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近日，地学国际知名期刊Earth and Planetary Science Letters发表了同济大学海洋地质国家重点实验室翦知湣教授团队基于IODP 363航次的新成果：“Changes in deep Pacific circulation and carbon storage during the Pliocene-Pleistocene transition”。
引言
晚新生代地球气候经历了长期的变冷趋势，在约4-2百万年前的上新世-更新世之交，北半球冰盖开始大规模出现，塑造了人类熟识的“两极有冰”的冰室期气候特征。然而，北半球冰盖何以开始发育，仍是一个未解之谜。先前的假说强调巴拿马地峡合拢导致低纬大西洋水汽和热量向北欧沿岸的大量输送，但中美洲构造演变的年代学证据似已推翻这一经典假说。近年来的成果，倾向于认可大洋深部环流格局的演进，特别是大气二氧化碳浓度的降低，为北半球冰盖开始发育提供了前提条件。
图1. 太平洋深部环流格局及南/北来源水团的Nd同位素特征（a），南-北深度剖面（剖面位置见a中小图）上的水体碳同位素（b）和碳酸根离子浓度（c）分布特征。圆点示U1489（黄色）及其他相关站位（白色）位置。
结果概览
翦知湣教授团队，利用大洋钻探IODP 363航次在赤道西太平洋获取的U1489站位岩芯材料（图1），综合应用浮游有孔虫Nd同位素、底栖有孔虫B/Ca元素比值指标记录，并合作开展地球系统模式模拟实验，结果表明（图2，图3）：
（1）北半球冰盖增长期（约3.1-2.5百万年前）太平洋深部的南大洋来源深层水组分显著增加，同时太平洋深层海水的碳酸根离子浓度显著下降；
（2）模拟结果表明，南极海冰厚度与范围的增加，可以有效增强南极来源深层水向赤道太平洋扩张；
（3）结合其他相关指标记录，进一步提出南源深层水扩张与亚南极海域生物生产变化，共同导致了北半球冰盖增长期太平洋深部溶解无机碳储库显著增加，是这一气候转折期大气二氧化碳浓度下降的关键贡献机制。
图2. 4-2百万年前古海洋古气候变化。
左栏：U1489站位浮游有孔虫Nd同位素(a)，及据其换算的南源深层水比例 (b)。右栏：文献资料中的大气二氧化碳浓度(c)，及U1489站位底栖有孔虫B/Ca比值计算的海水碳酸根离子浓度。黑色阴影标识北半球冰盖增长期（NHG）。
拓展讨论
Nd同位素与海洋环流变化
浮游有孔虫壳体的Nd同位素，主要来自壳体沉降于海底时，海水中的溶解质凝结附着在壳体表面形成的铁锰氧化物薄膜；因此从原理上说，可以用于反映深层海水的Nd同位素组成。然而，热带西太平洋巨量的陆源沉积颗粒、沉积层中的孔隙流体反应等因素，可能影响Nd同位素解读海水环流的“保守性”和有效性。综合考虑研究站位最晚近沉积层的有孔虫Nd同位素，周边海域现代深层海水Nd同位素，陆源输入的Nd同位素，以及热带西太平洋的沉积条件等要素，可以初步验证所获取的Nd同位素结果能够忠实地反映深层海水的特征。
在3.1-2.5 Ma的北半球冰盖增长期，U1489站位Nd同位素显著负偏移0.54±0.31 (2σ)，引入南、北高纬太平洋海水的Nd元素浓度及其Nd同位素变化记录，计算得到这一时段南极来源的深层水团相对增加了至少∼6%±2.5% (2σ)（图2左栏）。这一结果，与前人结果如海水碳同位素差异、低分辨率Nd同位素记录等可以相互验证；同时，尽管这一变化的数值看似较小，但考虑到太平洋的巨大体量，它所反映的全球深海水团物质组成变化的规模不容小视。
北半球冰盖增长期，为何是南源深层水向北扩张？来自南极及周边地区的记录表明，在此时段及之前，南极海冰可能发生过显著的增长。利用COSMOS地球系统模式，可以验证：在上新世暖期背景下，南极海冰厚度增加一倍、覆盖范围向北扩展4°，足以诱发太平洋海盆内环流格局的显著变化，最主要的效果就是南源深层水（~2000-4000米水深）向北流通被显著增强（图3）。
图3. COSMOS模式检验的上新世暖期背景下南极海冰扩张导致的太平洋深层环流变化。
因此，综合利用有孔虫Nd同位素指标记录和COSMOS地球系统模式模拟，该研究首先定量地表征了北半球冰盖增长期太平洋深部环流格局的变化，并且初步检验了南极海冰增长可能是这一变化的主要诱因。
长期趋势与冰期旋回特征
限于样品的时间分辨率（~2-3万年），该研究着重探讨北半球冰盖增长期相关指标记录的长期演变趋势；然而，仍有一些样品可划入典型的冰期、间冰期峰值期，因此也可用以识别冰期旋回变化的特征。其中，最有意义的发现在于Nd同位素结果与B/Ca-碳酸根离子浓度的差异性（图4）：
（1）无论北半球冰盖增长前后，Nd同位素均显示冰期偏负、间冰期偏正的特征；
（2）北半球冰盖增长之前，碳酸根离子浓度在冰期偏高、间冰期偏低；而在之后发生翻转，即冰期偏低、间冰期偏高。
换言之，假使推定Nd同位素反映的深层海水动力变化的根本原因，在北半球冰盖增长前后仍然保持一致，可能始终都以南半球高纬过程“马首是瞻”；但主导赤道太平洋深部海水碳化学组成的过程，在北半球冰盖增长期发生了巨大转变，因而暗示着太平洋深层水“一以贯之”的源区（环南极海域）的生物地球化学过程，在北半球冰盖增长期发生了转变。
图4. （a）U1489站Nd同位素始终在冰期（蓝色）偏负、间冰期（红色）偏正，且自4.0-3.1 Ma（空心）到2.5-2.0 Ma一致降低（红、蓝箭头平行）。（b）U1489站碳酸根离子浓度的冰期-间冰期变化，在北半球冰盖增长期前后发生“翻转”（红、蓝箭头交叉）。
深海碳库与气候演变
底栖有孔虫壳体的B/Ca比值，受到其生活海水环境中的碳化学条件决定，最直接的要素是海水的碳酸根离子浓度（确切地说，是“饱和度”，即相对于该压力条件下饱和状况的酸根离子浓度差值）。在百万年以上的长时间尺度上，海水中B、Ca等离子的浓度也会逐渐变化，可能影响利用B/Ca比值计算海水碳酸根离子浓度的准确性，但在该研究所讨论的时段内，海水背景浓度变化的效应似可相对忽略。
直观地看，U1489站位记录显示：北半球冰盖增长期，赤道西太平洋深层海水碳酸根离子浓度平均降低了~6 μmol/kg（图2 d）。然而，考虑到此时南源深层水比例增加，且南源深层水的碳酸根离子浓度相对偏低（图1 c），那么，相对于之前的暖期，北半球冰盖增长期太平洋深部海水碳酸根离子浓度下降的“真实”幅度应该更大，估算应在~13 μmol/kg左右。这就代表着太平洋深部总溶解无机碳储量在该时段内显著增加，可能与南极海冰扩张、亚南极海域风尘增加激发生物生产勃发存在紧密联系。
如保守地限定发生这些变化的深部水团范围，且仅考虑海水碳化学的质量平衡，深层水碳酸根离子浓度下降~13 μmol/kg可等价于约32 PgC的深海碳截存量，以及~15 ppmv的大气二氧化碳浓度下降。诚然，这一估算隐含着巨大的不确定性。例如，若计入海水背景离子浓度的变化，海冰/冰盖增长诱发海平面下降所导致的大洋碱度下降等因素，估算得到的太平洋深部储碳量会更大；更重要地，海水碳酸根离子饱和度的变化，并不能用“质量平衡”的方式直接计算为大气二氧化碳的变化。
但无论如何，综合利用Nd同位素和海水碳化学要素的重建记录，以及模式模拟，该研究深入、(半)定量地解析了北半球冰盖增长期太平洋深部水团组成、环流动力以及无机碳储库的变化过程和主控机制，为解答气候系统重大转折过程中大洋深部与大气二氧化碳的联系提供了重要的线索。
作者&致谢
该项工作是国内外诸多学者通力协作的成果，海洋地质国家重点实验室翦知湣教授（第一作者）和党皓文教授（通讯作者）设计实施该项工作并主导文稿撰写；党皓文、胡莉莉、周晓理副教授及崂山实验室于际民教授、中科院南海所万随副研究员等从事了底栖有孔虫元素比值测试与数据分析解读；河海大学吴琼博士与法国Paris-Saclay大学Christophe Colin教授开展了浮游有孔虫Nd同位素的测试分析；中国地质大学（武汉）宫勋教授及德国AWI研究所Christian Stepanek教授和Gerrit Lohmann教授进行了COSMOS模拟实验工作。
该研究样品来自党皓文2016年参航的IODP 363 “西太平洋暖池”航次，受国家自然科学基金委（项目号42188102, 42222603, 42176053, 41830539）及德国BMBF基金项目（PalMod-01LP1504A, NOPAWAC-03F0785A）资助，测试分析工作由海洋地质国家重点实验室乔培军、江小英、彭娜娜等协助完成，文章由美国马萨诸塞大学Jesse Farmer博士和另一位匿名审稿人评审，在此一并致谢。
Jian. Z.M., Dang. H.W., Yu. J.M., et al., Changes in deep Pacific circulation and carbon storage during the Pliocene-Pleistocene transition, Earth and Planetary Science Letters, 605，2023，118020.
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2023.118020
撰稿：党皓文
编辑：李阳阳
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