低緯海區(qū)碳儲(chǔ)庫(kù)與季風(fēng)氣候的軌道周期.pdf

1、冰芯記錄中CO2濃度冰期旋回的發(fā)現(xiàn)，提出了一個(gè)重要的學(xué)術(shù)問題：大洋碳儲(chǔ)庫(kù)是如何響應(yīng)軌道周期的?是受冰蓋消長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)，還是通過低緯過程直接響應(yīng)軌道變化?為了尋找答案，有必要對(duì)大洋碳儲(chǔ)庫(kù)變化的周期性進(jìn)行研究。論文以南海MD052901站和意大利南部Punta Piccola剖面的氧、碳同位素、碳酸鹽和有機(jī)碳含量為基礎(chǔ)，并廣泛收集相關(guān)數(shù)據(jù)，從20萬年、50萬年到500萬年的時(shí)間段上，探討了晚上新世以來南海和地中海碳循環(huán)的周期性變化特征，

2、比較了非洲季風(fēng)和東亞季風(fēng)演變的軌道周期性，探討了低緯過程對(duì)軌道參數(shù)的響應(yīng)。樣品分析測(cè)試均在同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，包括浮游有孔蟲Globigerinoides ruber的氧、碳穩(wěn)定同位素測(cè)定(806塊樣品)、碳酸鹽(783塊)和有機(jī)碳含量(785塊)測(cè)試。對(duì)南海8個(gè)站位浮游有孔蟲δ13C的匯總處理，得到了20萬年來南海浮游有孔蟲δ13C綜合曲線(SCS PF δ13C)。SCS PF δ13C具有冰期旋回變化，是

3、高緯冰蓋消長(zhǎng)影響陸地植被的反映；冰消期時(shí)的低δ13C應(yīng)當(dāng)是南極變暖的結(jié)果；同時(shí)，20萬年來SCS PF δ13C逐漸變重的趨勢(shì)表示了大洋碳儲(chǔ)庫(kù)偏心率長(zhǎng)周期變化的后半段；而與歲差周期的對(duì)應(yīng)性則反映了低緯過程對(duì)軌道驅(qū)動(dòng)的“季風(fēng)響應(yīng)”。運(yùn)用堆棧方法，匯總了南海6個(gè)站位的碳酸鹽數(shù)據(jù)，獲得了南海20萬年來碳酸鹽含量和堆積速率綜合曲線，顯示了明顯的冰期旋回。南海越南岸外上升流區(qū)MD052901站的沉積記錄，反映了最近一個(gè)偏心率長(zhǎng)周期內(nèi)碳

4、儲(chǔ)庫(kù)的變化特征。該站的δ18O、δ13C、CaCO3％和Corg％均具有明顯的41kyr斜率周期，反映了北半球冰蓋消長(zhǎng)對(duì)南海碳儲(chǔ)庫(kù)的影響。同時(shí)，2萬年歲差周期和1萬年半歲差周期也十分顯著，指示了歲差低值時(shí)東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)，強(qiáng)盛的西南風(fēng)導(dǎo)致越南岸外上升流顯著發(fā)育；此外，碳儲(chǔ)庫(kù)還表現(xiàn)出10萬年偏心率周期；末次冰期時(shí)，重δ13C、高Corg％和Opal％值都對(duì)應(yīng)于δ13Cmax-Ⅰ期，指示了40～50萬年偏心率長(zhǎng)周期。不論是歲差和半歲差

5、周期，還是10萬年偏心率短周期或者40～50萬年偏心率長(zhǎng)周期，都是低緯過程的軌道周期特征。另外，MD052901站粘土礦物反映了東亞季風(fēng)控制陸地風(fēng)化作用的強(qiáng)弱變化，粘土礦物含量同樣顯示了高緯冰蓋(4萬年斜率周期)和低緯季風(fēng)過程(2萬年歲差和1萬年半歲差周期)的共同作用。ODP1143站500萬年來的沉積物，清楚的記錄上新世以來碳儲(chǔ)庫(kù)變化的40萬年偏心率長(zhǎng)周期，并且每次δ13Cmax都對(duì)應(yīng)于偏心率低值期，并且與δ18O偏心率周

6、期同步變化。隨著北半球冰蓋的形成和擴(kuò)大，第四紀(jì)里氧和碳同位素對(duì)軌道驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)不再耦合，推測(cè)是季風(fēng)過程受到北半球冰蓋活動(dòng)影響的結(jié)果。比如，δ13Cmax-Ⅱ期整個(gè)熱帶大洋和低緯地區(qū)處在季風(fēng)強(qiáng)化的異常濕熱環(huán)境，ODP1 143站和MD052901站的δ13C都發(fā)生明顯的負(fù)偏移，緊接著出現(xiàn)特大冰期，MIδ11期發(fā)生了“中布容事件”。意大利南部上新統(tǒng)地層中，這種碳儲(chǔ)庫(kù)的40萬年偏心率長(zhǎng)周期表現(xiàn)得極為清楚。樣品測(cè)試發(fā)現(xiàn)，Punta P

7、iccola剖面的δ18O、δ13C和CaCO3％都具有清晰的40萬年長(zhǎng)周期。同時(shí)還有10萬年短周期，這一周期還反映在浮游有孔蟲豐度中。Punta Piccola剖面碳儲(chǔ)庫(kù)的另一重要特征就是強(qiáng)烈的歲差周期和半歲差周期，而且當(dāng)歲差低值時(shí)，δ18O和δ13C都變輕，同時(shí)CaCO3％明顯降低，Corg％則顯著增加，形成了別具特色的腐泥層。根據(jù)該剖面的粘土礦物分析，推斷此時(shí)期非洲夏季風(fēng)增強(qiáng)，陸地風(fēng)化作用加劇，降水的劇增引起尼羅河泛濫，

8、大量陸地淡水注入地中海，導(dǎo)致了生產(chǎn)力的增高(如Ba/Al比值的高值)、表層海水δ13C變輕等碳儲(chǔ)庫(kù)的一系列變化。比較晚上新世地中海(Punta Piccola剖面)和南海(ODP1143站)的碳循環(huán)變化可以發(fā)現(xiàn)，地中海碳儲(chǔ)庫(kù)顯示了清晰的偏心率、歲差和半歲差周期，而南海周期性則相對(duì)復(fù)雜，除了這些周期之外，還顯示了其他因素(如冰蓋消長(zhǎng)引起的斜率周期等)的影響。南海碳儲(chǔ)庫(kù)的復(fù)雜性來源于東亞季風(fēng)的特點(diǎn)，東亞季風(fēng)區(qū)受到西太平洋暖池、澳洲

9、季風(fēng)、青藏高原低壓以及西伯利亞高壓等諸多因素影響，正是地理位置差異導(dǎo)致了東亞季風(fēng)要比非洲季風(fēng)復(fù)雜得多。對(duì)比晚上新世和晚第四紀(jì)以來的記錄可以看到：晚上新世時(shí)非洲季風(fēng)和東亞季風(fēng)都以偏心率周期(40萬年和10萬年)、歲差周期和半歲差周期最為顯著，代表高緯過程信息的斜率周期則信號(hào)微弱，表明了北半球冰蓋形成之前，兩大季風(fēng)區(qū)均主要反映低緯過程響應(yīng)軌道參數(shù)的變化；到了第四紀(jì)，除了10萬年偏心率周期和歲差、半歲差周期依然強(qiáng)烈之外，斜率周期

10、則顯著加強(qiáng)，而40萬年偏心率周期消失，碳儲(chǔ)庫(kù)的長(zhǎng)周期拉長(zhǎng)，體現(xiàn)了極地冰蓋對(duì)全球氣候的影響增強(qiáng)。所以，從上新世到第四紀(jì)季風(fēng)氣候的復(fù)雜化要?dú)w因于北半球冰蓋的增大。大洋碳儲(chǔ)庫(kù)中40萬年偏心率長(zhǎng)周期的變化，在地球形成冰蓋之前就一直存在，且與氧同步變化，是“氣候系統(tǒng)的心跳脈搏”，南極冰蓋形成之后，大洋碳儲(chǔ)庫(kù)的40萬年長(zhǎng)周期依然清晰，隨著北半球冰蓋的發(fā)育，第四紀(jì)碳儲(chǔ)庫(kù)變化與氧不再耦合，40萬年偏心率長(zhǎng)周期拉長(zhǎng)，從40萬年周期變?yōu)?0萬年

11、。地球上不同緯度對(duì)軌道參數(shù)的響應(yīng)不同，高緯度主要受40 kyr的斜率周期影響，低緯區(qū)主要受20 kyr歲差周期影響。同時(shí)，歲差周期氣候效應(yīng)受偏心率控制，因此歲差周期和調(diào)控其變幅的10萬年和40萬年偏心率周期，都是低緯過程的特征。從非洲(Punta Piccola剖面)到東亞(ODP1143站和MD052901站)，從晚上新世(3.3Ma～2.7 Ma)到第四紀(jì)，低緯海區(qū)碳儲(chǔ)庫(kù)總是響應(yīng)著軌道參數(shù)而呈周期性的演變，碳循環(huán)的這種規(guī)律