臺灣島作為全球物理侵蝕和化學風化速率最高的地區之一,是全球錶生過程和碳迴圈研究的天然實驗室。過去十年,同濟大學海洋與地球科學學院楊守業教授引領的大陸邊緣沉積學團隊與臺灣同行密切合作,系統研究了臺灣山溪性流域的風化剝蝕、沉積源匯過程和在邊緣海的沉積記錄,在國內外刊物發表近20篇研究論文。近期他們與德國地學研究中心GFZ、臺灣中山大學以及中正大學等組織合作,發展新的同位素示踪科技,揭示臺灣島的風化剝蝕速率、過程與機制。相關成果發表在QSR、JGR-ES以及EPSL等國際期刊上。
大氣10Be揭示臺灣快速剝蝕過程
研究臺灣造山帶百–千年尺度剝蝕過程對於深入理解構造活躍區的地貌時空演化以及自然灾害預測及評估等都具有十分重要的意義。大氣10Be/9Be作為新興的剝蝕速率名額,具有不受限於區域岩性以及所需測樣量低等優點,囙此被當做是量化臺灣錶生過程的重要工具。該團隊曾於去年將大氣10Be/9Be應用於臺灣最大流域濁水溪,並揭示出地表剝蝕過程的岩性控制(JGR-ES)。今年,他們進一步優化該名額應用,通過分析臺灣不同地區的河流階地剖面的Be同位素組成,計算出千年尺度的區域10Be沉降通量(0.66–0.88×106at/cm2/yr)。這一參數的精確約束有助於今後利用大氣10Be更準確地測定臺灣各類錶生過程的速率及年代。該研究成果於2021年8月發表於《Quaternary Science Reviews》。
圖1不同方法給定的臺灣地區10Be沉降通量對比(Deng et al.,2021,QSR)
此後,該團隊將最新的10Be沉降參數應用於臺灣東部受頻繁滑坡影響–快速物源轉換的山溪性河流立霧溪。研究發現,立霧溪流域剝蝕速率具有極大的空間變率,從~3 mm/yr至>30 mm/yr。基於土壤–基岩混合模型結果,推測該流域極高的速率及極大的變率是由降水引起的隨機山體滑坡過程所導致的。該研究對於今後將大氣10Be/9Be名額應用於量化滑坡事件相關的風化剝蝕過程具有重要借鑒意義。該成果於2021年10月發表於《Journal of Geophysical Research: Earth Surface》;兩篇論文的第一作者是鄧凱博士。
圖2多種方法測定的立霧溪流域剝蝕速率(Deng et al.,2021,JGR-ES)
放射成因和穩定Sr同位素示踪臺灣流域化學風化過程
臺灣造山帶快速侵蝕和風化過程對河流水體化學組成有重要影響。穩定鍶同位素(δ88/86Sr)是近年來新興的一種非傳統穩定同位素,應用其示踪大陸風化過程與海洋鍶迴圈是前沿領域。在運用大氣10Be揭示臺灣快速剝蝕過程基礎之上,該團隊進一步結合放射成因和穩定Sr同位素地球化學約束臺灣濁水溪和立霧溪流域的化學風化過程。研究發現高剝蝕區,矽酸鹽岩中微量方解石(disseminated calcite)的快速溶解導致河流的溶解態Ca和Mg含量以及87Sr/86Sr比值均較高,而生物利用、次生礦物形成、方解石沉澱等相關過程並未導致顯著的穩定Sr同位素分餾,δ88/86Sr的空間變化更多反映的是幹支流溶質的混合。這一研究對今後應用Sr同位素探究構造活躍區的山溪性流域化學風化過程及穩定Sr同位素分餾機制有重要啟示。該研究近期由蘇妮副教授作為第一作者發表在《Earth and Planetary Science Letters》。
圖3濁水溪剝蝕速率與水體Ca/Na、87Sr/86Sr及δ88/86Sr空間變化(Su et al.,2021,EPSL)
以上研究得到國家自然科學基金(項目號41991324,41730531,41776062和42006059)等項目的共同資助。
論文連結:
1.Deng,K.,Wittmann,H.,Hsieh,M.-L.,Yang,S.,& von Blanckenburg,F.(2021).Deposition and retention of meteoric10Be in Holocene Taiwan river terraces.Quaternary Science Reviews,265,107048.doi:https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2021.107048
2.Deng,K.,Wittmann,H.,Yang,S.,& von Blanckenburg,F.(2021).The Upper Limit of Denudation Rate Measurement from Cosmogenic10Be(Meteoric)/9Be Ratios in Taiwan.Journal of Geophysical Research: Earth Surface,126(10),e2021JF006221.doi:https://doi.org/10.1029/2021JF006221
3. Su,N.,Yang,S.,Deng,K.,Chang,Y.-P.,Xu,J.,& Wu,Z.(2021).Radiogenic and stable Sr isotopes constrain weathering processes in rapidly eroding Taiwan catchments.Earth and Planetary Science Letters,576,117235.doi:https://doi.org/10.1016/j.epsl.2021.117235