近日，西北大学大陆演化与早期生命全国重点实验室研究团队通过对全球海洋沉积物硅酸盐组分的镁同位素组成（δ²⁶Mg）与化学蚀变指数（CIA）进行系统分析，揭示了新生代大陆风化强度在跨越关键气候阈值后显著减弱。研究指出，这种由气候变化驱动的风化效率下降，形成了稳定气候的重要负反馈机制，抑制了大气CO₂的过度消耗，从而阻止地球气候进一步滑向极端冰室状态。该成果以“A climatic threshold regulating Cenozoic silicate weathering and climate stability”为题，发表在国际地球科学权威期刊《Earth and Planetary Science Letters》上。

新生代是全球气候从“温室”逐步转向“冰室”的关键时期。过去约6000万年以来，全球平均气温持续下降，并最终形成了今天南北极均被冰盖覆盖的冰室气候。长期以来，科学家普遍认为，青藏高原等区域的构造隆升增强了大陆硅酸盐风化，消耗了更多大气CO₂，进而通过长期碳循环推动全球气候变冷。然而，这一假说面临一个长期未解的悖论：如果构造隆升能够持续增强硅酸盐风化，那么大气中的CO₂理论上可能在数百万年尺度内被完全消耗，地球气候一路走向极端寒冷状态，最终陷入类似“雪球地球”的失控冰冻。但真实的地球系统显然并没有沿着这条路径发展。是什么机制在全球持续降温的过程中及时“踩下刹车”，阻止全球进入冰冻地球？

为破解这一长期存在的“冰室悖论”，研究团队将镁同位素（δ²⁶Mg）与化学蚀变指数（CIA）结合起来，重建了新生代大陆硅酸盐风化强度（Silicate Weathering Intensity, SWI）的长期演化历史。镁同位素在大陆风化过程中会发生明显的分馏，而且具有两个重要优势。一方面，上地壳风化原岩的镁同位素组成相对均一，为全球尺度的风化示踪提供了较好的基准。另一方面，在化学风化过程中，较轻的²⁴Mg会优先进入流体相，而较重的²⁶Mg则更容易被保留在次生黏土矿物中，从而产生显著的同位素分馏。因此，沉积物中的δ²⁶Mg能够记录大陆风化过程中镁的迁移与次生矿物形成过程，是反映风化强度变化的有效指标。

研究团队利用海洋沉积物中保存的镁同位素组成信息，追踪过去数千万年以来大陆风化过程的变化。通过分析来自太平洋、大西洋和印度洋被动大陆边缘的海洋沉积物硅酸盐组分，获得了从白垩纪至今的大陆硅酸盐风化记录。结果显示，新生代大陆风化演化存在一个十分显著的转折。在早新生代温室期，沉积物δ²⁶Mg维持在0.29‰–0.46‰，CIA维持在81–84，两项指标均处于较高且相对稳定的水平，表明当时全球大陆硅酸盐风化强度较高。然而，在始新世-渐新世转换期（Eocene–Oligocene Transition, EOT，约34 Ma），这一稳定状态发生了根本改变。δ²⁶Mg值开始持续下降，至现代已降至约−0.09‰；CIA值也同步由82降至67。两个独立指标呈现出高度一致的变化趋势，表明约34 Ma以来，全球大陆硅酸盐风化强度持续减弱。

为何大陆硅酸盐风化强度会在EOT前后发生如此根本性的转变？为了寻找这一变化背后的机制，研究团队进一步整合现代全球土壤、河流悬浮物以及第四纪大陆边缘沉积物等观测数据，发现大陆硅酸盐风化存在一个重要的气候阈值，即年均温19°C和大气CO₂浓度600 ppm。这一阈值将大陆风化划分为具有不同响应特征的两个气候状态。

温室期：风化增强存在“上限”。当全球气温高于约19°C、CO₂浓度高于约600 ppm时，大陆风化产生的次生黏土矿物主要是高岭石和蒙脱石。在强烈化学风化过程中，大量钙、镁、钠、钾等活性阳离子已经被淋滤出去，使CIA达到较高水平，并趋于饱和。因此，即使气温进一步升高，风化强度也难以无限增强。

冰室期：降温显著降低风化效率。当气温降至19°C以下、CO₂浓度低于600 ppm后，情况发生改变。次生黏土矿物组合逐渐转向伊利石和绿泥石。这些矿物含有更多活性阳离子，同时，低温又会显著降低化学风化反应速率。结果是，岩石虽然仍然发生风化，但更多元素被保留并“锁定”在次生矿物中，没有充分释放到河流和海洋体系。

因此，降温不仅降低了风化强度，更重要的是降低了单位岩石风化的CO₂消耗效率。

图1. 基于现代观测的风化-气候反馈阈值

研究发现，EOT之后，全球平均温度永久性地跌破了19°C，大气CO₂也降至600 ppm以下。正是在跨越这个临界点后，大陆硅酸盐风化的CO₂消耗效率（Cₛᵢₗ）开始大幅下降，从早新生代的约1.3–1.6 mol/kg降至现今的0.8–1.0 mol/kg。这意味着，即使构造隆升和侵蚀作用持续增强，单位岩石能够消耗的CO₂却明显减少。因此，构造隆升带来的风化通量增加，很大程度上被降温导致的风化效率下降所抵消。

图2. 新生代风化强度（A-B），黏土矿物（C），和气候（D-E）演化

这一结果揭示出了一条不同于传统认识的新生代气候演化路径：构造隆升 → 侵蚀增强 → 风化通量增加。与此同时，全球降温 → 风化一致性下降 → 风化效率降低 → 单位岩石CO₂消耗减少。最终，两种作用相互抵消，使大陆风化通量并未出现与构造隆升相匹配的剧烈增长。因此，新生代气候变冷并不是简单由“风化越来越强”驱动的，而是风化通量有限增加与风化效率持续下降共同作用的结果。这一发现与研究团队近期关于海洋锂循环的研究形成了重要呼应。此前，该团队基于海洋锂同位素质量平衡模型发现，新生代降温导致大陆风化一致性持续下降（0.52降至0.24），从而显著抑制了风化效率，使新生代大陆风化通量仅表现为有限增加（0.5倍）（Zhang and Huang, 2026, Geology, https://doi.org/10.1130/G54403.1）。

图3阈值前后风化-气候反馈对比

本研究表明，地球气候系统并不是被动地接受构造作用的结果，而是能够通过风化效率的气候依赖性形成内在的负反馈。当气候足够温暖时，风化可以较强地消耗CO₂；但随着全球持续降温并跨越关键气候阈值，风化效率随之下降，CO₂消耗能力受到抑制，从而减弱进一步降温的驱动力。这种由气候本身调节风化效率的负反馈机制，为理解地球为何能够在漫长地质历史中维持相对稳定、适宜生命存在的环境提供了新的视角。地球不仅会受到构造和气候变化的驱动，也能够通过自身的地球化学过程，对这种变化进行“自我调节”。

西北大学地质学系博士后张攀为论文第一作者，黄康俊教授为论文通讯作者。主要合作者包括华盛顿大学滕方振教授、内华达大学拉斯维加斯分校胡妍助理教授、西北大学马龙副教授和南通大学黄天一博士。该研究受到国家自然科学基金项目（42402115，42373061）和博士后面上项目（2024M752617）资助。研究团队衷心感谢国际大洋钻探项目提供的样品与支持。

论文信息：Zhang, P., Huang, K.-J., Hu, Y., Teng, F.-Z., Ma, L., Huang, T.-Y., 2026. A climatic threshold regulating Cenozoic silicate weathering and climate stability. Earth Planet. Sci. Lett. 694, 120315. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2026.120315