量化过去地质历史时期的风化强度，风化作用响应气候变化的具体过程仍不明确，尤其是在多短的时间尺度上气候–风化反馈机制能起到作用，众说纷纭。这一困难尤其体现在陆地风化产物的最终“汇”——海洋沉积物，因为物源很可能掩盖、甚至扭曲了风化信号。因此，检验气候驱动的陆地风化信号在海洋沉积记录中的响应特征，是深入理解气候–风化反馈机制的重要研究内容。

研究结果

针对以上科学问题，近日我院海洋同位素地球化学团队在国际著名学术期刊《Geophysical Research Letters》发表了题为“Investigating the timescale of weathering signals preserved in marine sediments – Insights from the Holocene Mediterranean”的研究论文。该研究选取全新世地中海为典型案例，探讨了气候驱动的陆地风化信号是如何被陆表过程搬运、最终保存到深海沉积记录之中。该区域完整记录了非洲湿润期（约11000至5000年前）的气候信息；在此期间，撒哈拉地区从沙漠转变为绿洲，发育的河流系统向地中海盆地输入大量的淡水与碎屑物质，使得地中海成为研究气候–风化反馈机制的天然实验室（图1）。

图1. 地中海位于非洲季风气候带与欧洲温带气候带的交汇处，接受来自周边大陆的不同陆源碎屑输入，各物源区受控于特征的水文气候情况. a) 东地中海海底地形图，显示研究站位. b, c) 现代夏季（6-7-8月）和冬季（12-1-2月）的长期平均地表气温与降水率.

该研究基于近二十个具有良好年龄框架的地中海沉积物岩芯，针对全新世非洲湿润期，尝试分析和检验一系列风化指标的气候响应（图2）。在排除搬运过程可能的粒度影响后（图3），再结合固定效应模型区分物源与风化信号，研究识别出气候变化与风化响应之间存在一致的变化模式（图2），并且二者存在约3000至5000年的时间滞后（图4）。这种滞后的原因包括两方面：一是沉积物从沿岸地区迁移至深海并最终沉积，最长可能需2000年；二是河流流域内的侵蚀与搬运过程可能再耗时3000年，具体时长取决于水文气候的不稳定性及相关河流动力学特征（图4）。

图2. 以化学蚀变指数（CIA）为代表的风化强度指标与研究站位a) 纬度、b) 经度、c) 水深的分布关系. 选定的6个时间切片以不同颜色区分，覆盖了全新世非洲湿润期的关键节点. CIA与纬度均呈现更强的相关性，与经度的相关性较弱，体现了CIA所反映的气候驱动风化强度信号.CIA与水深无明显关联，并随着站位水深的增加呈现收敛趋势，体现了风化信号从近岸向深海的迁移过程

图3. 通过CIQ与CIA关系图评估粒度效应，数据分别按a) 时间与b) 物源进行区分. CIQ创新性地用于衡量首期旋回风化产物的石英富集程度，独立于风化强度，专门用于评估样品是否（以及在何种程度上）能够反映当前旋回的风化过程. 除部分表层样品外，研究所用样品的CIQ值均接近0，表明石英稀释所带来的粒度效应可忽略不计.

考虑到陆地风化–海洋沉积的可能滞后效应，再加上沉积物物源混合与搬运分选的影响，研究认为：只有在超过沉积物滞留时间（通常大于1000年）的时间尺度上，才能从深海沉积记录中较为可靠识别地气候驱动的风化信号。

图4. 全新世北非-地中海区域风化强度指标记录. a, b) 与地中海南、北缘地区水文气候重建数据 (c, d) 的对比，以及风化信号传播过程示意图 (e). a, b) CIA及αAlNa指标变化曲线，以颜色区分不同物源区记录：地中海北岸、中央深水盆地、利比亚边缘、及尼罗河流域区. 样品选自6个关键气候时间切片，同时显示非洲湿润期范围. c) 北纬25°夏季（七月）平均太阳辐射变化曲线，以及基于北纬10–28°与20–28°范围内湖泊点位数量、20–28°范围内湿润点位（湖相、河流相、沼泽相）数量重建的北非水文气候演变过程. d) 北纬45°冬季（一月）平均太阳辐射变化曲线，以Ohrid湖（北纬41°）年均地表气温与降水模拟结果，代表北岸地区气候特征. e) 风化信号传播示意图，呈现从近岸到深海的滞后、混合及缓冲过程. 图中x轴示意了风化信号从陆地物源到深海沉积的各时间组成.

文章相关信息

原文信息：

Wu, J.*, Yao, S., Guo, Y.*, Colin, C., Zerboni, A., Filippidi, A., Wang, S., Liu, Z., Yang, S., De Lange, G.J., 2025. Investigating the timescale of weathering signals preserved in marine sediments— insights from the Holocene Mediterranean. Geophysical Research Letters 52, e2025GL117335.

https://doi.org/10.1029/2025GL117335

研究团队及资助

我院吴家望副教授为该论文的第一作者和共同通讯作者，2024届硕士生姚胜男为第二作者，同济大学郭玉龙副研究员为共同通讯作者；其他作者包括：我院硕士研究生汪思成、法国巴黎萨克雷大学Christophe Colin教授、意大利米兰大学Andrea Zerboni教授、同济大学刘志飞教授、杨守业教授、荷兰乌特勒支大学Amalia Filippidi、Gert J. de Lange教授。该研究由国家自然科学基金（42276051、41806064）、广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515030293）、以及国家重点研发计划课题（2022YFF0800503）资助。研究所用沉积物岩芯的航次采集工作得到了欧盟海洋科学与技术计划项目的支持：MARFLUX（MAST1‐90022C）、PALEOFLUX（MAS2‐CT93‐0051）以及SAP（MAS3‐CT97‐0137）。