IODP 346航次最新研究成果——揭示北太平洋深层水在晚中新世的形成

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摘要

  近日,《Paleoceanography and Paleoclimatology》在线发表了中国科学院海洋研究所翟俪娜博士(第一作者)和万世明研究员(通讯作者)与法国巴黎第十一大学、自然资源部第一海洋研究所等单位合作的最新研究成果“Deep-water formation in the North Pacific during the late Miocene global cooling”。研究人员通过日本海沉积记录揭示了北太平洋在晚中新世−早上新世(约740万年−400万年前)存在深层水的形成。

  近日,《Paleoceanography and Paleoclimatology》在线发表了中国科学院海洋研究所翟俪娜博士(第一作者)和万世明研究员(通讯作者)与法国巴黎第十一大学、自然资源部第一海洋研究所等单位合作的最新研究成果“Deep-water formation in the North Pacific during the late Miocene global cooling”。研究人员通过日本海沉积记录揭示了北太平洋在晚中新世−早上新世(约740万年−400万年前)存在深层水的形成。

  大洋经向翻转流,通过影响热量及碳的传输、营养物质循环和海−气交换作用,对全球气候变化有重要的调控作用。其中维持经向翻转流运行的关键所在是深层水的形成。现今,深层水主要形成于北大西洋和南大洋,而北太平洋海域,由于表层水体盐度低,并且与深层水体之间存在较强的盐跃层,因而没有深层水的形成。但是从地质时间角度来看,已有证据表明末次冰期冷期北太平洋存在深层水的形成,并且可能在南北半球热量平衡方面起到重要推动作用。然而在更长的构造时间尺度上(如晚中新世气候变冷时期),由于研究材料的匮乏,北太平洋深层水的演化历史尚未可知。

IODP 346航次最新研究成果——揭示北太平洋深层水在晚中新世的形成

图1 (A)现代全球大洋1000米深含氧量分布以及太平洋深水环流模式;(B)研究站位图;(C-F)晚中新世以来研究区古海洋演化示意图

  现今的日本海是西北太平洋一个半封闭的边缘海盆,仅通过四个深度低于150米的海峡与外海相连通,与北太平洋深层水体相隔绝。然而,在晚中新世时期日本海构造格局与现今不同,其东北部海槛可深达1000米之多,能够与北太平洋进行深层水体的交换,因此该时期日本海深层水体的通风状况能够间接指示北太平洋深层水体的通风演化。研究人员以国际综合大洋钻探计划IODP 346航次在日本海中部和西南部U1425和U1430站位钻取的沉积岩芯为研究材料(图1),通过有机碳-氮同位素、有机碳含量和通量,以及生源要素(钡)富集程度等指标重建了晚中新世一千一百万年以来日本海古生产力和深层水体氧化还原状态演化历史,进而揭示了北太平洋深层水的通风历史。

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图2 日本海晚中新世以来生产力和深水氧化还原状态演化

  研究结果显示,740万年−400万年前日本海初级生产力出现大幅提高,相反有机碳埋藏通量却明显降低,这表明深层水体可能发生了显著氧化导致大量有机质被降解,从而使有机碳封存效率大大降低;另一方面,氧化还原敏感元素富集特征和指示水体缺氧的北太平洋放射虫种属数量的骤减也进一步证实当时日本海深层水体由次氧化-缺氧状态变得更加氧化(图2)。结合区域构造和全球气候演化对比,研究人员提出,晚中新世北太平洋深层水的形成及其经由北侧日本岛海槛的流入是导致日本海深层水体通风增强的主要原因。在晚中新世全球气候变冷的背景下,赤道-两极温度梯度增大,使哈德雷环流圈收缩并增强,北半球中纬度风暴路径(温带气旋)向赤道方向移动,造成中纬度地区降水减少;同时,减弱的东亚夏季风也使得季风区向西北太平洋输送的水汽减少(图3),进而造成该区域表层水体盐度增加,水体密度增大,从而有利于水团的下沉并最终导致深层水体的发育。

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图3 晚中新世以来日本海深层水通风演化与全球古海洋和古气候演化的对比

  本研究揭示构造时间尺度上北太平洋深层水可响应于全球气候变冷的过程。目前对于长时间尺度北太平洋深层环流演化的研究很少,本研究可作为将来类似工作的参考,同时对古气候模拟边界条件的设置有积极的借鉴意义。

  原文链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020PA003946