Volcanic-affinity compositional shifts obscure chemical weathering signals in black shales
本研究表明，具有火山亲和性的成分混合作用可能会在黑页岩中产生误导性的化学风化信号，因此有必要建立一个新的“暴露—偏离”联合框架，以将真实的古风化变化与源岩成分造成的伪迹区分开来。
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深时（Deep time）是一个由地球地壳中的岩石所书写的、宏大而寂静的档案库。为了读取数百万年前的气候，地质学家经常转向黑页岩——这是一种形成于安静、缺氧水域中的深色细粒岩石。这些岩石之所以特别珍贵，是因为它们捕捉到了侵蚀进入其中的陆地化学记录。当雨水落在岩石上时，会通过一种被称为化学风化的过程来分解岩石，将钠和钙等元素冲走，同时留下铝等其他元素。科学家们已经开发出了数学工具，通过测量这种“冲走”现象发生了多少，利用剩余元素的平衡来估算古代气候是湿润还是干燥。如果岩石显示出大多数易溶解的元素都已消失，则表明曾有过温暖、湿润的气候，从而彻底分解了岩石。如果这些元素依然存在，则表明过去较为干燥或寒冷。这种方法已成为理解地球大气层和碳循环在漫长岁月中如何变化的基石。
然而，一项新研究表明，这种化学记录很容易被另一种类型的地质事件所混淆：新鲜火山物质的到来。来自北京大学的研究人员分析了从科学文献中收集的1,546份黑页岩样本，以观察火山碎屑的存在是否会模拟出干燥气候的化学特征。他们发现，当富含长石等矿物的新鲜火山岩混入沉积物中时，它会向化学混合物中大量注入那些通常会在风化过程中消失的元素。这种涌入使得岩石看起来在化学上非常“新鲜”，仿佛从未经历过风化一样，即便古代气候实际上非常湿润。这项研究表明，这种火山影响可能会完全掩盖真实的风化信号，导致科学家误读古代环境。
该团队专注于一组特定的元素——铝、钙、钠和钾——它们是这些风化计算的核心。他们建立了一个统计模型，根据样本在多大程度上类似于火山物质与典型的风化岩石进行排名。随着他们在那些看起来最像普通风化岩石到看起来最像新鲜火山碎屑的样本中移动，他们观察到风化评分的变化。结果令人震惊。随着火山影响的增加，用于衡量风化强度的标准评分大幅下降。换句话说，无论实际天气如何，火山物质越多，气候看起来就越干燥。这是因为新鲜的火山矿物重新添加了那些通常会被雨水冲走的元素，从而重置了化学时钟。
研究人员还观察了不同的风化公式如何对这种混合做出反应。他们发现，三种常见的公式步调完全一致，都随着火山物质的增加而下降，从而暗示风化作用减弱。第四种公式的表现则不同，它略有上升，这符合新鲜岩石能够保留某些元素的预期。这三种主要公式达成完美一致的事实，并非如先前所认为的那样是风化信号稳健的标志；相反，这项研究表明，这种一致性是由这些公式构建方式的共同点所创造的一种幻象。它们都依赖于同一组少量的元素，因此当火山物质改变这些元素时，所有的公式都会同步变化，从而创造出一种虚假的共识。
为了理清这一点，作者将两个经常被混淆的概念分离开来：岩石中火山物质的数量以及由风化引起的实际化学变化。他们发现，一块岩石可能充满了火山碎屑，但仍显示出正常的化学特征；或者它可能火山物质很少，却表现出巨大的化学变化。这意味着，仅仅看到较低的风化评分并不自动证明气候干燥，高评分也不保证气候湿润。火山物质的存在是一个必须在讲述风化故事之前先进行识别的独立因素。研究指出，在他们观察的样本中，约82%的样本仍然符合标准的风化模型，但近18%的样本表现出了无法仅用气候来解释的显著偏差。
团队并未止步于数字，而是前往中国西北部的特定岩层，观察地面上正在发生的物理过程。利用强大的显微镜和化学扫描仪，他们检查了黑页岩的薄片。他们发现，岩石中含有大量的长石和其他来自新鲜火山源的矿物。这些矿物在物理上确实存在于岩石中，证实了他们在数据中看到的化学变化是由真实、有形的火山碎屑混入沉积物所引起的。这一物理证据支持了他们的模型，表明那种“新鲜”的化学信号确实来自于尚未被雨水风化的火山岩。
最后，研究人员开发了一个实用的工具，以帮助其他科学家避免这个陷阱。他们创建了一个系统，利用常规的化学数据（这些数据对于大多数岩石样本来说已经是现成的），来估算可能存在的火山影响程度。该工具可以标记出那些可能具有误导性的样本，提醒研究人员在得出关于古代气候的结论之前，先寻找独立的证据，例如灰层或特定矿物的存在。这项研究并不是说风化信号是无用的，而是强调在进行风化判断前，必须先对照火山污染的可能性进行检查。通过区分湿润气候的化学指纹与新鲜火山岩的化学指纹，这项研究为阅读地球深时历史提供了一条更清晰的路径。
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