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《同济大学》 2007年
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低纬海区碳储库与季风气候的轨道周期

李建如  
【摘要】: 冰芯记录中CO_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MD052901站和意大利南部Punta Piccola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20万年、50万年到500万年的时间段上,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Globigerinoides ruber的氧、碳稳定同位素测定(806块样品)、碳酸盐(783块)和有机碳含量(785块)测试。 对南海8个站位浮游有孔虫δ~(13)C的汇总处理,得到了20万年来南海浮游有孔虫δ~(13)C综合曲线(SCS PFδ~(13)C)。SCS PFδ~(13)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δ~(13)C应当是南极变暖的结果;同时,20万年来SCS PFδ~(13)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20万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MD052901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δ~(18)O、δ~(13)C、CaCO_3%和Corg%均具有明显的41 kyr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1万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10万年偏心率周期;末次冰期时,重δ~(13)C、高Corg%和Opal%值都对应于δ~(13)Cmax-Ⅰ期,指示了40~50万年偏心率长周期。不论是岁差和半岁差周期,还是10万年偏心率短周期或者40~50万年偏心率长周期,都是低纬过程的轨道周期特征。另外,MD052901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。 ODP1143站500万年来的沉积物,清楚的记录上新世以来碳储库变化的40万年偏心率长周期,并且每次δ~(13)Cmax都对应于偏心率低值期,并且与δ~(18)O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,δ~(13)Cmax-Ⅱ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,ODP1143站和MD052901站的δ~(13)C都发生明显的负偏移,紧接着出现特大冰期,MIS11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40万年偏心率长周期表现得极为清楚。样品测试发现,Punta Piccola剖面的δ~(18)O、δ~(13)C和CaCO_3%都具有清晰的40万年长周期。同时还有10万年短周期,这一周期还反映在浮游有孔虫丰度中。Punta Piccola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,δ~(18)O和δ~(13)C都变轻,同时CaCO_3%明显降低,Corg%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,大量陆地淡水注入地中海,导致了生产力的增高(如Ba/Al比值的高值)、表层海水δ~(13)C变轻等碳储库的一系列变化。 比较晚上新世地中海(Punta Piccola剖面)和南海(ODP1143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四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(40万年和10万年)、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10万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40万年偏心率周期消失,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40万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40万年长周期依然清晰,随着北半球冰盖的发育,第四纪碳储库变化与氧不再耦合,40万年偏心率长周期拉长,从40万年周期变为50万年。地球上不同纬度对轨道参数的响应不同,高纬度主要受40 kyr的斜率周期影响,低纬区主要受20 kyr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10万年和40万年偏心率周期,都是低纬过程的特征。从非洲(Punta Piccola剖面)到东亚(ODP1143站和MD052901站),从晚上新世(3.3Ma~2.7 Ma)到第四纪,低纬海区碳储库总是响应着轨道参数而呈周期性的演变,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。
【学位授予单位】:同济大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:P732

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