（海洋地质专业论文）低纬海区碳储库与季风气候的轨道周期.pdf

摘要 低纬海区碳储库与季风气候的轨道周期 摘要 冰芯记录中c 0 2 浓度冰期旋回的发现，提出了一个重要的学术问题：大洋碳储库是如 何响应轨道周期的? 是受冰盖消长驱动，还是通过低纬过程直接响应轨道变化? 为了寻找答 案，有必要对大洋碳储库变化的周期性进行研究。 论文以南海m d 0 5 2 9 0 1 站和意大利南部p u n t ap i c c o l a 剖面的氧、碳同位素、碳酸盐和 有机碳含量为基础，并广泛收集相关数据，从2 0 万年、5 0 万年到5 0 0 万年的时间段上，探 讨了晚上新世以来南海和地中海碳循环的周期性变化特征，比较了非洲季风和东亚季风演变 的轨道周期性，探讨了低纬过程对轨道参数的响应。样品分析测试均在同济大学海洋地质国 家重点实验室完成，包括浮游有孔虫g l o b i g e r i n o i d e sr u b e r 的氧、碳稳定同位素测定( 8 0 6 块样品) 、碳酸盐( 7 8 3 块) 和有机碳含量( 7 8 5 块) 测试。 对南海8 个站位浮游有孔虫6 ”c 的汇总处理，得到了2 0 万年来南海浮游有孔虫6 c 综 合曲线( s c sp f6 b c ) 。s c sp f6 t 3 c 具有冰期旋回变化，是高纬冰盖消长影响陆地植被的 反映：冰消期时的低6 1 3 c 应当是南极变暖的结果；同时，2 0 万年来s c sp f8 1 3 c 逐渐变重的 趋势表示了大洋碳储库偏心率长周期变化的后半段；而与岁差周期的对应性则反映了低纬过 程对轨道驱动的“季风响应”。运用堆栈方法，汇总了南海6 个站位的碳酸盐数据，获得了 南海2 0 万年来碳酸盐含量和堆积速率综合曲线，显示了明显的冰期旋回。 南海越南岸外上升流区m d 0 5 2 9 0 1 站的沉积记录，反映了最近一个偏心率长周期内碳 储库的变化特征。该站的6 1 8 0 、8 1 3 c 、c a c 0 3 和c o r g 均具有明显的4 1k y r 斜率周期，反 映了北半球冰盖消长对南海碳储库的影响。同时，2 万年岁差周期和l 万年半岁差周期也十 分显著，指示了岁差低值时东亚夏季风增强，强盛的西南风导致越南岸外上升流显著发育； 此外，碳储库还表现出1 0 万年偏心率周期；末次冰期时，重6 乃c 、高c o r g 和o p a l 值都 对应于6 ”c m a x i 期，指示了4 0 - - - 5 0 万年偏心率长周期。不论是岁差和半岁差周期，还是1 0 万年偏心率短周期或者4 0 5 0 万年偏心率长周期，都是低纬过程的轨道周期特征。另外， m d 0 5 2 9 0 1 站粘土矿物反映了东亚季风控制陆地风化作用的强弱变化，粘土矿物含量同样显 示了高纬冰盖( 4 万年斜率周期) 和低纬季风过程( 2 万年岁差和1 万年半岁差周期) 的共 同作用。 o d p i l 4 3 站5 0 0 万年来的沉积物，清楚的记录上新世以来碳储库变化的4 0 万年偏心率 长周期，并且每次6 1 3 c m a x 都对应于偏心率低值期，并且与6 1 8 0 偏心率周期同步变化。随着 北半球冰盖的形成和扩大，第四纪里氧和碳同位素对轨道驱动的响应不再耦合，推测是季风 过程受到北半球冰盖活动影响的结果。比如，8 c m a x i i 期整个热带大洋和低纬地区处在季 风强化的异常湿热环境，o d p i1 4 3 站和m d 0 5 2 9 0 1 站的6 1 3 c 都发生明显的负偏移，紧接着 出现特大冰期，m i s l l 期发生了“中布容事件”。 意大利南部上新统地层中，这种碳储库的4 0 万年偏心率长周期表现得极为清楚。样品 测试发现，p u n mp i c c o l a 剖面的6 1 8 0 、8 1 3 c 和c a c 0 3 都具有清晰的4 0 万年长周期。同时 还有1 0 万年短周期，这一周期还反映在浮游有孔虫丰度中。p u n t ap i c c o l a 剖面碳储库的另 一重要特征就是强烈的岁差周期和半岁差周期，而且当岁差低值时，6 博o 和6 c 都变轻， 同时c a c 0 3 明显降低，c o r g 则显著增加，形成了别具特色的腐泥层。根据该剖面的粘土 矿物分析，推断此时期非洲夏季风增强，陆地风化作用加剧，降水的剧增引起尼罗河泛滥， 摘要 大量陆地淡水注入地中海，导致了生产力的增高( 如b a a l 比值的高值) 、表层海水6 1 3 c 变 轻等碳储库的一系列变化。 比较晚上新世地中海( p u n t ap i c c o l a 剖面) 和南海( o d p i l 4 3 站) 的碳循环变化可以发 现，地中海碳储库显示了清晰的偏心率、岁差和半岁差周期，而南海周期性则相对复杂，除 了这些周期之外，还显示了其他因素( 如冰盖消长引起的斜率周期等) 的影响。南海碳储库 的复杂性来源于东亚季风的特点，东亚季风区受到西太平洋暖池、澳洲季风、青藏高原低压 以及西伯利亚高压等诸多因素影响，正是地理位置差异导致了东亚季风要比非洲季风复杂得 多。 对比晚上新世和晚第p l j 纪以来的记录可以看到：晚上新世时非洲季风和东亚季风都以偏 心率周期( 4 0 万年和l o 万年) 、岁差周期和半岁差周期最为显著，代表高纬过程信息的斜 率周期则信号微弱，表明了北半球冰盖形成之前，两大季风区均主要反映低纬过程响应轨道 参数的变化；到了第四纪，除了1 0 万年偏心率周期和岁差、半岁差周期依然强烈之外，斜 率周期则显著加强，而4 0 万年偏心率周期消失，碳储库的长周期拉长，体现了极地冰盖对 全球气候的影响增强。所以，从上新世到第四纪季风气候的复杂化要归因于北半球冰盖的增 大。 大洋碳储库中4 0 万年偏心率长周期的变化，在地球形成冰盖之前就一直存在，且与氧 同步变化，是“气候系统的心跳脉搏”，南极冰盖形成之后，大洋碳储库的4 0 万年长周期依 然清晰，随着北半球冰盖的发育，第四纪碳储库变化与氧不再耦合，4 0 万年偏心率长周期 拉长，从4 0 万年周期变为5 0 万年。地球上不同纬度对轨道参数的响应不同，高纬度主要受 4 0k y r 的斜率周期影响，低纬区主要受2 0b r 岁差周期影响。同时，岁差周期气候效应受偏 心率控制，因此岁差周期和调控其变幅的l o 万年和4 0 万年偏心率周期，都是低纬过程的特 征。从非洲( p u n t ap i c c o l a 剖面) 到东亚( o d p i l 4 3 站和m d 0 5 2 9 0 1 站) ，从晚上新世( 3 3 m a 2 7m a ) 到第四纪，低纬海区碳储库总是响应着轨道参数面呈周期性的演变，碳循环的 这种规律性源自于轨道周期对季风系统的驱动。所以，低纬海区碳循环的轨道周期实际上就 是季风周期。 总的来说，大洋碳储库通过季风系统直接受地球轨道驱动，岁差和偏心率是其主要的变 化周期。地球气候系统对轨道变化既有“冰盖响应”，又有“季风响应”。以季风为特征的低 纬过程也有其自身的响应机制，并非简单的跟随冰盖而变。低纬气候记录中同样存在高纬地 区的信息，东亚季风气候的复杂记录其实就是热带过程与高纬过程相互作用、相互交叉的结 果。 a b s t r a c t c a r b o nr e s e r v o i ri nl o w 1 a t i t u d eo c e a n sa n do r b i t a l n一一 c y c l e s0 tm o n s 0 0 ne l i m a t e a b s t r a c t t h ed i s c o v e r yo fg l a c i a lc y c l e si nt h ei c e c o r ec 0 2r e c o r d sh a sr a i s e ds o m ef u n d a m e n t a l s c i e n t i f i cq u e s t i o n s ：h o wd o e st h eo c e a n i cc a r b o nr e s e r v o i rr e s p o n dt oo r b i t a lc y c l e s ? i si td r i v e n b yt h ew a x i n ga n dw i n n i n go fi c es h e e t s ，o rc a ni td i r e c t l yr e s p o n dt oo r b i t a lc h a n g e st h r o u g h l o w l a t i t u d ep r o c e s s i o n ? t oa n s w e rt h e s eq u e s t i o n s ，c y c l i c i t yi nv a r i a t i o n so ft h eo c e a n i cc a r b o n r e s e r v o i rs h o u l db ef i r s ts t u d i e d i nt h ep r e s e n tw o r k , t h ec a r b o nr e s e r v o i rc h a n g e so ft h es o u t hc h i n as e a ( s c s ) a n dt h e m e d i t e r r a n e a ns e as i n c et h ep l i o c e n eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d ，o nt h eb a s i so ft h eo x y g e na n d c a r b o ns t a b l ei s o t o p e so fp l a n k t o n i cf o r a m i n i f e rg l o b i g e r i n o i d e sr u b e r ，c a r b o n a t ea n do r g a n i c c a r b o np e r c e n t a g e sf r o ms i t em d 0 5 2 9 01i nt h es c sa n dp u n t ap i c c o l as e c t i o ni nt h es o u t h e m i t a l v t h eo r b i t a lc y c l i c i t i e so fa f r i c a nm o n s o o na n de a s ta s i a nm o n s o o n ，a n dt h el o wl a t i t u d e p r o c e s sr e s p o n s e st ot h eo r b i t a lf o r c i n gh a v ea l s ob e e nd i s c u s s e d a l lt h ea n a l y s e sh a v eb e e nd o n e i nt h es t a t ek e yl a b o r a t o r yo fm a r i n eg e o l o g y , t o n g j iu n i v e r s i t y t h er e s u l t sa r ec o m p a r e da n d d i s c u s s e dw i t hm a n yp u b l i s h e da n du n p u b l i s h e dd a t af r o mt h el o wl a t i t u d eo c e a n s as t a c k e do c e a n8 1 3 cr e c o r do f 2 0 0k y r ( s c sp f6 c ) i se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fgr u b e r 8 1 3 cd a t af r o m8s i t e si nt h es c s t h eg l a c i a l i n t e r g l a c i a l6 ”cc y c l em o s t l yr e f l e c t st h ei n f l u e n c e o ft h ec o n t i n e n t a lb i o m a s so nt h eo c e a nc a r b o nr e s e r v o i r 1 1 1 r e e8 ”cm i n i m ao c c u r r i n ga t g l a c i a l i n t e r g l a c i a lt e r m i n a t i o n sm a yh a v eb e e nc a u s e db ya n t a r c t i cw a r m i n gp r i o rt oa r c t i ci c e m e l t i n g t h ee n r i c h m e n tt r e n do f6 ”c f r o mm i s 6a n dm i s 4t om i s 2r e p r e s e n t st h el o n g e c c e n t r i c i t yc y c l i c i t y , i m p l y i n gt h a tt h ee a r t hs y s t e mh a sb e e ne n t e r i n gi n t oan e w6 ”c m a xs t a g e s c sp f6 cs h o w sc l e a rp r e c e s s i o ns i g n a l s s u g g e s t i n gt h a tt h ec a r b o nr e s e r v o i rc h a n g ec a nb e d r i v e nb yl o wl a t i t u d ep r o c e s s ，s u c ha sm o n s o o nc i r c u l a t i o n a tt h es a m et i m e ，as t a c k e do c e a n c a c 0 3r e c o r do f2 0 0k y r ( s c sc a c 0 3 s t a c k e da n ds c sm a r 越a c k 酣) i so b t a i n e da c c o r d i n gt o c a c 0 1 d a t af r o m6s i t e si nt h es c s t h e r ea r eo b v i o u sg l a c i a l i n t e r g l a c i a lf l u c t u a t i o n sa ts c s c a c 0 3m a r w h i c hd u et ot h ei n f l u e n c eo f h i g hl a t i t u d ei c ec a p s t h e4 5 0k y rr e c o r d so f6 1 8 0 ，6 u c ，c a c 0 3 a n dc o r g i nc o r em d 0 5 2 9 0 1f r o mt h e u p w e l l i n ga r e ao f fv i e t n a ms h o wo b v i o u s4 1k y ro b l i q u i t yc y c l e s i m p l y i n gm ei c e s h e e ti n f l u e n c e o nc a r b 伽r e s e r v o i r m e a n w h i l e t h ep r o n o u n c e d2 3k y rp r e c e s s i o na n d1 1k y rh e m i p r e c e s s i o n i n d i c a t et h a tt h es t r o n g e re a s ta s i a nm o n s o o na tp r e c e s s i o nm i n i m al i k e l yd r i v e st h eu p w e l l i n g d e v e l o p m e n t t h e10 0k y rs h o r te c c e n t r i c i t yc y c l ea n d4 0 0k y rl o n ge c c e n t r i c i t yc y c l ea r ea l s o p r e s e n ti nt h es c sc a r b o nr e s e r v o i r m o r e o v e r , t h em i n e r a lc l a yp e r c e n t a g e so ft h i ss i t e ，w h i c h i n d i c a t et h ew e a t h e r i n gv a r i e t i e sc a u s e db yt h em o n s o o n ，r e p r e s e n tt h ef o r e g o i n go r b i t a lc y c l i c i t i e s a l lo ft h e s ec y c l i c i t i e ss h o wt h a tt h es c sc a r b o nr e s e r v o i ra n dt h ee a s ta s i a nm o n s o o nc h a n g e w e r en o to n l yi n f l u e n c e db yt h ep o l a ri c e - s h e e t s ，b u ta l s od i r e c t l yr e s p o n d e dt ot h eo r b i t a lf o r c i n g t h e r ea r e4 0 0k y ri o n ge c c e n t r i c i t yc y c l e sw i t hh e a v y8 13 cv a l u e s ，l a b e l e da s8 13 c m a x ， i nt h ei s o t o p er e c o r d so fs i t eo d p i1 4 3o v e rt h el a s t5m a t h e yo c c u r r e dw i t h8 1 s 0m a x i m aa tt h e e c c e n t r i c i t ym i n i m a w h i l et h e8 1 3 ca n d6 1 8 0r e c o r d sa r ec o u p l e do v e rt h el o n ge c c e n t r i c i t yb a n d a b s t r a c t i nt h ep l i o c e n e w i t ht h eb o r e a li c e s h e e tg r o w t h 6 1 3 ca n d8 1 s oa r ed e c o u p l e di nt h eq u a t e r n a r y , s u g g e s t i n gt h ei c e s h e e tc h a n g e se f f e c to nt h em o n s o o ns y s t e m f o re x a m p l e ，s t r o n g e rm o n s o o n a n de n h a n c e dp r e c i p i t a t i o no c c u r r e di na l lt r o p i c a lo c e a n sd u r i n g6 1 3 c m a x i ip e r i o d w h e n6 1 3 ci n c o r em d 0 5 2 9 01a n do d pi14 3s h i f t e dn e g a t i v e l y , s u b s e q u e n t l yl e a d i n gt oam a j o ri c es h e e t e x p a n s i o n 1 1 1 e4 0 0k y rl o n ge c c e n t r i c i t yc y c l i c i t yi sp r e s e n tm o s tc l e a r l yi nt h eo c e a nr e s e r v o i rr e c o r d s f r o mt h er o s s e l l oc o m p o s i t es e c t i o ni ns i c i l y a sa ne x a m p l e ，t h ep u n t ap i c c o l a s e c t i o ns h o w so b v i o u s4 0 0k v rc y c l ei nt h e6 博o ，6 ca n dc a c 0 3 r e c o r d s a tt h es a m e t i m e ，t h e10 0k y re c c e n t r i c i t yc y c l i c i t yi sf o u n di nt h e s er e c o r d sa n di np l a n k t o n i cf o r a m i n i f e r a l p e r c e n t a g e s f u r t h e r m o r e ，c l e a rp r e c e s s i o nc y c l e so c c u rw i t hl o w6 1 3 c ，c a c 0 3 a n dh i g hc o r g a tp r e c e s s i o nm i n i m ai nc a r b o nr e s e r v o i rr e c o r d so ft h i ss e c t i o n w h i c hd e n o t et h el o wl a t i t u d e p r o c e s sf m o n s o o ns y s t e m ) r e s p o n d i n gt ot h eo r b i t a lf o r c i n g t h em i n e r a lc l a yc o m p o n e n ta n dt h e b a a ir a t i os h o wt h es t r o n gp r e c e s s i o nc y c l e s i t ss u g g e s t e dt h a tt h es 仃o n g e ra f r i c am o n s o o na t p r e c e s s i o nm i n i m ac a u s e st h ee n h a n c e dp r e c i p i t a t i o na n dt h en i l er i v e rf l o o d i n g ，a n dm u c h c o n t i n e n t a lf k s hw a t e ri n p u t sb r i n gt h ee l e v a t e dp r o d u c t i v i t y , r e s u l t i n gi nt h em e d i t e r r a n e a n c a r b o nr e s e r v o i rc h a n g e s c o m p a r i n gt h er e c o r d sb e t w e e nt h es c sa n dt h em e d i t e r r a n e a n ，t h ec a r b o nc y c l i c i t i e sa ts i t e o d p11 4 3a r em o r ec o m p l i c a t e dt h a nt h ep u n t ap i c c o l as e c t i o n ，l i k e l yd u et om a n yd i f f e r e n t f a c t o r sa n do r i g i nf r o mt h ec o m p l e xe a s ta s i a nm o n s o o nf o ri t sg e o g r a p h i c a lp o s i t i o n i n f l u e n c e d b yt h ew e s tp a c i f i cw a r mp o o l ，a u s t r a l i a nm o n s o o na n d t h es i b e r i ah i g h ，t h ee a s ta s i a n m o n s o o nb e c o m e sm o r ec o m p l e xt h a nt h ea f r i c a nm o n s o o n i nt h ep l i o c e n e ，t h eo c e a nc a r b o nr e s e r v o i rr e c o r d ss h o wm o s to b v i o u s4 0 0k y ra n d10 0k y r e c c e n t r i c i t yc y c l e s 2 0k y rp r e c e s s i o na n d10k y rh a l f - p r e c e s s i o nc y c l e s b u tt h eo r b i t a lc y c l i c i t i e s o ft h eo c e a nc a r b o nr e s e r v o i ri nt h ep l e i s t o c e n ea r em o r ec o m p l i c a t e dt h a ni nt h ep l i o c e n e ，t h o u g h t h e10 0 - k y re c c e n t r i c i t ya n d2 0 k y rp r e c e s s i o nc y c l e sa r es t i l lc l e a r t h e4 0 一k y ro b l i q u i t yc y c l e s a r ef o u n di nt h ec a r b o nr e c o r d so ft h es c s ，t h em e d i t e r r a n e a na n dt h ea t l a n t i co c e a n s ，w h i c h i n d i c a t et h es t r o n gi c es h e e tf o r c i n gf o rt h ee a r t hc l i m a t e a st ot h el o n ge c c e n t r i c i t yb a n d ，t h e 6 1 3 ca n di l l s od e c o u p l i n gi nt h ep l e i s t o c e n ei sa s s o c i a t e dw i t ho c e a n i ca n dc l i m a t i ce v e n t s p r e c e d i n gt h ee c c e n t r i c i t ym i n i m u mc o n c o m i t a n t l yw i t hd r a s t i ce x p a n s i o no ft h eb o r e a li c es h e e t i n s t e a do ft h e4 0 0k y re c c e n t r i c i t yc y c l e ，t h e5 0 0b re c c e n t r i c i t yc y c l ea p p e a r si nt h ep l i o c e n e u n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h eb o r e a li c es h e e t n e4 0 0k y rl o n ge c c e n t r i c i t yc y c l ep e r s i s t si nt h eo c e a nc a r b o nr e s e r v o i rs i n c et h em i d d l e c e n o z o i ca n di st h eh e a r t b e a to ft h ec l i m a t es y s t e m i tr e m a i n sq u i t ec l e a ra f t e rt h ea n t a r c t i c i c e s h e e tf o r m a t i o n w j t ht h ef o r m a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h eb o r e a li c e - s h e e t t h ec a r b o n r e c o r d ss h o wt h e5 0 0k y rc y c l e t h e r ea r ed i f f e r e n tr e s p o n s e st ot h eo r b i t a lp a r a m e t e r sa td i f f e r e n t l a t i t u d e s 。n eh i g h - l a t i t u d ea r e ai sm a i n l ya f f e c t e db yo b l i q u i t y , a n dt h el o w - l a t i t u d ea r e ai s p r i m a r i l y i n f l u e n c e d b yp r e c e s s i o n f u r t h e r m o r e ，t h ec l i m a t ep r e c e s s i o n i sm o d u l a t e db y e c c e n t r i c i t y t h e r e f o r eb o m10 0k y ra n d4 0 0k y re c c e n t r i c i t yc y c l e sa r er e p r e s e n t i n gl o w l a t i t u d e p r o c e s s e s i ns u m m a r y , t h eo c e a n i cc a r b o nr e s e r v o i ri sd i r e c t l ys u b j e c tt oo r b i t a lf o r c i n g t h r o u g ht h em o n s o o ns y s t e m ，r e s u l t i n gi np r e c e s s i o na n de c c e n t r i c i t yc y c l e sa si t s p r i m a r yp e r i o d i c i t i e s t h ee a r t hc l i m a t es y s t e mh a sb o t h “i c e - s h e e tr e s p o n s e a n d i v a b s t r a c t “m o n s o o nr e s p o n s e ”t oo r b i t a lc h a n g e s t h el o w - l a t i t u d ep r o c e s s e sr e p r e s e n t e d c h i e f l yb ym o n s o o n sh a v et h e i ro w nr e s p o n d i n gm e c h a n i s m s ，r a t h e rt h a nm e r e l y p a s s i v e l yf o l l o w i n gt h ei c e s h e e tc h a n g e s o nt h eo t h e rh a n d t h el o w l a t i t u d er e c o r d s a l s oc a r r yc l i m a t es i g n a l sf r o mt h eh i g hl a t i t u d e i nf a c t t h ec o m p l i c a t e dr e c o r d so f t h ee a s ta s i a nm o n s o o na r er e s u l t e df r o mi n t e r a c t i o nb e t w e e nt r o p i c a la n d h i g h 1 a t i t u d ep r o c e s s e s v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的e p , 届| j 本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：m p 汕两7 年f 月f 莎e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：苍迥士 签名：介澎书 6 ) ，j o 沙 年j 月f 彦日 第1 章前言 第1 章前言 4 0 万年来，冰芯中c 0 2 浓度随冰期旋回变化的发现( p e t i te ta 1 ，1 9 9 9 ) ，给气候变迁的 研究提出了重要的新问题：地球轨道周期可以驱动冰盖的消长，但怎么能够驱动地球上的碳 循环? 最近南极6 5 万年冰芯记录( s i e g e n t h a l e re t a l ，2 0 0 5 ) ，同样表明c 0 2 浓度的变化与大 洋6 1 8 0 曲线一致，冰期时c 0 2 浓度低，间冰期时升高( 图1 1 ) ，进一步强调了碳循环周期 性问题的重要性。 图1 16 5 万年来冰芯c 0 2 浓度和大洋6 8 0 曲线 上排数据点为南极e p i c a 冰芯气泡中的c 0 2 浓度( 据s i e g e n t h a l e r c ta 1 ，2 0 0 5 ) ；红线 为o d p 6 7 7 站底栖有孔虫6 1 8 0 曲线( 据s h a c k l e t o na n dh a l l ，1 9 8 9 ) 为什么大气c 0 2 浓度会有冰期旋回? 最容易也最通常的回答，是冰期带动了碳循环的 变化。主要有两种途径，一是植被、二是海洋。但冰期时大片陆地植被被冰覆盖，生物圈的 碳储库减小，不会导致大气c 0 2 浓度下降：而海洋的碳储库将近大气的6 0 倍，冰期时水温 下降、大洋生产力增强，加上深海碳酸盐补偿面下降，使得大洋的“碳酸钙泵”急剧增强， 是大气c 0 2 减少的主要原因( r u d d i m a n ，2 0 0 1 ) 。然而，证据又表明在冰期旋同中，c 0 2 浓 度与温度的变化在前，冰盖体积的变化在后( s h a c k l e t o n ，2 0 0 0 ) ：更有众多的报道说明中、 低纬区的气候变化早于高纬区( l e ae ta 1 ，2 0 0 0 ；w e b s t e r , 1 9 9 4 ) 。因此，c 0 2 与冰盖究竟谁 是因、谁是果，成为学术界争论的焦点。对于当前受温室效应威胁的人类社会来说，这已经 不是一场单纯学术性的争论，迫切需要从大洋碳储库的记录里寻找更多的资料，为追索冰期 旋回变化机制提供证据。 有关大洋碳储库的替代性指标很多，其中资料最丰富的是有孔虫壳体的碳同位素( 6 1 3 c ) 和沉积物中的碳酸盐含量( c a c 0 3 ) 。有孔虫壳体的两项稳定同位素数据中，8 1 s o 被广泛 应用，成为冰期旋回和地层对比的标志，而6 1 3 c 在各海区间不易对比，报道和应用的范围 就小得多。由于大洋海水只有处在表层时才可以与大气c 0 2 进行交换，深层海水中的6 1 3 c 值随着远离源区而越来越轻，底栖有孔虫的6 b c 就被用来指示北大西洋深层水的形成、传 第1 章前言 播和“大洋传送带”的运行状况( 如r a y m oe ta 1 ，1 9 9 7 ) 。长期以来的观点是北半球高纬区 受轨道周期的驱动使冰盖发生变化，然后通过北大西洋深层水为源头的“大洋传送带”将气 候信息传送到全球；但是近年来n d 同位素等新方法的研究结果说明大洋6 1 3 c 变化在先，“大 洋传送带”的环流改道在后，北大西洋深层水不见得是冰期旋回的触发机制( 汪品先，2 0 0 6 a ) 。 那么是什么机制使大洋6 1 3 c 发生变化? 这正是本文试图探讨的问题。 地球轨道影响气候，是通过对太阳辐射量纬度与季节分布的调节，而不同纬度对轨道参 数的反映不同：高纬区主要受斜率( 4 万年) 周期控制，低纬区主要受岁差( 2 万年) 周期 控制，而偏心率主要通过控制气候岁差的变动幅度影响气候，因此也是低纬过程的控制凶素 ( 见插方1 1 ) 。传统的米兰克维奇理论用6 5 0 n 计算夏季辐射量变化推算出的周期性控制北 半球冰盖消长，是“冰盖的辐射量控制”；同时还存在着轨道周期对低纬辐射量的控制， 可以拿3 0 0 n 一3 0 0 s 来计算，是“季风的辐射量控制”( r u d d i m a n ，2 0 0 1 ) 。前者以斜率周期为 主，后者以岁差和偏心率( 1 0 万年和4 0 万年) 周期为主。利用这种差别，就可以分辨究竟 是什么过程控制着大洋碳储库的轨道周期：如果4 万年为主，那就是和冰盖一样，属于高纬 过程；如果2 万年为主，又受偏心率周期调控，那就是低纬过程，与“季风”等热带、亚热 带气候系统相关。 为此，本文选取近年来古海洋学和古季风研究的“热点”南海作为基础，从近2 0 万年来的6 b c 和c a c o ，入手，分析碳储库周期性的特征。然后进一步以6 c 为主线，向 5 0 万年以至5 0 0 万年的长记录推进。在全球的海相地层中，轨道周期最为清晰的是地中海 的晚新生代，尤其是上新世剖面，已经成为国际天文地层学的“样板”。我们选择了晚上新 世的一段剖面，进行地中海与南海碳储库轨道周期的比较。在分析碳储库周期性的同时，还 对风化作用、古生产力、浮游生物等可能与低纬气候相关的替代性标志，和6 州o 等与高纬 过程相关的标志进行比较，试图揭示大洋碳储库在轨道尺度上的变化究竟以哪一类驱动为 主。 碳同位素1 、碳储库的研究，是古海洋学研究中比较复杂的课题，因为它涉及地球各个圈 层的过程。为此，本文在编写中大量采用了南海与地中海他人的研究成果，包括已发表和未 发表的材料；在讨论中，更是引用了许多前人的论述，目的都是为了探讨低纬过程在碳储库 响应轨道周期中的作用。属于学位论文本身的实际工作量，在第2 章中有具体说明。 2 第1 # 前i 插方l 轨道参数 地球在毒阳系罩s 的运行爱到其他行星和月亮的干扰# 运动轨道的几何彤状厨期性 的变化可州用三个参数来定量描进：偏心率、斜率和岁基地球赤道与黄遣的倾南在 2 2 ：i 2 4 j 5 7 之_ 闭波动，即为抖率目前变化周期约曲4 万年，它琏变普太阳辐射量在地 埠上的纬度分布。地球自转轴的晃动使得近日点和冬至目的住置年年变化，即为岁差， 目前宴茬周期为2 3 万年和i9 万年( 习惯上叫做2 万年周期) 它使一个半球的季节差 异增犬，另一个半球的季节差异减小偏心率描述7 地球心转轨道偏离正圆的程度，具 有l n 万年和4 0 万年两个主要周期，它影响地球获得的太口辐射能善量，但是这种主化 冀小，编一。平主要通过调谐岁差周期的变化幅度影响气候 这三个毒教的变化导致地球气候糸统获得的太阳辐射量发生改变，同时也使太阳辐 甜量的肆度和李节分布发生周期性爱化，从引起7 地球气候系统辨化的周期- 陛 l r 。j ；j m 。、扯。 唧 砂r 口c 插万图i1 地球运行轨道的周期性。 自左到$ * 自d 率# 自 差，t * 5 0 i 年采的扎x 侉敷 i “ir 、 o 自上自t ：自o 周期，* 周期，岁罔自 第2 材料月# 2 i 研究材料 第2 章材料与方法 本次t 作选取南海m d 0 5 2 9 0 1 站和意人利p u n t ap i c e o l a 剖面进行丁实验室样品