新生代环境变化最显著的特点是早始新世以来长期降温,并伴随大气CO2浓度降低、两极冰盖出现和扩张,从“温室地球”演变为“冰室地球”(Zachos et al., 2001)。现有地质证据表明,新生代长期降温主要是由大气CO2浓度的持续降低引起(Beerling and Royer, 2011)(图1C)。但什么原因导致CO2浓度降低,仍然是古气候研究的重要科学问题。
从长尺度碳循环角度来看(百万年时间尺度),岩浆活动的去气作用与大陆硅酸盐化学风化消耗的CO2通量整体上维持动态平衡,调控大气CO2浓度(Berner and Caldeira, 1997)。新生代持续降温,导致大陆化学风化减弱,向海洋输送的碱度通量降低,最终会促使海洋碳酸盐补偿深度(CCD)变浅以维持海洋的碱度平衡。然而,深海碳酸盐沉积记录显示:早始新世以来,伴随全球持续降温,CCD加深了~1 km(图1D)。如何调和大气CO2浓度、大陆风化和CCD变化之间的关系,是新生代碳循环研究的一个难题。
图1 新生代温度、δ13C、CO2浓度和各洋盆CCD集成曲线(Komar and Zeebe, 2021)
Raymo and Ruddiman(1992)基于海水锶同位素记录提出著名的“构造抬升-风化”假说:认为青藏高原隆升促使大陆硅酸盐风化加强,消耗大气CO2,同时向海洋输送的碱度通量增加,CCD加深。这一假说虽然能很好地调和新生代以来CO2浓度、大陆风化和CCD变化之间的关系,但却和许多地质事实不符,受到质疑。其一,考虑到地球深部去气速率在新生代并未发生显著变化,大陆风化增加势必导致碳源和碳汇的不平衡,这种不平衡在百万年时间内就会消耗掉所有的大气CO2(Berner and Caldeira, 1997);其二,大陆风化通量的增加会向海洋输送大量磷等营养物质,但新生代海洋的磷沉积速率并未增加(Delaney and Filippelli, 1994);其三,海洋10Be/9Be证据表明晚新生代以来全球硅酸盐风化通量并没有明显变化(Willenbring and von Blanckenburg, 2010)。这些记录事实上表明,尽管造山带隆升确实会导致抬升区域风化剥蚀的加强,但全球化学风化通量并未发生显著变化。
如果大陆化学风化通量不变,如何解释新生代大气CO2浓度降低以及CCD的加深?1997年,Kump和Arthur曾为这一问题提出一个新的概念模型:保持风化剥蚀通量恒定,增加硅酸盐风化效率(weatherability)可以更有效地吸收碳,从而降低CO2浓度。但该方案缺少定量化模型模拟和地质数据的对比分析来加以佐证,而且难以解释风化与CCD加深之间的解耦关系。
最近,夏威夷大学海洋与地球科学与技术学院Nemanja Komar研究团队在Kumpand Arthur(1997)研究的基础上,通过海洋-大气沉积碳储库长期耦合模型LOSCAR和碳循环模型GEOCARB,结合地质数据,对新生代大气CO2浓度、风化和CCD进行综合模拟(Komar and Zeebe, 2021),成功解释了新生代大气CO2浓度、风化和碳酸盐补偿深度的关系。相关成果发表于Science Advances。
(1)温度对海洋有机物矿化速率的影响是调控碳循环的关键因素,这一点在新生代暖期时尤为突出。温度对海洋有机物的影响主要体现在两个竞争方面,一是增温有利于提高海洋初级生产力,导致输出生产力的增加;二是温度越高,有机物在水体中的分解速率越快。新生代温暖期,高温更有利于有机物的矿化分解,最终导致有机碳净埋藏通量减少(图2A),大气CO2浓度增加。在模型中考虑温度的竞争效应能很好地模拟出新生代pCO2和d13C的变化趋势。
(2)在大陆风化剥蚀通量基本不变的前提下,通过改变海洋碳酸盐在大陆架和深海的埋藏比例,可以实现风化与CCD变化之间的解耦(图2)。早新生代温暖期(图2A),两个因素提高了大陆架碳酸盐的埋藏通量。一是该时期两极冰盖尚未形成,加之温度的热膨胀效应,海平面较高,大陆架面积增加,碳酸盐在大陆架的沉积通量显著提高;二是暖期海洋钙化生物的物种多样性和丰度均较高,有利于增加大陆架碳酸盐的埋藏通量。因此,在风化通量不变的前提下,为了维持海洋的碱度平衡,CCD势必变浅,深海沉积碳酸盐通量减少。而晚新生代持续降温和两极冰盖的形成,导致海平面降低、钙化生物物种多样性和丰富度减少,碳酸盐埋藏位置由大陆架转移到深海,CCD加深(图2B)。
图2 新生代海洋碳循环模型概念图
综合考虑硅酸盐风化效率、温度效应和碳酸盐埋藏位置,该模拟结果与地质记录呈现出非常好的一致性(图3)。该研究首次将新生代碳循环的关键部分定量联系起来,提出硅酸盐埋藏位置的变化是新生代CCD变化的主因。这一结论使得“构造抬升-风化”假说的核心受到质疑。
图3 综合模拟结果与地质记录对比(Komar and Zeebe, 2021)
【致谢:感谢孙继敏研究员对本文提出的宝贵修改建议。】
主要参考文献
Beerling D J, Royer D L, Convergent cenozoic CO2 history[J]. Nature Geosciences, 2011, 4: 418–420.
Delaney M L, Filippelli G M, An apparent contradiction in the role of phosphorusin Cenozoic chemical mass balances for the world ocean[J]. Paleoceanography, 1994,9: 513–527.
Komar N, Zeebe R E. Reconciling atmospheric CO2, weathering, and calcite compensation depth across the Cenozoic[J]. Science Advances, 2021,7: eabd4876.(原文链接)
Kump L R, Arthur M A. Tectonic Uplift and Climate Change[M]. Springer, 1997: 399–426.
Raymo M E, Ruddiman W F. Tectonic forcing of late Cenozoic climate[J].Nature, 1992, 359(6391): 117-122.
Willenbring J K, von Blanckenburg F. Long-term stability of global erosion rates and weathering during late-Cenozoic cooling[J].Nature, 2010, 465(7295): 211-214.
Zachos J, Pagani M, Sloan L, et al. Trends, rhythms, and aberrations in global climate 65 Ma to present[J].Science, 2001, 292(5517): 686-693.
(撰稿:陈祚伶/新生代室)
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SA:协调新生代大气CO2浓度、风化和碳酸盐补偿深度
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