冰雪地球融化后海洋混合时间尺度的估算

Geological sediments and geochemistry isotopes suggest that at least two global-scale glaciations occurred during the Neoproterozoic era in 1000-540 million years ago. During the glaciations, all continents were covered by ice sheets, and possibly all the ocean from the poles to the equator was covered by thick sea ice and snow. This is called the "snowball Earth" state. When the snowball Earth melted, a massive amount of fresh water (equal to 15% to 50% of the total mass of Earth's ocean) entered into the surface ocean in a relatively short time. Then, the ocean exhibited two distinct layers: the upper layer being fresh, hot, and light, and the low layer being salt, cold, and heavy. Using a one-dimensional (1D) ocean vertical mixing model and a 3D ocean general circulation model, we plan to simulate the evolution of the strongly stratified ocean and to estimate the timescale of the mixing between the fresh, hot layer and the salt, cold layer. This study will help us explain the formation characteristics of Neoproterozoic geological sediments (such as cap dolostones). If the estimated mixing timescale is very long (such as longer than 100,000 years), it suggests that the sediments mainly formed from fresh meltwaters, otherwise, it suggests that they mainly formed in normal salty seawaters.

地质沉积和地球化学同位素证据表明：在距今1000-540百万年前的新元古代时期，地球经历过至少两次全球性冰川事件。当时，陆地冰川延伸到赤道区域，整个海洋从极地到赤道可能都被厚厚的冰雪覆盖，地球系统进入极端寒冷的“冰雪地球”（Snowball Earth）状态。当冰雪地球融化时，大量淡水（相当于全球海水总质量的15%至50%）注入到海洋中，海洋形成非常明显的分层：上层盐度低、温度高、密度小，下层盐度高、温度低、密度大。通过使用一维海洋垂直混合模式和三维海洋环流模式，我们将模拟这种强稳定层结下海洋随时间的演化过程，并估算热的表层淡水和冷的深层盐水充分混合所需的时间。本研究对于解释新元古代地质沉积（如盖帽白云岩）的形成特征具有重要的意义。如果混合时间很长（比如大于10万年）的话，则说明这些沉积主要是在淡水环境下形成的；反之，则说明它们主要是在通常的盐水环境下形成的。

本项目主要研究冰雪地球融化后表层热而淡的海水与下层冷而咸的海水的混合问题。项目分为两个部分，第一部分是使用自主编程的一维海洋垂直混合模式估算海水的混合时间尺度；第二部分是使用三维海洋环流模式计算冰雪地球融化后的海洋环流和海水混合时间尺度的空间分布。两个部分的研究都已经基本完成，第一部分的研究成果发表于Geology杂志，第二部分的研究成果正在撰稿中，另外有4篇已发表的相关文章标注有该项目的资助，其中一篇是Nature Geoscience, 一篇是Nature Astronomy。我们的研究发现海水垂直混合时间尺度在50000年左右，不确定范围是10000年到100000年。这一时间尺度比现代地球的垂直混合时间尺度（3000年左右）高1-2个量级。同时，我们还发现冰雪融化后，仅仅凭借海水热力膨胀，海表高度就会升高40-50米。本研究对于解释新元古代地质沉积（如盖帽白云岩）的形成特征具有重要的意义。