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(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究規(guī)劃指導(dǎo)小組（以下簡(jiǎn)稱“深海973”）項(xiàng)目進(jìn)展的一項(xiàng)重大工程是對(duì)海洋碳儲(chǔ)量和氣候變化區(qū)域的研究。本文是項(xiàng)目整體總結(jié)之后的續(xù)篇,對(duì)于此項(xiàng)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(dǎo)致冰期旋回的米蘭柯維奇理論,是20世紀(jì)氣候演變科學(xué)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(shí)了米蘭柯維奇理論。但是軌道參數(shù)的緩慢變化,如何導(dǎo)致冰期旋回急劇而巨大的氣候差異,不僅驅(qū)動(dòng)機(jī)理至今仍是科學(xué)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(jì)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(dāng)時(shí)微弱的軌道變化解釋(“11期難題”)?其次,米蘭柯維奇計(jì)算的只是北半球高緯區(qū)輻射量的物理效應(yīng),并沒有考慮生物地球化學(xué)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(yīng),還是像冰蓋一樣,也能直接響應(yīng)軌道周期?軌道周期對(duì)季風(fēng)、ENSO等低緯區(qū)氣候系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng),是否也有全球作用?第三,為解釋第四紀(jì)冰期旋回而建立的軌道驅(qū)動(dòng)理論,重點(diǎn)在于近幾十萬年,因而具有時(shí)間長(zhǎng)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(jìn),軌道周期的研究已經(jīng)推進(jìn)到幾百萬和幾千萬年,相比之下發(fā)現(xiàn)了晚第四紀(jì)的特殊性。現(xiàn)在的問題是,能不能將長(zhǎng)序列的記錄和第四紀(jì)研究相結(jié)合,進(jìn)一步來認(rèn)識(shí)軌道驅(qū)動(dòng)的機(jī)制?本項(xiàng)目正是依據(jù)南海和“暖池”區(qū)深海沉積記錄,針對(duì)上述問題進(jìn)行探索,結(jié)果取得了突破性的進(jìn)展。下面先從熱帶驅(qū)動(dòng)談起,先說西太平洋暖池、后說東亞季風(fēng),然后討論碳循環(huán)的作用。2氣候變化中的熱帶驅(qū)動(dòng)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(fēng)和厄爾尼諾的盛衰,是研究熱帶過程氣候意義的重點(diǎn)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(xiàng)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(duì)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(gè)階段的關(guān)閉所產(chǎn)生的氣候效應(yīng):①海道關(guān)閉導(dǎo)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(fēng)減弱。西太平洋暖池相對(duì)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(qiáng)弱變化的標(biāo)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?xùn)|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(kuò)大,標(biāo)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(dòng)。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(shí)暖池降溫的特點(diǎn)。如根據(jù)浮游有孔蟲轉(zhuǎn)換函數(shù)計(jì)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(cè)出增溫約3℃,說明“暖池”作為溫度異常區(qū)在冰期時(shí)明顯減弱。通過氣候數(shù)值模型模擬當(dāng)時(shí)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(duì)亞洲季風(fēng)、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(shí)變淺、間冰期時(shí)加深。對(duì)MD01-2386孔Δδ18OP-G值近24萬年來的變化進(jìn)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(dòng)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(zhēng)論。(3)“暖池”高分辨率的古海洋記錄與氣候的熱帶驅(qū)動(dòng)。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(jì)地層剖面,其中末次盛冰期以來平均分辨率高達(dá)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(dòng),說明了在亞軌道尺度上的不穩(wěn)定性。對(duì)Δδ18OP-G記錄分段進(jìn)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(shí)以類似Dansgaard/Oeschger事件的1200年周期為主,全新世時(shí)約700~900年、500年和200年的太陽活動(dòng)周期為主,期間的冰消期則具有過渡性。近年來,國(guó)際學(xué)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(shí)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(dāng)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(dòng)的重要性和獨(dú)立性。2.2程度較低季風(fēng)是當(dāng)今地球上范圍最大的熱帶氣候系統(tǒng),其中東亞季風(fēng)較南亞季風(fēng)系統(tǒng)更為復(fù)雜,而研究程度較低。本項(xiàng)目一方面組織國(guó)際工作組總結(jié)亞洲古季風(fēng)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(shí)際工作,將季風(fēng)作為低緯過程,從地球氣候系統(tǒng)的高度開展進(jìn)一步的工作,對(duì)東亞古季風(fēng)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(rèn)識(shí)。(1)從化學(xué)和古植物角度解釋東亞夏季風(fēng)的強(qiáng)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(fēng)的形成有關(guān),與我國(guó)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(dá)到高峰,以后逐步下降到將近4Ma,同樣反映了東亞夏季風(fēng)的盛衰歷程。為避免“一孔之見”的局限性,本項(xiàng)目又對(duì)我國(guó)海陸120個(gè)剖面的孢粉和古植物資料進(jìn)行匯總,參照各地的巖性證據(jù),再造了新生代5個(gè)世古植被指示的氣候分布格局,證實(shí)了漸新世末我國(guó)橫貫東西的干旱帶被西北干旱區(qū)取代,行星風(fēng)系被季風(fēng)風(fēng)系取代的論點(diǎn)?，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(fēng)強(qiáng)化的標(biāo)志。ODP1146站的N.dutertrei百分比在7.6MaBP左右突然增加,到3.2~2.2MaBP時(shí)進(jìn)一步加多,反映了季風(fēng)強(qiáng)化的過程。晚上新世隨著北極冰蓋的急劇擴(kuò)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(fēng)增強(qiáng),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(jì)以來,季風(fēng)強(qiáng)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(fēng)進(jìn)一步增強(qiáng),展示了東亞季風(fēng)系統(tǒng)的階段式演化特征。(2)冰期及季風(fēng)期對(duì)植被的影響隨著第四紀(jì)北極冰蓋的增大,南海季風(fēng)與冰期旋回的關(guān)系變得密切,冬季風(fēng)的作用也愈益加強(qiáng),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(jì)錄中都有證明。植被對(duì)季風(fēng)變化的反應(yīng)相當(dāng)靈敏,孢粉分析證明了末次冰期時(shí)冬季風(fēng)加強(qiáng)、夏季風(fēng)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(shí)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。可見在冰期旋回中,季風(fēng)并非簡(jiǎn)單地響應(yīng)高緯區(qū)的冰蓋驅(qū)動(dòng),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(duì)于東亞季風(fēng)和西太平洋暖池區(qū),有著不同的影響:南海北部東亞季風(fēng)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(fēng)增強(qiáng)、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(fēng)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(dòng)在東亞季風(fēng)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(fēng)加強(qiáng)的標(biāo)志,很容易計(jì)算出百年至千年尺度的季風(fēng)波動(dòng)。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(jì)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(dòng),而且在中更新世氣候轉(zhuǎn)型之前,這種波動(dòng)在冰期、間冰期都比較強(qiáng),而轉(zhuǎn)型之后隨著東亞冬季風(fēng)增強(qiáng),該信號(hào)只在冰期時(shí)明顯、并且愈來愈強(qiáng)。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(dá)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(fēng)和低緯過程的變化,超前于冰蓋變化幾千年。3碳循環(huán)長(zhǎng)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(fēng)在不同時(shí)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(xiàng)目研究更為突出的進(jìn)展在于大洋碳循環(huán)長(zhǎng)周期的發(fā)現(xiàn),并初步揭示了其機(jī)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(xué)過程的研究,下面在闡述長(zhǎng)周期的發(fā)現(xiàn)之前,先對(duì)現(xiàn)代過程方面的工作做簡(jiǎn)單介紹。3.1中德合作8年來南海浮游生物和生境對(duì)中國(guó)的影響現(xiàn)代過程是理解長(zhǎng)期記錄的鑰匙,本項(xiàng)目采用課題間跨學(xué)科合作的方式,對(duì)于熱帶,尤其是南海等海區(qū)的現(xiàn)代碳循環(huán)特征進(jìn)行觀測(cè)、研究,主要收獲如下:(1)生產(chǎn)力與碳的顆粒沉降對(duì)季風(fēng)氣候的反映。本項(xiàng)目添置大口徑沉積捕獲器,在南海進(jìn)行實(shí)測(cè)。南沙站近1年的觀測(cè),發(fā)現(xiàn)最大的通量發(fā)生在季風(fēng)期內(nèi),尤其是冬季風(fēng)盛行時(shí)最強(qiáng),而通量峰值在上層(720m)與下層(2270m)之間相差1個(gè)月;中德合作8年來在南海北部(2年)和中部(8年)的觀測(cè)結(jié)果,同樣說明季風(fēng)期出現(xiàn)高通量,而且冬季更盛,說明冬季風(fēng)的重要性是東亞季風(fēng)與印度季風(fēng)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(xiàng)目建立了一系列新技術(shù),揭示了原來浮游生物學(xué)方法所不能檢測(cè)出的海洋微型生物,證明在貧營(yíng)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(zhǎng)與碳循環(huán)。為大洋碳探儲(chǔ)庫(kù)的定量研究,對(duì)南沙珊瑚礁的碳酸鹽產(chǎn)量進(jìn)行估算。永暑礁一個(gè)15m長(zhǎng)的瀉湖沉積柱狀樣,通過TIMS鈾系法和AMSC-14測(cè)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(chǔ)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(xiàng)突出成果,是大洋碳儲(chǔ)庫(kù)長(zhǎng)周期的發(fā)現(xiàn)。南沙海區(qū)ODP1143站,經(jīng)過將近2000個(gè)樣品的穩(wěn)定同位素分析,建成了西太平洋第一個(gè)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(zhǎng)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(jì)變?yōu)榧s50萬年。將重值期自上而下編號(hào)排序,結(jié)果如表1所示。對(duì)比500萬年各大洋的記錄,發(fā)現(xiàn)南海的碳同位素長(zhǎng)周期其實(shí)存在于整個(gè)大洋,而且頻譜分析和小波分析都展示出這種長(zhǎng)周期從早期的40萬年延長(zhǎng)到后期的50萬年。這種長(zhǎng)周期的“超級(jí)旋回”不僅見于浮游和底棲的同位素,同時(shí)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(yùn)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(zhǎng)周期的偏心率最低值對(duì)應(yīng),而在1.6Ma以后δ13C的周期變長(zhǎng)。由于偏心率通過歲差變幅的調(diào)控進(jìn)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(zhǎng)周期,應(yīng)當(dāng)由季風(fēng)一類的低緯過程造成,需要在季風(fēng)記錄和軌道周期都清楚的地點(diǎn)檢驗(yàn)這種推想。前人研究表明,非洲季風(fēng)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(guó)際層型剖面,又是依靠這種周期性成為天文年代學(xué)的典范。為此,我們選擇了意大利的標(biāo)準(zhǔn)剖面進(jìn)行系統(tǒng)分析,通過上新世地層檢驗(yàn)碳儲(chǔ)庫(kù)的40萬年長(zhǎng)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(yù)期的設(shè)想:西西里島1.2~5.4Ma的上新世綜合剖面,40萬年偏心率長(zhǎng)周期在碳同位素曲線上極為清楚,與軌道驅(qū)動(dòng)的對(duì)應(yīng)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(chǔ)庫(kù)和南極冰蓋在長(zhǎng)周期上的密切關(guān)系;和同位素對(duì)應(yīng)的巖性變化,又指示了長(zhǎng)周期與季風(fēng)氣候的成因聯(lián)系。與δ13Cmax和偏心率最低值相對(duì)應(yīng)的是灰?guī)r層,指示低生產(chǎn)力和季風(fēng)衰弱期;對(duì)應(yīng)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(fēng)強(qiáng)盛期。因此,意大利上新統(tǒng)的偏心率長(zhǎng)周期,證實(shí)確是軌道驅(qū)動(dòng)季風(fēng)變化的產(chǎn)物。(3)洋洋碳儲(chǔ)庫(kù)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(zhǎng)周期及其與冰蓋變化的密切關(guān)系,近來在早第三紀(jì)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(zhǎng)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(chǔ)庫(kù)從古新世到上新世,一般都有40萬年的長(zhǎng)周期,只是不同時(shí)期表現(xiàn)的程度不一而已。而且在40萬年偏心率長(zhǎng)周期的頻道上,δ18O與δ13C變化一致,即偏心率高值期對(duì)應(yīng)δ13C的輕值,反映高生產(chǎn)力,δ18O也是輕值期;偏心率低值期對(duì)應(yīng)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(zhǎng)和大洋碳儲(chǔ)庫(kù)的緊密聯(lián)系,而冰蓋的消長(zhǎng)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(zhǎng)周期也都不再對(duì)應(yīng):δ18O到晚第四紀(jì)出現(xiàn)10萬年周期,而δ13C的長(zhǎng)周期則變得更長(zhǎng),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(chǔ)庫(kù)長(zhǎng)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(chǔ)庫(kù)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(jì)的氧、碳同位素對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng);而近100多萬年來的δ13Cmax卻和δ18O輕值即間冰期對(duì)應(yīng),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(shí)期,緊接著是氣候系統(tǒng)的不穩(wěn)定期,和冰蓋的快速增長(zhǎng)。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(dāng)時(shí)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(fù)位移的先導(dǎo),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(jì)的古氣候研究,通常以反映冰蓋消長(zhǎng)的δ18O作為標(biāo)準(zhǔn),把反映碳系統(tǒng)的δ13C變動(dòng)看作冰蓋變化的后果。南海1143井的新發(fā)現(xiàn),為第四紀(jì)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(yīng);碳循環(huán)和碳儲(chǔ)庫(kù)的變化本身就接受軌道驅(qū)動(dòng),有著自己的周期。因此,按3次δ13Cmax事件所標(biāo)志的大洋碳儲(chǔ)庫(kù)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(jì)在氣候轉(zhuǎn)型3個(gè)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(zhǎng)周期和球系統(tǒng)在含碳球系統(tǒng)的應(yīng)用,如何驅(qū)動(dòng)洋大洋碳儲(chǔ)庫(kù)長(zhǎng)周期的發(fā)現(xiàn),提出了地球系統(tǒng)研究中的一個(gè)新問題:偏心率長(zhǎng)周期是如何驅(qū)動(dòng)大洋碳儲(chǔ)庫(kù)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(zhǎng)周期上述地中海等海區(qū)的研究,已經(jīng)說明碳儲(chǔ)庫(kù)的長(zhǎng)周期是熱帶過程的產(chǎn)物。不同緯度對(duì)軌道周期各種參數(shù)的反應(yīng)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(duì)軌道驅(qū)動(dòng)的“季風(fēng)響應(yīng)”和“冰蓋響應(yīng)”。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(jī)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(fēng)降雨相關(guān):當(dāng)強(qiáng)烈的北非夏季風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)的軌道驅(qū)動(dòng)又最為清晰,因此意大利上新世的δ13C偏心率長(zhǎng)周期最為典型,可以作為低緯區(qū)軌道驅(qū)動(dòng)的范本,與極地冰芯的高緯驅(qū)動(dòng)相對(duì)照。在此基礎(chǔ)上,可以提出一種工作假說來解釋大洋碳儲(chǔ)庫(kù)的偏心率長(zhǎng)周期:軌道周期驅(qū)動(dòng)季風(fēng)等低緯過程,調(diào)控陸地的化學(xué)風(fēng)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(jī)碳與無機(jī)碳比例變化,導(dǎo)致大洋的碳儲(chǔ)庫(kù)的長(zhǎng)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(jī)/無機(jī)碳的埋葬→大洋碳儲(chǔ)庫(kù)”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(chǔ)庫(kù)中碳的滯留時(shí)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(jī)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(shí)間卻長(zhǎng)達(dá)十幾萬年,因此全大洋碳儲(chǔ)庫(kù)對(duì)于軌道驅(qū)動(dòng)的反映,集中在40萬年的偏心率長(zhǎng)周期上,對(duì)較短的冰期旋回并不靈敏。工作假說中偏心率長(zhǎng)周期對(duì)風(fēng)化作用和浮游藻類的影響,都已經(jīng)有實(shí)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(fēng)化作用深具有2萬年歲差和40萬年長(zhǎng)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(dá)的大洋碳儲(chǔ)庫(kù)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(zhǎng)周期通過熱帶過程驅(qū)動(dòng)大洋碳儲(chǔ)庫(kù)的變化提供了解釋;但這并不適用于第四紀(jì)。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(shí)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(fēng)強(qiáng)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(jìn)程?目前還只能說是未解之謎。值得注意的是當(dāng)時(shí)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(jìn)展,是所謂“樹蔭”類群(shadeflora)與“硅藻席”(diatommats)沉降機(jī)制的發(fā)現(xiàn)。這類大個(gè)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(yíng)養(yǎng),又能上浮到表層利用陽光進(jìn)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?！耙馔狻宝?3Cmax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(diǎn),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(dān),成為大洋蛋白石的主要沉積區(qū)。冰期時(shí),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(jìn)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(jī)制。(3)氧、碳同位素“執(zhí)法”機(jī)制本項(xiàng)研究面臨的另一個(gè)迫切問題,是第四紀(jì)氧、碳同位素與偏心率周期耦合關(guān)系的“脫鉤”。第四紀(jì)以前,大洋碳儲(chǔ)庫(kù)在偏心率長(zhǎng)周期上的變化與冰蓋消長(zhǎng)一致,而近100多萬年來耦合關(guān)系消失,因而就有“脫鉤”機(jī)制的問題?；仡櫱暗谒募o(jì)的碳同位素記錄,偏心率長(zhǎng)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(qiáng)烈,以后便不明顯。而這些階段的后期也會(huì)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(shí),或者漸新世末—中新世初事件后期的21.6Ma時(shí)期,這兩次δ13Cmax與偏心率和δ18O“脫鉤”,都發(fā)生在南極冰蓋的擴(kuò)張期。因此,大洋碳儲(chǔ)庫(kù)與冰蓋在偏心率長(zhǎng)周期上的“脫鉤”,很可能是冰蓋迅速發(fā)展時(shí)期的特色,并非第四紀(jì)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(chǔ)庫(kù)長(zhǎng)周期,涉及地球表層系統(tǒng)一中尚未被認(rèn)識(shí)的機(jī)制,其價(jià)值首先在提出了第四紀(jì)期間大洋碳儲(chǔ)庫(kù)整體變化的概念。與廣泛用于地層對(duì)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(duì)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(chǔ)庫(kù)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(chǔ)庫(kù)在偏心率長(zhǎng)周期的時(shí)間尺度上,可以直接對(duì)軌道周期做出響應(yīng)。但是這種疊加在萬年