东亚风化机制在更新世-全新世期间的转变：从大陆边缘的洪泛平原到黄河流域的高山侵蚀——这一变化通过地球化学和锂同位素记录得以推断

本研究通过Li、Nd同位素及矿物学分析，揭示黄河流域重组导致东亚风化模式从低地不协调风化向高地协调风化转变，证实流域整合对长期风化-气候互馈机制的关键控制作用。

李方亮|杨守业|埃文·J·拉莫斯|丹尼尔·O·布里克|郭玉龙|李景瑞|李芳冰|杨成帆|金晨阳

中国海南省三亚市海南热带海洋大学亚洲湾创新研究院，572022

摘要

大陆风化通过消耗大气中的二氧化碳（CO₂）来调节长期气候。因此，理解风化过程如何响应构造和气候强迫对于阐明风化-气候关系至关重要。更新世-更新世期间黄河流域的重新组织为研究此类变化提供了理想的环境。尽管越来越多的证据表明现代类似的流域系统不迟于约100万年前就已经形成，但这种地貌变化如何影响风化模式仍尚未得到充分探讨。在这里，我们利用来自边缘海域沉积物岩心的新的锂同位素数据（δ⁷Li），结合钕同位素和地球化学记录，来解答这个问题。我们的多指标记录揭示了中更新世过渡期（MPT）风化来源和风化机制的转变：εNd值从克拉通区的（−12至−16）转变为造山区的（−10至−12），而风化产物的δ⁷Li值从−2.7 ± 0.9‰变为−0.9 ± 0.6‰。结合矿物学和地球化学风化指标，这些数据表明风化类型从以大陆边缘冲积平原为主转变为以青藏高原东北部和黄土高原的高地为主。我们将这种转变解释为黄河重新组织的直接结果，该过程用来自快速侵蚀的造山区和黄土区的碎屑物质取代了原有的克拉通来源。因此，我们的研究表明，大型河流流域整合所决定的冲积平原与山区风化之间的平衡可能是控制地质时间尺度上硅酸盐风化类型和强度的重要因素。

引言

大陆硅酸盐风化通过消耗大气中的二氧化碳（CO₂）在调节地球长期气候中起着关键作用（Berner等人，1983年；Walker等人，1981年）。这一过程的效率不仅取决于气候，还取决于风化机制——不同的风化和侵蚀方式受构造和地貌环境的控制（Caves Rugenstein等人，2019年；West等人，2005年）。河流流域的研究揭示了两种基本的风化类型：一种是低地冲积平原中的长期、不一致的风化，以次生粘土的形成为主；另一种是高海拔山区中的快速、一致的风化，物理侵蚀限制了化学变化（Bickle等人，2018年；Bouchez等人，2012年）。虽然人们认识到山区冲积平原是影响河流溶质通量的关键风化反应器（Bickle等人，2018年；Lupker等人，2012年；Pogge von Strandmann和Henderson，2015年），但由于缺乏保存下来的特定区域风化信号，重建这些风化机制在过去是如何演变和变化的仍然具有挑战性（参见Frings，2019年的综述）。

晚新生代东亚地区的演化为我们研究风化机制动态提供了独特的背景。青藏高原的抬升加剧了东亚季风（An等人，2001年；Clift等人，2008年），而更新世-更新世过渡期的全球降温则形成了强烈的冰期-间冰期周期（Lisiecki和Raymo，2005年）。全球降温导致的冰川作用、构造抬升和季风气候促进了亚洲内陆的干旱化以及黄土高原的形成（Sun等人，2020年）。这些变化引发了重大的地貌重组，包括大约在中更新世过渡期（MPT）形成了类似现代的黄河流域系统，不迟于约100万年前（例如，Hu等人，2019年；Huang等人，2021年；Wang等人，2022年；Xiao等人，2025年），该系统将青藏高原东北部和高原与渤海和/或南黄海的边缘海域连接起来（Li等人，2024年；Xiao等人，2020年；Yang等人，2025年；Yao等人，2017年；Zhang等人，2019年）。然而，这种地貌变化是否引发了大陆风化机制的相应变化，目前仍基本未被探索（Li等人，2022年）。

传统的古风化指标，包括粘土矿物学、元素比值和化学风化指数（CIA），在诊断此类风化机制变化方面存在固有的局限性（Clift等人，2014年）。虽然这些指标能有效反映化学淋溶的程度，但它们难以区分具体的风化机制，并且容易受到来源、水动力分选和成岩作用的干扰（例如，Fu等人，2023年；Garzanti等人，2014年；Guo等人，2021b）。锂同位素（δ⁷Li）提供了一个强大的替代方法，可以直接追踪硅酸盐的风化过程。在化学风化过程中，⁶Li优先被纳入次生粘土矿物中，导致溶解物中的⁷Li富集，从而在固体风化产物中产生互补的低δ⁷Li特征（Hindshaw等人，2019年；Pistiner和Henderson，2003年；Vigier等人，2008年）。这种系统的分馏作用使得δ⁷Li对原始溶解和次生矿物形成之间的平衡特别敏感——这是区分一致风化和不一致风化的关键（Dellinger等人，2015年）。尽管海洋碳酸盐记录了全球平均的海水δ⁷Li演变（Misra和Froelich，2012年），但由于海洋中的停留时间较长（约100万年；Broecker和Peng，1982年），它们无法分辨区域性的风化机制变化。来自细粒部分的碎屑δ⁷Li记录，尤其是那些最能代表风化产物的部分（Dellinger等人，2017年；Li等人，2025年；Yang等人，2021年），仍然是诊断此类转变的未充分利用的资源，尤其是在第四纪之前的时期。

CSDP-2钻芯位于东亚边缘的南黄海（图1），为研究风化机制的变化提供了理想的档案，清晰地记录了从大陆冲积平原（U1，3.6–1.0百万年前）到浅海环境（U2，1.0百万年后）的沉积转变（Li等人，2022年；Liu等人，2021年）。重要的是，已建立的来源记录（εNd、粘土矿物）显示了MPT期间沉积物来源的重大转变，这与黄河向青藏高原东北部和黄土高原的整合相吻合（Li等人，2024年；Wang等人，2022年）。基于这一坚实的基础，我们提出了一个综合的多指标研究，包括新的碎屑δ⁷Li（整体和粘土组分）、整体矿物学和微量元素比值。我们的目标是：（1）量化U1和U2沉积物中风化产物的δ⁷Li组成；（2）确定风化机制对来源转变的耦合响应；（3）为理解晚新生代降温期间的风化-气候相互作用提供新的见解。

地质背景

新生代东亚的构造演化受到两个主要构造系统的共同影响：西部的印度-亚洲碰撞和东部的西太平洋俯冲（Ding等人，2022年；Zhu等人，2019年）。这些过程形成了复杂的地貌格局，西部是高耸的青藏高原，东部是宽阔的裂谷状大陆边缘（图1a）。这种地形奠定了

岩芯位置

CSDP-2岩芯（北纬34.56°，东经121.26°；水深：28米）位于南黄海西部大陆架，距离古黄河河口以东约90公里（图1a）。这个长达442米的岩芯序列，年代范围从约3.6百万年前至今，包含了两个关键的沉积单元：U1（3.6–1.0百万年前）的河流冲积平原沉积物和U2（1.0百万年后）的浅海沉积物（Li等人，2024年；Liu等人，2021年）。通过古地磁反转确定了CSDP-2的年龄，这些反转与GPTS2020（Ogg，2020年）相对应

地球化学记录

本研究在CSDP-2沉积物中识别出五种主要的造岩矿物：石英、钠长石、白云母、方解石和白云石（表S2），它们在U1和U2段之间呈现出不同的组合（图2）。U1段的MIA（矿物成熟度指数）通常在70到90之间波动，而在U2段则主要降至60到70之间（图2a）。同样，整体样品的CIA（化学风化指数）记录（Li等人，2022年），无论是原始数据（灰色方块）还是经过粒径校正后的数据（蓝色方块），都显示出

沉积环境和来源变化

区域地层对比显示南黄海（SYS）具有连贯的沉积历史。在早更新世（约3.6百万年前），陆地环境（冲积、河流、湖泊）占主导地位，这从CSDP-2岩芯的粗粒沉积物中可以明显看出（U0段，图S1）。实际上，陆地沉积环境主要分布在沿海平原和边缘海域盆地，包括SYS、江苏北部平原、长江下游平原和东海盆地（

结论

基于矿物学、地球化学尤其是碎屑粘土δ⁷Li记录，本研究揭示了自更新世以来东亚沉积物来源和风化机制的显著变化。在3.6–1.0百万年前（U1沉积物），沉积作用主要由邻近的冲积平原环境主导，风化强度适中。风化产物的δ⁷Li端元值约为−2.7 ± 0.9‰，表明有大量的次生粘土形成。自MPT（约1.0百万年前）以来，随着

CRediT作者贡献声明

李方亮：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，方法论，调查，形式分析，概念化。杨守业：撰写 – 审稿与编辑，资源获取。埃文·J·拉莫斯：撰写 – 审稿与编辑。丹尼尔·O·布里克：撰写 – 审稿与编辑。郭玉龙：撰写 – 审稿与编辑。李景瑞：撰写 – 审稿与编辑。李芳冰：撰写 – 审稿与编辑。杨成帆：撰写 –

未引用参考文献

Zhang等人，2022b

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项工作得到了国家重点研发计划（2022YFF0800504，资助杨守业）、海南热带海洋学院亚洲湾创新研究院的重大科技计划项目（2022CXYZD003，资助李方亮）、海南热带海洋大学科学研究基金（RHDRCZK202528，资助李方亮）以及国家自然科学基金的重大研究计划（92479106，资助李芳冰）的支持。我们感谢Hui Li、Juan