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立项依据


(一)国家需求

1. 减弱全球碳排放日益政治化和炒作的需要

    随着全球变暖得到更多科学证据的支持,全球碳排放和减排日益成为发达国家对发展中国家尤其我国施压的政治工具,国际舆论媒体也跟着大势炒作,紧密服务于西方政治。如果我们能够从自然过程中告诉人们:(1)在地球历史中类似的快速变暖事件曾经发生过许多次,而且变化幅度比当代的变暖幅度还要大,不一定非要人类活动才造成这样的结果;(2)最重要的是,正如“盖亚”假说(Gaia Hypothesis)(Lovelock,2000)所提出的那样,地球本身是有生命的,其陆地生物地球化学循环和自然地表过程共同作用会自我调节这种快速的CO2 和温度增加,维持地球生命持续生存的环境,那么社会的恐慌感就会大大减弱,西方政治炒作和打压的政治氛围就会减弱。

2. 全球变暖趋势下预测未来气候和生态环境变化及其对策的需要

   全球变暖趋势既然已是事实,那么我们最关心的就是这种变暖趋势下我国陆地气候和生态环境该如何响应变化?影响的机制是什么?尤其自然界又是如何自动调节和平衡这种CO2 和温度增加效应的?数值模拟可以帮助我们了解一些过程和机制,但永远代替不了地质事实的求证。只有从地质历史中去寻找与此相似的气候模态,考察类似增暖事件中全球CO2 和温度快速升高及其后又恢复到早先状态的整个过程中,气候和生态环境的响应和作用,才可能理解其内在调节机制。而对于全球一级碳循环,唯有从剥蚀风化的过程入手,我们才能依据响应-作用过程和正反馈机制,预测未来全球变暖下我国大陆气候和生态环境的变化趋势与特征,从而制定出合理的应对策略和措施。如果可行的话,还可以依据植被等在自然界对CO2 和温度升温自动平衡过程中的作用,采取更加主动的对策和措施,加速自然界的平衡进程。

3. 建立“高原隆升-大陆风化-全球变化”新的理论模型,攀登科学高峰,为国挣得荣誉的需要

    青藏高原隆升-大陆风化剥蚀-全球变化的内在关系是理解地质时期全球碳循环与气候变化过程和机制,全球地质碳循环和气候变化模拟的根基。目前的很多解释只是处于假说阶段,高原隆升通过对剥蚀风化进程的影响究竟在多大程度上影响到气候变化,全球气候变化又是如何反过来影响剥蚀风化等并没有得到深入的研究。如果我国首次进行此方面的系统研究,将其提升到理论水平,或提出一个新的理论,或提供了关键证据,都将在国际上产生重要的影响,为国家在全球变化理论的提升中争得荣誉。

(二)科学意义

1. 大陆风化剥蚀关系到地表4大圈层(岩石圈-水圈-大气圈-生物圈)的相互作用过程,是自然界消耗平衡大气CO2,影响全球碳循环和全球变化,进而解开全球气候长期变化机制,模拟和预测其变化趋势的关键,不仅对全球变化,而且对推动地球大陆动力学和表生地球化学的发展,都具有非常重要的意义。

    地球碳循环是影响全球气候和生物圈最关键的因素。地球气候的地质演化记录表明(Holland,1978;Volk,1987;Berner,1991;Bickle et al.,1994;Berner et al.,1997),地球自诞生以来既没有演化成像金星那样主要为大气CO2 包裹、表层温度极高(约470oC)的“火球”,也没有演化成像火星那样表层仅有稀薄大气CO2覆盖的极其寒冷的“冰球”,而是演化成适合生物生存繁衍的具有适宜CO2/O2 比值和表层温度的星球,从长的地质尺度看,大气CO2 的浓度保持了相对的平衡稳定。地球内部CO2 的放气作用(大洋中脊和板块俯冲带的火山作用)和地表硅酸盐化学风化(CaxMg(1-x)SiO3+ CO2 = CaxMg(1-x)CO3 + SiO2, x≤1)对大气CO2 的消耗作用被认为是地球表层大气CO2 保持相对平衡稳定的关键机制。岩石圈物质暴露地表后,大气CO2 溶于水中形成碳酸,并在生物作用的参与下对硅酸盐岩石进行风化,最后将风化出的碳酸钙和碳酸镁物质沉淀于海洋和湖泊中,从而固定大气CO2。硅酸盐的化学风化是目前已知的在地质时间上和理论量级上唯一可以吸收和平衡地球内部放气CO2 的负反馈机制,即地质时期的全球第一级碳循环模型(BLAG)(Berner et al.,1983;Lasaga et al.,1985;Berner,1991,1994)。全球和区域温度的变化是影响化学风化作用的重要因素。室内实验和GCM 与碳循环模型嵌套的数值模拟表明,温度越低,化学风化作用越弱,对于北半球高纬地区尤其明显(Berner et al.,1997;Ruddiman et al., 1997)。地表生物的光合作用将大气中的CO2 转变成有机质,是短时间内地球系统消耗平衡大气CO2 浓度的主要过程。地表生物的光合作用和有机质的埋藏与期后氧化和深埋变质作用中CO2 的再次释放,尽管它在地质时期中对地球气候没有影响,但在较短的地质时间尺度上,对全球碳循环和气候有重要影响(Berner et al.,1983;Lasaga et al., 1985;Berner,1992)。对生物光合作用产生重要影响的因素如温度、光照度和降雨等无疑对这个过程同样会产生重要影响。形成的有机质,其中部分养分直接被植物作为营养所吸收,一部分在地表氧化条件下产生氧化降解,释放CO2 回归大气,或保留在土壤和溶于地下水中;另一部分则被地表水带入海洋/湖泊中,随沉积物一起被沉积埋藏起来,导致大气CO2浓度的减小。土壤和沉积物中的有机质一旦暴露地表,会被氧化导致早期固定的CO2重新回归大气;如果它们被深埋到地下,增高的温压导致的变质作用也会使早期锁定的CO2 释放出来重新回归大气。

    地表剥蚀作用对化学风化决定的全球一级碳循环与气候变化和有机质生成与埋藏决定的全球二级碳循环与气候变化产生深刻的影响。剥蚀作用不仅可使参与化学反应的岩石比表面积增加从而加快化学风化作用的通量(详见后述),而且可使剥蚀区土壤和沉积物中有机质,以及深埋地下的变质岩中有机质及其变质中释放的CO2 暴露地表,遭受氧化;同时,也可以将快速剥露出来的有机质带入内陆湖盆和海洋中被迅速埋藏起来,从而加快大气CO2 的消耗过程(France-Lanord et al.,1997)。

    因此,大陆剥蚀风化是大气圈、生物圈、岩石圈和水圈相互作用的主要表现形式之一,是影响全球碳循环和气候变化,控制地表生境、改变地球表面形貌和维持生命资源的重要物理、化学和生物过程。深入研究大陆风化剥蚀及其多因素控制机理,认识地表圈层相互作用机制及其对大陆剥蚀风化的影响,对我们理解有关全球和区域气候和环境演化以及全球碳循环、进而对地质碳循环与全球气候变化机制的模拟均具有重要科学意义。

 

2. 青藏高原的剥蚀风化是建立高原隆升-大陆风化-全球变化的理论模型的核心内容,也是理解亚洲季风和西风演化,推动全球变化理论和大陆动力学研究取得突破的关键之一。

    以青藏高原为主体的我国西部新生代的剥蚀风化强度和过程,不仅与全球变化和亚洲季风气候演化密切相关,同时,又对全球气候产生重要的影响,而后者反过来又作用于亚洲季风。青藏高原的隆升可能是其中多个链接的终极驱动力。以喜马拉雅-青藏高原为核心的新生代造山带的剥蚀风化消耗的CO2被用来解释晚新生代以来全球变冷和海洋Sr同位素组成的持续增加。但近来的研究发现,青藏高原风化似乎并没有像人们想象的那样大量消耗CO2,构造活动并没有明显加速岩石化学风化。因此,青藏高原化学风化或高原整体地质过程的CO2源/汇机制是个需要重新认识的重要科学问题,若能建立有关“高原隆升-大陆风化-全球变化”新的理论模型,在科学上具有非常重要的意义。

    上世纪80年代末,根据理论分析和数值模拟提出的著名“青藏高原隆升-化学风化-全球变冷”假说指出,晚新生代青藏高原的构造挤压隆升,可以剥掉早期厚层的风化壳,裸露和破碎地表的新鲜岩石,后期的冰缘寒冻风化和冰川研磨作用还可使其进一步破碎成粉砂级颗粒,急剧增加岩石的颗粒比表面积,从而大大加快化学风化作用的速率,而青藏高原的隆起导致的季风同时增加了大气降水,使得化学风化作用的速率和强度再次增大,吸收大气CO2而使全球降温(Raymo et al.,1988,1992)。反映陆地硅酸盐化学风化的全球海洋87Sr/86Sr和7Li/6Li同位素比值,自约40Ma以来持续增加,被认为是以青藏高原为主体的全球山地隆升导致的风化强化的最有力证据(Hodel et al.,1990,1991,2007;Richter et al., 1992;Godderis &Francois,1995;Misra and Froelich,2012)。该假说认为,虽然高原隆升导致的高原地区的降温(加上全球变化的降温)对减弱化学风化的影响,还是明显弱于因高原隆升导致的季风降雨增加和岩石破碎而加快的化学风化作用的影响,即最终效果还是高原隆升-化学风化作用增强,大气CO2持续下降(Berner et al., 1997;Ruddiman et al.,1997)。数值模拟也表明高原隆升的动力和风化吸收CO2效应的叠加,基本可以解释全球,尤其北半球高纬降温的幅度(Ruddiman et al.,1997)。另一方面,青藏高原隆升加快了剥蚀作用的进行,可能进一步促进了有机质的埋藏和大气CO2的消耗与全球降温。如France-Lanord等(1997)计算表明,包括喜马拉雅流域在内,随河流带入海洋的有机碳通量是Ca-、Mg-硅酸盐风化消耗的2-4倍,因此隆升区快速剥蚀而掩埋的有机碳对大气CO2的消耗也可能产生重要的影响。然而,这个假说的核心证据主要来自大洋海水的放射性Sr同位素4千万年以来持续增加所间接指示的大陆风化强度的持续增强(Hodell et al.,1989,1991;Capoet al., 1990;Richter et al., 1992;Godderis & Francois,1995),推测新生代青藏高原的隆升是这个作用的主要贡献者(Raymo et al.,1992;Berner and Rye, 1992;McCauley and DePaolo,1997;Kashiwagi et al., 2008;Misra and Froelich, 2012),基本没有得到其他地质证据的有力证明。从高原上和周边盆地的沉积记录以及南海和孟加拉湾的深海沉积记录来看,其反映的亚洲季风中新世以来随青藏高原的隆升不是增强,反而是随全球变冷而减弱的,大陆和青藏高原的风化强度变化似乎也与全球温度和季风变化减弱的趋势同步(Wei et al.,2006;Clift et al.,2008)。这与海洋Sr、Os和Li同位素记录所反映的趋势正好相反,从而对地球系统地质时期碳循环模型和青藏高原隆升-全球降温假说提出根本性挑战。而对发源于喜马拉雅山的主要河流Sr同位素研究则揭示,流域中早期沉积的碳酸盐岩中放射性Sr同位素的富集效应,晚新生代以来海洋Sr同位素的升高可能与硅酸盐风化没有直接的联系(Quade et al.,1997;Blum et al.,1997;English et al.,2000),并且喜马拉雅河流的Sr通量只能说明海水Sr同位素变化的15-30%(Krishnaswami et al.,1992),而使其记录的大陆风化作用过程的解释复杂化(Kump et al., 2000;Bickle et al.,2005;Tripati et al., 2005,2009)。

    另外,青藏高原的隆起在物理动力上,还因气温递减率而使隆起地区的温度降低:一方面,通过对大气环流的影响(北半球西风强化和波动幅度加大等阻碍高低纬间热量交流和极地冷空气南侵),导致北半球高纬地区降温(Manabe et al., 1974;Kutzbach et al., 1989;Ruddiman et al., 1989, 1997);另一方面,增强印度低压,引起跨赤道气压梯度增大,导致印度夏季风的增强(An et al., 2011)。而季风的盛行是一个重要的硅酸盐风化增强的机制(Jin et al.,2005),如强的化学风化发生于受季风降水高(径流量大)的前陆盆地(Francois et al.,1998;Galy et al.,1999;West et al.,2005)。

    如果这个机制不存在,那么地球上还有别的机制可以吸收并平衡掉大气CO2 的增量吗?高原隆升区的大陆剥蚀风化作用真能起到这个作用吗?它到底对全球气候产生了什么样的影响,又是以怎样的机制吸收并平衡掉大气CO2 的增量呢?只有在青藏高原及其周边山地不同气候区和构造隆升区直接开展现代全球变暖下大陆剥蚀风化过程及碳消耗研究,以及新生代以来高原周边盆地记录的风化剥蚀过程及碳消耗研究,再通过相互对比,尤其与青藏高原隆升阶段和全球变化对比,才能找出关系和线索,从不同的地质时间尺度上揭示青藏高原到底如何影响大陆风化和全球气候变化,实现理论上的突破。因此,深入理解与青藏高原隆升有关的各个环节上的作用机制,并将其定量化,对我们理解地质碳循环与全球气候变化的过程和机制,弥补现代碳循环在这方面的不足,推动大陆动力学中气候-构造相互作用研究和学科发展均具有重要的意义。

3. 大陆风化剥蚀与我国西部生态环境的演变密切相关,现代全球CO2增加和变暖到底多大程度上影响了我国西部大陆风化剥蚀和生态环境的发生?有待深入系统的认识。

    全球变暖导致的高温和降雨增加可以加速大陆风化和剥蚀,加快地表岩石尤其是石灰岩的溶蚀和松散沉积物的产生,从而可能加大碳消耗通量。在我国内陆干旱-半干旱区,这个过程可能更加明显。例如,近十几年来我国西部已呈现暖湿化趋势,暴雨与水文过程明显增强(施雅风等,2003)。同时,其间分布的大量内陆水体和盐碱地埋藏着巨量的碳(包括无机碳和有机碳);这样的碳在全球碳循环中发挥着十分重要的作用(Cole et al.,2007;Kosten et al.,2010),但这种单元碳收支估算的差别非常大,被认为是“迷失的”碳库(missing sink)(Schindler,1999;Battinet al.,2009),在全球变暖的环境下也可能释放巨量的碳。另一方面,增加的大气CO2浓度,以及加快的化学风化作用同时也可以释放出更多的植物生长需要的营养元素,从而有利于植被和农作物的生长。了解这些过程,不仅促进全球变化对地表剥蚀风化过程研究,而且对全球碳循环也有重要意义。

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