上新世以来热带西太平洋碳循环的长时间尺度演化

Carbon and hydro-thermal cycles are the two key processes of the mechanisms modulating Earth’s climate system, yet their relationship is not completely known. The possible dynamic linkage between carbon and hydro-thermal cycles may be found in their long-term variability responding to various changes in the geologic history, including the 400-kyr long-eccentricity cycle on orbital time-scale, and the mean-state variation and the major transitional events on longer time-scales. A pioneering hypothesis proposed the possible linkage between ocean carbon reservoir and global monsoon on 400-kyr cycles. This study focus on the western tropical Pacific region, which plays a central role in global hydro-thermal and carbon cycles, and aims to the quantitative reconstruction of long time-scale changes in the carbon cycle in the Plio-Pleistocene. By accompanying with reconstructions of upper-ocean structure and regional hydrology, the variations in and correlations between carbon and hydro-thermal cycles will be analyzed with emphasis on the 400-kyr periodicity, the early Pliocene warm period and the early Pleistocene Ocean differentiation period. Our results can provide important evidence for a better understanding of the Earth’s surface climate system and the carbon cycle.

碳循环与水热循环是调控地球气候系统的两个关键过程，但二者的联系仍存许多未知。地质历史中，碳循环和水热循环在40万年偏心率长周期变化中存在紧密联系，在长尺度的气候变异和重大气候事件期间也存在相互关联，为此学术界提出了大洋碳储库和全球季风的40万年长周期假说。本项研究以全球水热循环和碳循环变化的关键海域——热带西太平洋为研究对象，采用有孔虫壳体B/Ca比值分析等新方法，主攻上新世以来碳循环的长时间尺度定量再造，辅以有孔虫壳体氧碳同位素和Mg/Ca比值分析再造的上层海洋和水文气候变化，着重分析40万年偏心率长周期以及早上新世暖期、早更新世大洋分异期等重要时段，探讨碳循环和水热循环的变化及其联系，检验碳循环的长周期假说，为更好地认识海洋碳循环在地球表层气候系统中的作用提供关键证据。

本项研究的科学目标为“上新世以来热带西太平洋碳循环和水热循环的40万年偏心率长周期演变”。本项目研究完成了赤道西太平洋IODP363航次U1489站位，和南海北部ODP1146和翁通-爪哇海台ODP807两个站位的工作计划，分析了浮游和底栖有孔虫的氧碳稳定同位素和元素比值，重建了上层海水温度变化、深层海水碳化学和水团特征演变，探讨了上新世以来热带西太平洋相关过程和要素在长期趋势演化特征和40万年偏心率长周期变化上的联系。主要成果：（1）U1489站位的底栖和浮游有孔虫氧碳稳定同位素数据，是建立该站位地层年代框架的基础；（2）约4百万年以来热带西太平洋底栖有孔虫属种丰度的40万年周期性变化，提出了太平洋深部环流演变具有40万年周期性，进一步可以说明太平洋深部环流和深层水无机碳化学的40万年周期性演变和相互关联；（3）相关站位的有孔虫B/Ca、Mg/Ca、氧碳稳定同位素以及Nd同位素等指标记录，初步揭示了太平洋深部环流和碳储库、上层海水热结构的40万年周期性演变和周期转型特征。上述主要目标之外，本项目还开展了两项研究。一为总结了热带印度-太平洋表层沉积物中浮游有孔虫Pulleniatina obliquiloculata的同位素和元素地化指标，证实了其为上部温跃层指示种，并建立了该属种的Mg/Ca、B/Ca和Cd/Ca的指标换算方法，为指标记录重建打下基础；二为参与建立了氨基酸单分子氮同位素分析方法，在解析氮循环过程的基础上，为上层海水结构-氮循环-碳循环之间的机制性联系提供了新的线索。相关研究结果已发表7篇英文SCI文章、2篇中文核心文章、2部英文专著；已申请1个发明专利、已授权3个实用新型专利。本项目研究工作所取得的结果，为探索碳循环的偏心率长周期演变提供了太平洋深部环流的新证据，同时也发现了新的线索——例如暖池上层海水热结构的演变、碳循环-氮循环的联系、偏心率长周期演变与更短周期气候变化的关联等——有待更多深入发掘和继续研究。