Soils as pacemakers and limiters of global silicate weathering

The weathering and erosion processes that produce and destroy regolith are widely recognized to be positively correlated across diverse landscapes. However, conceptual and numerical models predict some limits to this relationship that remain largely untested. Using new global data compilations of soil production and weathering rates from cosmogenic nuclides and silicate weathering fluxes from global rivers, we show that the weathering-erosion relationship is capped by certain ‘speed limits’. We estimate a soil production speed limit of between 320 to 450 t km−2 yr−1 and the associated weathering rate speed limit of roughly 150 t km−2 yr−1. These limits appear to be valid for a range of lithologies, and also extend to mountain belts, where soil cover is not continuous and erosion rates outpace soil production. We argue that the presence of soil and regolith is a requirement for high weathering fluxes from a landscape, and that rapidly eroding, active mountain belts are not the most efficient sites for weathering.

RésuméIl est admis que les intensités des processus d’altération et d’érosion qui produisent et détruisent les sols sont positivement corrélées, et ce pour une large gamme de paysages. Cependant, des modèles conceptuels et numériques prédisent l’existence de limites à cette relation, mais ces limites n’ont pas encore été mises en évidence. En nous basant sur de nouvelles compilations globales : (1) des taux de production des sols et des taux d’altération de ces sols, obtenus à partir des isotopes cosmogéniques ; et (2) des flux d’altération des silicates mesurés dans de grands fleuves drainant des lithologies variées, nous montrons ici que la relation positive entre érosion et altération disparaît une fois que le taux de production du sol atteint une certaine « limite de vitesse ». Nous estimons une limite de vitesse pour la production du sol entre 320 et 450 t km−2 an−1 et une limite de vitesse associée pour le taux d’altération d’environ 150 t km−2 an−1. Ces limites semblent être valides pour une large gamme de roches-mères, et s’appliquent aussi aux zones montagneuses, où la couverture pédologique n’est pas continue et où les taux d’érosion dépassent ceux de la production du sol. Nous suggérons que la présence d’un sol est un prérequis pour qu’un paysage exporte de forts flux d’altération, et que les chaînes de montagne actives présentant de forts taux d’érosion ne sont pas les sites les plus efficaces pour l’altération.