Nature Geoscience：侵蝕作用控制下矽酸鹽、碳酸鹽和硫化物風化對二氧化碳釋放的影響

NG：侵蝕作用控制下矽酸鹽、碳酸鹽和硫化物風化對二氧化碳釋放的影響

全球氣候變化被認為受到大陸風化及其調控下的碳迴圈的影響。矽酸鹽巖風化消耗大氣二氧化碳，而碳酸鹽和硫化物風化在地質歷史時間尺度是大氣二氧化碳的源，後者會在一定程度上抵消矽酸鹽風化對大氣二氧化碳的吸收作用，甚至影響氣候變化。不同礦物種類與風化流體的反應在自然界中同時發生，但目前還缺乏碳酸鹽和矽酸鹽的不同風化反應型別對物理侵蝕作用的響應，以及它們對大氣二氧化碳源匯作用的定量研究，尤其是在造山帶區域，構造隆升導致的強烈侵蝕作用不斷將岩石新鮮面暴露在地表風化流體中，使其持續發生水巖反應。不同種類岩石的化學風化對地球氣候的影響效應不同，比如，土壤中的二氧化碳與矽酸鹽和碳酸鹽礦物發生反應，是一個將大氣二氧化碳長期封存的過程；另一種情況是，硫化物礦物（比如黃鐵礦）風化產生的硫酸，與碳酸鹽反應，這個過程釋放CO₂。造山運動和化學風化的關係被認為在百萬年時間尺度上影響氣候變化，然而，目前還有很多環節沒有弄清，尤其是阿爾卑斯和喜馬拉雅等造山帶的隆升對氣候的影響。它們是否引起了矽酸鹽風化和CO₂消耗的加速，進而導致全球氣候變冷？亦或是硫酸風化碳酸鹽並釋放二氧化碳作為主導，使得大氣CO₂水平在一定程度上有所升高？

為回答這些問題，來自German Research Center for Geosciences的研究人員Aaron Bufe等對中國臺灣南部侵蝕速率跨越三個數量級、但年平均降雨量和徑流量變化較小的40個頁岩和砂岩小流域進行樣品採集和水化學分析，研究侵蝕速率對流域矽酸鹽、碳酸鹽、硫化物風化及CO₂消耗-釋放速率的影響。

研究人員運用宇宙成因核素¹⁰Be得到侵蝕速率與流域平均坡度指數（k_sn）的擬合關係，反推研究流域的侵蝕速率，得到的最小侵蝕速率<0.004 mm/yr，最大侵蝕速率>2 mm/yr。水化學資料顯示Ca²⁺和SO₄^2-濃度隨著侵蝕速率的增大而升高，而Na⁺和溶解性Si濃度在低侵蝕速率時相對穩定，當侵蝕速率增高時，反而呈現明顯的降低。運用反演法計算來自矽酸鹽、碳酸鹽等不同物質端元的溶質貢獻，以及碳酸鹽風化貢獻的總陽離子份額，進一步計算硫化物氧化貢獻的硫酸根、以及發生次生沉澱的Ca²⁺份額。結果顯示，風化輸入平均佔到總溶解質的88%。在侵蝕速率小於0.1mm/yr的時候，矽酸鹽和碳酸鹽風化貢獻的陽離子份額相近。當侵蝕速率升高，[Cat]_carb升高了5-10倍，而[Cat]_sil卻保持不變，甚至發生降低，也就是說，侵蝕速率升高時碳酸鹽巖風化逐漸佔主導。同時，硫化物風化產生的硫酸根濃度也從<50μmol/L升高到了>2000μmol/L（圖1）。不同流域之間徑流量和溫度的變化幅度不足以解釋碳酸鹽風化速率及其對流域河水溶質貢獻份額的升高。作者透過探討碳酸鈣過飽和狀態下河水樣品的平衡pH值（pH_eq）與硫酸導致的pH值（pH_SO4），以及侵蝕速率變化之間的關係（圖2），提出碳酸鹽風化隨著侵蝕速率的升高而持續增強，並且這一現象與硫酸的供應密切相關。所研究小流域的矽酸鹽風化呈現較為穩定的狀態，並不隨侵蝕速率的大幅升高而發生明顯升高，甚至還發生了一定程度的降低，說明整個研究區的矽酸鹽風化處於被反應動力學限制的狀態。pH值雖然也是限制矽酸鹽風化過程的一個重要因素，但在～6-8的pH值之下，長石風化速率對pH值的變化響應是不敏感的，硫酸的存在甚至會透過降低風化流體的pH值，抑制矽酸鹽風化反應的進行。本研究發現硫化物風化並不會同時增強流域內碳酸鹽和矽酸鹽的風化作用，尤其是對於頁岩，變質沉積岩等富含碳酸鹽基岩為主的流域，這一現象更加明顯。另外，基於豐水期和枯水期兩個水文季節的樣品資料，作者認為以上現象不受水量變化的影響。

圖1 流域水化學與侵蝕速率的變化關係（Bufe et al., 2021）

圖2 流域水pH值與侵蝕速率、硫酸風化的關係（Bufe et al., 2021）

當前碳迴圈模型的一個基本前提為，所有礦物的風化速率都隨著侵蝕作用加強而升高，並且具有相對的獨立性。新生代以來大氣CO₂水平的降低，也被認為是Alpine–Himalayan造山帶隆升，侵蝕作用增強導致的矽酸鹽風化加速消耗大氣CO₂導致。本研究顯示，海相碎屑沉積岩侵蝕速率的升高，並不能直接導致矽酸鹽風化的加強，甚至會在一定程度上抑制矽酸鹽風化反應的進行；另同時，碳酸鹽和硫化物的風化反應還會向大氣中釋放CO₂。

矽酸鹽、碳酸鹽和硫化物風化速率的相對變化在百萬年時間尺度上調節大氣CO₂的收支。尤其是在侵蝕作用加劇時，硫化物風化相對於矽酸鹽風化的增強，將會導致地表的風化作用由碳匯轉化為碳源。在本文的研究區臺灣南部，源匯的拐點出現在0.3-0.8 mm/yr的侵蝕速率之下，侵蝕速率大於1 mm/yr流域的碳釋放速率均高於侵蝕速率小於0.1 mm/yr流域的碳消耗速率（圖3）。在百萬年時間尺度上，硫化物氧化產生硫酸根與海洋硫酸根還原作用是平衡的。因此，以上碳酸鹽被硫酸風化釋放CO引起的風化碳源匯轉化機制，在碳酸鹽補償（～10^{2 3}-10-10⁴年）和海洋沉積物硫化物形成（～10⁶-10⁷年）之間的時間尺度上是普遍適用的。這也是長期氣候變化和造山運動的時間尺度。作者將本研究的發現拓展到新生代，認為新生代大氣CO₂水平的降低，不能確定是造山運動導致的新鮮矽酸鹽礦物暴露增加的直接結果。在整個地史時期，富含碳酸鹽的大陸架沉積物在地殼的暴露，會將造山帶由碳匯轉化為碳源，本研究的結果對新生代以來的造山帶風化，及其氣候效應研究可能具有普遍性的意義。

圖3 侵蝕作用對長期碳迴圈的影響（Bufe et al., 2021）

主要參考文獻

BufeA, Hovius N, Emberson R, et al. Co-variation of silicate, carbonate and sulfideweathering drives CO 2 release with erosion[J]. Nature Geoscience, 2021, 14(4):211-216.（原文連結）

（撰稿：劉文景/新生代室）