晚中新世大洋碳位移事件的成因机制及其古环境效应

The major ocean carbon shift over the past 16 Myr mainly occurred during the middle and late Miocene, of which each commenced as a series of 400-kyr-cycle dominated carbon maxima events followed by an abrupt decrease of ~0.8-0.9‰ in d13C. This project will reconstruct a series of proxy records at IODP Site U1337 including foraminiferal d18O and d13C, Uk’37 and TEX86 based SST and C37:2 derived pCO2 in the period of 9.6-2.5 Ma, aiming to probe the forcing mechanism of the late Miocene ocean carbon shift and its environmental significance by answering three scientific questions. 1. Did the surface ocean also record the middle Miocene carbon shift? If yes, was it synchronous to or different from the middle Miocene carbon shift? 2. How did the late Miocene sea surface temperature (SST) change and what did it play between ocean carbon reservoir and polar ice sheet growth? 3. How did the late Miocene ocean carbon shift affect the atmospheric CO2 concentration?

申请者前期研究发现,晚新生代大洋d13C呈逐渐偏负的趋势,主要发生在中中新世,并存在中中新世和晚中新世两个异常相似的大洋碳位移事件,每次大洋碳位移先发生一系列具有40万年长偏心率周期的碳同位素极大值事件,接着是相对快速的d13C负偏事件,幅度达0.8-0.9‰.本申请尝试重建赤道东太平洋IODP-U1337站的系列替代性指标,包括有孔虫d18O和d13C,Uk’37和TEX86海水表层温度,C37:2反演的大气CO2浓度,探讨晚中新世(9.6-6.5 Ma)大洋碳位移事件的成因机制及其古环境效应,回答三个科学问题.第一,晚中新世底层海水记录的碳位移事件在表层海水中也有记录吗?如果有,是同步的还是具有差异性?第二,晚中新世热带海区的海水表层温度如何变化?它在大洋碳储库和极地冰盖生长中起到什么作用?第三,晚中新世大洋碳同位素负偏事件(LMCS,7.65-6.5Ma)如何影响大气CO2浓度变化?

晚中新世碳位移负偏事件（LMCS，Late Miocene Carbon Shift，7.65-6.5 Ma）约持续1 Ma，全球大洋底层海水d13C变负0.91 ‰。LMCS是一次全球性事件，在赤道太平洋、太平洋中部和西南部、印度洋、南极东南部副极地海区和北大西洋都有发现。对LMCS事件成因机制的解释，学术界有两种观点。.第一种观点认为，LMCS与晚中新世至上新世的生物勃发事件（Biogenic Bloom）密切相关。但申请人在南海的研究表明，这次生物勃发事件的起始时间与延续的时长都与LMCS相差甚远，并不能解释LMCS的成因。第二种观点认为，LMCS与晚中新世全球范围内的植被变化密切相关。通过对全球范围内古土壤中碳酸盐和脊椎动物牙齿的d13C进行系统地研究，发现在8-6 Ma期间，古土壤和脊椎动物牙齿的d13C显著变正，据此推测在8-6 Ma之间C4植被在全球范围内大规模扩张。因为C4植被扩张可能导致输入海洋的富12C的营养物质大规模增加，从而降低大洋的d13C。箱式模型模拟结果也显示，C4植被扩张可能永久性地改变海洋有机物中12C的分馏系数，从而产生-1 ‰的大洋碳同位素负偏。很显然，无论是大洋生物勃发事件还是陆地C4植被的扩张，两者在时间上无法与精确到万年的LMCS事件相匹配，不足以解释LMCS事件的成因。.项目组以东赤道太平洋IODP-U1337站深海沉积为研究材料，经过近4年的研究，获得了该站位高分辨率UK’-37和TEX86两种有机地化指标（0-16Ma），用来反演海水表层温度变化；获得了该站位低分辨率单体烯酮d13C记录，用来反演大气CO2浓度演变。通过对比分析，项目对晚中新世大洋碳位移事件的成因机制形成了清晰的认识：第一，晚中新世大洋碳位移是全球性事件，不仅底层海水具有这个特征，表层海水也有；第二，晚中新世东太海水表层温度很稳定，呈现很弱的降温，大幅度的降温是从4.3Ma开始的，一直延续到晚更新世；第三，在晚中新世，构造运动引起陆源有机碳输入到大洋的通量增加，同时C4植被扩张，两者的协同作用促进了晚中新世大洋碳位移事件，任何单一的因素都无法完全触发晚中新世大洋碳位移事件。