中更新世气候转型:特征、机制和展望

中更新世转型(mid-Pleistocene transition,MPT)的特征、机理及其影响一直是古气候研究的热点问题之一.通过综合分析全球代表性的地质记录,揭示出海洋和陆地气候变化在中更新世(距今~1.2至~0.7 Ma)多表现为从准4万年到准10万年的主导周期转型,但低纬地区水文气候的周期变化不显著.数值模拟研究表明,地球轨道参数变动引起的太阳辐射变化可能是冰期-间冰期气候旋回的根本驱动,而下垫面和大气CO2浓度变化的反馈机制则触发了中更新世气候周期转型并放大冰期-间冰期的波动.因此,MPT是地球气候系统内外部多个因素共同作用的结果.未来研究一方面应加强中低纬地区水文循环变化研究,关注中更新世气候转型影响的区域差异;另一方面通过整合气候重建和模拟结果,辨析区域气候变化响应差异的主要诱因.     

南海西部陆源沉积粒度组成的控制动力及其反映的东亚季风演化

通过对南海西部越南岸外MD05-2901孔的有孔虫氧同位素测定, 建立了450 ka以来高分辨率的年代地层. 结合沉积物的密度、孔隙率和陆源碎屑含量, 计算了陆源碎屑的堆积速率, 结果显示在间冰期时堆积速率的平均值为4.9~6.0 g/(cm²·ka), 高于冰期的1.9~5.0 g/(cm²·ka), 与发表过的南海南、北部冰期高于间冰期的特点明显不同. 对陆源沉积物的粒度分布进行主成分因子分析, 获得了两个主控因子F1和F2, 它们控制了陆源沉积近80%的粒度变化特征. 对F1敏感的1.26~2.66 μm%¹⁾和10.8~14.3 μm%呈现高频的波动, 和北半球低纬夏季太阳辐射量吻合很好, 显示23 ka的岁差周期和13 ka的半岁差周期. 对F2敏感的4.24~7.42 μm%和30.1~43.7 μm%, 则显示强烈的100 ka的偏心率周期. 本区的陆源沉积物来源于南海西南和北部2个地区, 在动力上则分别由夏季风和冬季风驱动的不同方向的洋流搬运. 研究认为, 晚第四纪以来东亚夏季风受控于低纬区的夏季日射量的变化, 而冬季风主要受高纬冰盖变化驱动, 呈冰期/间冰期旋回尺度的波动, 这反映了东亚季风演化的双重驱动机制.     

900 ka以来黄土-古土壤序列记录的风尘铁含量变化及其古气候意义

风尘中所含的铁是海洋生物的营养元素, 对浮游生物的生产力有重要影响, 从而对海洋吸收CO₂的量有调节作用, 进而影响全球气候. 从亚洲内陆产生的粉尘不仅堆积于黄土高原, 形成黄土-古土壤序列, 而且落入北太平洋等海域. 基于黄土高原中部的西峰和长武两个剖面, 对900 ka 以来风尘的铁含量及其时域变化特征进行分析, 结果表明, 不同时期的风尘铁含量具有明显的变化. 铁含量的波动总体上与冰期-间冰期旋回的变化差异较大, 不具明显的100 ka的周期, 而具有较强的准20 ka的周期和清晰的准40 ka周期, 显示北半球太阳辐射的变化对风尘铁含量有明显的控制作用. 900 ka以来, S5-1古土壤(深海氧同位素阶段13)的铁含量最高, 对应于900 ka以来大洋碳同位素值最高的时期, 表明该事件具有全球性的意义.     

触发和驱动第四纪冰期的机制是什么?

晚新生代地球环境演化的重要事件包括冰期气候和人类起源等,其中,冰期及其旋回问题受到广泛关注,但迄今没有被广泛接受的理论解释.地球构造活动诱发的地表风化强度和大洋环流变化,改变了大气CO_2含量和地表热量传输过程,其与地球运动轨道变化调制的太阳辐射量变化周期,包括地球轨道偏心率、黄赤夹角和岁差等,共同驱动了第四纪大冰期降临及旋回变化.其中,太阳辐射量变化起主导作用.在包括海陆配置、大气CO_2、洋流变化、岩石风化等达到临界点的背景下,太阳辐射量变化驱动着第四纪冰期气候旋回变化.在晚上新世,由于地表化学风化加强、深海沉积埋藏碳增多,使得大气中CO_2含量减少,温室气体效应减弱;加上高纬地区接受太阳辐射量降到临界值,高纬地区冰川发育并形成强大的反馈机制,北半球冰期来临并在之后发生了中更新世冰期气候转型.在上新世-更新世的古气候变化中,存在~400,100,41和23ka等周期,这是太阳辐射量变化驱动的结果;其中,大气CO_2和冰冻圈反馈起到重要的放大作用.近200年以来,人类急剧向大气中排放CO_2气体,增强了温室气体效应,可能改变冰期气候的趋向.     

南海中更新世以来的碳酸盐溶解作用变化与深水古海洋学特征

研究发现位于南沙海区溶跃面之上的17957－2柱状样碳酸盐溶解作用的变化。在近0．8Ma以来CaCO3含量存在冰期高、间冰期低的“太平洋型”碳酸盐旋回,数次碳酸盐强溶解作用均发生在间冰期向冰期的转折期。频谱分析结果显示,南海长时间尺度的碳酸盐旋回以近500ka和近100ka等周期为主。与印度洋深海沉积物的粗组分综合指数及浮游有孔虫保存状况变化对比,南海碳酸盐旋回近500ka的周期可能反映了长时间尺度上大洋深水循环的特征。     

南海西部45万年来的表层水温变化

应用分子化石长链烯酮的不饱和度, 在南海西部取得了45万年以来表层水温的变化记录, 分辨率约1 ka, 是南海迄今为止时间最长的高分辨率温度剖面. 结果表明U3k′7-SST与有孔虫氧同位素一样显示出冰期旋回的特征, 冰期、间冰期表层水温的变化范围分别为23~25.5℃和25~28℃, 最高温为MIS5.5时期的28.4℃, 最低温为MIS2时期的22.6℃. 5次冰期旋回转换期中温度变化都超前于有孔虫氧同位素, 与南北半球温度变化记录对比显示南海的温度变化模式与南半球相似. 频谱分析中强烈的岁差及半岁差周期显示了明显的热带区域特征.     

南海ODP 1143站第四纪高分辨率的蛋白石记录及其古生产力意义

南海南部ODP 1143站位第四纪以来的蛋白石含量及其堆积速率与底栖有孔虫氧同位素记录的对比显示, 900 ka以来蛋白石含量及其堆积速率在间冰期明显增加, 而冰期降低, 反映了间冰期高的表层生产力, 可能是由于间冰期夏季风的加强, 从而导致了上升流的增强和营养提供的增加. 底栖有孔虫氧同位素记录与蛋白石含量及其堆积速率的时间序列频谱分析结果表明, 900 ka以来南海南部表层生产力变化主要受地球轨道周期的驱动.     

末次间冰期以来古里雅冰芯微粒记录与极地冰芯的对比

通过古里雅冰芯中δ18O与微粒含量的研究, 恢复了末次间冰期以来青藏高原大气粉尘和环境变化的历史. 记录显示, 青藏高原在末次间冰期时处于低粉尘值, 105 ka时高原上的粉尘浓度开始升高. 约75 ka左右进入冰期后, 微粒浓度大幅度剧增, 并在末次冰期早期(MIS 4阶段)达到了最高水平. 在末次冰盛期, 古里雅冰芯中微粒含量的增加并不显著, 与南极和格陵兰不同. 在轨道时间尺度上, 温度和北半球高纬夏季太阳辐射与微粒记录都有良好的相关性, 但也存在幅度和相位上的差异. 青藏高原及其外围山地的冰芯记录反映的是中亚粉尘源区以及粉尘传输起始阶段的变化, 而格陵兰冰芯记录反映的是粉尘最终的沉积状况, 二者的意义是不同的.     

南海第四纪冰期旋回中的碳酸钙泵

碳酸钙的保存与溶解(即碳酸钙泵)通过其缓冲器效应控制着世界大洋的酸碱度, 进而可能对全球大气CO₂浓度的变化起着重要作用. 南海大洋钻探ODP 1143站2 Ma以来的碳酸钙分析, 提供探讨第四纪冰期旋回中碳酸钙泵作用的高分辨率记录. 统计研究结果表明, 南海第四纪冰期至间冰期过渡期, 碳酸钙堆积速率的最高值领先于δ ¹⁸O最轻值约3.6 ka; 而间冰期至冰期过渡期, 碳酸钙溶解程度最高值滞后于δ ¹⁸O最轻值约5.6 ka. 碳酸钙泵在冰期至间冰期过渡期向大气释放CO₂, 而在间冰期至冰期过渡期将大气CO ₂泵入深海. 碳酸钙泵的这种海水CO₃^2-浓度的调节功能, 直接控制全球大气CO₂的部分变化, 从而影响第四纪全球碳循环系统.     

130 kaBP左右东亚季风突变过程的洞穴石笋记录

基于湖北神农架地区石笋(SB25)6个²³⁰Th年龄和472个氧同位素分析, 获得了133~127 ka时期十年际分辨率的δ¹⁸O时间序列. 该石笋δ¹⁸O时间序列记录了倒二冰期向末次间冰期转换时东亚夏季风降水强度变化的详细过程. 通过对石笋的精确定年, 确定终止点Ⅱ的年龄为129.5±1.0 ka, 证实了北半球太阳辐射是东亚季风冰期/间冰期转换的主要驱动力. 该石笋δ¹⁸O值在冰期/间冰期旋回中振荡幅度达4‰左右, 这在亚洲季风区洞穴记录中具有普遍性. 分辨率为十年际的δ¹⁸O曲线显示东亚季风在倒二冰期向末次间冰期转换时表现为4个阶梯式阶段, 其中“终止点Ⅱ停滞”后的季风降水突增与全球CH₄浓度突变同步.     

孟加拉湾MD77-181岩芯磁学记录及其古环境意义

对位于孟加拉扇的MD77-181岩芯进行了详细的环境磁学测量, 包括磁化率、非磁滞剩磁、等 温剩磁, 以及典型样品的磁化率随温度变化特征和磁滞参数等. 结果表明: (1) ~9.82 m以上层段(相当 于~160 ka以来)以亚铁磁性的准单畴磁铁矿为主, 磁性颗粒组合随冰期/间冰期发生周期性变化, 冰期时磁铁矿的含量较相邻间冰期高, 且粒度较相邻间冰期粗, 反映了冰期时印度夏季风的减弱; ~6.50 m以上层段(相当于~70 ka以来), 磁性颗粒的粒度变化揭示了印度夏季风变化与北大西洋Heinrich快速冷 事件之间的遥相关. (2) ~9.82 m以下层段(相当于~160 ka以前)几乎不含亚铁磁性颗粒, 顺磁性物质的影响显著, 并出现黄铁矿, 推测该段岩芯磁记录受还原成岩作用影响强烈. MD77-181岩芯磁记录与孟加拉扇MD77-180岩芯和阿拉伯海ODP722B岩芯具有很好的可对比性. 据三支岩芯的对比研究推测, ~160 ka时可能发生一次改变整个北印度洋区氧化还原环境的古海洋学事件, 此事件发生之前本区还原成岩作用对沉积物磁记录影响强烈, 之后的环境变化抑制了还原成岩作用对沉积物磁记录的影响.     

晚冰期大兴安岭植被气候变化的气孔器记录

月亮湖末次盛冰期到早全新世湖泊沉积物气孔器分析的结果,揭示了大兴安岭地区以落叶松为主的针叶树演化历史:15.0 cal ka BP之前研究地点周围没有针叶树生长;15.0~12.8 cal ka BP开始到达研究区,在植被中所占比例逐渐升高;12.8~11.8 cal ka BP所占比例达到峰值,11.8~10.8 cal ka BP针叶树成分退缩.大兴安岭地区晚冰期的森林群落演化与东亚季风区不同纬度区域的植被演替具有可比性.气孔器和花粉记录揭示的植被演化阶段在时间上与欧洲地区Meiendorf间冰段、Oldest Dryas冷事件、B?lling-Aller?d暖期、Younger Dryas冷期以及早全新世温暖湿润期较为一致,温度变化是控制植被变化的主要因素.研究区的植被演替响应了全球冰量控制的北半球温度变化,揭示了东亚中纬度地区与北大西洋地区晚冰期快速气候变化的同步性.     

南海北部地区百万年以来的天然火与气候:ODP1144孔深海沉积中的炭屑记录

通过南海北部陆坡ODP1144孔沉积柱状样的炭屑数量统计, 结合花粉资料讨论了南海北部大陆及大陆架上1 Ma以来天然火的历史及其与气候的关系. 研究表明, 炭屑的数量及大小与搬运距离有关; 搬运距离越短, 炭屑数量越多, 而粗粒炭屑与细粒炭屑的相对比值也越大. 冰期时(氧同位素偶数期)炭屑沉积率均很高, 粗粒炭屑与细粒炭屑比值较大; 间冰期时(氧同位素奇数期)炭屑沉积率相对较低, 粗粒炭屑与细粒炭屑比值较小. 这表明冰期时炭屑主要来源于出露的大陆架, 炭屑源区与沉积地点距离缩短; 间冰期时大陆架被淹没, 炭屑只能来源于南海北部周边大陆, 炭屑搬运距离增长. 整个钻孔剖面碳屑沉积速率变化规律表明在0.9, 0.47和0.13 Ma前后, 天然火发生强度都有明显增强, 表明这些时段气候发生明显变化, 可能与青藏高原的阶段性隆起有关. 频谱分析表明, 1 Ma以来碳屑沉积速率变化明存在99.1, 41 ka的轨道周期以及10 ka(12~8 ka)的半岁差周期. 半岁差周期的存在也反应了热带低纬过程对气候变化的影响.     

青藏高原东北缘黄土粒度记录的末次冰期千年尺度气候变化

末次冰期以来, 北半球高纬地区气候变化是否对青藏高原地区高原季风产生影响以及高原季风本身的变化规律是仍未解决的重要科学问题. 22 m厚的青藏高原东北部合作盆地黄土-古土壤剖面高分辨率的粒度记录表明, 末次冰期以来青藏高原冬季风存在明显的可与北半球高纬地区相对比的千年尺度变化, 但对冷事件(Heinrich事件)的响应明显强于对暖事件(Dansgarrd-Oeschger事件)的响应, 表明北半球高纬地区气候对青藏高原冬季风和高空西风同样产生了深刻影响. 在万年尺度上, 高原冬季风存在两个明显不同于北半球高纬地区气候记录的变化, 一是在36 kaBP附近(H4事件)发生了一次明显的突变增强; 二是在43~36 kaBP期间, 高原冬季风显著减弱, 可能指示了高原冬季风在万年尺度上除了受到北半球高纬地区气候系统影响外, 还受到其他因子的影响.     

中亚粉尘东输可能对全球降温起关键性作用

冰期-间冰期旋回发生的原因一般认为可以用米兰科维奇理论来解释, 但是米兰科维奇理论也留下了一系列至今未解的难题. 对中亚粉尘的向东输送进行研究后发现, 在粉尘东输通量和全球气温降低之间可能存在一种正反馈机制, 放大了北半球高纬度太阳辐射改变的效果, 并最终导致了全球冰期的发生. 在这个正反馈机制中, 启动条件是北半球高纬大陆接收的太阳辐射量减弱, 最终结果是全球降温, 全球冰期发生, 关键性因素是中亚粉尘的东输. 使用这个正反馈机制, 可以较好解答“米兰柯维奇理论” 留下的难题.     

末次间冰期黄土高原粉尘事件及其与北大西洋寒冷事件的对比

通过对我国黄土高原 2个末次间冰期剖面的石英粒度分析 ,发现在这一时段由粗颗粒含量增加所指示的重要粉尘堆积事件有九次 :DE1( 70～ 71ka)、DE2 ( 74 5～ 75ka)、DE3( 81 3～ 83ka)、DE4 ( 90～ 91ka)、DE5( 10 1～ 10 2ka)、DE6( 10 6～ 10 6 7ka)、DE7( 110ka)、DE8( 113 5～ 115ka)、DE9( 119～ 12 1 6ka)并且和北大西洋V2 9_191孔有孔虫气候记录在距今 110～ 70ka时段中具有极为相似的变化 ,这表明 ,在末次间冰期中存在东亚季风气候通过西风带以及相关气压系统与极地、北大西洋气候系统的遥相关 .进一步佐证了东亚冬季风气候通过西伯利亚高压与极地、北大西洋冷空气相联系的观点     

西太平洋暖池晚第四纪黏土矿物的冰期旋回和岁差周期

西太平洋暖池晚第四纪370kaBP以来的黏土矿物含量呈现明显的冰期-间冰期旋回变化,蒙脱石(62%～91%)为主要的黏土矿物,含量在冰期时增高,间冰期时下降;绿泥石(4%～21%)、伊利石(4%～12%)和高岭石(2%～10%)含量依次递减,三者具有相同的变化型式,并与蒙脱石含量的变化呈镜像关系.研究认为,以蒙脱石为主的黏土矿物是陆源碎屑成因,绝大部分来自新几内亚岛的河流输入.黏土矿物含量在冰期-间冰期旋回上的变化与海平面升降有关.在海平面较低时,新几内亚岛的河流物质更容易穿越狭窄的陆架,直接输入向西流动的次表层流,汇入赤道潜流而最终沉积至西太平洋暖池核心区.蒙脱石含量的岁差周期反映了物源区新几内亚岛的机械剥蚀强度,表现为河流径流量的大小,受控于降雨量的分布,指示了赤道辐合带(ITCZ)在轨道尺度上的经向迁移.     

黄土研究揭示温暖气候将持续4万年

中国科学院地质与地球物理研究所郝青振等人根据对我国第四纪黄土的研究揭示,北半球每40万年会经历超长的温暖气候期．认为这与地球运转轨道变化具有40万年周期引起北半球太阳辐射变化幅度减少有关。由于当前地球正开始经历新一轮的太阳辐射变幅最小期．即使不考虑人为增加的大气二氧化碳影响,北半球温暖的间冰期气候可能还会持续约4万年。该研究成果发表在Ⅳn-ture。2012,490：393上。     

内蒙古额济纳盆地戈壁~(10)Be暴露年龄与洪积作用的演化

重建干旱地区洪积成因戈壁的形成历史能够揭示控制洪积作用时空演化的构造、气候变化.对额济纳盆地不同地貌单元的戈壁石英砾石宇宙成因核素10Be浓度的测量和暴露年龄的估算表明,盆地北缘戈壁阿尔泰洪积平原上的戈壁至少在420ka前就已出现;而盆地内黑河流域洪积平原上的戈壁则形成于约190ka以来,并逐步向北和向东现代低海拔、尾闾湖方向发展,这种演化趋势可能是在青藏高原隆升和盆地内构造活动的影响下洪积作用和洪积扇发育空间变化的结果;420ka以来气候冰期/间冰期的冷暖旋回造成的周边高山地区冰川的前进与后退,可能主导了盆地洪积作用的强弱变化和水体的大小,大规模、高能量的洪水主要发生在高山冰雪消融时期(冰消期),可能也是盆地水体最大时期.     

探索大洋碳储库的演变周期

南沙深海钻孔ODP1143井的5 Ma沉积记录, 揭示出碳同位素变化有0.4~0.5 Ma长周期, 并通过对比证明为全大洋所共有, 反映了大洋碳储库的低频变化. 此类周期性也见于碳酸盐和热带风尘沉积, 说明是由季风等低纬区过程所引起. 无论1143井或其他大洋的第四纪记录, 都表明碳同位素重值期(δ¹³C_max)所反映的大洋碳储库改组, 发生在冰盖大扩张和冰期旋回变型(如“中更新世革命”、“中布容事件”)之前, 证明了碳循环对于冰期变化的调控作用. 可见第四纪冰期旋回应当是高纬与低纬过程, 物理作用(冰盖)和生物地球化学作用(碳循环)相互结合下“双重驱动”的产物, 不能只靠北半球高纬区响应轨道驱动的物理因素来解释. 由于当前地球正处在又一次碳同位素重值期, 理解大洋碳储库的周期演变及其气候影响实属当务之急. 文中还对第四纪以前大洋碳、氧同位素的变化进行比较, 发现在0.4 Ma偏心率长周期上两者同步变化, 随着北极冰盖的发育才失去耦合关系.