自4000万年前以来，伴随着青藏高原抬升，地球的气候和海洋陆地环境发生了一系列重要变化。尤其是在晚新生代，在全球变冷的背景下，海水Mg/Ca比值在不到3000万年里上升了3倍。海水化学成分在新生代的巨变成为一个谜题，学者普遍认为这反映了全球Mg-Ca循环对地球构造-环境变化的响应，并提出了多种假说，例如大陆风化加强、洋中脊活动减弱、白云岩化强度降低、洋底粘土自生作用减弱等，但目前仍然没有获得共识，争论至今。近10年来，Mg同位素因其对表生镁循环过程的灵敏响应而受到学界的关注，国内外有多个研究团队致力于利用Mg同位素研究海水化学成分的演化。欧洲的Pogge von Strandmann等人在2014年报道了基于有孔虫的Mg同位素研究，认为新生代海水Mg同位素组成（δ26Mg值）曾经发生过快速的下降；而美国普林斯顿大学的Higgins课题组则在2015年和2017年发表了基于低镁方解石远洋沉积物和珊瑚的Mg同位素研究，认为新生代海水δ26Mg值可能发生过微小（0.2‰）的上升。新生代海水Mg同位素组成变化及其控制因素的争议，为“新生代海水谜题”笼罩了一层新的迷雾。
图1. 海洋镁循环过程及同位素平衡示意图
围绕晚新生代海水Mg/Ca比值快速上升这个地质谜题，在太阳集团tyc539李伟强教授团队在多年白云岩镁同位素研究的基础上，与同济大学和成都理工大学的研究者合作，对我国南海西沙岛礁上“西科-1”科学钻井揭示的晚新生代白云岩样品开展了系统的矿物学、地球化学和镁同位素分析，以当前最高的时间精度重建了2300万年以来海洋镁同位素演化。结果显示，尽管同时期全球海水镁钙离子浓度以及Mg/Ca比值发生了显著变化，但海水镁同位素组成却保持稳定。本研究重建的2300万以来古海水镁同位素变化与普林斯顿大学Higgins团队的研究结果基本一致，但由于所选“档案矿物”的不同，本次重建结果在重建海水Mg同位素的精度上至少提高了2倍，因而可以更有效地约束相关地质演化过程。据此开展的同位素质量平衡数值模拟分析表明，晚新生代以来，海水镁钙比值变化并不是单一因素控制的结果，相反，在构造隆升和全球变冷背景下，大陆风化剥蚀过程演变以及海洋白云岩化和自生粘土矿物生成的减弱共同控制了海水镁钙离子浓度变化并维持了大洋碱度平衡。本研究特别指出，海洋白云岩化和自生粘土矿物生成均受海洋温度影响，两个过程在控制海水Mg含量的效应是叠加的，但在改变海水Mg同位素组成的效应则是相互抵消的，因此新生代全球变冷事件驱动了海水Mg含量以及Mg/Ca比值的升高，但却没有显著改变海水Mg同位素组成。此研究进一步揭示了晚新生代以来海洋和陆地耦合演化过程对气候和海洋环境的重要控制作用，为“新生代海水谜题”提供了一个新的解答。
图2. 南海西沙岛礁西科1井碳酸盐岩地层综合岩性和同位素地球化学变化（海平面变化以及C-O-Sr同位素数据来源于前人研究）。
目前这项成果以“The Cenozoic Seawater Conundrum: New constraints from Mg isotopes in island dolostones”为题，发表在国际顶级学术期刊Earth and Planetary Science Letters上（https://doi.org/10.1016/j.epsl.2022.117755），同济大学胡忠亚博士为论文第一作者，太阳集团tyc539李伟强教授为通讯作者。成都理工大学时志强教授、太阳集团tyc539李高军教授和同济大学易亮副教授对本论文均有重要贡献。研究受到国家自然科学基金项目（42103004, 41873004, 41991324）和中国博士后基金（2020M681379）资助和地球关键物质循环前沿科学中心资助。
