第四纪研究  2020, Vol.40 Issue (3): 633-645
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东印度洋-西太平洋年均海表温度(Sea Surface Temperature, 简称SST)大于28 ℃的印太暖池(Indo-Pacific Warm Pool, 简称IPWP)是全球最大的表层暖水聚集区, 也是全球海气作用最强烈的区域之一[1]。作为中高纬地区热量和水汽的主要来源, IPWP的变异通过多尺度的海气相互作用过程在相当程度上影响着全球大气环流模式, 进而在全球气候变化中起着重要作用[2]。由西太平洋与东印度洋间的海表动力高度差所驱动、穿越印尼群岛进入东印度洋的印度尼西亚穿越流(Indonesian Throughflow, 简称ITF)是两大洋间水体交换的主要途径[3]。ITF每年将0.5~1.0 PW的热量从西太平洋输送到东印度洋[4~6], 其强弱控制着两大洋间的物质和能量平衡, 对印太海区及周边大陆的水文和气候条件有着显著的影响[7~9]。同时, 作为全球温盐环流的关键一环, ITF可放大IPWP的热带气候效应, 并通过遥相关过程在高纬地区的气候变化中起着重要作用[10~12]。
对于地质历史时期ITF变化的研究主要集中在末次冰期以来和百万年的时间尺度[13~14]。在构造尺度上, 印澳板块的北移与印尼群岛的隆起深刻影响了全球温盐环流系统。印尼海道的构造变动控制着ITF的长期演化, 同时也影响了与ITF相关联的印太海区的环境及东亚季风的演变[15~18]。长期以来, 由于印尼海的高沉积速率, 缺乏跨越多个冰期旋回的长岩芯记录, 有关轨道-亚轨道尺度上ITF变化的研究多集中于末次冰期, 特别是末次盛冰期(Last Glacial Maximum, 简称LGM)[19~26]。在帝汶海的工作发现, 140 ka以来ITF的结构和强度受控于全球温盐环流、海平面升降引起的印尼水道连通性以及澳大利亚季风的变化[19~22]。也有研究发现, 帝汶海东部的表层水体温盐特征在末次冰期时与西太平洋暖池区的变化一致, 但冰消期由于类厄尔尼诺-南方涛动(El Niño -Southern Oscillation, 简称ENSO)过程的影响, 两者之间呈现不同的变化特征[23]。对LGM以来的ITF水体结构演变分析表明, 受海平面变化、东亚季风强度和热带辐合带(Intertropical Convergence Zone, 简称ITCZ)南北位移等因素的影响, ITF从LGM时期的受表层流控制转变为全新世的温跃层流主导[24~25]。目前, 对于ITF在轨道尺度上变化的研究比较匮乏, 虽然对其在末次冰期以来的变化有了一定的认识, 但对多个冰期旋回中ITF的演变过程及其影响因素缺乏了解[13, 26]。此外, 该时间尺度上的已有研究大多通过水体的温度来表征ITF的变化, 缺乏与其他古海洋指标的对比印证, 特别是对于与ITF演变相关联的盐度变化缺乏了解。从现代区域水文特征来看, 除ITF的强度以外, IPWP的范围也影响着ITF路径上的海水温度, 而ITF所携带水体的盐度则较少受到IPWP范围变化的影响[27]。本文利用国际大洋发现计划(International Ocean Discovery Program, 简称IODP)在帝汶海西南部获取的高分辨率岩芯, 重建了近620 ka以来区域表层海水剩余氧同位素(δ18Osw-iv)的演变历史, 试图依据δ18Osw-iv的变化揭示区域表层海水盐度的变化过程, 继而探讨近6次冰期旋回中ITF的变化特征及其影响因素。
1 区域概况印度尼西亚群岛横跨南北半球, 该区域海水性质和动力过程受太平洋与印度洋共同影响；同时, 南北半球之间的海洋、大气过程以及东亚和印澳季风在此交汇, 造就了本区复杂多变的海洋环境和气候条件[28]。新近纪以来, 由于印澳板块北移与欧亚板块持续碰撞, 使得该区域从被动大陆边缘转变为碰撞汇聚带, 产生了众多的海岛、海槽及活跃的火山地震活动带, 并形成多个海盆和海峡通道[29~30]。其中帝汶海位于澳大利亚西北、帝汶岛东南, 西侧为印度洋、东侧为阿拉弗拉海, 其北部的帝汶海槽水深可达3000 m以上, 是ITF进入印度洋的主要通道之一[31]。
北太平洋西边界流的南向分支——棉兰老流与新几内亚沿岸流及新几内亚潜流在苏拉威西海东部、马鲁古海北部相遇后, 部分水体进入苏拉威西海成为ITF的源头[32]。ITF由苏拉威西海穿过望加锡海峡后, 部分通过龙目海峡直接进入印度洋, 另一部分则进入班达海和佛洛里斯海, 然后再通过翁拜海峡和帝汶海通道进入印度洋[33]。此外, 来自南太平洋的深层水经利法马托拉海峡进入班达海, 而源自南海的表层水经卡里马塔海峡进入佛洛里斯海, 两者最终都混合到ITF之中[34~35](图 1)。ITF以温跃层输运为主, 主要特征是低盐, ITF表层流在经过望加锡海峡南端及爪哇海时会受到河流输入及南海表层水的影响, 导致其水体盐度下降[36]。通过龙目海峡、翁拜海峡及帝汶海通道的ITF总流量约为10~20 Sv, 其中帝汶海通道处的流量可达7~8 Sv[33~34, 37]。
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图 1 印度尼西亚穿越流示意图[35]以及U1482和文中涉及的其他站位 MC:棉兰老流；NECC:北赤道逆流；NGCC:新几内亚沿岸流；SCSTF:南海穿越流；SJC:南爪哇流；ITF:印尼穿越流；LC:鲁汶流 Fig. 1 Schematic ocean currents in the region[35], and the locations of the core U1482 and other published cores mentioned in this paper. MC:Mindanao Current; NECC:North Equatorial Counter Current; NGCC:New Guinea Coastal Current; SCSTF:South China Sea Throughflow; SJC:South Java Current; ITF:Indonesian Throughflow; LC:Leeuwin Current |
据Ocean Date View绘制[38]的研究区域月平均SST在南半球夏季(1月)最高, 约为29.6 ℃, 冬季(7月)最低, 约为27.7 ℃, 年均在28.1 ℃左右[39]；海表盐度(Sea Surface Salinity, 简称SSS)1月约为34.77 psu, 7月略低, 约为34.46 psu, 年均为34.45 psu[27](图 2)。1939年至今的风场观测和再分析资料表明, 研究区1月盛行西北风, 7月盛行东南风[40](图 2)。在该风场控制下, 相邻的澳大利亚西北部为典型的季风气候, 年均降水量约500~600 mm, 主要集中在11月至次年3月[41]。区域年均蒸发量较高, 约为1750 mm[41]。区域内较大的入海河流主要为澳大利亚西北部的菲茨罗伊河和奥德河, 其中菲茨罗伊河的年均流量为254 m3/s, 丰水期在1~4月[41]；奥德河年均流量为636 m3/s, 丰水期从12月至次年3月[42~43](图 3)。
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图 2 区域1月和7月海表温度、盐度分布及风场模式[27, 39~40]；据Ocean Data View绘制[38](http://odv.awi.de). Fig. 2 Modern sea surface temperature[39], salinity[27] and wind pattern[40] of the study region in January and July. Maps are generated with Ocean Data View software[38](http://odv.awi.de) |
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图 3 菲茨罗伊流域月均降水和U1482站位月均海表盐度[27, 41] Fig. 3 Fitzroy River area mean monthly precipitation at Fitzroy Crossing and mean monthly SSS at Site U1482[27, 41] |
U1482(15°03.32′S, 120°26.10′E；水深1446 m)位于澳大利亚西北海域Browse盆地西北翼的斯科特高原之上。该钻孔由IODP 363航次于2016年钻取, 最大取芯长度为535.86 m[44]。本研究选取由U1482A、B、C这3个孔整合而成的岩芯(core composite depth below sea floor, 简称CCSF)的上部42.48 m岩芯, 其岩性为富含有孔虫的钙质软泥, 3~12 m之间存在较明显的生物扰动和软沉积变形, 取样间隔为20 cm, 共获取样品226份[44]。
样品前处理采用标准的微体古生物学方法, 每个层位取干样7 g左右, 加入适量蒸馏水和3 %的过氧化氢溶液(H2O2)浸泡48 h以上, 待样品充分分散后用孔径63 μm标准筛反复冲洗, 之后将大于63 μm的组分烘干、称重并收集以供挑选浮游有孔虫壳体进行氧碳同位素和Mg/Ca比值测试。
挑取粒径在250~350 μm之间、完整和表面洁净的Trilobatus sacculifer壳体15枚左右, 进行氧碳稳定同位素分析。T.sacculifer壳体经压碎、在实体显微镜下初步剔除杂质后, 加入适量3 % ~6 %的H2O2浸泡, 之后再依次加入丙酮(CH3COCH3)、超纯水超声清洗, 最后烘干上机测试。氧碳同位素分析利用中国科学院海洋研究所的GV Iso Prime型稳定同位素质谱仪完成, 通过NBS18标准校正为PDB标准, 氧同位素的分析精度优于0.06 ‰ (1σ)。
T.sacculifer的Mg/Ca比值测试同样挑选粒径在250~350 μm之间、完整洁净的壳体25枚左右。将其压碎后, 在实体显微镜下剔除杂质, 清洗流程参照Barker等[45]的方法进行。Mg/Ca比值测试利用中国科学院海洋研究所的Thermo iCAP 6300 Radial型电感耦合等离子发射光谱仪完成, 标样和重复样分析结果显示测试的相对标准偏差优于0.78 %。
T.sacculifer的Mg/Ca比古温度估算采用Anand等[46]通过沉积物捕获器样品建立的经验公式: Mg/Ca=0.347×exp(SST×0.09), 误差为±1.2 ℃。该公式适用于印尼海区, 且温度估计结果受盐度干扰较小, 无需进行盐度校正[46~47]。浮游有孔虫壳体的氧同位素主要受控于海水氧同位素组成和壳体钙化时的温度, 故可通过有孔虫壳体的δ18O和Mg/Ca温度估算地质历史时期的海水氧同位素(δ18Osw)[48~50]。而冰期旋回中的δ18Osw主要受全球冰量和局地水文条件控制, 因此去除δ18Osw中的全球冰量信号后得到的δ18Osw-iv可指示当地的水文变化[51]。对现代水文资料的研究表明, δ18Osw-iv与盐度呈现线性正相关关系[52~53]。同时, 模拟结果也表明, 在时间及空间上, 印度洋及热带太平洋地区的海水盐度与海水氧同位素组成保持相对稳定的线性关系[54]。所以, 海水剩余氧同位素可以指示区域海水盐度的变化。首先据Bemis等[48]的经验公式估算获得δ18Osw, 然后利用Bintanja等[55]的代表全球冰量变化的海水氧同位素数据, 来估计过去的区域δ18Osw-iv变化, 继而反演区域海水盐度的演变。
频谱分析采用∅yvind Hammer开发的PAST统计软件, 该程序中集成的REDFIT模块可对不等间隔的环境指标序列进行单变量频谱分析, 并有效降低“红噪”现象[56~57]。滤波分析利用Li等[58]、Kodama和Hinnov[59]开发的ACYCLE时间序列分析程序, 采用高斯带通滤波进行, 中心频率采用REDFIT的频谱分析结果。年龄框架的建立使用了Lisiecki等[60]所开发的曲线匹配软件Match。
3 结果 3.1 T.sacculifer δ18O及年龄模式U1482岩芯上部0~42.48 m中T.sacculifer壳体的δ18O变化显示了清晰的冰期-间冰期旋回, 变化范围在-2.42 ‰ ~-0.18 ‰之间, 平均值为-1.17 ‰ (图 4)。MD01-2378岩芯位于帝汶海西部, 距离U1482站位仅250 km左右[61]。对比U1482岩芯中T.sacculifer的δ18O与MD01-2378岩芯记录中的底栖有孔虫Planulina wuellerstorf[61]和浮游有孔虫Globigerinoides ruber[62]的δ18O值, 可以发现三者的变化趋势一致, 故可利用U1482岩芯中T.sacculifer的δ18O记录进行氧同位素分期和建立年龄模式(图 4)。更新世早中期, 浮游有孔虫粉红色G.ruber(pink)曾广泛存在于世界各大洋暖水中, 但在距今120 ka时, G.ruber(pink)突然在印度洋和太平洋中绝灭, 该演化事件是热带太平洋和印度洋地区可靠的地层学标志, 其末现面(Last Appearance Datum, 简称LAD)年龄大约为120 ka左右[63~64]。
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图 4 U1482岩芯T.sacculifer氧同位素、MD01-2378岩芯底栖和浮游有孔虫氧同位素[61]及LR04标准氧同位素曲线[62]；黑色三角为粉红色G.ruber末现面, 数字代表海洋氧同位素阶段(MIS) Fig. 4 T.sacculifer δ18O from core U1482, benthic and planktonic foraminifers δ18O from core MD01-2378[61] and curve of LR04[62]. Black triangle is the LAD of G.ruber (pink), numbers represent Marine Isotope Stage(MIS) |
U1482岩芯上部3.3~12.4 m存在明显的生物扰动和软沉积变形, 浮游有孔虫鉴定统计结果发现, 在3.2 m和12.4 m处有两个可能的G.ruber(pink)末现面。结合有孔虫氧同位素曲线、以及自然伽马、亮度等船测数据和航次报告分析表明3.2~8.2 m之间G.ruber(pink)的出现可能是由于生物扰动和软沉积变形导致, 12.4 m处是G.ruber(pink)的真正末现面[44, 64]。U1482岩芯上部42.48 m的年龄模式主要基于浮游有孔虫T.sacculifer的δ18O分析结果与LR04标准氧同位素曲线对比得到的13个氧同位素年龄控制点和12.4 m处的G.ruber(pink)末现面年龄(约120 ka), 使用Match进行比对建立[62~63](表 1)。据此年龄模式, 岩芯上部42.48 m保存了近6个冰期旋回的沉积记录, 底部年龄约为620 ka, 20 cm取样间隔的平均分辨率约为3 ka(图 4)。620 ka以来T.sacculifer的δ18O最大值(-0.18 ‰)出现在MIS6的134 ka左右, 最小值(-2.42 ‰)出现在岩芯顶部。冰期终止期的δ18O最大变幅发生在MIS 12/11转换期, 在433~405 ka期间δ18O从-0.39 ‰快速降低到-2.29 ‰。
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表 1 U1482孔的年龄控制点 Table 1 Age controlling points of core U1482 |
620 ka以来, 浮游有孔虫T.sacculifer的Mg/Ca比值在2.91~4.55 mmol/mol之间, 平均值为3.50 mmol/mol, 岩芯顶部为3.98 mmol/mol。相应的Mg/Ca-SST变化范围为23.6~28.6 ℃, 平均值为25.6 ℃, 岩芯顶部估计的SST为27.1 ℃, 接近于区域现代表层海水温度。SST的最低值23.6 ℃出现在MIS 6期(187 ka), 最高值28.5 ℃出现在MIS 9期(333 ka)(图 5)。
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图 5 U1482岩芯的δ18O、Mg/Ca-SST和δ18Osw-iv记录 Fig. 5 δ18O, Mg/Ca-SST and δ18Osw-iv records in core U1482 |
利用Bemis等[48]和Bintanja等[55]估算δ18Osw的经验公式和代表全球冰量变化的海水氧同位素数据, 得到的表层海水δ18Osw-iv变化范围为-0.6 ‰ ~1.0 ‰, 其最低值-0.6 ‰出现在MIS 6期的187 ka左右, 最高值1.0 ‰出现在MIS 15期的613 ka左右(图 5)。表层水的δ18Osw-iv变化呈现出明显的冰期低、间冰期高的特征[65]。频谱分析结果显示, 在95 %的置信区间上, δ18Osw-iv的演变具有显著的斜率(40 ka)和岁差周期(23 ka), 此外还存在较弱的79 ka周期(图 6)。
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图 6 U1482和ODP806岩芯δ18Osw-iv频谱分析结果[66]；虚线代表 95 %的置信区间 Fig. 6 Spectral analyses results of δ18Osw-iv from core U1482 and ODP806. Dotted lines stand for the 95 % confidence levels |
现代气候条件下, 澳大利亚西北部年均降水量仅为500~600 mm, 且该区域和帝汶岛入海河流的汇水面积较小, 难以形成大规模的淡水注入, 导致澳大利亚西北海域存在近岸高盐带(图 2)。现代观测资料显示区域降水呈现明显的季节性, 多集中在12月至次年3月, 但U1482站位的盐度低值却出现在6月至8月, 说明区域降水不是研究区盐度变化的主要控制因素[27](图 2和3)。区域风场观测资料和模拟结果显示, 12月至次年3月, ITCZ南移, 到达印尼群岛附近, 在西北风的驱动下, 来自南海的低盐水体会通过卡里马塔海峡到达望加锡海峡南端, 形成“淡水塞”, 从而抑制ITF表层流, 但温跃层流则相对加强, 导致帝汶海出口处SSS变高[27, 35]。6月至8月期间, ITCZ北移, 到达东亚大陆, 研究区盛行东南风, 一方面阻碍了“淡水塞”的形成, 另一方面则加大西太平洋与东印度洋间的海表动力高度差, 从而促使ITF表层流增强, 导致研究区的SSS降低[35, 67]。可见, 大气降水及澳大利亚西北部的河流输入不是区域盐度季节性变化的主要影响因素, 其主要与盛行风向及ITCZ的迁移相关。
对帝汶海及澳大利亚西部海域两个沉积物柱状样及40个表层沉积物样品的Sr、Nd、Pb同位素分析结果显示, 90~5 ka期间其物源主要为印尼群岛[68]。同时, 邻近的MD01-2378岩芯中粘土粒级碎屑的Sr、Nd、Pb同位素记录也指示在MIS3期, 来自印尼群岛的物质贡献要大于澳大利亚[69]。可见, 至少末次冰期以来研究区可能一直处在ITF的影响之下。620 ka以来, U1482岩芯中δ18Osw-iv的变化表现出显著的23 ka周期, 这也得到了帝汶海东部MD98-2172岩芯中δ18Osw-iv频谱分析结果的支持[70], 说明该区域表层海水的盐度变化明显受到岁差作用的影响(图 6), 反映了海水盐度变化的频谱特征。大量研究同样表明, 岁差是控制低纬季风的主导因素之一[12, 61]。轨道尺度上, 岁差通过影响南北半球的太阳辐射强度, 进而控制ITCZ的南北位移, 而研究区域东南信风和西北季风的相对强弱与南半球夏季的ITCZ位置密切相关[22]。U1482岩芯δ18Osw-iv的23 ka滤波结果与北南半球的太阳辐射差值呈现了显著的正相关关系, 而与中国石笋δ18O记录的东亚夏季风的变化则呈现了相反的变化趋势(图 7)。这一结果指示ITCZ北移时, 东亚夏季风增强、研究区处于东南信风控制之下, U1482站位的盐度处于高值；而ITCZ南移到印尼群岛时, 东亚夏季风减弱、U1482站位处的盐度降低[74~76]。
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图 7 U1482岩芯δ18Osw-iv及其滤波结果与全球海平面变化等其他气候指标的对比 (a)地球轨道岁差[71]；(b)中国石笋δ18O及23 ka滤波[72]；(c)U1482岩芯δ18Osw-iv及23 ka滤波；(d)MD01-2378岩芯F1因子值[61]；(e)15°N及15°S的南半球夏季太阳辐射[71](蓝色: 15°N, 金色: 15°S)；(f)MD06-3047岩芯δ18Osw-iv[73]；(g)全球相对海平面高度[55] Fig. 7 Comparison of δ18Osw-iv records and its band-pass filter result from core U1482 with global sea level changes and other paleoclimate records. (a)Orbital precession[71]; (b)Original and band-pass filter of Chinese caves δ18O[72]; (c)Original and band-pass filter of δ18Osw-iv from core U1482; (d)The F1 values from core MD01-2378[61]; (e)The austral summer insolation at 15°S and 15°N[71](blue:15°N, golden:15°S); (f)The δ18Osw-iv from core MD06-3047[73]; (g)Global relative sea level[55] |
岁差处于高值时, 南半球低纬地区太阳辐射相对增强, ITCZ位置南移, 印尼群岛的降水增多, 同时导致研究区域西北季风盛行；盛行的西北季风促使来自南海的低盐水体进入望加锡海峡南端与源自爪哇岛等的河流淡水一起形成“淡水塞”, 与季节变化不同, 较长时间尺度上的“淡水塞”可能会造成ITF表层流的盐度显著下降[22~23]。而岁差低值期, ITCZ北移、区域受东南信风控制, 印尼群岛降水减少和南海低盐水体难以向东南方向输送, 继而难以形成“淡水塞”, 使得ITF表层流可以不受阻碍地通过望加锡海峡, 导致ITF的表层流受到的改造减小, 保持相对高盐的特征, U1482站位处出现盐度高值；同时, 加强的东南信风会显著增加西太平洋与东印度之间的海表动力高度差, 导致ITF表层流增强[24], 也使得U1482站位处盐度相对上升[72]。帝汶海西部的MD01-2378岩芯记录显示, 近460 ka来区域古生产力变化呈现了显著的23 ka周期, 其中指示生产力的底栖有孔虫种属统计指标F1与U1482岩芯记录的盐度变化呈明显的正相关, 也指示区域受东南信风控制时, 生产力出现高值、U1482站位处海水盐度升高[61](图 7)。MD98-2172的δ18Osw-iv记录表明, 帝汶海东部末次冰期以来的表层海水盐度同样为ITF所控制, 也呈现出东亚夏季风增强时, 海水盐度增高的特征, 岁差对U1482处的盐度的影响可能是通过ITF传递的[70]。因此, 岁差驱动下ITCZ的南北位移和盛行风向变换引起的ITF水体结构与强度的改变可能是620 ka以来U1482岩芯记录中δ18Osw-iv在岁差周期上变化的主导因素。
近620 ka以来, U1482岩芯中δ18Osw-iv的演变也具有较为显著的79 ka周期(图 6), 这可能指示了海平面变化对区域盐度的影响。冰期旋回中的海平面升降会影响印尼海众多海峡的连通性, 继而对ITF的强度与结构产生显著的作用。当海平面大幅度下降时, 连通西太平洋和东印度洋的海峡通道变浅, 较为低盐的ITF表层流可以顺利抵达研究区, 使得U1482站位处盐度降低、δ18Osw-iv出现低值；而高海平面时期, 来自南海的低盐水体在望加锡海峡南端形成“淡水塞”, 抑制了ITF表层流, 使得研究区的水体盐度相对升高、δ18Osw-iv呈现为高值, 从而令U1482岩芯中δ18Osw-iv呈现冰期低、间冰期高的特征。研究显示, 800 ka以来冰消期的出现及其相关的海平面变化的典型周期为80 ka或120 ka[77~79]。因此, 冰期/间冰期转换中海平面升降导致了ITF关键通道地理条件的变化, 而其引起的ITF结构和强度的周期性波动可能是U1482站位处δ18Osw-iv指示的盐度出79 ka周期性变化的主导因素。
4.2 南半球经向温度梯度对SSS的可能影响现代观测发现U1482站位所在的帝汶海主要由经望加锡和利法马托拉海峡进入的北太平洋水体所占据[80], 但其西部及澳大利亚西北海域的水体性质同时也受到西澳大利亚流(Western Australia Current, 简称WAC)和印度洋副热带高盐水体(South Indian Central Water, 简称SICW)的影响[81]。对该海域大范围的粘土矿物的研究发现, 14°S两侧粘土矿物组成明显不同, 南侧以高岭石为主, 北侧则以绿泥石为主；区内沉积物以14°S为界粘土矿物组成的显著差异指示这些粘土矿物输运水体的不同[81~82]。现代水文观测也显示, 南向的来自ITF的低盐水体与源自SICW和WAC的高盐水体在14°S左右形成显著的34.5 psu盐度锋面[83~84], 该盐度锋面位置在地质历史时期上的变动会显著影响研究区的盐度变化。
U1482岩芯中δ18Osw-iv的变化表现出了较为显著的40 ka斜率周期, 这与位于ITF源区MD06-3047岩芯中的δ18Osw-iv、其路径上MD01-2378岩芯中的古生产力指标、以及西太暖池区ODP806岩芯中δ18Osw-iv记录明显不同[61, 66, 73, 85]。U1482岩芯中δ18Osw-iv的40 ka周期强度要显著大于23 ka周期, 而ODP806岩芯中40 ka与23 ka周期的强度则基本相当(图 6), MD01-2378岩芯的生产力指标中仅有F1值存在较弱的40 ka周期[61], MD06-3047中δ18Osw-iv中的40 ka周期同样较弱[73]。上述差异表明U1482岩芯的δ18Osw-iv在40 ka周期上除继承了ITF源区西太暖池的海水δ18Osw-iv变化特征和受到ITF路径上的改造作用之外, 其他因素对其也可能产生了显著影响。
在斜率周期上, 当地球轨道斜率处于低值时, U1482岩芯的δ18Osw-iv也处于低值[71](图 8)。数值模拟研究表明, 地球轨道斜率降低时, 低纬地区太阳辐射量增加而高纬地区减少, 这使得地表经向温度梯度升高, 经向上的大气斜压性增大, 中纬度地区的夏季斜压涡也会增强, 促使低纬地区向中高纬地区的热量输送增加[86~88]。ITF及其余流作为东印度洋向极输运的主要暖流, 在斜率降低、南半球经向大气斜压性增强的情况下, 其向南半球中高纬地区的物质及能量输运增强。低盐的ITF输运的增强导致研究区盐度下降, 表现为斜率低值对应该海区的盐度低值。地球斜率对南半球大气环流的影响也表现在140 ka年以来澳大利亚艾尔湖湖平面变化所反映的降水记录上[89]。当地球轨道处于高斜率、低岁差状态时, 澳大利亚北部所接受的太阳辐射增多, 而南半球中纬度地区接受的太阳辐射减少, 导致澳大利亚北部相对中纬度地区显著升温, 气压降低, 其接受的季风降水增多, 相关湖泊处于高湖平面状态[89]。
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图 8 U1482岩芯δ18Osw-iv及其40 ka滤波结果与地球轨道斜率[71]、EDC冰芯δD和40 ka滤波结果[90]的对比 Fig. 8 Comparison of δ18Osw-iv records from U1482 with other paleoclimate records. Orbital obliquity[71]; original and band-pass filter of δD record from EDC[90]; original and band-pass filter of δ18Osw-iv from core U1482 |
对比U1482岩芯的δ18Osw-iv、南极EDC冰芯δD记录和其40 ka滤波结果可以发现, 当地球轨道斜率为低值时, EDC冰芯δD记录和U1482岩芯的δ18Osw-iv均处于低值[90](图 8)。斜率降低时南极地区受到的太阳辐射减少、温度显著下降, 南半球高低纬间的温度梯度加大, 经向上的大气斜压性增强, 这可能促进了ITF向南半球高纬海区的物质和能量输运, 导致研究区南侧的高盐水体难以北进, 盐度锋线南移, 使得U1482站位处的盐度降低, 出现δ18Osw-iv低值。可见, 与地球轨道斜率相关的南半球高低纬间温度梯度的周期性波动也可能显著影响了ITF及其余流向南半球高纬海区的温盐输运。
5 结论ITF作为沟通太平洋和印度洋的重要通道, 其变化显著影响着相关海区的水文及气候变化。通过对位于ITF帝汶海出口处的U1482岩芯中浮游有孔虫T.sacculifer壳体的氧同位素和Mg/Ca分析, 并使用氧同位素年龄控制点和G.ruber(pink)末现面建立了U1482岩芯上部42.48 m的年龄框架, 重建了620 ka以来SST和δ18Osw-iv的演变。近6次冰期旋回中δ18Osw-iv的变化呈现出冰期低、间冰期高的特征, 其变化也呈现了显著的岁差(23 ka)和斜率(40 ka)周期以及相对较弱的79 ka周期。岁差处于低值时, 区域受控于东南信风, ITF表层流所受的改造较小, 研究区出现相对较高的盐度值。岁差高值时, 区域受控于西北季风, 淡水注入增多, ITF表层流所受改造较大, 研究区出现较低的盐度值。冰期旋回中岁差驱动下ITCZ的南北位移及区域盛行风向的变换, 导致望加锡海峡南端“淡水塞”发育状况产生周期性变化, 使得ITF水体特征发生改变, 从而主导了δ18Osw-iv指示的区域表层海水盐度在23 ka岁差周期上的演变。同时, 与冰期旋回中海平面升降相伴的ITF通道连通性的变化导致ITF水体结构与强度出现周期性变化, 继而影响了区域盐度, 使得δ18Osw-iv的演变显示了较弱的79 ka周期。此外, 地球轨道斜率控制下南半球高低纬间温度梯度的变化可能导致了ITF低盐水体向南半球高纬海区的输运呈现出40 ka的周期性变化, 继而影响到区域盐度的演变。当斜率处于低值时, 低纬地区的太阳辐射增加而高纬地区减少, 使得地表经向温度梯度升高, 经向上的大气斜压性增大, ITF的向极输运增加, 使得出现盐度低值。而轨道处于高值时, 地表经向温度梯度减小, 经向上的大气斜压性减小, 使得ITF的向极输运减小, 出现盐度高值。地球轨道斜率对太阳辐射分布的影响作用到高低纬间的温度梯度, 从而使得南半球经向上的大气斜压性发生变化, 进而影响ITF的向极输运。
致谢: IODP 363航次科学家及工作人员为本研究提供了宝贵的样品, 中国科学院海洋研究所海洋地质与环境实验室的姜明玉和丁雅梅两位老师在样品测试过程中提供了众多指导和帮助, 在此表示衷心感谢。同时, 特别感谢两位审稿专家和编辑老师在文章投稿过程中提出的许多严谨和富有建设性的意见及建议。
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,
Chang Fengming1,3,4
,
Li Tiegang2,4,5,
Sun Hanjie1,3,4,
Nan Qingyun1,3,4,
Liu Tianhao1,2,
Wang Jia1,2,
Qian Fang1,2
Abstract
The Indonesia Throughflow(ITF), which regulates the water and heat exchange between the Pacific Ocean and Indian Ocean, has significant influence on the recent climate and environments in the Indo-Pacific region. Also, it exerted a crucial role in the evolution of regional hydrological conditions during the past times. However, most of the existing studies on the changes of the ITF in geological history are limited to the last glacial period with insufficient knowledge on its evolution over multiple glacial cycles.International Ocean Discovery Program(IODP)Site U1482(Expedition 363), 535.86 m core composite depth below seafloor(CCSF)in length, is located on the Scott Plateau off the northwest Australian margin at 15°03.32'S, 120°26.10'E and 1466 m below sea level. The site is within the prominent hydrographic front between subtropical water mass in the Eastern Indian Ocean carried northward by the West Australian Current and the tropical waters from the ITF, which makes it suitable for reconstructing the variations of the ITF outflow into the Indian Ocean in the past glacial-interglacial cycles.In this work, the upper 42.48 m CCSF of Site U1482, with lithology dominated by foraminifera-rich nannofossil ooze, was used to reconstruct the seawater residual oxygen isotope(δ18Osw-iv)based on δ18O and Mg/Ca analyses of planktonic foraminifera Trilobatus sacculifer, and thus to investigate the variations in the sea surface salinity related to the evolution of the ITF over the past 620 ka. Totally, 226 samples, subsampled at intervals of 20 cm, were analyzed, providing an average temporal resolution of 3 ka. In more details, the age model was determined by 14 age tie points, derived from correlating the present δ18O curve with the standard LR04 stack as well as the last appearance of Globigerinoides ruber(pink)with a well-known age(120 ka)in the Indian Ocean.The temperature-corrected planktonic foraminiferal δ18Osw record constrains global changes in ice volume, yielding a δ18Osw-iv record that primarily reflects regional salinity. Our results indicate that the variability of δ18Osw-iv show significant precession(23 ka)and obliquity(40 ka)cycles with a weaker 79 ka-period over the past 620 ka, implying the direct responses of regional hydrological conditions to orbital changes. We suggest that the periodic fluctuations of prevailing wind and the meridional migrations of the Intertropical Convergence Zone driven by precession could influence the structure and strength of the ITF, and then the salinity in the southwest of the Timor Sea. And, the 79-ka component for the δ18Osw-iv record coincides with the periodic onset of deglaciation, indicating the considerable role of the global sea level fluctuations in the regional hydrology during the glacial cycle that determined the connectivity of the ITF channels among the Indonesian archipelagos. In addition, the variations in the meridional temperature gradient in the southern hemisphere driven by the obliquity of the Earth's orbit could also affect the southward transport of the ITF fresh water to the high-latitude areas, resulting in periodic revolutions of the regional salinity with a prominent 40-ka period during the last six glacial cycles.
表 1(Table 1)