南海ODP1143站有孔虫稳定同位素揭示的上新世至更新世气候变化

论文以大洋钻探计划（ODP）184航次南沙1143站有孔虫的稳定氧、碳同位素(δ18O与δ13C)分析为基础，研究了过去5百万年以来南海南部的古海洋学。同位素分析的测试工作在同济大学海洋地质教育部重点实验室进行。样品取自1143站上部190.77米，采样间距10厘米，共计1992个样品。用作同位素测试的有孔虫包括底栖有孔虫Cibicidoideswuellerstorfi和Uvigerina peregerina以及浮游有孔虫Globigerinoides ruber，Globigerinoidesobliquus和Pulleniatina obliquiloculata。实验结果显示，在南海南部，Uvigerina peregerina的δ18O值比同一样品中的Obicidoides wuellerstorfi值要重约0.614‰，而Uvigerina peregerina的δ13C值比同一样品中的Cibicidoides wuellerstorfi值要轻约0.692‰。 本文以1143站底栖有孔虫的δ18O为调谐对象，以地球轨道的斜率（Laskar90）为调谐目标，使用自动轨道调谐方法，建立了西太平洋地区五百万年以来的天文年代标尺。调谐后，1143站布容／松山磁性反转事件的年龄为0.78百万年，与前人研究结果一致；一些识别出的浮游有孔虫生物事件的年龄也与已经发表过的年龄相吻合；此外，本文还确定了南海南部部分浮游有孔虫生物事件的年龄。 利用频谱分析、交叉频谱分析和数字滤波技术，研究了1143站过去五百万年以来的同位素记录(底栖有孔虫的δ18O与δ13C，浮游有孔虫的δ18O与δ13C)与地球轨道参数变化（ETP）在地球轨道周期偏心率、斜率和岁差上的相关性和相位关系。相关系数与相位关系表明，有孔虫同位素记录的南海南部上新世至更新世气候在斜率和岁差周期上是轨道驱动力的线性响应。在4.1万年的斜率周期和2.3万年的岁差周期上，南海南部过去五百万年底栖有孔虫δ18O与δ13C以及浮游有孔虫δ18O与δ13C对轨道驱动的响应是同步的，而在1.9万年的岁差周期上是不同步的。在10万年的偏心率周期上，有孔虫-δ18O与δ13C相对于地球轨道参数的变化（ETP）呈相反相位关系。1143站底栖有孔虫的δ13C、浮游有孔虫的δ18O与δ13C相对于底栖有孔虫-δ18O的相位移，可能与赤道太平洋地区频繁爆发的厄尔尼诺现象有关。 底栖和浮游有孔虫δ18O在10万年和4.1万年周期上的数字滤波结果揭示了南海南部“中更新世转型”事件的存在（指气候的主导周期由四万年转向十万年）。浮游有孔虫δ18O记录的该类气候周期的转型事件大约发生在0.5百万年，比底栖有孔虫记录的该事件发生的时间约晚0.4至0.5百万年。然而，五百万年来底栖和浮游有孔虫δ13C的滤波结果并没有显示该事件的存在，说明了该气候周期转型事件的局限性，即使在同一地点，该事件也不一定影响所有的气候替代性指标。发生在0.9百万年左右的“中更新世气候转型”事件不是突变事件，而是一个阶梯式的渐变过程。同位素记录的数字滤波进一步揭示出在3.5百万年左右，即北极冰盖开始逐步扩大时，10万年的气候周期就已经开始强化，到晚更新世时变得最为显著和稳定。有孔虫δ18O与截去一半的辐射曲线在40万年和10万年的周期上强烈相关，说明δ18O对天文辐射的高值端响应强烈，而对低值端响应微弱。地球轨道的长偏心率周期表现出40.4万年的周期，而该周期的峰值在δ13C记录中却表现为46万年。在40.4至46万年的周期上，δ13C与地球轨道参数（ETP）具有很好的相关性。在10万年的周期上，有孔虫δ13C变化领先于-δ18O的变化，可能暗示冰盖的变化并不是10万年的气候周期产生的直接原因；相反，可能是全球碳循环的变化影响了大气二氧化碳浓度的变化，从而产生了气候变化的10万年周期。1143站各种气候替代性指标记录中丰富的半岁差周期突出了热带地区在全球气候变化中的重要性。 小波分析的结果非常直观的揭示出有孔虫δ13C记录中40.4万年的长偏心率周期，然而在上新世和早更新世，该周期的峰值接近或小于40.4万年，而在晚更新世大于40.4万年。交叉小波分析的结果显示，过去五百万年以来，在偏心率、斜率和岁差周期上，有孔虫的氧碳同位素与地球轨道参数呈非稳定的瞬时相位关系。有孔虫的-δ18O和δ13C在岁差周期上的瞬时相位具有显著的12.8万年的周期性变化，可能反映了不稳定气候系统接近于偏心率的变化周期。 对比大西洋ODP659站、东太平洋ODP846站和西太平洋ODP1143站的底栖有孔虫δ18O记录，结果显示在过去五百万年大西洋与太平洋的氧同位素差值(Δδ18OAtl-Pac)变化经历了三个主要的变重阶段，即3.6到2.7百万年，2.7到2.1百万年和1.5到0.25百万年。每个阶段都以氧同位素差值(Δδ18OAtl-Pac)的快速变轻开始，之后伴随着一个与北极冰盖的生长相对应的长期的变重过程。这意味着，在北极冰盖生长的三个主要阶段中，每个阶段的开始大西洋的底层海水都有一个快速的相对于太平洋底层海水的变暖过程，之后才伴随着一个长期的逐渐变冷的过程。这种长期的变化趋势叠加在频繁发生的冰期旋回上，可能会提供导致北半球冰期旋回气候的证据。大西洋与太平洋的氧同位素差值(Δδ18OAtl-Pac)与地球轨道参数（ETP）的交叉频谱分析的结果表明，在北极冰盖于2.75百万年初步形成之后，斜率代替岁差在控制古海洋垂向结构或热盐环流的变化中占据主导地位。利用1143站底栖有孔虫的δ18O记录，结合底层海水δ18O（Billups and Schrag，2002）的变化，恢复了低分辨率的南海南部底层水温在过去五百万年的变化历史，结果显示自5百万年到1.5百万年，底层水温逐渐降低了5℃，从1.5百万年开始，底层水又逐渐开始变暖。南海南部底层水的变冷过程并不总是伴随着全球的降温过程。 1143站底栖有孔虫和浮游有孔虫δ18O的对比揭示了晚上新世和更新世低盐度的婆罗洲沿岸水和季风引起的上升流对南海南部的影响，尤其是在3.3百万年到2.5百万年之间。浮游有孔虫表层种G．ruber和次表层种P．obliquiloculata的同位素差值(Δδ18O和Δδ13C)揭示了更新世南海南部上层水体温跃层和营养跃层的变化。一般情况下，在180千年以前，东赤道太平洋ODP847站浮游有孔虫表层种与次表层种δ18O的差值小于ODP1143站的δ18O差值，说明温跃层深度在东赤道太平洋深，而在南海南部浅。然而在一些时间段里，比如810到848千年和360到420千年，ODP847站的δ18O差值与ODP1143站的δ18O差值相近，可能暗示在东赤道太平洋温跃层突然变浅，而引起这种变化的原因可能与厄尔尼诺事件强度和频率的变化有关。通常，1143站的温跃层在冰期变浅而在间冰期变深，与847站温跃层的冰期／间冰期变化相反，显示了东西赤道太平洋温跃层冰期／间冰期变化的非对称性。1143站浮游有孔虫δ18O差值反映的更新世南海南部温跃层的变化趋势与有孔虫属种组合变化反映的温跃层变化趋势不一致，甚至相反。因此，在分析温跃层等古海洋学参数的变化特征时，最好使用多个替代性指标，从中找出共性。一般情况下，1143站浮游有孔虫次表层种P．obliquiloculata和表层种G．ruber的δ13C差值(Δδ13C)在间冰期高而在冰期低，与赤道东太平洋847站的δ13C差值正好相反，显示了东西赤道太平洋营养跃层冰期／间冰期变化的非对称性。在开放的太平洋，温跃层与营养跃层的长期变化趋势并不一致，然而在1143站，这种长期的变化趋于一致，可能是南海的特征。1143站浮游有孔虫表层种G．ruber和次表层种P．obliquiloculata的δ18O差值与地球轨道参数（ETP）只在岁差周期上表现出强相关性，说明岁差在控制南海南部上层水体温跃层的变化中占据了主导作用，而δ13C的差值在2.3万年和1.9万年的岁差周期上都领先于ETP的变化，说明影响营养跃层变化的因素远比影响温跃层的因素复杂。 南海南北部1143站和1144站四个东亚季风替代性指标在更新世的变化表现出很强的偏心率、斜率和岁差周期，但是除了1143站的G．ruberδ13C，其它季风替代性指标与地球轨道参数ETP的变化只在岁差周期上相关。尽管1143站的G．ruberδ13C与地球轨道参数ETP在偏心率、斜率和岁差周期上都相关，但是大部分的相关关系都集中在岁差周期上。这说明更新世热带地区的气候变化，比如南海南部的温跃层深度变化和东亚季风的演化，主要受地球轨道的岁差控制。东亚季风替代性指标与有孔虫δ18O曲线的对比以及它们之间的交叉频谱分析表明，更新世全球冰量变化对东亚季风至少是东亚冬季风产生了重大的影响。只是在岁差周期上，南海南北部1143站和1144站所有的四个东亚季风替代性标志才表现出与轨道驱动和全球冰量变化相似的相关系数和相位关系。东亚季风，至少是东亚冬季风在岁差周期上的演化，部分是受地表的感热对太阳辐射的响应控制，也受南海表层海水的潜热对太阳辐射的响应控制。