西北大学大陆演化与早期生命全国重点实验室、西北大学—香港大学地球与行星科学联合中心研究团队，基于海洋锂（Li）循环质量—同位素平衡模型，系统重建了过去6000万年以来海洋锂循环演化历史，揭示了大陆硅酸盐风化与海洋反风化共同调控新生代长期气候变冷的新机制。相关成果以“Coupled continental and reverse weathering influence on Cenozoic cooling revealed by the marine lithium cycle”为题发表在国际地球科学权威期刊《Geology》，为理解新生代碳-硅循环演化及全球气候变冷提供了新的理论框架。

从“温室地球”到“冰室地球”，究竟发生了什么？

新生代是地球气候由温暖"温室"向寒冷"冰室"转变的关键时期。约6000万年前，北极海域生活着鳄鱼，南极大陆生长着棕榈树；而今天，两极被厚厚的冰盖覆盖，全球平均气温较当时降低了十余摄氏度。

长期以来，科学界普遍认为，青藏高原等大型山系的隆升促进了大陆硅酸盐风化，大量消耗大气二氧化碳（CO₂），从而驱动全球持续降温。然而，这一经典理论始终面临一个难以解释的问题：如果风化作用持续增强，大气中的CO₂应在几百万年内被快速消耗，地球早已进入类似"雪球地球"的极端冰冻状态。为什么事实并非如此？

回答这一问题的关键，在于准确重建新生代碳-硅循环的演化过程。

海洋锂循环破解气候变冷机制

定量恢复古老碳循环并非易事。大陆风化受构造隆升、气候变化、侵蚀速率等多重因素共同控制，而海洋反风化作为向大气释放CO₂的重要过程，其演化历史长期缺乏可靠约束。传统使用的锶（Sr）、锇（Os）等地球化学示踪剂虽然能够反映大陆侵蚀增强，却容易受到碳酸盐岩和硫化物风化的影响，难以真实记录硅酸盐风化过程。相比之下，锂具有天然优势。

一方面，锂几乎全部赋存于硅酸盐矿物中，不受碳酸盐岩风化影响，是硅酸盐风化的理想示踪剂；另一方面，在风化过程中，轻同位素⁶Li优先进入新生成的黏土矿物，而重同位素⁷Li则进入河流并最终汇入海洋，因此海水锂同位素组成能够灵敏记录大陆风化过程。同时，海水锂浓度和锂同位素组成均已通过地质记录得到较好恢复，为重建古海洋锂循环提供了重要基础。

然而，目前关于新生代锂循环仍存在诸多争议：大陆风化究竟是否增强？河流锂同位素如何演化？海洋反风化是增强还是减弱？不同研究甚至得出了截然相反的结论。问题的根源在于以往研究往往仅利用锂浓度或锂同位素其中一种记录，并预先假设某些地质过程的变化趋势，因此不同模型均能够拟合已有数据，却难以获得唯一解。

针对这一问题，研究团队首次整合了过去6000万年以来海水锂浓度和δ⁷Li两套独立记录，建立了耦合质量—同位素平衡模型，并结合蒙特卡洛随机模拟，在合理参数范围内进行大量随机采样，不预设任何风化或反风化通量变化趋势，而是让观测数据自行约束模型演化路径。此外，研究还开展了多组敏感性测试，包括改变锂同位素分馏系数、固定热液输入以及调整平滑参数等，结果均表明模型反演稳定可靠。

图1. 新生代海洋锂循环模型输入参数

新生代碳-硅循环演化

第一，大陆硅酸盐风化通量仅小幅增加。

模型显示，新生代大陆风化通量仅增加约50%，且主要发生在始新世—渐新世转折期之前，与大气CO₂快速下降阶段基本同步。这意味着大陆风化虽然增强，但远未达到足以快速耗尽大气CO₂的程度，从而解释了长期存在的"冰室悖论"。

第二，风化一致性持续下降。

研究发现，河流δ⁷Li升高约13‰，风化一致性由0.52降至0.24，说明越来越多的锂被固定在次生黏土矿物中，而真正释放进入河流的比例不断降低。换句话说，尽管构造隆升促进了侵蚀，但随着全球降温，化学风化效率明显下降。模型进一步推算表明，新生代侵蚀速率实际上增加约3.3倍，与全球沉积记录相吻合。

第三，海洋反风化显著减弱。

模型显示，海洋反风化强度下降约60%。这一结果表明，在大陆风化增强的同时，海洋硅循环发生了重要重组。随着硅藻快速繁盛，大量溶解硅被生物高效利用并在海洋上层循环，减少了进入海底形成黏土矿物的硅，从而削弱了反风化作用，并降低了海洋向大气释放CO₂的能力。

图2. 新生代硅酸盐通量，海洋硅质生物和大气CO2演化

新机制：大陆风化与海洋反风化共同驱动全球变冷

综合模型结果，研究团队提出了新生代碳—硅循环协同演化的新机制。在始新世之前，高温、高CO₂条件下，大陆风化效率较高，海洋反风化也较为活跃，两者基本保持动态平衡。约3400万年前，地球进入始新世—渐新世气候转折期。随着全球降温，化学风化速率受到抑制，风化一致性持续下降；与此同时，硅藻快速演化并重塑海洋硅循环，使海洋反风化不断减弱。进入渐新世以后，尽管构造隆升持续促进侵蚀，但由于风化效率下降超过50%，大陆净风化通量仅小幅增加；与此同时，海洋反风化持续减弱，使CO₂释放不断减少。二者共同作用，最终推动了新生代长期气候变冷。

图3. 大陆硅酸盐风化和海洋反风化共同调控新生代气候变冷机制示意图

为经典理论补上关键一环

经典理论认为：“构造隆升→侵蚀增强→风化加强→CO₂下降→全球变冷”。本研究进一步揭示，这一过程实际上受到多个负反馈机制共同调控。构造隆升虽然促进了侵蚀，但全球降温导致风化一致性不断降低，使大陆风化通量仅有限增加；与此同时，海洋硅循环重组削弱了反风化作用，减少了CO₂释放。大陆风化增强与海洋反风化减弱共同驱动了新生代持续降温，而风化一致性的下降则有效避免了CO₂被快速耗尽，为地球气候系统提供了重要的自我调节机制，使地球在数千万年尺度上保持了相对稳定，而没有滑向极端冰冻状态。

论文第一作者为西北大学地质学系博士后张攀，通讯作者为西北大学地质学系黄康俊教授。研究得到国家自然科学基金项目（42402115、42373061）、中国博士后科学基金面上项目（2024M752617）资助，张攀同时获得国家留学基金委资助。

论文信息：Zhang, P., Huang, K.-J.*, 2026. Coupled continental and reverse weathering influence on Cenozoic cooling revealed by the marine lithium cycle. Geology.

https://doi.org/10.1130/G54403.1