南海ODP1143站有孔蟲穩(wěn)定同位素揭示的上新世至更新世氣候變化.pdf

1、論文以大洋鉆探計劃(ODP)184航次南沙1143站有孔蟲的穩(wěn)定氧、碳同位素(δ18O與δ13C)分析為基礎(chǔ)，研究了過去5百萬年以來南海南部的古海洋學(xué)。同位素分析的測試工作在同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。樣品取自1143站上部190.77米，采樣間距10厘米，共計1992個樣品。用作同位素測試的有孔蟲包括底棲有孔蟲Cibicidoides wuellerstorfi和Uvigerina peregerina以及浮游有孔蟲

2、Globigerinoides ruber，Globigerinaides obliquus和Pulleniatina obliquiloculata。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在南海南部，Uvigerina peregerina 的δl8O值比同一樣品中的Cibicidoides wuellerstorfi值要重約0.614‰，而Uvigerina peregerina 的δ13C值比同一樣品中的Cibicidoides wuellerst

3、orfi值要輕約0.692‰。 本文以1143站底棲有孔蟲的δ18O為調(diào)諧對象，以地球軌道的斜率(Laskar90)為調(diào)諧目標(biāo)，使用自動軌道調(diào)諧方法，建立了西太平洋地區(qū)五百萬年以來的天文年代標(biāo)尺。調(diào)諧后，1143站布容/松山磁性反轉(zhuǎn)事件的年齡為0.78百萬年，與前人研究結(jié)果一致；一些識別出的浮游有孔蟲生物事件的年齡也與已經(jīng)發(fā)表過的年齡相吻合；此外，本文還確定了南海南部部分浮游有孔蟲生物事件的年齡。 利用頻譜分析、交叉頻譜分析

4、和數(shù)字濾波技術(shù)，研究了1143站過去五百萬年以來的同位素記錄(底棲有孔蟲的δ18O與δ13C，浮游有孔蟲的δ18O與δ13C)與地球軌道參數(shù)變化(ETP)在地球軌道周期偏心率、斜率和歲差上的相關(guān)性和相位關(guān)系。相關(guān)系數(shù)與相位關(guān)系表明，有孔蟲同位素記錄的南海南部上新世至更新世氣候在斜率和歲差周期上是軌道驅(qū)動力的線性響應(yīng)。在4.1萬年的斜率周期和2.3萬年的歲差周期上，南海南部過去五百萬年底棲有孔蟲δ18O與δ13C以及浮游有孔蟲δ

5、18O與δ13C對軌道驅(qū)動的響應(yīng)是同步的，而在1.9萬年的歲差周期上是不同步的。在10萬年的偏心率周期上，有孔蟲-δ18O與δ13C相對于地球軌道參數(shù)的變化(ETP)呈相反相位關(guān)系。1143站底棲有孔蟲的δ13C、浮游有孔蟲的δ18O與δ13C相對于底棲有孔蟲-δ18O的相位移，可能與赤道太平洋地區(qū)頻繁爆發(fā)的厄爾尼諾現(xiàn)象有關(guān)。 底棲和浮游有孔蟲δ18O在10萬年和4.1萬年周期上的數(shù)字濾波結(jié)果揭示了南海南部“中更新世轉(zhuǎn)型”事件

6、的存在(指氣候的主導(dǎo)周期由四萬年轉(zhuǎn)向十萬年)。浮游有孔蟲δ18O記錄的該類氣候周期的轉(zhuǎn)型事件大約發(fā)生在0.5百萬年，比底棲有孔蟲記錄的該事件發(fā)生的時間約晚0.4至0.5百萬年。然而，五百萬年來底棲和浮游有孔蟲δ13C的濾波結(jié)果并沒有顯示該事件的存在，說明了該氣候周期轉(zhuǎn)型事件的局限性，即使在同一地點(diǎn)，該事件也不一定影響所有的氣候替代性指標(biāo)。發(fā)生在0.9百萬年左右的“中更新世氣候轉(zhuǎn)型”事件不是突變事件，而是一個階梯式的漸變過程。同

7、位素記錄的數(shù)字濾波進(jìn)一步揭示出在3.5百萬年左右，即北極冰蓋開始逐步擴(kuò)大時，10萬年的氣候周期就已經(jīng)開始強(qiáng)化，到晚更新世時變得最為顯著和穩(wěn)定。有孔蟲δ18O與截去一半的輻射曲線在40萬年和10萬年的周期上強(qiáng)烈相關(guān)，說明δ18O對天文輻射的高值端響應(yīng)強(qiáng)烈，而對低值端響應(yīng)微弱。地球軌道的長偏心率周期表現(xiàn)出40.4萬年的周期，而該周期的峰值在δ13C記錄中卻表現(xiàn)為46萬年。在40.4至46萬年的周期上，δ13C與地球軌道參數(shù)(ETP

8、)具有很好的相關(guān)性。在10萬年的周期上，有孔蟲δ13C變化領(lǐng)先于-δ18O的變化，可能暗示冰蓋的變化并不是10萬年的氣候周期產(chǎn)生的直接原因；相反，可能是全球碳循環(huán)的變化影響了大氣二氧化碳濃度的變化，從而產(chǎn)生了氣候變化的10萬年周期。1143站各種氣候替代性指標(biāo)記錄中豐富的半歲差周期突出了熱帶地區(qū)在全球氣候變化中的重要性。 小波分析的結(jié)果非常直觀的揭示出有孔蟲δ13C記錄中40.4萬年的長偏心率周期，然而在上新世和早更新世，該

9、周期的峰值接近或小于40.4萬年，而在晚更新世大于40.4萬年。交叉小波分析的結(jié)果顯示，過去五百萬年以來，在偏心率、斜率和歲差周期上，有孔蟲的氧碳同位素與地球軌道參數(shù)呈非穩(wěn)定的瞬時相位關(guān)系。有孔蟲的-δ18O和δ13C在歲差周期上的瞬時相位具有顯著的12.8萬年的周期性變化，可能反映了不穩(wěn)定氣候系統(tǒng)接近于偏心率的變化周期。 對比大西洋ODP659站、東太平洋ODP846站和西太平洋ODP1143站的底棲有孔蟲δ18O記錄，結(jié)

10、果顯示在過去五百萬年大西洋與太平洋的氧同位素差值(△δ18OAtl-Pac)變化經(jīng)歷了三個主要的變重階段，即3.6到2.7百萬年，2.7到2.1百萬年和1.5到0.25百萬年。每個階段都以氧同位素差值(△δ18OAtl-Pac)的快速變輕開始，之后伴隨著一個與北極冰蓋的生長相對應(yīng)的長期的變重過程。這意味著，在北極冰蓋生長的三個主要階段中，每個階段的開始大西洋的底層海水都有一個快速的相對于太平洋底層海水的變暖過程，之后才伴隨著一個

11、長期的逐漸變冷的過程。這種長期的變化趨勢疊加在頻繁發(fā)生的冰期旋回上，可能會提供導(dǎo)致北半球冰期旋回氣候的證據(jù)。大西洋與太平洋的氧同位素差值(△δ18OAtl-pac)與地球軌道參數(shù)(ETP)的交叉頻譜分析的結(jié)果表明，在北極冰蓋子2.75百萬年初步形成之后，斜率代替歲差在控制古海洋垂向結(jié)構(gòu)或熱鹽環(huán)流的變化中占據(jù)主導(dǎo)地位。利用1143站底棲有孔蟲的δ18O記錄，結(jié)合底層海水δ18O(Billups and Schrag，2002)的

12、變化，恢復(fù)了低分辨率的南海南部底層水溫在過去五百萬年的變化歷史，結(jié)果顯示自5百萬年到1.5百萬年，底層水溫逐漸降低了5℃，從1.5百萬年開始，底層水又逐漸開始變暖。南海南部底層水的變冷過程并不總是伴隨著全球的降溫過程。 1143站底棲有孔蟲和浮游有孔蟲δ18O的對比揭示了晚上新世和更新世低鹽度的婆羅洲沿岸水和季風(fēng)引起的上升流對南海南部的影響，尤其是在3.3百萬年到2.5百萬年之間。浮游有孔蟲表層種G.ruber和次表層種P.

13、obliquiloculata的同位素差值(△δ18O和△δ13C)揭示了更新世南海南部上層水體溫躍層和營養(yǎng)躍層的變化。一般情況下，在180千年以前，東赤道太平洋ODP847站浮游有孔蟲表層種與次表層種δ18O的差值小于ODP1143站的δ18O差值，說明溫躍層深度在東赤道太平洋深，而在南海南部淺。然而在一些時間段里，比如810到848千年和360到420千年，ODP847站的δ18O差值與ODP1143站的δ18O差值相近，可

14、能暗示在東赤道太平洋溫躍層突然變淺，而引起這種變化的原因可能與厄爾尼諾事件強(qiáng)度和頻率的變化有關(guān)。通常，1143站的溫躍層在冰期變淺而在間冰期變深，與847站溫躍層的冰期/間冰期變化相反，顯示了東西赤道太平洋溫躍層冰期/間冰期變化的非對稱性。1143站浮游有孔蟲δ18O差值反映的更新世南海南部溫躍層的變化趨勢與有孔蟲屬種組合變化反映的溫躍層變化趨勢不一致，甚至相反。因此，在分析溫躍層等古海洋學(xué)參數(shù)的變化特征時，最好使用多個替代

15、性指標(biāo)，從中找出共性。一般情況下，1143站浮游有孔蟲次表層種P.obliauiloculata和表層種G.ruber的δ13C差值(△δ13C)在間冰期高而在冰期低，與赤道東太平洋847站的δ13C差值正好相反，顯示了東西赤道太平洋營養(yǎng)躍層冰期/間冰期變化的非對稱性。在開放的太平洋，溫躍層與營養(yǎng)躍層的長期變化趨勢并不一致，然而在1143站，這種長期的變化趨于一致，可能是南海的特征。1143站浮游有孔蟲表層種G.ruber和次表

16、層種P.obliquiloculata的δ18O差值與地球軌道參數(shù)(ETP)只在歲差周期上表現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)性，說明歲差在控制南海南部上層水體溫躍層的變化中占據(jù)了主導(dǎo)作用，而δ13C的差值在2.3萬年和1.9萬年的歲差周期上都領(lǐng)先于ETP的變化，說明影響營養(yǎng)躍層育變化的因素遠(yuǎn)比影響溫躍層的因素復(fù)雜。 南海南北部1143站和1144站四個東亞季風(fēng)替代性指標(biāo)在更新世的變化表現(xiàn)出很強(qiáng)的偏心率、斜率和歲差周期，但是除了1143站的G.ru

17、ber δ13C，其它季風(fēng)替代性指標(biāo)與地球軌道參數(shù)ETP的變化只在歲差周期上相關(guān)。盡管1143站的G.ruber δ13C與地球軌道參數(shù)ETP在偏心率、斜率和歲差周期上都相關(guān)，但是大部分的相關(guān)關(guān)系都集中在歲差周期上。這說明更新世熱帶地區(qū)的氣候變化，比如南海南部的溫躍層深度變化和東亞季風(fēng)的演化，主要受地球軌道的歲差控制。東亞季風(fēng)替代性指標(biāo)與有孔蟲δ18O曲線的對比以及它們之間的交叉頻譜分析表明，更新世全球冰量變化對東亞季風(fēng)至少是