西太平洋暖池氣候研究

西太平洋暖池氣候研究

2000年至2005年國家重點基礎研究規(guī)劃指導小組（以下簡稱“深海973”）項目進展的一項重大工程是對海洋碳儲量和氣候變化區(qū)域的研究。本文是項目整體總結(jié)之后的續(xù)篇,對于此項成果作專題介紹。1問題的提出和下一步研究地球軌道參數(shù)變化導致冰期旋回的米蘭柯維奇理論,是20世紀氣候演變科學研究中最大的突破。65°N太陽輻射量的變化周期與冰期旋回深海氧同位素記錄一致,從而證實了米蘭柯維奇理論。但是軌道參數(shù)的緩慢變化,如何導致冰期旋回急劇而巨大的氣候差異,不僅驅(qū)動機理至今仍是科學之謎,而且理論本身也面臨著一系列的挑戰(zhàn)。首先,米蘭柯維奇理論建立之初就留下了一系列不能回答的“難題”。第四紀晚期的冰期旋回,為什么由4萬年變成了10萬年周期(“10萬年難題”)?偏心率有10萬和40萬年2種周期,為什么看不到40萬年周期(“40萬年難題”)?距今約40萬年前的氧同位素11期是百萬年來最暖的間冰期,怎么能用當時微弱的軌道變化解釋(“11期難題”)?其次,米蘭柯維奇計算的只是北半球高緯區(qū)輻射量的物理效應,并沒有考慮生物地球化學因素及低緯區(qū)在氣候旋回中的作用。南極冰芯和全球變化的研究提出了新的問題:冰期里碳循環(huán)的變化,只是冰蓋張縮的效應,還是像冰蓋一樣,也能直接響應軌道周期?軌道周期對季風、ENSO等低緯區(qū)氣候系統(tǒng)的驅(qū)動,是否也有全球作用?第三,為解釋第四紀冰期旋回而建立的軌道驅(qū)動理論,重點在于近幾十萬年,因而具有時間長度上的局限性。近年來隨著大洋鉆探的開展和同位素技術(shù)的改進,軌道周期的研究已經(jīng)推進到幾百萬和幾千萬年,相比之下發(fā)現(xiàn)了晚第四紀的特殊性。現(xiàn)在的問題是,能不能將長序列的記錄和第四紀研究相結(jié)合,進一步來認識軌道驅(qū)動的機制?本項目正是依據(jù)南海和“暖池”區(qū)深海沉積記錄,針對上述問題進行探索,結(jié)果取得了突破性的進展。下面先從熱帶驅(qū)動談起,先說西太平洋暖池、后說東亞季風,然后討論碳循環(huán)的作用。2氣候變化中的熱帶驅(qū)動器2.1南北方暖池的成因多年平均表層水溫超過28°C的西太平洋暖池,是全球海平面高度的加熱中心和大氣三大環(huán)流的輻散中心,直接影響著季風和厄爾尼諾的盛衰,是研究熱帶過程氣候意義的重點所在。(1)“暖池”形成與演化的地質(zhì)證據(jù)。在構(gòu)造尺度上,澳大利亞板塊的北移和印度尼西亞海道的關(guān)閉,是暖池形成的先決條件。本項目根據(jù)地質(zhì)資料提出了印度尼西亞海道在11~3MaBP分階段關(guān)閉的地質(zhì)模型,通過海流數(shù)值模型和海氣耦合模型求得構(gòu)造變化對暖池形成和演變的影響,然后與古海洋資料比較,得出海道11~9MaBP、6MaBP和4~3MaBP3個階段的關(guān)閉所產(chǎn)生的氣候效應:①海道關(guān)閉導致熱帶西太平洋溫躍層加厚,出現(xiàn)“暖池”;②印度尼西亞穿越流的水源從溫暖的南太平洋水變?yōu)檩^冷的北太平洋水,致使印度洋表層水溫下降,印度夏季風減弱。西太平洋暖池相對于周圍海區(qū)其表層海水溫度高、溫躍層深,因此可以用暖池區(qū)與周圍海區(qū)之間溫躍層深度梯度的形成作為暖池形成及其強弱變化的標志。分析結(jié)果表明,溫躍層浮游有孔蟲Globoquadrinadehiscens在西太平洋和南海的絕滅在大約10MaBP,比東太平洋早3Ma,反映了太平洋溫躍層東西差異和西太平洋暖池的形成。在南海還發(fā)現(xiàn)11.5~10.6MaBP期間第一次出現(xiàn)溫躍層深度的南北梯度,反映了西太平洋暖池雛形的形成;3.6~3.3MaBP之后,南海溫躍層深度的南北梯度凸現(xiàn),西太平洋冬季表層水高溫區(qū)明顯擴大,標志著現(xiàn)代意義的西太平洋暖池的最終出現(xiàn);此后,在中更新世革命事件約0.9MaBP之后,西太平洋暖池又行減弱。(2)“暖池”在冰期旋回中的變動。暖池核心部位的ODP807(距今240萬年)和MD01-2386(距今24萬年)剖面,全都顯示出冰期時暖池降溫的特點。如根據(jù)浮游有孔蟲轉(zhuǎn)換函數(shù)計算,MD01-2386站末次盛冰期(LGM)以來升溫約3.0~4.0℃,而Mg/Ca比值和Uk3737k方法測出增溫約3℃,說明“暖池”作為溫度異常區(qū)在冰期時明顯減弱。通過氣候數(shù)值模型模擬當時亞洲上空大氣熱量與今天的差異,又發(fā)現(xiàn)暖池區(qū)熱量減少比高緯區(qū)更多,而熱量的減少對亞洲季風、熱帶太平洋沃克環(huán)流等都有重要影響。浮游有孔蟲次表層水種Pulleniatinaobliquiloculata和表層種Globigerinoidesruber或G.sacculifer之間的δ18O差值(Δδ18OP-G),隨著溫躍層變淺、溫度梯度減小而下降。在赤道西太平洋,Δδ18OP-G記錄表明溫躍層在冰期時變淺、間冰期時加深。對MD01-2386孔Δδ18OP-G值近24萬年來的變化進行頻譜分析,發(fā)現(xiàn)10萬年的偏心率、4萬年的斜率和2萬年的歲差都不明顯,僅有半歲差周期最為突出。同樣,暖池“核心”區(qū)的表層生產(chǎn)力和南沙海區(qū)的表層水溫和溫躍層深度記錄中,半歲差和歲差周期也極為明顯。既然半歲差是軌道驅(qū)動引起熱帶氣候變化的特征,“暖池”作為地球氣候系統(tǒng)的低緯因素,至少在軌道尺度上已經(jīng)不容爭論。(3)“暖池”高分辨率的古海洋記錄與氣候的熱帶驅(qū)動。赤道西太平洋MD01-2386柱狀樣以1~2cm間距取樣分析,獲得了暖池區(qū)迄今為止分辨率最高的晚第四紀地層剖面,其中末次盛冰期以來平均分辨率高達38年。由此所得暖池區(qū)近24萬年來的表層水溫和溫躍層深度變化,都存在著明顯的千、百年尺度快速氣候波動,說明了在亞軌道尺度上的不穩(wěn)定性。對Δδ18OP-G記錄分段進行的頻譜分析,發(fā)現(xiàn)末次冰期、冰消期和全新世具有不同的短期氣候周期:冰期時以類似Dansgaard/Oeschger事件的1200年周期為主,全新世時約700~900年、500年和200年的太陽活動周期為主,期間的冰消期則具有過渡性。近年來,國際學術(shù)界發(fā)現(xiàn)冰消期西太平洋熱帶海區(qū)的表層海水溫度變化超前于氧同位素變化,而與南極冰芯大氣CO2濃度變化相一致,從而提出了熱帶在冰期旋回中作用的問題。此次建立的MD01-2386高分辨率剖面,揭示出冰消期暖池表層水溫的變化在時間上與南極/南大洋的變暖接近,也與冰芯記錄的大氣CO2濃度變化相當一致,而比北半球冰蓋的融化早2~3ka,證明了氣候系統(tǒng)中熱帶驅(qū)動的重要性和獨立性。2.2程度較低季風是當今地球上范圍最大的熱帶氣候系統(tǒng),其中東亞季風較南亞季風系統(tǒng)更為復雜,而研究程度較低。本項目一方面組織國際工作組總結(jié)亞洲古季風研究的現(xiàn)狀與理論問題,另一方面通過南海大洋鉆探等材料的研究,開展實際工作,將季風作為低緯過程,從地球氣候系統(tǒng)的高度開展進一步的工作,對東亞古季風在構(gòu)造、軌道和亞軌道尺度上的變化,都取得了一系列新認識。(1)從化學和古植物角度解釋東亞夏季風的強化南海大洋鉆探ODP1148站黑碳同位素分析的結(jié)果,指示C-4植被在早中新世約21MaBP就開始出現(xiàn),推斷與東亞季風的形成有關(guān),與我國秦安中新世(22~6MaBP)黃土—古土壤剖面研究相吻合。1148井沉積的Rb/Zr比值從中新世初急劇上升,在17~14MaBP的“蒙特利”事件期達到高峰,以后逐步下降到將近4Ma,同樣反映了東亞夏季風的盛衰歷程。為避免“一孔之見”的局限性,本項目又對我國海陸120個剖面的孢粉和古植物資料進行匯總,參照各地的巖性證據(jù),再造了新生代5個世古植被指示的氣候分布格局,證實了漸新世末我國橫貫東西的干旱帶被西北干旱區(qū)取代,行星風系被季風風系取代的論點?，F(xiàn)代過程的研究表明:浮游有孔蟲Neogloboquadrinadutertrei百分比增多和南北表層水溫差別加大,可以作為南海東亞冬季風強化的標志。ODP1146站的N.dutertrei百分比在7.6MaBP左右突然增加,到3.2~2.2MaBP時進一步加多,反映了季風強化的過程。晚上新世隨著北極冰蓋的急劇擴張,底棲有孔蟲的δ18O在3.3~2.5MaBP期間逐漸變重,但南海的浮游有孔蟲δ18O卻保持穩(wěn)定。浮游有孔蟲的Mg/Ca分析顯示,3.3~2.5MaBP期間該區(qū)冰期的表層水溫明顯下降,因此同樣證明東亞季風增強,帶來更多的雨水降低表層鹽度,才能保持浮游有孔蟲的δ18O穩(wěn)定值。第四紀以來,季風強度也多有變化,如約0.9MaBP起南海南北的表層海水溫度差明顯增大,說明東亞冬季風進一步增強,展示了東亞季風系統(tǒng)的階段式演化特征。(2)冰期及季風期對植被的影響隨著第四紀北極冰蓋的增大,南海季風與冰期旋回的關(guān)系變得密切,冬季風的作用也愈益加強,無論在粘土礦物、蛋白石(主要是硅藻和放射蟲)豐度或者孢粉紀錄中都有證明。植被對季風變化的反應相當靈敏,孢粉分析證明了末次冰期時冬季風加強、夏季風減弱使氣候變干,南海北部森林被草原取代;而ODP1144站100萬年的孢粉剖面,發(fā)現(xiàn)草本植物花粉百分比在冰期時普遍升高,喜濕的蕨類孢子在間冰期增多。松屬和草本植物花粉百分含量的頻譜分析,揭示中更新世以來植被演化既有與冰蓋一致的100ka、41ka和21ka周期,又有熱帶特征的10ka的半歲差周期。這種現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在ODP1143站浮游有孔蟲Δδ18OP-G差值的譜分析結(jié)果里,不僅有10萬年、4萬年和2萬年的周期性,還有40萬年和10ka左右的半歲差周期的功率?？梢娫诒谛刂?季風并非簡單地響應高緯區(qū)的冰蓋驅(qū)動,而是作為低緯過程也有著自己的周期性。距今90萬年前的中更新世氣候轉(zhuǎn)型,對于東亞季風和西太平洋暖池區(qū),有著不同的影響:南海北部東亞季風區(qū)(ODP1144、1146站)的表層海水溫度下降,而西太平洋暖池(ODP807站)的表層海水溫度略有上升、溫躍層變淺,說明東亞冬季風增強、西太平洋暖池影響有所減弱。尤其值得注意的是,中更新世氣候轉(zhuǎn)型期,暖池區(qū)的表層海水溫度和溫躍層深度變化略超前于代表冰蓋體積大小的δ18O變化,而暖池區(qū)外的ODP1144站則無此現(xiàn)象,反映出季風區(qū)與暖池區(qū)的不同。(3)氣候突變事件在南海的表現(xiàn)近年來,千年尺度的氣候波動在東亞季風區(qū)的海、陸記錄中都已發(fā)現(xiàn)。如果以南海南北表層水溫差值的增大作為東亞冬季風加強的標志,很容易計算出百年至千年尺度的季風波動。然而更高分辨率的記錄來自巖芯的物理性質(zhì)。南海北部第四紀巖芯的碳酸鹽和顏色反射率曲線,都顯示出明顯的千年尺度的氣候波動,而且在中更新世氣候轉(zhuǎn)型之前,這種波動在冰期、間冰期都比較強,而轉(zhuǎn)型之后隨著東亞冬季風增強,該信號只在冰期時明顯、并且愈來愈強。高分辨率記錄也揭示出各種氣候突變事件。南海ODP1144站的高分辨率分析,發(fā)現(xiàn)末次間冰期(MIS5.5即5e)內(nèi)發(fā)生過一次表層海水突然降溫事件,冬季下降幅度可達7.5℃,表層水δ18O值也下降1.2%;而MIS6冰期結(jié)束之前大約2000年,孢粉記錄的植被早已變換,草本植物花粉減少一倍、松粉比例急劇增加,說明夏季風和低緯過程的變化,超前于冰蓋變化幾千年。3碳循環(huán)長周期的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展以上所述西太平洋暖池和東亞季風在不同時間尺度上的演變歷史,為低緯過程在氣候變化中的重要性提供了新證據(jù)。本項目研究更為突出的進展在于大洋碳循環(huán)長周期的發(fā)現(xiàn),并初步揭示了其機理和影響。為深入理解熱帶碳循環(huán)過程,也開展了現(xiàn)代生物地球化學過程的研究,下面在闡述長周期的發(fā)現(xiàn)之前,先對現(xiàn)代過程方面的工作做簡單介紹。3.1中德合作8年來南海浮游生物和生境對中國的影響現(xiàn)代過程是理解長期記錄的鑰匙,本項目采用課題間跨學科合作的方式,對于熱帶,尤其是南海等海區(qū)的現(xiàn)代碳循環(huán)特征進行觀測、研究,主要收獲如下:(1)生產(chǎn)力與碳的顆粒沉降對季風氣候的反映。本項目添置大口徑沉積捕獲器,在南海進行實測。南沙站近1年的觀測,發(fā)現(xiàn)最大的通量發(fā)生在季風期內(nèi),尤其是冬季風盛行時最強,而通量峰值在上層(720m)與下層(2270m)之間相差1個月;中德合作8年來在南海北部(2年)和中部(8年)的觀測結(jié)果,同樣說明季風期出現(xiàn)高通量,而且冬季更盛,說明冬季風的重要性是東亞季風與印度季風的重要區(qū)別。(2)微型浮游生物在熱帶海洋碳循環(huán)中的重要性。如前文所述,本項目建立了一系列新技術(shù),揭示了原來浮游生物學方法所不能檢測出的海洋微型生物,證明在貧營養(yǎng)海區(qū)此類微型生物可以構(gòu)成浮游植物群的主體,在大洋碳循環(huán)中的作用不容忽視。(3)珊瑚礁生長與碳循環(huán)。為大洋碳探儲庫的定量研究,對南沙珊瑚礁的碳酸鹽產(chǎn)量進行估算。永暑礁一個15m長的瀉湖沉積柱狀樣,通過TIMS鈾系法和AMSC-14測年,求得碳酸鹽平均年產(chǎn)量為3.85g/m2,瀉湖內(nèi)(4197g/m2)略高于礁坪(3640g/m2)。3.2碳儲存循環(huán)的發(fā)現(xiàn)(1)c剖面的碳同位素的周期特征南海大洋鉆探研究的一項突出成果,是大洋碳儲庫長周期的發(fā)現(xiàn)。南沙海區(qū)ODP1143站,經(jīng)過將近2000個樣品的穩(wěn)定同位素分析,建成了西太平洋第一個500萬年的高分辨率剖面,其中最引人注目的是δ13C剖面中40~50萬年的長周期。無論底棲或浮游有孔蟲的δ13C曲線,低頻濾波揭示出都有碳同位素重值期(δ13Cmax)的周期性的出現(xiàn),變幅都在0.3‰左右,先是40萬年一次,到第四紀變?yōu)榧s50萬年。將重值期自上而下編號排序,結(jié)果如表1所示。對比500萬年各大洋的記錄,發(fā)現(xiàn)南海的碳同位素長周期其實存在于整個大洋,而且頻譜分析和小波分析都展示出這種長周期從早期的40萬年延長到后期的50萬年。這種長周期的“超級旋回”不僅見于浮游和底棲的同位素,同時也存在于碳酸鹽的記錄中,因此只能是全大洋海水,而不是局部性的變化。(2)上新世地層剖面和軌道周期的調(diào)查與分析將碳同位素曲線與地球運行軌道的偏心率曲線相比較,發(fā)現(xiàn)在1.6Ma以前,δ13Cmax與40萬年長周期的偏心率最低值對應,而在1.6Ma以后δ13C的周期變長。由于偏心率通過歲差變幅的調(diào)控進入氣候系統(tǒng),而歲差主要影響低緯區(qū)輻射量的季節(jié)分布,因此δ13Cmax反映的長周期,應當由季風一類的低緯過程造成,需要在季風記錄和軌道周期都清楚的地點檢驗這種推想。前人研究表明,非洲季風影響下形成的地中海腐泥層,顯示出明確的軌道周期,意大利南部的上新世國際層型剖面,又是依靠這種周期性成為天文年代學的典范。為此,我們選擇了意大利的標準剖面進行系統(tǒng)分析,通過上新世地層檢驗碳儲庫的40萬年長周期及其與熱帶過程的聯(lián)系。意大利工作的結(jié)果,完全證明了預期的設想:西西里島1.2~5.4Ma的上新世綜合剖面,40萬年偏心率長周期在碳同位素曲線上極為清楚,與軌道驅(qū)動的對應性是全大洋中最好的,而且40萬年周期也見于氧同位素和碳酸鹽含量曲線。氧、碳同位素的耦合變化,反映了大洋碳儲庫和南極冰蓋在長周期上的密切關(guān)系;和同位素對應的巖性變化,又指示了長周期與季風氣候的成因聯(lián)系。與δ13Cmax和偏心率最低值相對應的是灰?guī)r層,指示低生產(chǎn)力和季風衰弱期;對應δ13C較輕值和偏心率較高值的層位含有較多的腐泥層或暗色層,反映高生產(chǎn)力和季風強盛期。因此,意大利上新統(tǒng)的偏心率長周期,證實確是軌道驅(qū)動季風變化的產(chǎn)物。(3)洋洋碳儲庫主要偏心率低值及參數(shù)值地中海上新世揭示的碳循環(huán)長周期及其與冰蓋變化的密切關(guān)系,近來在早第三紀和中新世的地層中已經(jīng)大量發(fā)現(xiàn)。從古新世/始新世交接期起,到中新世中期,都發(fā)現(xiàn)碳、氧同位素有40萬年偏心率長周期,兩者都在偏心率高值期變輕,其中碳同位素的表現(xiàn)尤為清晰。因此,大洋碳儲庫從古新世到上新世,一般都有40萬年的長周期,只是不同時期表現(xiàn)的程度不一而已。而且在40萬年偏心率長周期的頻道上,δ18O與δ13C變化一致,即偏心率高值期對應δ13C的輕值,反映高生產(chǎn)力,δ18O也是輕值期;偏心率低值期對應δ13C的重值,反映低生產(chǎn)力,δ18O也呈現(xiàn)重值,與前述地中海的情況相似。δ18O與δ13C變化的耦合關(guān)系,漸新世以來可能反映南極冰蓋的消長和大洋碳儲庫的緊密聯(lián)系,而冰蓋的消長也引起了40萬年周期的海平面升降。(4)c與18o然而到了1.6MaBP左右,無論氧和碳的同位素記錄里40萬年周期都不再清晰,與偏心率長周期也都不再對應:δ18O到晚第四紀出現(xiàn)10萬年周期,而δ13C的長周期則變得更長,出現(xiàn)上述δ13Cmax在1.6Ma、1.0Ma、0.5Ma和約0Ma所劃分的周期(表1)。δ18O與δ13C失去了在偏心率周期上的耦合關(guān)系,δ13C代表的碳儲庫長周期也不與偏心率的變化一致。氧、碳同位素耦合關(guān)系的“脫鉤”,反映了冰蓋與碳儲庫關(guān)系的變化,是地球氣候系統(tǒng)一種轉(zhuǎn)型的表現(xiàn)。第四紀的氧、碳同位素對應關(guān)系的消失,不僅表現(xiàn)在40萬年的變化周期上,也表現(xiàn)在兩者的相位關(guān)系上。原來的δ13Cmax與氧同位素重值、即冰蓋增大期對應;而近100多萬年來的δ13Cmax卻和δ18O輕值即間冰期對應,也就是說δ13Cmax出現(xiàn)在低緯區(qū)氣候特別濕熱和大量洪水泛濫的時期,緊接著是氣候系統(tǒng)的不穩(wěn)定期,和冰蓋的快速增長。如50萬年前的δ13Cmax-II事件,在緊接著的碳位移之后,底棲有孔蟲的δ18O突然減輕約2‰,出現(xiàn)近600萬年以來最大幅度的躍變,代表著一次特大規(guī)模的冰蓋融化和海面上升事件,這就是40萬年前的“中布容事件”。由于當時軌道參數(shù)的變化過于微小,這次躍變構(gòu)成了米蘭柯維奇理論的一大難題(“11期難題”),現(xiàn)在看來其答案很可能就在于MIS13期的碳同位素重值事件和MIS12期的碳位移。再如1.0Ma前的δ13Cmax-III,也是大幅度碳同位素的負位移的先導,接著是北半球冰蓋的突然增大,和冰期旋回由4萬年到10萬年的轉(zhuǎn)型,這就是0.9MaBP的“中更新世革命”。第四紀的古氣候研究,通常以反映冰蓋消長的δ18O作為標準,把反映碳系統(tǒng)的δ13C變動看作冰蓋變化的后果。南海1143井的新發(fā)現(xiàn),為第四紀歷史提供了新的視角:δ13C反映的大洋碳系統(tǒng)的變化,并不只是冰蓋變化的消極響應;碳循環(huán)和碳儲庫的變化本身就接受軌道驅(qū)動,有著自己的周期。因此,按3次δ13Cmax事件所標志的大洋碳儲庫變化,可以將近160萬年的歷史以0.5Ma(MIS13期)和1.0Ma(MIS25-27)的δ13Cmax事件為界分為3段,每一段代表著冰蓋發(fā)育的新階段。這種劃分與南大西洋研究發(fā)現(xiàn)的“41ka”期,“過渡期”和“100ka”期第四紀在氣候轉(zhuǎn)型3個階段相一致,反映了地球系統(tǒng)的重大變化期。3.3偏心率長周期和球系統(tǒng)在含碳球系統(tǒng)的應用,如何驅(qū)動洋大洋碳儲庫長周期的發(fā)現(xiàn),提出了地球系統(tǒng)研究中的一個新問題:偏心率長周期是如何驅(qū)動大洋碳儲庫變化的?這就要從“熱帶碳循環(huán)”入手加以探索。(1)新世以來的偏心率長周期上述地中海等海區(qū)的研究,已經(jīng)說明碳儲庫的長周期是熱帶過程的產(chǎn)物。不同緯度對軌道周期各種參數(shù)的反應不一。低緯區(qū)主要受2萬年的歲差周期影響,高緯區(qū)更多受4萬年的斜率周期影響,分別是氣候系統(tǒng)對軌道驅(qū)動的“季風響應”和“冰蓋響應”。2萬年的歲差周期和調(diào)控其變幅的10萬年、40萬年偏心率周期,都是低緯過程的特征。地中海上新世的40萬年周期,具體展示了這種機制:體現(xiàn)軌道周期的巖性韻律,是由低生產(chǎn)率的碳酸鹽層與高生產(chǎn)力的腐泥層或者暗色層組成。而腐泥層的形成與季風降雨相關(guān):當強烈的北非夏季風引起尼羅河泛濫,注入貧養(yǎng)的地中海,可以引起硅藻勃發(fā)和生產(chǎn)力劇增,在海底形成腐泥或者暗色層,而夏季風的發(fā)育和腐泥層或暗色層的形成事件又受歲差周期控制。反映在海水的碳同位素上,偏心率低值期季風弱、生產(chǎn)力不高,出現(xiàn)δ13Cmax。由于地中海的海檻甚淺,北非季風的軌道驅(qū)動又最為清晰,因此意大利上新世的δ13C偏心率長周期最為典型,可以作為低緯區(qū)軌道驅(qū)動的范本,與極地冰芯的高緯驅(qū)動相對照。在此基礎上,可以提出一種工作假說來解釋大洋碳儲庫的偏心率長周期:軌道周期驅(qū)動季風等低緯過程,調(diào)控陸地的化學風化和輸入大洋的硅元素豐度,從而影響大洋浮游植物中硅藻與顆石藻比值,造成沉降顆粒中有機碳與無機碳比例變化,導致大洋的碳儲庫的長周期變化,歸納起來就是:“低緯區(qū)輻射量→大洋Si的輸入→浮游植物中的硅藻→有機/無機碳的埋葬→大洋碳儲庫”的工作假說。這里的關(guān)鍵一是“生物泵”與硅藻和顆石藻的比例;二是大洋儲庫中碳的滯留時間。海洋“生物泵”的效果與浮游植物的成分有關(guān):硅藻只產(chǎn)生有機碳,而顆石藻還產(chǎn)生碳酸鈣成分的骨骼,兩者的比例變化直接影響碳循環(huán)和海水的δ13C。大洋海水混合一遍只需千年,而大洋中碳的滯留時間卻長達十幾萬年,因此全大洋碳儲庫對于軌道驅(qū)動的反映,集中在40萬年的偏心率長周期上,對較短的冰期旋回并不靈敏。工作假說中偏心率長周期對風化作用和浮游藻類的影響,都已經(jīng)有實例為證。如南海ODP1145井3.2~2.5Ma層段的元素分析,發(fā)現(xiàn)全巖K/Si比值反映的風化作用深具有2萬年歲差和40萬年長周期;西北太平洋ODP882孔上新世早期蛋白石堆積速率的最大變幅在40萬年頻道,與δ13C表達的大洋碳儲庫的變化一致。(2)cm前的沉積如果上述假說成立,就為偏心率長周期通過熱帶過程驅(qū)動大洋碳儲庫的變化提供了解釋;但這并不適用于第四紀。前面說過,0.5Ma前的δ13Cmax-II和1.0Ma前的δ13Cmax-III,都不是發(fā)生在偏心率最低值時期,在這種“意外”的δ13Cmax期間,熱帶大洋和低緯地區(qū)出現(xiàn)了季風強化的異常濕熱環(huán)境。正在這段δ13Cmax-II事件之后發(fā)生了“碳位移”,接著就是冰蓋大增和冰期轉(zhuǎn)型的“中布容事件”和“中更新世革命”。這些低緯區(qū)事件究竟如何造成δ13Cmax?又如何影響冰蓋發(fā)育的進程?目前還只能說是未解之謎。值得注意的是當時大洋有特殊類型的沉積發(fā)生,特別是貧養(yǎng)大洋出現(xiàn)的硅藻層。硅藻研究的一大進展,是所謂“樹蔭”類群(shadeflora)與“硅藻席”(diatommats)沉降機制的發(fā)現(xiàn)。這類大個體的硅藻,在次表層水里生活,可以下沉到次表層利用深層的營養(yǎng),又能上浮到表層利用陽光進行光合作用;而且可以勃發(fā)形成“藻席”迅速埋葬,造成由單種組成的紋層沉積。“意外”δ13Cmax的出現(xiàn),有可能與此類硅藻層有關(guān)。在δ13Cmax-II期之初,亞熱帶南大西洋就有0.5~1m多厚的單種硅藻層發(fā)現(xiàn),而且看來這也是δ13Cmax-I和δ13Cmax-III的共同特點,類似的單種硅藻紋層也見于其他低緯海區(qū)。初步推斷,貧洋大洋單種硅藻層的出現(xiàn),與南大洋富硅海水通過次表層向低緯度輸出有關(guān)。現(xiàn)代的南大洋,由于富硅深層水的垂向交流,初始生產(chǎn)力主要由硅藻承擔,成為大洋蛋白石的主要沉積區(qū)。冰期時,南大洋表層水用硅減少,大量的硅隨著南極水向北“溢漏”到低緯海區(qū),進入次表層,可以引起低緯區(qū)的硅藻勃發(fā)和紋層沉積,很可能是上述單種硅藻層的形成機制。(3)氧、碳同位素“執(zhí)法”機制本項研究面臨的另一個迫切問題,是第四紀氧、碳同位素與偏心率周期耦合關(guān)系的“脫鉤”。第四紀以前,大洋碳儲庫在偏心率長周期上的變化與冰蓋消長一致,而近100多萬年來耦合關(guān)系消失,因而就有“脫鉤”機制的問題?；仡櫱暗谒募o的碳同位素記錄,偏心率長周期的表現(xiàn)也有盛衰起落。比如南海1146井的底棲有孔蟲碳同位素在17~14Ma期間,δ13C的40萬年周期始終強烈,以后便不明顯。而這些階段的后期也會出現(xiàn)氧、碳同位素“脫鉤”的現(xiàn)象,包括14Ma左右的“中中新世氣候轉(zhuǎn)變”時,或者漸新世末—中新世初事件后期的21.6Ma時期,這兩次δ13Cmax與偏心率和δ18O“脫鉤”,都發(fā)生在南極冰蓋的擴張期。因此,大洋碳儲庫與冰蓋在偏心率長周期上的“脫鉤”,很可能是冰蓋迅速發(fā)展時期的特色,并非第四紀所特有。4研究成果的重要性4.1古氣候研究的誤區(qū)此次發(fā)現(xiàn)的大洋碳儲庫長周期,涉及地球表層系統(tǒng)一中尚未被認識的機制,其價值首先在提出了第四紀期間大洋碳儲庫整體變化的概念。與廣泛用于地層對比的氧同位素不同,碳同位素記錄由于不同海域之間不易對比,以往的研究主要通過不同海域δ13C的差值追索洋流與生產(chǎn)力的變化,結(jié)果只能得出碳儲庫隨冰蓋而變的結(jié)論。南海的發(fā)現(xiàn)改變了這種概念,提出大洋碳儲庫在偏心率長周期的時間尺度上,可以直接對軌道周期做出響應。但是這種疊加在萬年