早上新世非洲季风与地中海表层生产力变化的岁差节律

地质历史上留下了许多反映非洲季风的记录, 意大利南方晚新生代的海相地层便是其中著名的一例.Cape Sper-tivento剖面位于意大利卡拉布里亚半岛, 属于早上新世(5.3~4.8Ma) 地中海泥灰岩-灰岩沉积物.在借鉴前人工作的基础上, 重新为该剖面建立一个精度更高的天文年代标尺.反映古生产力的指标显示, 早上新世在北半球夏季辐射量增大期间, 地中海有机碳含量及其堆积速率增大, C/N出现高值, 碳酸盐含量及其堆积速率减小, G. obliquus稳定氧碳同位素出现负偏移, 这是非洲夏季风带来的降雨增强的结果.尼罗河泛滥让更多陆源营养物和淡水输入地中海.各个古环境指标的频谱分析结果存在强烈的岁差周期和丰富的半岁差周期, 说明早上新世非洲季风主要受低纬过程控制.      

大洋硅藻席沉积与冰期旋回中的碳-氮循环

成席硅藻勃发与沉积埋藏过程链接了海洋有机碳生成-输出-埋藏以及大洋深部溶解无机碳的生成与储存的全过程,该过程及其对大洋碳-氮循环的潜在重大影响正引起学术界的关注。通过搜集整理一系列文献及数据,对成席硅藻在细胞层面的特殊功能、勃发机制以及硅藻席沉积物的时空分布特征进行了总结,尝试讨论硅藻席沉积对轨道时间尺度上全球碳-氮循环的潜在影响。由于成席硅藻具有一系列特点,包括在弱光条件下生存、利用大液泡来存储营养盐和调控浮力、与固氮蓝细菌共生、尿素循环等,导致成席硅藻在寡营养的层化水体中或者大洋锋面处容易获得生存竞争优势并发生勃发。根据沉积记录,在第四纪冰期,热带-亚热带大西洋以及热带西太平洋-东印度洋出现大规模的Ethmodiscus rex硅藻席勃发并向海洋内部输出大量有机碳。有机碳中的绝大部分都在水柱中发生降解,只有少部分保存到海底沉积物中。推测硅藻席勃发贡献了冰期深海内部“呼吸碳库”的增长以及大气二氧化碳浓度的降低。由于E. rex勃发加快了海洋上层营养盐的周转速率,因此也可能促进了冰期海洋氮储库的扩张。此外,氧同位素14/12期和4/2期间同时出现大洋无机碳碳同位素重值事件和热带-亚热带硅藻席勃发事件,二者之间可能存在机制上的关联。因此,成席硅藻是耦合大洋碳-氮循环的重要组成部分,进一步厘清地质历史时期硅藻席勃发规模及其在海洋元素循环中的作用,有助于解开冰期旋回尺度上的全球碳-氮循环之谜。     

南海南部近50万年来沉积物特点及古环境意义

对南海南部MD05-2897孔沉积物的分析显示,该孔涵盖氧同位素1~12期,底界年龄约为50万年。碳酸钙含量曲线形态基本与底栖有孔虫氧同位素曲线平行,即碳酸钙高值对应氧同位素轻值,呈现典型的大西洋型碳酸钙分布模式。碳酸钙含量在冰消期的高值出现及含量变化均领先于氧同位素,证明低纬海区"碳酸钙泵"对大气二氧化碳浓度和温度的作用。粒度分析显示,3~5 μm组分含量曲线的变化与氧同位素曲线基本平行,说明它主要受海平面升降变化控制,可作为海平面变化的间接指标。而1.5~2.5 μm粒级颗粒主要通过河流的悬浮搬运,直接受亚洲夏季风及其所带来降雨的影响,可间接反映夏季风的强弱变化。南海南部深海沉积中的季风记录具有0.1 Ma偏心率周期,40 ka斜率周期,20 ka岁差和10 ka半岁差周期等丰富的频谱,显示出低纬度海区气候变化对轨道周期的良好响应。     

全球季风与大洋钻探

正从第四纪冰期起步的古气候学,历来将北半球冰盖作为研究的核心,大洋钻探的古气候学、古海洋学研究也不例外;然而,近20多年来低纬地区古季风的研究却变得重要起来.大洋钻探在1996年编制的科学计划里,气候环境的主题是北极冰盖、海平面和大洋     

末次盛冰期巽他大陆北部草本植被扩张

末次盛冰期(Last Glacial Maximum, LGM)全球低海平面时,巽他陆架大面积暴露,其上的植被类型对于生物多样性演化和全球陆地碳储库有重要影响。但目前植被重建结果仍存在很大争议:一种观点认为LGM时巽他陆架主要分布稀树草原植被,雨林只零星存在于少数区域;而一些数值模拟结果和沉积记录显示巽他陆架上不存在大面积跨赤道的稀树草原,雨林植被仍占主导。LGM时巽他大陆北部可靠的植被记录十分有限。本研究依据靠近巽他陆架北部古河流入海口的沉积物岩芯,利用叶蜡烷烃含量和正构烷烃平均链长指标重建LGM时北巽他大陆的植被信息,结果显示平均链长在22～14.5 kaBP期间出现最大值,推测相对于全新世,冰期时巽他大陆北部草本成分增加。海平面降低使得冰期太平洋沃克环流减弱,呈现类厄尔尼诺状态,导致巽他大陆地区干旱加重,特别是赤道外围区域(南北纬7°以外)降水季节性增强,这种气候状态可能是草本植被成分增多的主要因素。     

中更新世以来东亚冬季风海陆记录对比

东亚季风系统是世界上唯一同时具有强劲夏季风和冬季风的气候区。由于东亚冬季风与北半球冰盖体积大小强烈相关, 可以提供北半球冰盖在第四纪冰期旋回过程中的变化信息, 因此研究东亚冬季风演化具有显著意义。本文通过现代观测数据, 发现在多年际时间尺度上, 南海南部和北部的年均表层水温差值与南海上空冬季风风速存在相关性。因此, 利用南海南北表层水温梯度重建记录, 可能可以反演地质历史时期冬季风的强度变化。然而, 过去80万年以来, 重建的南海表层水温梯度记录与全球冰盖体积、黄土粒度记录不存在相似性。频谱分析结果表明, 全球冰盖体积和黄土粒度变化均有偏心率、斜率和岁差周期, 且在这些周期上具有显著相关性。南海表层水温差值变化却只有强烈的斜率和岁差周期。斜率周期与全球冰盖体积变化相关, 岁差周期与全球冰盖体积和北半球太阳辐射量变化都不存在相关性且没有稳定的相位差。分析表明, 认为有两个原因可能引起冬季风海洋记录和黄土记录的差异:一是两类记录分别反映的是低纬度和中纬度的冬季风风速变化, 而冬季风在两个区域里的演化历史可能并不一致; 二是存在别的因素可能会影响南海的温度梯度变化。冰期时台湾海峡和巽它陆架的出露, 会引起南海表层环流的改向, 继而导致表层温度场分布的变化。因此, 在冰期-间冰期旋回尺度上, 南海南北温度梯度不能单纯反映东亚冬季风变化。这两个推测都需要后续高精度海洋数值模拟结果的证实。     

南海南部120ka以来元素地球化学记录的东亚夏季风变迁

利用XRF岩芯元素扫描仪对南海南部MD05-2896孔岩芯样品进行1 cm间隔的元素测试。该孔底部年龄约为120ka。研究表明,南海南部间冰期夏季风活动增强,上升流发育;夏季风和降雨带来的陆源有机物输入增加,提高了表层的生产力;冰期夏季风减弱,陆源有机物输入减少,表层生产力降低。海洋表层生产力在MIS3早期(60~40 ka)较高,指示该时有特强的夏季风,上升流作用增强。Ba/Ti值表明东亚夏季风的强弱变化,并与北半球夏季日射量基本呈线性关系,体现了东亚夏季风演化的天文驱动机制。     

南海南部50万年以来碳酸钙和有机碳记录及其揭示的东亚夏季风演化

为了解南海南部第四纪冰期旋回中表层生产力的变化与东亚夏季风的演化关系,通过对南海南部MD05-2897孔晚第四纪500ka以来碳酸钙和有机碳含量及堆积速率高分辨率的研究发现,碳酸钙含量及堆积速率表现出明显的冰期-间冰期旋回变化,而有机碳的含量及堆积速率则主要呈现频率更高的周期性变化.碳酸钙和有机碳含量及堆积速率都在间冰期时增加,冰期时降低,反映了间冰期时夏季风的增强导致上升流的加强和营养物质的增加,促使表层生产力提高.碳酸钙和有机碳含量及堆积速率具有100ka偏心率周期、40ka斜率周期、20ka岁差和10ka半岁差周期等最为丰富的频谱,显示出低纬海区对轨道周期响应的特色.碳酸钙和有机碳的堆积速率与北半球低纬夏季日射量吻合较好,说明岁差相关的北半球低纬夏季太阳辐射量的变化可能是东亚夏季风强度变化的主要控制因素,而与全球冰量相关的气候变化可能是次要因素.      

南海的氧同位素3期

以南海北、西、南部3个沉积速率相对较高而且连续的沉积柱状样MD2904,MD2901和MD2897为基础,通过粒度、碳酸盐、有机地球化学和元素分析,并综合前人研究成果,对南海MIS3期进行探讨。结果显示,南海MIS3是末次冰期中的弱暖期,海水表层古温度比相邻的MIS2和MIS4期略高,但是明显比MIS1和MIS5期低。MIS3的最大特点就在于其气候的不稳定性,发生了多次气候快速变化事件。在格陵兰冰芯中记录的千年尺度快速气候变化事件（D/O事件和Heinrich事件）基本上在南海北、西、南部都有响应,具有与全球同步的特征。南海MIS3古生产力都显示出较高的特点,这与东亚季风有着密切的关系,北部主要受冬季风影响,西部和南部主要受夏季风影响。南海南部MIS3表现出比MIS5更高的古生产力和更强的夏季风强度,这一特点有待更进一步深入研究。     

岁差驱动的全新世热带太平洋—印度洋水汽输送

大洋内部蒸发、水汽输送和降水过程构成了全球水文循环的主体,但长久以来对全新世大洋内部水文循环的演变历史和驱动机制缺乏认识。利用全球热带海区98个站位混合层浮游有孔虫壳体的δ¹⁸O和Mg/Ca温度记录,计算了全新世以来表层海水δ¹⁸O以及海水剩余δ¹⁸O的波动历史。发现最显著的特征是全新世以来热带西太平洋和东印度洋表层海水剩余δ¹⁸O具有不同的变化趋势。早—中全新世时期(11.5～6.0 ka BP),热带西太平洋表层海水剩余δ¹⁸O比东印度洋偏重约0.2‰,而晚全新世(2.0～0 ka BP),两个海区的重建值几乎相同。结合同位素数值模拟结果,发现岁差通过一系列机制控制了两个大洋不同的剩余δ¹⁸O变化信号。早全新世较低的岁差值可以驱动西太平洋往印度洋的大气水汽净输送并降低印度洋降水同位素,同时强盛的南亚季风通过河流体系向孟加拉湾倾注了大量陆地冲淡水。这些机制都有利于东印度洋海水剩余δ¹⁸O出现相对负偏移信号。但较低的岁差值导致开放的西...