2020, Vol.40
2 同济大学海洋地质国家重点实验室, 上海 200092)
新生代地球气候经历了复杂的演化，长趋势上以逐渐变冷为主要特征，从古新世-始新世两半球无冰的暖室气候状态，过渡到渐新世(约34 Ma)南极永久性冰盖出现，并最终进入第四纪两半球有冰的冷室气候状态[1]。自从Hays等[2]发现了浮游有孔虫δ18O记录中含有清晰的21 ka、41 ka和100 ka的周期之后，越来越多高分辨率长序列浮游和底栖有孔虫的δ18O和δ13C记录都识别出了21 ka、41 ka、100 ka和400 ka的周期[3~10]，并认为这些周期是地球气候对轨道周期驱动的太阳辐射量变化的响应[10~13]。然而这其中具体的反馈过程并不十分清楚。例如在偏心率长周期上，太阳辐射量的变化小于0.1 %，不足以驱动偏心率周期上的气候变化[13]。这表明地球气候变化并非线性响应于太阳辐射量的变化。碳循环可能在这种非线性响应和地球气候演化的过程中扮演着重要角色[14~16]。最近几十年大洋钻探提供了越来越多长时间尺度高分辨率的底栖有孔虫成对的δ18O和δ13C记录，这为探索新生代以来冰盖和碳循环与气候变化之间的关系提供了良好的研究契机。
本文旨在利用已发表的新生代底栖有孔虫δ18O和δ13C记录，通过分析两者在偏心率长周期(400 ka)上的相位关系，探索新生代以来全球冰量(及温度)与碳循环之间相互关系，为我们理解新生代以来轨道尺度的气候演化提供新视野。
1 研究方法 1.1 底栖有孔虫δ18O和δ13C的指示意义有孔虫壳体的δ18O主要反映了有孔虫在造壳时周围水体的δ18O变化，同时也受到周围海水温度控制的同位素分馏过程影响。由于海水蒸发过程中发生了同位素质量分馏，总是优先蒸发较轻的含有16 O的水分子，因此，海水中保留了更多的含有18 O的水分子；当这些蒸发的水汽以降水形式形成冰盖时，导致冰盖的δ18O偏轻，而大洋水体的δ18O偏重。因此，底栖有孔虫的δ18O可以用于指示全球冰量的变化[4]。有孔虫的δ13C可以用于指示有孔虫在造壳时水体溶解无机碳(Dissolved Inorganic Carbon，简称DIC)的δ13C(δ13CDIC)变化。由于海-气CO2交换、陆源碳输入、海洋有机质的保存与氧化、生物泵和大洋环流-水团混合的影响[16~18]，全球不同海区的δ13CDIC并不一致，有孔虫壳体δ13C的时空变化主要反映了大洋平均和区域δ13CDIC的综合信号。
1.2 时间序列分析方法相位是描述信号波形变化的度量，通常以度(角度)作为单位，也称为相位角，两个相同频率信号相位的差值即相位差。相位差可以用来评估固定频率上，两个变量在时间演化上的超前和滞后关系[19]，超前为正相位，滞后为负相位。同相位是指变量在固定频率上没有相位差，反相位是指变量在固定频率上相位差为180°，换算成时间为180°/(频率×360°)。结合气候变量之间的相关性和相位关系可以推断气候变化的动力和响应过程[19]。交叉小波、相位分析以及滤波等方法常被用来分析两个时间序列包含的周期信号以及两者之间的相互关系，可以用于评估底栖有孔虫δ18O和δ13C记录在不同轨道周期上的相关性和相位关系[17, 19]，探索冰盖和大洋碳储库在偏心率长周期上的物理关系及其对太阳辐射量变化的响应过程。
1.3 新生代底栖有孔虫δ18O和δ13C记录汇编为了避免单条底栖有孔虫δ18O和δ13C记录由于不连续、区域差异等因素可能对分析结果产生影响，本文共汇总了新生代以来10个钻孔底栖有孔虫成对δ18O和δ13C记录[3, 6~7, 9, 20~29](图 1和2，表 1)，除了45~34 Ma记录的缺失，其余时间段均有2~3套记录覆盖。不同属种底栖有孔虫的生命效应会导致δ18O和δ13C值存在偏差，本文根据已发表不同底栖有孔虫之间的δ18O和δ13C差异统一校正到Cibicidoides[30~31]。所有δ18O和δ13C记录的时间分辨率介于2~10 ka，可以满足对偏心率长周期(400 ka)的分析。
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图 1 本研究涉及站位 Fig. 1 Sites used in this study |
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图 2 新生代底栖有孔虫δ18O和δ13C记录 Fig. 2 Benthic δ18O and δ13C records across the Cenozoic |
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表 1 本研究所涉及新生代底栖有孔虫δ18 O和δ13 C记录的站位信息 Table 1 Detailed information about the benthic δ18O and δ13C records across the Cenozoic used in this study |
在已发表δ18O和δ13C记录天文年龄的基础上，将数据插值到与原始分辨率接近的整数间隔，并采用插值记录减去局部加权回归平滑(locally estimated scatterplot smoothing，简称LOESS)结果(平滑窗口为20 % ~30 %数据点)去趋势。该平滑方法是利用选取窗口内数据点的初始权重进行回归估计，权重为数值之间的欧氏距离，平滑结果和原始数据之间不会产生相位差。
本文通过交叉小波分析评估了新生代底栖有孔虫δ18O和δ13C在偏心率长周期上的相位关系。并进一步选取了古新世-始新世无冰状态、渐新世南极有冰、中中新世(包含中中新世适宜期，Middle Miocene Climatic Optimum，16.9~14.7 Ma，简称MMCO，和中中新世东南极冰盖扩张期)以及第四纪两极有冰4个典型时段的气候状态，进行了底栖有孔虫δ18O和δ13C瞬时相位和滤波分析。交叉小波和瞬时相位分析采用Grinsted等[32]提供的MATLAB软件包完成，滤波采用Analyseries2.0软件[33]完成。
2 结果新生代大部分时段底栖有孔虫δ18 O和δ13C在偏心率长周期上都具有较高的相关性，但是晚中新世到早上新世相对较弱(图 3)。整个新生代δ18Ο整体上略领先δ13C的变化(相位差为0°~90°，相当于0~100 ka)。有两个值得注意的时段。第一，在中新世(约14.5 Ma)出现了一次相位穿0。具体而言，在14.5 Ma之前δ13 C在偏心率长周期上领先δ18 O的变化，14. 5 Ma之后δ18 O领先δ13 C变化(图 3和4)。其次，上新世(约3.5 Ma)δ18 O领先δ13C的变化，相位差达到了新生代的最大值，约90°(约100 ka)(图 3和4)。
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图 3 新生代底栖有孔虫δ18O和δ13C记录的交叉小波结果 站位与表 1对应，分析采用Grinsted等[32]提供的MATLAB软件包完成；纵坐标代表周期，横坐标为年龄，单位为百万年(Ma)，黑色实线指示了大于95 %的置信区间，白色虚线代表400 ka周期；箭头向右代表δ18O和δ13C为同相位，向左带代表反相位，向上代表δ18O领先δ13C变化90°，向下代表δ18O滞后δ13C变化90°或δ13C领先δ18O变化90° Fig. 3 Coherence and cross wavelet analysis of benthic δ18O and δ13C across the Cenozoic listed in the Table 1 generated using MATLAB script provided by Grinsted et al. [32]. The y-coordinates represent the periods, the x-coordinates represent the ages, the unit is million years(Ma), the black lines indicate >95 % significance levels. Dotted white lines denote the 400 ka periods. The arrow to the right means that δ18O and δ13C are in-phase relationship; to the left is the anti-phase relationship, downward means δ18O lags δ13C changes 90° or δ13C leads δ18O changes 90° |
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图 4 ODP 849、ODP 1264/1265、IODP U1338和ODP 1262站位底栖有孔虫δ18O和δ13C记录的滤波和瞬时相位(频率=0.00249~0.00251) 蓝色线代表大于95 %的置信区间，灰色代表小于95 %的置信区间；瞬时相位分析采用Grinsted等[32]提供的软件包完成，滤波采用Analyseries V2.0软件[33]完成 Fig. 4 Instantaneous phase and band-pass filtered for the benthic δ18O and δ13C from ODP 849, ODP 1264/1265, IODP U1338 and ODP 1262, frequency=0.00249~0.00251. Blue lines and grey lines indicate the >95 % and < 95 % significance levels, respectively. Instantaneous phases were generated using MATLAB script provided by Grinsted[32]. All filters were generated using AnalySeries v2.0 software[33] |
轨道尺度上底栖有孔虫的δ18O主要反映了全球冰量和海水温度变化[4]。轨道尺度上底栖有孔虫δ13C的指示意义相对要复杂一些。现代大洋无机碳库为38000 PgC，大气碳库为589 PgC，陆地植被碳库为350~550 PgC，土壤碳库为1500~2400 PgC，永久冻土碳库约1700 PgC[34~35]。可以发现，陆地、海洋和大气碳库的差异较大。同时，这三大碳储库平均碳同位素差异较大，现代大洋无机碳储库和大气碳储库平均δ13C值约为0 ‰和-7 ‰，陆地C4植被的δ13C约为-13 ‰，C3植被的δ13C约为-25 ‰ [36~37]。现代陆地通过河流向海洋每年输入约0.9 PgC[34]，河流输入碳同位素相对于大洋平均δ13CDIC偏负。海洋中生物泵作用产生的有机碳大部分降解变成无机碳再次回到海-气无机碳系统中，少量被沉积下来(0.2 PgC/a)[34]。由于碳库大小和碳库之间碳交换通量的时空差异，导致不同气候背景下，碳循环的模式不尽相同。
3.1 古新世-始新世无冰气候状态古新世-始新世地球尚未发育冰盖[1]，底栖有孔虫的δ18O主要反映了深海水体温度变化；而渐新世南极永久性冰盖形成之后，底栖有孔虫的δ18O反映了冰量和深海水体温度的综合信号。深海温度可以通过大洋环流-水团混合快速响应太阳辐射量的变化。在无冰期，不用考虑冰盖对碳循环的强迫，大洋δ13CDIC变化主要通过与降水有关的陆源输入(包括营养盐和碳输入)、生物泵-有机碳埋藏、再矿化、甲烷水合物释放以及无机碳库滞留时间的变化等方式实现[7, 14~16, 29]。
陆地植被碳库是影响海洋碳库的一个重要因素。间冰期陆地植被量的增加(不考虑C3和C4植被类型变化)会将更多的12 C扣押在陆地上，导致大洋平均δ13CDIC偏正；相反，冰期陆地植被量的收缩再次将12 C释放并进入海-气系统，导致大洋平均δ13CDIC偏负，植被量对冰期-间冰期旋回的响应最终会促进δ18O和δ13C在偏心率周期上表现为反相位关系[18, 38]。然而，这与我们观测的古近纪无冰状态下底栖有孔虫δ18O和δ13C在偏心率周期上显示的接近同相位的关系是矛盾的。并且古植被的重建结果表明，在较暖的气候背景下(例如中中新世适宜期)陆地植被的变化对于轨道尺度上降水和温度的变化似乎并不敏感[39]。因此，陆地植被的变化不是造成古近纪偏心率周期上底栖有孔虫δ18O和δ13C接近同相位的原因。
古近纪的极热期(Hyperthermals)表现为大洋碳酸钙溶解增加，对应δ18O和δ13C的低值，并且与偏心率的极大值为同相位[40~41]。前人研究提出古近纪极热期温度的升高会强迫高纬土壤和甲烷水合物向海-气系统中释放大量碳(δ13C偏负)，可以解释大洋深部在极热期碳酸钙的溶解和δ13C偏负[10, 41~42]。进而会导致底栖有孔虫δ18O和δ13C的在偏心率周期上趋于同相位。然而该假说似乎只适用于极热事件，古近纪土壤和甲烷水合物释放的CO2是否具有轨道周期的变化，释放量是否能够引起大洋平均δ13CDIC轨道周期上变化(0.2 ‰ ~0.5 ‰)，仍有待进一步研究。
生物泵对大洋δ13CDIC的作用在于从海-气系统中抽取12 C，并在深海释放，同时小部分有机碳被埋藏在深海和浅海陆架区域[18]。暖期有机碳的埋藏增加会引起大洋平均δ13CDIC偏重，进而导致底栖有孔虫δ18O和δ13C在偏心率周期上趋于反相位关系，这与古近纪底栖有孔虫δ18O和δ13C在偏心率周期上接近同相位的关系是矛盾的；另一方面生物泵产生的大部分有机碳在大洋中会被降解释放12 C，进而可以降低大洋平均的δ13CDIC[18]。因此，暖期由于降水增加引起陆源营养输入增加会增强生物泵，可以引起大洋平均δ13CDIC降低，进而可以促进δ18O和δ13C在偏心率长周期上趋于同相位关系。因此，生物泵对于冷暖气候交替变化的响应是造成古近纪底栖有孔虫δ18O和δ13C表现为同相位关系的一个重要原因。
在古新世-始新世无冰状态下，暖期降水增加，海洋陆源输入的有机碳和无机碳增加，并且无论是河流有机碳还是无机碳的δ13C相对大洋平均δ13CDIC都偏负[43~44]；陆源碳输入可能是导致大洋平均δ13CDIC在暖期偏负的主要原因，冷期该过程减弱。因此，冷暖气候交替变化过程中降水变化导致的陆源碳输入变化可能是古近纪底栖有孔虫δ18O和δ13C表现为同相位关系的另一个重要原因。该过程表明了低纬过程的重要性，这与第四纪两极有冰气候状态下碳循环的高纬驱动形成了鲜明对比。
3.2 渐新世-中新世南极有冰气候状态始新世-渐新世之交，南极永久性冰盖形成[1]，但是渐新世-早中新世在偏心率长周期上底栖有孔虫的δ18O仍然略微领先δ13C的变化(图 3和4)，这与古新世-始新世无冰状态类似，这表明渐新世-早中新世小规模的南极冰盖似乎对碳循环的影响有限。因此，渐新世-早中新世南极有冰的状态下，底栖有孔虫δ18O和δ13C同相位关系的驱动机制与古新世-始新世无冰状态类似，主要是由于轨道强迫降水驱动的营养盐-生物泵和陆源碳输入造成的。但是值得注意的是，中中新世由于珊瑚的勃发导致中低纬海区发育了大范围的碳酸盐台地(27°S~48°N)[45~46]。中新世海平面在30~60 m之间波动[47~50]。由于生物泵的作用，大洋表层δ13CDIC相对于大洋平均δ13CDIC要偏高，这会导致珊瑚和浮游钙质生物壳体的δ13C偏重。当中新世冰期海平面下降，陆架碳酸盐向深海倾泻，会导致大洋δ13CDIC的升高；相反冰消期海平面升高使得浅海陆架区碳酸盐台地重建和δ13CDIC降低。因此，海平面升降驱动的陆架碳酸盐在冰期-间冰期的变化可能是导致中中新世偏心率周期上底栖有孔虫δ13C和δ18O表现为同相位关系的一个重要原因[16]。因此，我们推测这是中新世南极有冰与古新世-始新世无冰状态碳循环的一个重要差异。
中中新世气候适宜期，底栖有孔虫的δ13C在偏心率长周期上短暂领先δ18O的变化(图 3和4)。这是新生代唯一一段时期底栖有孔虫δ13C在偏心率长周期上领先δ18O的变化。这可能表明了轨道参数以外的强迫因素导致了碳循环和气候系统的重组，同时也推翻了蒙特利碳位移的经典假说(Monterey Hypothesis)[51]。蒙特利碳位移的经典假说认为全球变冷增加了中新世经向温度梯度，从而激发了上升流-生物泵，增加了大洋有机碳的埋藏，进而降低了大气CO2，形成正反馈机制[51]。最新研究表明，大火山岩省的喷发以及伴随的火山除气作用可能导致了大气CO2浓度上升，并入侵海-气系统和引起全球变暖[52]。而气候变化会快速响应大气CO2的突然升高，因此，在中中新世气候适宜期，底栖有孔虫δ13C在偏心率长周期上领先δ18O的变化可能是由于大量CO2入侵海-气系统所致。紧接着约13.8 Ma，东南极冰盖扩张，全球变冷[13, 38]，同时大气CO2浓度下降[53~55]，δ18O在偏心率长周期上再次开始领先δ13C的变化；这可能表明南极冰盖扩张足以通过约束大洋环流、大洋生产力以及陆地植被而进一步影响大洋无机碳库的δ13CDIC变化[16]。
3.3 上新世两极有冰气候状态到了上新世北半球大陆冰盖出现，地球气候进入了两极有冰的特殊气候状态[1]。底栖有孔虫的δ18O在偏心率长周期上领先δ13C的变化约100 ka(图 3和4)，并且相位差达到了整个新生代的最大值。两极冰盖的大幅度生长，已经深刻影响了陆地植被、大洋生产力、陆源碳输入和大洋深部环流的变化，进而影响大洋平均δ13CDIC[34, 37~38]。冰盖扩张，陆地植被向低纬收缩；陆地大量有机碳被转移至深海，导致大洋δ13CDIC偏轻[15, 41]；其次，由于冰盖扩张，深层水形成加强，并且体积增大，整个大洋环流减弱，以及南大洋的生物地球化学过程，可能导致大洋碳库的滞留时间加长[7, 15, 56]。这进一步暗示了在第四纪偏心率长周期上，大洋δ13CDIC的变化主要是由于冰盖强迫的大洋碳库的储量和滞留时间变化引起。因此，第四纪冰量的大幅度增加和温度降低是底栖有孔虫δ18O和δ13C在偏心率长周期上相位差增大的主要原因。
4 结论本文汇总了新生代以来全球10个站位高分辨率底栖有孔虫成对的δ18O和δ13C记录，分析了两者在偏心率长周期上的相关性和相位关系。结果表明新生代大部分时间段δ18O和δ13C在偏心率长周期上都具有较高的相关性，但是晚中新世到早上新世相对较弱。在偏心率长周期上，整个新生代底栖有孔虫δ18O整体上略微领先δ13C的变化，并且在第四纪相位差达到了最大值(约100 ka)。中中新世气候适宜期，底栖有孔虫的δ13C在偏心率长周期上短暂领先δ18O的变化，这是新生代唯一一段时期底栖有孔虫δ13C在偏心率长周期上领先δ18O的变化。
在古新世-始新世无冰的气候状态下，碳循环主要由太阳辐射量强迫降水驱动的营养盐-生物泵和陆源碳输入控制，使得底栖有孔虫δ18O和δ13C记录在偏心率长周期上趋于同相位。渐新世-中新世南极有冰的气候状态下，碳循环与古新世-始新世无冰状态类似，但是冰盖驱动的海平面升降引起的陆架碳酸盐的变化可能是导致在偏心率长周期上底栖有孔虫δ18O和δ13C趋于同相位的另一个重要原因。在中中新世适宜期，δ13C短暂领先δ18O的变化可能是由于火山除气作用导致CO2大量入侵海-气系统导致；中新世东南极冰盖扩张之后，底栖有孔虫δ18O在偏心率长周期上再次领先δ13C的变化，并且相位差逐渐增大；表明东南极冰盖扩张足以通过影响大洋环流、陆地植被、陆源碳输入和大洋生产力等方式进一步驱动大洋碳循环和气候变化。上新世以来底栖有孔虫δ18O在偏心率长周期上领先δ13C变化达到了新生代的最大值(约100 ka)，表明两极冰盖的大幅度生长，通过约束陆地植被、陆源输入和大洋环流-水团混合已经深刻影响了全球碳循环、大洋碳库的储量和滞留时间变化，导致底栖有孔虫δ18O和δ13C在偏心率长周期上的相位差增大。
致谢: 感谢匿名审稿专家和编辑部杨美芳老师提出的宝贵修改意见。
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2 State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092)
Abstract
The Earth's climate has experienced an ice-free world, ice-sheet at the Antarctic, and the bipolar glaciation world in sequence. This provides a unique opportunity for us to explore the mechanism of the Earth's climate evolution under different backgrounds during the Cenozoic. To explore the relationship between climate, ice-sheets, and the carbon cycle on the long eccentricity band(400 ka), we compiled coupled benthic δ18O and δ13C records across the Cenozoic from ten sites in the global ocean and analyzed the phase relationships between them on the long eccentricity band using the cross wavelet, instantaneous phase, and filters methods. The results show that benthic δ18O and δ13C records have a high correlation for the Cenozoic except for the time interval between Late Miocene and Early Pliocene. The benthic δ18O records lead slightly δ13C variation on the 400 ka band during the Cenozoic. During the Paleocene-Eocene ice-free world, the carbon cycles on the long eccentricity band were dominated by the nutrient-biological pump and terrestrial carbon input to the ocean caused by the precipitation variation regulated by the orbital parameters. This process emphasizes the effect of the low-latitude on the carbon cycle. Under the Oligocene-Miocene with Antarctic ice-sheet world, the phase relationship between the benthic δ18O and δ13C records is similar to that of Paleocene-Eocene. This suggests that the Antarctic ice-sheet has a limited impact on the carbon cycle and climate change. In addition, the glacial-interglacial variation of carbonate on the shelf resulted from the sea level changes linked with the ice-sheet is a vital factor, which leads to the in-phase relationship between the benthic δ18O and δ13C records on the long eccentricity band during the Middle Miocene. During the Middle Miocene Climatic Optimum, the benthic δ13C records lead the δ18O during a brief interval, which is mainly resulted from the massive CO2 invasion into the sea-air system associated with volcanic degassing. Following the East Antarctic ice sheet expansion at about 13.8 Ma, the δ18O leads the δ13C variations again and the phase difference is gradually increasing. This indicates that the expansion of the Antarctic ice sheet is enough to affect the carbon cycle through regulating the ocean circulation, sea level, productivity, terrestrial carbon input, and land vegetation variations. The phase difference has researched the maximum(100 ka) during the whole Cenozoic, indicating the growth of the bipolar ice sheets have profoundly affected the changes in land vegetation, ocean productivity, and deep ocean water mass, hence the carbon cycle and climate change.