解读过去、预告未来:IODP气候与海洋变化钻探研究进展与展望

2013年启动的国际大洋发现计划(IODP)针对当前大气温室气体浓度急剧升高和全球变暖的气候变化现状,提出全球气候对CO2增高的响应、冰盖和海平面对全球变暖的响应、中—低纬水文循环的变化机制以及海洋碳化学体系的缓冲能力等4个科学挑战。截至2017年8月已经完成的8个IODP气候变化主题航次聚焦于亚洲—太平洋—印度洋区域的季风过程和西太平洋暖池的新生代演变,着重探索轨道—千年尺度上亚洲季风系统的变化特征和主导机制,以及构造时间尺度上亚洲季风与青藏高原隆升和剥蚀的动力联系。未来2年IODP将瞄准南半球高纬的冰盖、海冰、洋流和碳循环等气候因子,重点考察新生代西南极冰盖和海冰变化、白垩纪和古近纪南大洋的海洋环流和碳循环等。因此,IODP旨在深入探索以亚洲季风和西太平洋暖池为代表的热带海洋气候过程和以西南极冰盖为代表的高纬气候因子在多种时间尺度上的演变,为认识当前气候变化、预测未来气候趋势提供自然变化的科学依据。中国的优势在于全球季风概念和热带驱动假说方面的研究,特别是巽他陆架的气候效应。     

大洋钻探与全球变化(一)——南极地区显生宙晚期气候演变历史及对全球的影响

通过介绍Ｊ．Ｐ．Ｋｅｎｎｅｔｔ为代表的“洋流说”阐述了大洋钻探２５年来约１０个航次研究所揭示的南极地区显生宙晚期气候演变的历史。晚白垩世时南极地区和全球一样暖和无冰，末期变冷，古新世开始后不久又转暖，早始新世－中始新世早期达顶峰，以后变冷。渐新世为主要冷却期，南极东部形成冰盖，中，晚中新世为另一重要冷却期，南极西部以至全部南极在中新世晚期－上新世早期最终形成稳定冰盖。德雷克海峡打开，环南极洋流（Ａ     

青藏高原新近纪重大气候事件演化序列

综合分析青藏高原新近纪古气候研究的不同替代性指标,建立了高原新近纪重大气候事件的演变序列,探讨青藏高原隆升和全球重大气候事件的关系。青藏高原新近纪不同构造-地层区重大气候事件发生的时间与高原隆升事件基本吻合,说明高原隆升是青藏高原气候变化的主要因素,与全球气候变化事件既存在一致性,又存在差异性。早—中中新世青藏高原气候变化频繁,气候变冷期开始的年代早于全球约15Ma以来的降温期,说明早—中中新世高原隆升对全球变冷的贡献较大。晚中新世以来的气候事件与全球重要气候事件相吻合,说明青藏高原可能在晚中新世已经隆升到了一定高度,其对全球气候变化的影响较之前有所减弱。青藏高原气候变化除受到高原隆升影响外,亦受到全球气候变化的影响。     

极地地质钻探研究进展与展望

南北极在全球海平面变化和碳循环中扮演着关键角色,并蕴藏着地球如何从新生代初期的温室转向现代冰室演变过程的关键信息,因而成为地球科学研究的热点地区。极地地质钻探计划(如DSDP/ODP/IODP/ICDP)研究所取得的成就令人瞩目,刷新了人类对过去全球变化的认识,成为探究地球气候系统演化的一个窗口。通过这些钻探计划,发现了新生代以来气候变冷,南北极冰盖几乎同时形成;揭示了南极冰盖形成和陆地风化的加剧,导致南极中深层水和底层水的生产加速并向北推进,造成全球大洋环流的重大变化;南大洋对大气CO_2的调控作用、全球大洋深部循环、营养盐的分布和海洋生产力等多方面在不同时间尺度上都发挥着重要作用;检验了南北极冰盖形成和消融与海平面变化的关系,为人类预测未来海平面变化提供了历史依据。未来的南北极国际大洋发现(IODP)计划将继续关注于极地冰盖的演变历史、南大洋古海洋学演变历史,追踪北极海—陆环境的联系及其对全球气候的影响。这些结果将对未来全球气候预测提供重要的参考和边界条件。     

极地海洋钻探研究进展

南极和北极海域的深海钻探（DSDP）和大洋钻探（ODP）研究所取得的成就是举世瞩目的,为人类研究过去全球变化打开了新的视野。它们揭示了北大西洋高纬度海区新近纪的古海洋学和古气候的演化历史,发现了早更新世"41ka世界"千年尺度的气候波动,以及冰期表层水温与深层水的耦合颤动,说明冰期旋回中冰消期气候的不稳定性。检验了新近纪环南极洋流的形成历史,并揭示了南极新生代的气候变冷和冰盖的演变历史,以及证实了南大洋温度变化领先于全球冰量的变化。2004年北极罗蒙诺索脊的综合大洋钻探（IODP）将宣告科学探索时代的到来,其研究将重建北冰洋新生代环境变化和气候的演变历史,展示北冰洋在全球气候变化中的作用。     

始新世—渐新世气候转变研究进展

始新世—渐新世（E—O）气候转变（34 Ma前后）是新生代气候演化过程中最显著的变冷事件之一,标志着地球气候由“温室”进入“冰室”。这一转变伴随着地球环境的一系列重大变化,对于研究新生代气候变冷的驱动机制、区域气候对全球重大气候事件的响应方式、重大气候事件对生态环境及生物演替的影响等具有重要意义。近年来地质记录和气候模拟在E—O转变研究上取得了一系列重要进展：①不同纬度区的地质记录揭示出这一转变伴随着全球性的显著降温,指示其触发因素是全球性的;②气候模拟研究揭示出大气CO2浓度降低及与之联系的全球碳循环变化是导致这一转变的主因,否定了传统认为的环南极流形成导致E—O气候变冷的假说;③深海沉积记录揭示出这一转变过程持续400～500 ka,表现为全球降温和南极冰盖形成先后两阶段变化;④海—陆气候记录的对比初步揭示出陆地区域的干旱化可能主要与全球降温（对应于E—O转变的第一阶段）相关。当前对E—O气候转变的研究还存在地质记录分辨率不够高、模拟结果与地质记录不完全吻合、陆地记录相对较少等方面的不足。更精确的大气CO2浓度和温度的重建、更多高分辨率海—陆气候记录的研究以及古气候数值模拟的改进有望进一步揭示出E—O转变过程中气候系统各要素的变化特征和相互关系,为更深入认识这一转变的驱动机制提供依据。     

浅析新生代气候变化与大气温室气体浓度的关系

摘要：根据国内外相关研究结果,对新生代气候变化与温室气体(特别是CO2)浓度在不同时间尺度上的可能关系进行初步归纳和探讨。在构造、轨道和千年时间尺度上,气候变化和温室气体浓度均有显著的相关性,表明温室气体无疑是影响地球气候系统的重要因素。同时,两者亦具有显著的“非耦合”特征,包括新近纪构造尺度上CO2相对稳定水平下的全球变冷和冰量扩张、轨道和千年尺度上CO2浓度变化滞后于气候变化、两半球气候的不对称演化等;两者变化的幅度、趋势和变率也常有不同。这些特征中的多数并不能用地球轨道参数的变化来直接解释,表明除太阳辐射和温室气体外,气候系统内部的其他一些因素或过程有时对过去的气候变化起到了决定性的作用。气候变化与温室气体浓度之间可能存在一种自调节功能,构成一个自调节系统而相互调控,而目前我们对这类过程与机理所知尚少。CO2、CH4等作为温室气体,在上述不同时间尺度的气候变化过程中,无疑对气温具正反馈效应。地质尺度上气候变化与温室气体浓度的关系与机理有助于理解当前全球增温的机制,但把过去与现在类比的同时,也要考虑其他边界条件的不同。加强气候模拟与记录对比的研究,对理解上述问题有望发挥重要作用。 关键词：新生代气候;温室气体;碳循环;人类活动     

The Eocene-Oligocene Climate Transition: Review of Recent Progress

始新世—渐新世(E-O)气候转变(34Ma前后)是新生代气候演化过程中最显著的变冷事件之一,标志着地球气候由“温室”进入“冰室”.这一转变伴随着地球环境的一系列重大变化,对于研究新生代气候变冷的驱动机制、区域气候对全球重大气候事件的响应方式、重大气候事件对生态环境及生物演替的影响等具有重要意义.近年来地质记录和气候模拟在E-O转变研究上取得了一系列重要进展:①不同纬度区的地质记录揭示出这一转变伴随着全球性的显著降温,指示其触发因素是全球性的;②气候模拟研究揭示出大气CO2浓度降低及与之联系的全球碳循环变化是导致这一转变的主因,否定了传统认为的环南极流形成导致E-O气候变冷的假说;③深海沉积记录揭示出这一转变过程持续400～500ka,表现为全球降温和南极冰盖形成先后两阶段变化;④海—陆气候记录的对比初步揭示出陆地区域的干旱化可能主要与全球降温(对应于E-O转变的第一阶段)相关.当前对E-O气候转变的研究还存在地质记录分辨率不够高、模拟结果与地质记录不完全吻合、陆地记录相对较少等方面的不足.更精确的大气CO2浓度和温度的重建、更多高分辨率海—陆气候记录的研究以及古气候数值模拟的改进有望进一步揭示出E-O转变过程中气候系统各要素的变化特征和相互关系,为更深入认识这一转变的驱动机制提供依据.     

深部碳循环的环境气候效应SCIEI北大核心CSCD

地球表层温度主要由接收的太阳辐射能量及大气温室气体的保温能力共同控制。CO_(2)等温室气体通过对大气温度的调节影响着全球环境气候变化,工业革命以来全球CO_(2)排放量的增加被认为是全球变暖的重要原因,地质历史时期大气CO_(2)浓度的波动与温室和冰室气候的交替出现相对应。地球超过90%的碳赋存于深部,因此地球深部过程的些许波动便会影响到地表碳含量,进而深刻影响着地球的环境气候变化。以往的研究注重地表碳循环对环境气候的影响,对深部碳的贡献考虑不足。最近十余年全球开展了详细的深部碳循环研究,基于已经取得的重要成果,本文从大火成岩省、裂谷和俯冲带的视角对深部碳循环驱动的环境气候效应进行了系统回顾。认为未来的研究需要对地球深部碳循环通量和碳同位素组成进行更精确的定量,这是我们认识深部碳循环对地表环境气候影响的基础;除了碳元素本身我们还需要关注其他挥发性元素和有害金属元素的综合效应;俯冲带作为全球壳-幔相互作用和物质交换循环最重要的场所,应该是进行深部碳循环观察和环境气候效应研究的重点。     

区域尺度生态系统水分利用效率的时空变异特征研究进展

水分利用效率(WUE)是深入理解生态系统水—碳循环耦合关系的重要指标,揭示区域尺度生态系统WUE的时空变异特征及其控制机制,有助于评价和预测全球变化对生态系统水、碳过程的影响。综述了目前区域尺度生态系统WUE的研究进展,结果表明:①目前关于生态系统WUE影响因素的研究多基于站点尺度,区域尺度的研究相对缺乏;②关于不同生态系统WUE的大小及时间变化特征已有较明确的结论,而基于生态模型方法获取的生态系统WUE的空间分布格局尚需进一步验证;③已有研究表明气候变化和土地利用/覆被变化(LUCC)均会显著改变生态系统生产力或蒸散,然而,较少研究关注两者导致的生态系统WUE的改变。因此,区域尺度生态系统WUE时空变异的控制因子及其对气候变化和LUCC的响应可能是未来全球变化研究的热点问题之一。     

Mg同位素示踪中国东部中生代深部碳循环

地球深部碳循环对全球气候变化、生命探索和岩石圈演化的研究具有重要意义。中国东部岩石圈是地球深部碳循环的重要场所,其减薄与破坏与深部碳循环密切相关。中生代太平洋板块俯冲是制约中国东部岩石圈减薄与破坏的关键,对华北克拉通和华南板块的大规模金属成矿作用具有重要作用。笔者等系统阐述了Mg示踪地球深部碳循环原理,例举了镁同位素示踪中国东部深部碳循环的实例,论述了中生代俯冲的古太平洋板块所释放的碳酸盐熔体/流体与地幔相互作用,是造成中国东部地幔具有普遍的轻Mg同位素组成的重要原因。此外,指出轻镁同位素的多解性,提出多同位素联合示踪是未来研究地球深部碳循环的趋势。     

Mg同位素示踪中国东部中生代深部碳循环

地球深部碳循环对全球气候变化、生命探索和岩石圈演化的研究具有重要意义。中国东部岩石圈是地球深部碳循环的重要场所,其减薄与破坏与深部碳循环密切相关。中生代太平洋板块俯冲是制约中国东部岩石圈减薄与破坏的关键,对华北克拉通和华南板块的大规模金属成矿作用具有重要作用。笔者等系统阐述了Mg示踪地球深部碳循环原理,例举了镁同位素示踪中国东部深部碳循环的实例,论述了中生代俯冲的古太平洋板块所释放的碳酸盐熔体/流体与地幔相互作用,是造成中国东部地幔具有普遍的轻Mg同位素组成的重要原因。此外,指出轻镁同位素的多解性,提出多同位素联合示踪是未来研究地球深部碳循环的趋势。     

气候演变中的冰和碳

地质历史上充满着冰盖消长 (“暖室期”和“冰室期” ,“冰期”和“间冰期”)与大气CO2 增减的周期性变化 ,而两者之间的关系并不清楚。由于冰盖变化的地质标志比大气CO2 变化的标志容易认识 ,长期以来古气候研究侧重“冰” ,而对“碳”即碳循环的研究不足 ,通常将碳循环的变化解释为冰盖变化的结果。近年来越来越多的发现表明 ,单纯用水循环的物理过程不能解释冰盖演变的许多现象 ,而且大气CO2 变化往往领先于冰盖。揭示碳循环变化对冰盖演变的影响 ,认识生物地球化学过程在冰期旋回中的作用 ,将不同纬区对地球轨道驱动全球气候的影响区分开来 ,才有可能正确预测未来气候的演变方向。     

Nd同位素方法应用于示踪古洋流的研究进展

大洋环流在调节全球水热分配方面起着举足轻重的作用,对全球气候变化有着重要影响。为了更好地了解未来的气候变化模式,掌握古洋流变化与气候冷暖交替耦合关系的机理成为当务之急。目前,海水Nd同位素是追踪洋流演化方式的有效指标,获得了越来越多的关注。通过从海洋环境Nd同位素的相关特性以及研究材料与方法方面来阐述Nd同位素应用于示踪古洋流研究的可行性以及最新的进展,并配合实例进行说明。     

国际冰川学会冰与气候讨论会及美国若干科研单位

国际冰川学会(International Glaciological Society)于1989年8月20——25日在美国Seattle举行冰与气候讨论会(Symposium on Ice and Climate)。自然界的冰体主要是冰川保存着现代与古代气候的重要迅息,冰体变化可指示气候变化,而冰盖、积雪、海冰的存在又予气候以重大影响。在当前以气候变化为主导的全球变化受到各国学者与政     

中更新世气候转型与100ka周期研究

中更新世气候转型是第四纪气候变化中最重要的特征之一，它是指全球气候的主导周期在中更新世时从41ka转变为100ka，且气候波动的幅度也加大。经典的Milankovitch假说不能完全解释中更新世气候转型的原因以及100ka周期在气候记录中的强烈表现，因为太阳辐射与气候记录之间存在着相当的差异，尤其是二者在变化幅度上不匹配。近年来围绕这一转型过程的时代和原因获得了一些新的进展，主要是针对中更新世气候转型的时间、对气候记录中100ka周期的重新检讨以及非太阳辐射因素在这一转型过程中所起的作用。其它可能的转型原因包括大冰盖、温室气体、地球轨道面倾角、冰盖基底、构造隆升等。     

深部碳循环的锌同位素示踪研究进展

深部碳循环和地球表层的碳循环一起构成了全球的碳循环.因为地球超过90%的碳都位于深部,深部碳循环研究对于理解地球长期的气候变化具有重要的科学意义.深部碳循环研究涉及多个科学问题,其中最重要的科学问题之一是如何准确识别地幔中的碳是再循环的地表碳.锌作为亲石元素,广泛存在于岩浆岩、地幔和碳酸盐岩中.地幔和地表沉积碳酸盐岩之间锌同位素组成存在显著的差异,而板块俯冲脱水、地幔部分熔融和岩浆结晶分异等过程导致的锌同位素分馏较为有限,因此锌同位素具有示踪深部碳循环的潜力.系统阐述了锌同位素示踪深部碳循环的原理,回顾了目前应用锌同位素示踪深部碳循环取得的阶段性成果,并指出锌、镁同位素联合示踪有望成为未来深部碳循环研究的主流.      

始新世-渐新世界线的全球气候事件：从“温室”到“冰室”

新生代以来,全球气候在持续不断的变冷,从两极无冰的"温室地球"变为现今两极终年有冰的"冰室地球",经历了多次冰盖扩张的变冷事件。始新世-渐新世界线（E/O）附近,δ¹⁸O值大幅度正偏,在短期内由 1．2‰迅速增加到 3．0‰,底层海水温度从12 ℃降低为 4．5 ℃。保存在大洋和大陆中的记录表明：E/O界线附近,全球气温大幅降低,海陆生物均有不同程度的灭绝,指示了气候变冷、变干的趋势。始新世-渐新世转换期间,南极洲与澳大利亚之间的塔斯曼尼亚海道和南极洲与南美洲之间的德雷克海峡（DrakeStrait）相继打开,形成环南极洋流,从而阻止赤道地区的热量向南极传送,导致南极大陆"热隔绝",使南极大陆东部为冰川所覆盖。最近的研究显示,E/O事件是与大气CO₂含量快速变化密切相关的瞬时气候变化,其变化速率类似于现今地球由于人类活动引起大气CO₂的变化,表明大气CO₂浓度的变化在这一事件中起了极为重要的作用。     

广东雷州半岛晚渐新世—早更新世孢粉共存因子分析及古气候变化重建

广东省雷州半岛新生代钻孔ZKA01揭露的地层序列自下向上为渐新统涠洲组、中新统下洋组、角尾组、灯楼角组、上新统望楼港组、下更新统湛江组和中更新统北海组,涠洲组—望楼港组为滨浅海沉积,湛江组和北海组为陆相河湖相沉积。本文在ZKA01钻孔地层中自下向上88个层位中获取的29311粒孢粉化石的81个属中,选取了常见的种子植物花粉种属42个,通过共存因子分析法,定量重建了研究区晚渐新世—早更新世的古气候参数,划分出晚渐新世—早中新世(25~17 Ma)、中中新世(17~13.5 Ma)、晚中新世—上新世初期(13.5~4 Ma)和上新世—早更新世(4~1.5 Ma)4个气候演化阶段。孢粉共存因子定量法重建的研究区晚渐新世—早更新世4个阶段的古气候变化过程能较好地与全球气候变化的趋势相匹配,晚渐新世—早中新世温度降低的时间拐点大致可与Mi1a气候变冷事件相吻合。中中新世可以与中中新世气候适宜期(MMCO)相对应,表现为炎热潮湿的气候特征。中中新世晚期的气温是下降的,在一定程度上响应了Mi3中中新世气候变冷事件。     

温盐环流反转及其对新生代气候的影响

温盐环流是由海水温度、盐度差异驱动的全球洋流循环系统。在气候系统中,它对全球热量输送起到了十分重要的作用。在亚轨道尺度(千年时间尺度)上,温盐环流的改变导致了一系列快速的气候变化,因此备受关注。在构造时间尺度(百万年时间尺度)上,古海洋记录和数值模拟揭示出,温盐环流的反转对新生代气候也产生了非常显著的影响。在新生代,温盐环流由“南大洋深层水主控型”向“北大西洋深层水主控型”反转。这一反转改变了全球的热量输送,使得南半球强烈变冷,并有可能导致南极东部永久冰盖的形成。在这一反转事件中,热带海道的作用更加重要。