低纬海区碳储库与季风气候的轨道周期

发布时间：2020-05-26 04:40

【摘要】： 冰芯记录中CO_2浓度冰期旋回的发现，提出了一个重要的学术问题：大洋碳储库是如何响应轨道周期的?是受冰盖消长驱动，还是通过低纬过程直接响应轨道变化?为了寻找答案，有必要对大洋碳储库变化的周期性进行研究。论文以南海MD052901站和意大利南部Punta Piccola剖面的氧、碳同位素、碳酸盐和有机碳含量为基础，，并广泛收集相关数据，从20万年、50万年到500万年的时间段上，探讨了晚上新世以来南海和地中海碳循环的周期性变化特征，比较了非洲季风和东亚季风演变的轨道周期性，探讨了低纬过程对轨道参数的响应。样品分析测试均在同济大学海洋地质国家重点实验室完成，包括浮游有孔虫Globigerinoides ruber的氧、碳稳定同位素测定(806块样品)、碳酸盐(783块)和有机碳含量(785块)测试。对南海8个站位浮游有孔虫δ~(13)C的汇总处理，得到了20万年来南海浮游有孔虫δ~(13)C综合曲线(SCS PFδ~(13)C)。SCS PFδ~(13)C具有冰期旋回变化，是高纬冰盖消长影响陆地植被的反映；冰消期时的低δ~(13)C应当是南极变暖的结果；同时，20万年来SCS PFδ~(13)C逐渐变重的趋势表示了大洋碳储库偏心率长周期变化的后半段；而与岁差周期的对应性则反映了低纬过程对轨道驱动的“季风响应”。运用堆栈方法，汇总了南海6个站位的碳酸盐数据，获得了南海20万年来碳酸盐含量和堆积速率综合曲线，显示了明显的冰期旋回。南海越南岸外上升流区MD052901站的沉积记录，反映了最近一个偏心率长周期内碳储库的变化特征。该站的δ~(18)O、δ~(13)C、CaCO_3％和Corg％均具有明显的41 kyr斜率周期，反映了北半球冰盖消长对南海碳储库的影响。同时，2万年岁差周期和1万年半岁差周期也十分显著，指示了岁差低值时东亚夏季风增强，强盛的西南风导致越南岸外上升流显著发育；此外，碳储库还表现出10万年偏心率周期；末次冰期时，重δ~(13)C、高Corg％和Opal％值都对应于δ~(13)Cmax-Ⅰ期，指示了40～50万年偏心率长周期。不论是岁差和半岁差周期，还是10万年偏心率短周期或者40～50万年偏心率长周期，都是低纬过程的轨道周期特征。另外，MD052901站粘土矿物反映了东亚季风控制陆地风化作用的强弱变化，粘土矿物含量同样显示了高纬冰盖(4万年斜率周期)和低纬季风过程(2万年岁差和1万年半岁差周期)的共同作用。 ODP1143站500万年来的沉积物，清楚的记录上新世以来碳储库变化的40万年偏心率长周期，并且每次δ~(13)Cmax都对应于偏心率低值期，并且与δ~(18)O偏心率周期同步变化。随着北半球冰盖的形成和扩大，第四纪里氧和碳同位素对轨道驱动的响应不再耦合，推测是季风过程受到北半球冰盖活动影响的结果。比如，δ~(13)Cmax-Ⅱ期整个热带大洋和低纬地区处在季风强化的异常湿热环境，ODP1143站和MD052901站的δ~(13)C都发生明显的负偏移，紧接着出现特大冰期，MIS11期发生了“中布容事件”。意大利南部上新统地层中，这种碳储库的40万年偏心率长周期表现得极为清楚。样品测试发现，Punta Piccola剖面的δ~(18)O、δ~(13)C和CaCO_3％都具有清晰的40万年长周期。同时还有10万年短周期，这一周期还反映在浮游有孔虫丰度中。Punta Piccola剖面碳储库的另一重要特征就是强烈的岁差周期和半岁差周期，而且当岁差低值时，δ~(18)O和δ~(13)C都变轻，同时CaCO_3％明显降低，Corg％则显著增加，形成了别具特色的腐泥层。根据该剖面的粘土矿物分析，推断此时期非洲夏季风增强，陆地风化作用加剧，降水的剧增引起尼罗河泛滥，大量陆地淡水注入地中海，导致了生产力的增高(如Ba／Al比值的高值)、表层海水δ~(13)C变轻等碳储库的一系列变化。比较晚上新世地中海(Punta Piccola剖面)和南海(ODP1143站)的碳循环变化可以发现，地中海碳储库显示了清晰的偏心率、岁差和半岁差周期，而南海周期性则相对复杂，除了这些周期之外，还显示了其他因素(如冰盖消长引起的斜率周期等)的影响。南海碳储库的复杂性来源于东亚季风的特点，东亚季风区受到西太平洋暖池、澳洲季风、青藏高原低压以及西伯利亚高压等诸多因素影响，正是地理位置差异导致了东亚季风要比非洲季风复杂得多。对比晚上新世和晚第四纪以来的记录可以看到：晚上新世时非洲季风和东亚季风都以偏心率周期(40万年和10万年)、岁差周期和半岁差周期最为显著，代表高纬过程信息的斜率周期则信号微弱，表明了北半球冰盖形成之前，两大季风区均主要反映低纬过程响应轨道参数的变化；到了第四纪，除了10万年偏心率周期和岁差、半岁差周期依然强烈之外，斜率周期则显著加强，而40万年偏心率周期消失，碳储库的长周期拉长，体现了极地冰盖对全球气候的影响增强。所以，从上新世到第四纪季风气候的复杂化要归因于北半球冰盖的增大。大洋碳储库中40万年偏心率长周期的变化，在地球形成冰盖之前就一直存在，且与氧同步变化，是“气候系统的心跳脉搏”，南极冰盖形成之后，大洋碳储库的40万年长周期依然清晰，随着北半球冰盖的发育，第四纪碳储库变化与氧不再耦合，40万年偏心率长周期拉长，从40万年周期变为50万年。地球上不同纬度对轨道参数的响应不同，高纬度主要受40 kyr的斜率周期影响，低纬区主要受20 kyr岁差周期影响。同时，岁差周期气候效应受偏心率控制，因此岁差周期和调控其变幅的10万年和40万年偏心率周期，都是低纬过程的特征。从非洲(Punta Piccola剖面)到东亚(ODP1143站和MD052901站)，从晚上新世(3.3Ma～2.7 Ma)到第四纪，低纬海区碳储库总是响应着轨道参数而呈周期性的演变，碳循环的这种规律性源自于轨道周期对季风系统的驱动。所以，低纬海区碳循环的轨道周期实际上就是季风周期。总的来说，大洋碳储库通过季风系统直接受地球轨道驱动，岁差和偏心率是其主要的变化周期。地球气候系统对轨道变化既有“冰盖响应”，又有“季风响应”。以季风为特征的低纬过程也有其自身的响应机制，并非简单的跟随冰盖而变。低纬气候记录中同样存在高纬地区的信息，东亚季风气候的复杂记录其实就是热带过程与高纬过程相互作用、相互交叉的结果。
【图文】：

马可波罗,站位

选取南海MD052901站和意人利PuntaPiccofa剖面进行了DO5290I柱状样为中法联合“马可波罗”航次第一航段采集作项目“气候长周期变化的新机制:中国和意大利的地质MD052901站月12一25日，中法联合“马可波罗”(MARCO一POLO)航的“马利翁。德弗莱，，考察船在南海执行，法国气候与环境实中川司济大学、中科院古生物所和厦门大学的科学家、技段。本航次列入“国际海洋全球变化”计划(IMAGES)，属·德弗莱”考察船，是当今世界唯一能够从深海海底采集巨罗”航次是我国继大洋钻探之后南海研究又一次成功的国记录、中层水变化历史和研究边缘海深海沉积学为科学日南海南坡、西坡和北坡8个站位采集了巧个沉积柱状样，影，测定了颜色反射率、磁化率、GRAPE密度、孔隙率、2005)。

上新世,意大利,地层剖面,位置图

，尼，撼{一一一图2.2野外测采的意大利南方上新世4个地层剖面位置图 PuntaPieeola剖面位于西西里岛南部(图2.2)，北纬37017’20”，东经13029’36，，，是上新世中期Piacenzian阶的国际层型剖面(图2.3)，剖面下部是上新世Zanclean阶爪iacenzian
【学位授予单位】：同济大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：P732

【引证文献】