中国科学家发表大洋钻探新成果:建立上新世—更新世印尼穿越流中层水演化的气候和构造约束

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近期,第四纪研究领域国际著名期刊Quaternary Science Reviews发表了西北大学地质学系、自然资源部第一海洋研究所和中国科学院地球环境研究所共同合作的最新研究成果:“Climatic and tectonic constraints on the Plio—Pleistocene evolution of the Indonesian Throughflow intermediate water recorded by benthic δ18O from IODP site U1482”研究人员利用国际大洋发现计划(International Ocean Discovery Program, IODP)第363航次在印尼穿越流主要出口帝汶海内钻取的U1482站岩芯(图1),建立了晚上新世—中更新世(~3.17-1.07 Ma)高分辨率(~1.53 kyr)印尼穿越流中层水(ITF intermediate water, ITF-IW)古海洋学记录

中国科学家发表大洋钻探新成果:建立上新世—更新世印尼穿越流中层水演化的气候和构造约束

图 1(文章中图1)  研究站位及其现代海洋学特征

印尼穿越流(Indonesian Throughflow, ITF)是全球温盐环流在低纬海区的关键组成、连接热带西太平洋和印度洋的唯一通道。受来自太平洋大规模风力作用,印尼穿越流主要水体流入望加锡海峡,与厄尔尼诺—南方涛动(El Niño-Southern Oscillation, ENSO)以及东亚季风等气候现象密切相关,在过去全球气候变化中扮演重要角色。上新世—更新世印尼海道构造收缩改变了印尼穿越流的主要来源,很可能是触发北半球冰盖扩张(Northern Hemisphere Glaciation, NHG)的一个重要因素。印尼海道持续收缩对印尼穿越流中深层水体限制的优先级高于上层水体。由于沉积物样品限制,以往印尼穿越流古海洋学研究多聚焦于上层水体,而对中深层水体相关研究仅限于最近几个冰期—间冰期旋回,上新世—更新世时期印尼穿越流中深层水古海洋学记录尤为鲜见。

研究团队对1368个沉积物样品展开研究,利用底栖有孔虫氧同位素(δ18O)建立年代地层框架,获得了印尼穿越流区域第一条高分辨率晚上新世—中更新世古海洋学记录。文章将U1482站底栖δ18O与全球底栖有孔虫氧同位素堆叠曲线(Prob-stack)和全球各大洋站位底栖δ18O进行对比,发现在~1.6 Ma之前U1482站底栖δ18O与其他站位δ18O变化基本一致;~1.6 Ma之后与全球底栖δ18O出现明显差异,冰期—间冰期振幅减小,尤其在~1.6-1.2 Ma期间达不到完全冰期值。

U1482站记录显示,~1.55-1.35 Ma期间印尼穿越流中层水温度逐渐降低,但南极中层水和西太平洋暖池中心都未发生类似变化;而U1482站西南边U1461站由TEX86恢复的表层海水温度在~1.6 Ma之后出现了变冷趋势,与U1482站中变冷相对应(图2;文章中图4)。在帝汶海区,从表层、次表层到~1500 m左右的中层水变化较一致,表明在班达海内印尼穿越流表层海水和次表层海水通过垂向水体的强烈混合到达中层海水深度,使表层海水到中层水变化趋势一致。

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图2(文章中图4) U1482站底栖有孔虫氧同位素、估算的印尼穿越流中层海水古温度和海水剩余氧同位素记录与其他站位古海洋学记录对比

U1482站水深1466 m,受印尼穿越流中层水控制,区别于全球其他深层水站位(多位于2000-3800 m)。因此其他因素比如印尼海道构造收缩导致印尼穿越流所控水团变化也会影响U1482站底栖δ18O。自晚上新世以来,澳洲西北部气候从相对温暖、湿润且稳定的状态转变为干旱、寒冷且多变的气候模式。~2.4 Ma U1463站Th/K和K%低值指示澳洲大陆内部变得更干,相应地,U1482站底栖δ18O自~2.51—2.43 Ma开始逐渐变重。有研究指出~1.6—0.8 Ma期间澳大利亚西北部印度洋与太平洋建立了良好的生物地层连接,表明彼时与现今相比印尼穿越流更加不受限且可能强度更大。U1482站记录显示~1.6 Ma之后印尼穿越流中层水温度和盐度都开始降低(图2;文章中图4),可能对应着不受限的印尼穿越流状态。由于U1482站底栖δ18O携带了来自南太平洋中层水和班达海表层水的混合信号,~1.6 Ma之后U1482站受区域气候影响可能超过了受全球冰量变化影响,导致U1482站与全球其他站位之间底栖δ18O存在巨大差异

模型研究和现代海洋学观测显示印尼穿越流对季风系统和ENSO事件有很好的响应和反馈;前期古海洋研究也记录了末次冰期时印尼穿越流与东亚冬季风和拉尼娜事件有密切联系。该文记录显示,~2-1.07 Ma冰期时,U1482站底栖剩余氧同位素(δ18Oresidual)值降低对应赤道西太平洋MD97-2140站和赤道东太平洋ODP 846站间表层海水温度梯度增强,可能进一步揭示印尼穿越流与ENSO的联系。受到类似拉尼娜状态影响,印尼穿越流中层水变淡,可能是造成~1.6-1.2 Ma期间U1482站底栖δ18O冰期—间冰期振幅减小的因素之一。除了纬向沃克环流增强,经向哈德利环流也在同一时期加强。增强的哈德利环流强化亚洲冬季风,驱使更多较淡的海水从南海通过爪哇海和苏禄海进入到印尼海区,也可能导致U1482站底栖δ18O偏负(图3;文章中图5)。

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图3(文章中图5)2-1.07 Ma U1482站印尼穿越流中层水海水氧同位素和剩余氧同位素与纬向和经向海水温度梯度对比

通常认为中更新世气候转型发生于~1.2-0.7 Ma,主要特征表现为冰期—间冰期反差增大和冰期旋回从以41-kyr斜率周期为主向100-kyr偏心率周期为主转变。U1482站底栖δ18O的100-kyr滤波在~1.6 Ma之后与100-kyr偏心率周期具有很好的对应关系(图4;文章中图6);相似地,北大西洋ODP 659站底栖δ18O在90-kyr和130-kyr区间的滤波自~1.5 Ma开始震荡且振幅开始增加,可能指示了中更新世气候转型的早期阶段。除此之外,纳米比亚沿岸上升流增强、赤道西太平洋海藻生产力增加和全球δ13C记录长偏心率周期开始模糊都发生在~1.6 Ma,指示全球气候和海洋在这一时期发生了重大变化。~1.6-1.5 Ma气候变化代表了冰期—间冰期气候模式、温盐环流和低纬度陆地气候的重要转变,热带地区在其中可能起到了关键作用。然而这个气候转变却没有像更新世其他重要气候转型一样得到重视,也就是说,~1.6 Ma气候变化可能被低估了。本文记录为这一气候转变提供了新数据支撑

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图4(文章中图6)U1482站与其他站位底栖δ18O和δ13C对比以及滤波分析

文章第一作者为西北大学博士研究生陈漪馨,西北大学徐建教授与自然资源部第一海洋研究所李铁刚研究员和熊志方研究员为共同通讯作者。该研究受到国家自然科学基金(41830539,41776060)资助。

Chen, Y., Xu, J*, Liu, J., Li, T.*, Xiong, Z.*, Zhang, P., Yan, H. Climatic and tectonic constraints on the PlioePleistocene evolution of the Indonesian Throughflow intermediate water recorded by benthicδ18O from IODP site U1482. 2022, Quaternary Science Reviews, 295. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2022.107666.

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撰稿:陈漪馨,徐建