《中国科学院海洋研究所研究揭示南极冰盖形成期全球变冷驱动了东亚夏季风减弱》

  • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者: liguiju
  • 发布时间:2023-11-20
  • 近日,国际地学自然指数(Nature Index)期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth《地球物理研究杂志-固体地球》在线刊发了中国科学院海洋研究所万世明研究团队与南京大学、美国德州农工大学合作的最新研究成果“Global cooling-driven summer monsoon weakening in South China across the Eocene-Oligocene transition”。研究人员基于南海北部始新世-渐新世沉积物中的磁性矿物特征研究,揭示了磁性矿物对气候变化的响应过程,发现东亚夏季风在始新世-渐新世气候转型期间受到南极冰盖形成和全球变冷的影响而发生了显著减弱。

    现代东亚大陆的气候主要受到东亚季风系统的控制,研究东亚季风的长期演变历史和驱动机制不仅可以更好理解地球系统多圈层相互作用的机理,而且对认识全球变暖背景下人类生存环境如何发展具有指示意义。早期研究揭示出东亚大陆气候系统在大约2200万年前经历了行星风系向季风风系的转变,认为东亚季风起源于约2200万年前,并且自该时间以来的东亚季风演变已有较深入的研究。不过,近些年来越来越多的证据显示,在约4000~5000万年前,东亚大陆气候很可能就已受东亚季风系统控制了。然而,由于分布较广并具有良好年代约束的连续沉积记录的缺乏,我们对东亚季风的早期演变过程还不甚清楚。并且,始新世-渐新世之交,南极冰盖开始形成,全球气候整体变冷,地球从之前的“温室状态”进入了之后的“冰室状态”。东亚季风的演化如何响应全球气候的转型或青藏高原的早期隆升,需要有精确年代约束的地质记录来相互对比和检验。

    南海作为西太平洋区域最大的边缘海,自形成以来接受了来自周边地块的巨量碎屑沉积,是重建源区古环境古气候信息的良好载体。研究人员选取了国际大洋发现计划(IODP)368航次在南海北部U1501站位钻取的晚始新世至早渐新世沉积(440-300米深度段)作为研究材料,基于微体化石生物带和锶同位素年代学对研究地层的年代约束,通过沉积物中磁性矿物的变化特征来示踪源区的气候变化,进而揭示东亚季风在此期间的演变历史。

    结果显示,沉积物中主要的携磁矿物为来自华南东南缘的碎屑(钛)磁铁矿。这些碎屑磁铁矿为源区直接风化侵蚀形成的小颗粒磁铁矿,随后通过地表径流及洋流输送至海洋沉积区。因而,沉积物中这些碎屑磁铁矿的含量和粒度受到地表侵蚀强度和径流强度的影响。在东亚季风区,夏季风主导了区域的降水,更强的夏季风可以造成更强的地表径流和风化侵蚀,可以输送更多并且更粗粒的碎屑磁铁矿。因此,在始新世-渐新世转型后的磁性矿物含量变低和粒度变细很可能指示了东亚夏季风强度的减弱。此外,该站位赤铁矿/针铁矿的比值在始新世-渐新世转型后也呈现了明显降低。已有研究揭示,赤铁矿/针铁矿比值在气候暖湿的环境下较高,在冷干的环境下则较低。因此,本研究推测赤铁矿/针铁矿的比值降低指示了华南气候在始新世-渐新世转型后变得更加寒冷干燥。结合本站位岩芯已有化学风化、物理侵蚀和干湿变化等代用指标,同时综合对比东亚大陆现有的古气候记录,共同揭示出东亚夏季风在经过始新世-渐新世转型后发生了明显减弱,另外还发现夏季风强度在始新世-渐新世转型前存在短暂的增强。

    在构造时间尺度,东亚夏季风长期演化的影响因素主要包括青藏高原的隆升、副特提斯海的后撤以及全球变冷。已有模拟研究表明,青藏高原隆升可通过动力和热力效应-增强而不是减弱东亚夏季风,而副特提斯海向西撤退会减少西风水汽对东亚北方区域的影响,但是对华南区域影响较小。因此,始新世-渐新世气候转型期间东亚夏季风的减弱最可能是全球变冷所驱动。冰盖扩展和全球变冷可通过多种过程(如降温引起的大气水汽含量降低、夏季海陆温度梯度差异减小、海平面降低等)来减弱东亚夏季风环流强度。本研究为东亚季风区始新世-渐新世期间的水热循环即温度和降水的协同演变提供了关键证据,同时也对更准确理解始新世-渐新世气候转型的区域响应过程具有重要价值。

    论文的第一作者为中国科学院海洋研究所的焦文军博士后,通讯作者为万世明研究员。本研究得到了中国大洋发现计划(IODP-China)、国家自然科学基金、中国科学院战略先导科技专项、泰山和鳌山学者项目的支持。

    论文信息:

    Jiao, W., Wan, S.*, Li, Y., Zhao, D., Liu, C., Jin, H., Li, M., Yu, Z., Zhang, J., Pei, W., & Li, A., 2023. Global cooling-driven summer monsoon weakening in South China across the Eocene-Oligocene transition. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 128, e2023JB027265. https://doi.org/10.1029/2023JB027265.

  • 原文来源:https://qdio.cas.cn/2019Ver/News/kyjz/202311/t20231113_6932792.html
相关报告
  • 《中国科学院海洋研究所揭示华南C4植被扩张和东亚季风长期演化历史》

    • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者:liguiju
    • 发布时间:2023-03-18
    • 近日,国际综合性期刊Global and Planetary Change《全球和行星变化》在线发表了中国科学院海洋研究所、法国巴黎萨克雷大学、自然资源部第一海洋研究所等单位合作的最新研究成果“Expansion of C4 plants in South China and evolution of East Asian monsoon since 35 Ma: Black carbon records in the northern South China Sea”。研究团队基于南海北部黑碳碳同位素组成的连续沉积记录,首次提供了晚始新世以来华南C4植被长期扩张的关键证据,揭示典型的东亚季风气候系统在早中新世建立以及随后东亚夏季风长期减弱,提出亚洲地形格局建立后全球变冷驱动了东亚季风和植被类型的长期演变。 新生代以来,伴随印度-欧亚大陆碰撞和青藏高原隆升,全球气候系统最显著的特征是以两极冰盖扩张为主要标志的全球整体变冷。同时期,亚洲最为突出的环境变化是东亚季风气候系统和内陆干旱环境的形成与发展。构造、气候和大气环流的变化对生态系统演化产生了深远的影响,其中最引人注目的事件是新生代晚期全球陆地生态系统中C4植被的出现和扩张(C4植被丰度相对增加)。C3和C4植物的光合作用途径不同,在自然环境的生存中是竞争关系,二者此消彼长。C4植物贡献了全球约25%陆地植被净初级生产力,其扩张历史和适应机制的研究对于理解生物多样性及演化具有重要意义。C4植被最早出现在一亿多年前,各种地质记录显示C4植被的扩张主要发生在晚中新世,少量记录揭示C4植被扩张首先发生在早中新世。然而作为生态系统对其生存的气候环境的适应和进化,C4植被扩张的驱动机制有很多假说,如季风说、CO2浓度下降说、干旱化说等,迄今尚无定论。东亚植被类型丰富,是研究C4生态系统扩张及其驱动机制的理想场所;而且,东亚盛行以季节性降雨为主要特征的亚洲季风气候,重建C4植被扩张历史对于理解季风气候的演化也具有重要意义。 C3和C4植被的碳同位素组成具有明显差异,因而利用碳同位素组成记录可以追踪地质历史时期植被类型的变化。黑碳作为植被不完全燃烧所形成的具有高热稳定性的含碳物质,由于颗粒小(微米级)、密度轻、化学稳定性高,可被河流或风长距离搬运,广泛存在于土壤和沉积物中。因此,边缘海沉积物中黑碳的δ13C指标可被用于追踪源区C3-C4植被演化历史。 南海北部是珠江等华南河流系统的主要沉积汇,其巨厚、连续且有良好地层年代约束的沉积物是重建地质时间尺度华南大陆古环境演化的重要材料。研究人员以国际大洋发现计划 (IODP) 368航次在南海北部钻取的U1501站位为研究材料,提取沉积物中的黑碳并分析黑碳含量、通量和碳同位素组成 (δ13CBC),在物源约束的基础上,重建了晚始新世以来黑碳源区华南的C4植被扩张历史。 研究结果显示,华南C4植被相对C3植被在~20 Ma、15 Ma和7-4 Ma发生三次明显阶段性扩张,其中C4植被的丰度在此三个阶段分别占比约10-20%、20-30%和>30%。华南C4植被扩张历史和大气CO2浓度及全球C4植被演化的差异性,强烈表明区域古环境演化是其主要影响因素。进一步基于末次冰期以来华南植被类型变化和相应温度、降水等气候因子的良好约束和对比,并结合C4植被的生理特性,我们认为华南C4植被在末次冰期相对全新世暖期的扩张主要归因于干旱度增加(东亚夏季风减弱和冬季风增强)和降水季节性的增强(降水更集中于暖季而非冷季)。这一短期记录可作为长时间尺度研究的很好类比。因此,我们提出晚始新世以来华南C4植被的三次阶段性扩张,指示了早中新世以来华南降水强度的总体减弱、干旱度和降水季节性的增强,从而反映了东亚夏季风的长期减弱。 综合构造-气候记录对比表明,早中新世青藏高原隆升通过地形阻挡和热力作用,驱动了类似现今的典型亚洲季风系统的形成,进而导致晚始新世以来华南C4植被首次扩张发生在早中新世,因为季风气候的建立导致华南由全年温暖潮湿的热带气候转变为干湿季节分明的季风气候,暖季降水季节性增强促进了C4植被扩张。而在典型的东亚季风系统形成之后,东亚夏季风则呈现出长期减弱而冬季风增强的趋势。由于模拟表明高原隆升是加强而非减弱夏季风降水,且亚洲地形基本格局在早中新世已经建立,因此我们提出东亚夏季风此后的长期减弱主要受控于两极冰盖扩张背景下的全球变冷。全球变冷可通过温度-水汽效应影响区域降水。全球变冷驱动下的中中新世以来华南总体变干和降水季节性增强进一步引起了C4草本植被相对C3木本植被丰度的增加。这很好解释了以前东亚季风长期演变历史和驱动机制的争论。 本研究是迄今南海北部最长且连续的黑碳碳同位素记录,对于追踪华南陆地生态系统C4植被扩张,揭示植被类型演化和气候变化之间的内在联系进而重建东亚季风演化具有重要科学意义。 论文第一作者为中国科学院海洋研究所博士生李梦君,通讯作者为海洋所万世明研究员。本研究得到了中国大洋发现计划、国家自然科学基金、中国科学院战略先导专项、国家重点研发计划等的支持。 论文信息: Mengjun Li, Shiming Wan*, Christophe Colin, Hualong Jin, Debo Zhao, Wenqiang Pei, Wenjun Jiao, Yi Tang, Yang Tan, Xuefa Shi, Anchun Li, 2023. Expansion of C4 plants in South China and evolution of East Asian monsoon since 35 Ma: Black carbon records in the northern South China Sea. Global and Planetary Change 223, DOI: 10.1016/j.gloplacha.2023.104079. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921818123000528
  • 《中国科学院海洋研究所揭示全球季风区硅酸盐风化演变在冰期旋回中的碳循环效应》

    • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者:熊萍
    • 发布时间:2025-07-17
    • 近日,中国科学院海洋研究所万世明团队在Nature旗下地学期刊Communications Earth & Environment(中国科学院一区top)发表了题为“Precessional variation of monsoon-controlled silicate weathering caused steady atmospheric carbon dioxide consumption during glacial periods”的重要研究成果。该研究基于海洋沉积物重建了过去40万年以来东亚季风区的硅酸盐风化演变历史,发现了季风降水对于陆地风化的强烈影响。季风降水带在南北半球间的往复移动引发的风化变化,使得第四纪冰期期间通过风化作用消耗的大气CO2的量维持相对恒定。 人类活动引起的碳排放是当今大气CO2含量急剧升高的主要因素。自第二次工业革命以来短短一百多年间,大气CO2含量迅速从约280 ppm增长到430 ppm。然而在晚第四纪长达十万年之久的冰期-间冰期旋回中,CO2含量变化的最大振幅仅约为120 ppm。显然,人类活动已将地球气候演变拖离其原有的轨道。急剧升高的大气CO2含量所导致的全球变暖、降水再分配、冰盖消融以及海平面上升等,对人类的生存和发展构成了严重的威胁。在人类活动与地球自身气候演变规律的叠加下,地球终究会走向何方?明确地质历史上碳循环的驱动机制是回答该问题的重要一环。 冰期-间冰期尺度上,大气CO2含量变化同时受控于海洋与陆地的碳收支。过去数十年间,基于海洋碳埋藏和释放过程来解释大气CO2含量变化的理论一直居于统治地位。相比之下,陆地硅酸盐风化作为全球碳循环的一个净汇,却没有得到足够的重视。究其原因,主要是由于诸多记录所重建的风化演变趋势有很大的争议。太平洋和印度洋锇同位素、大西洋铅同位素以及以色列石笋锂同位素重建结果表明,陆地硅酸盐风化历史为冰期减弱而间冰期增强,认为其主要受到温度变化的控制。但与此相对,诸多季风区风化重建工作显示,硅酸盐风化受到季风降水的强烈影响。这些争议是我们一直无法准确评估在冰期-间冰期旋回中,硅酸盐风化对大气CO2含量变化做出多少贡献的主要原因。 针对该问题,中国科学院海洋研究所联合同济大学、瑞典隆德大学、伦敦大学学院及中国海洋大学研究人员,依托来自东海东北部国际综合大洋钻探计划(IODP)U1429站位沉积物中的同位素-元素地球化学记录,重建了过去40万年以来东亚北部的陆地硅酸盐风化演变历史,并通过对全球现代河流沉积物地球化学数据集的再分析,以及全球其他区域硅酸盐风化记录的对比,结合古气候-风化模型模拟,定量估算了冰期旋回中硅酸盐风化所吸收的大气CO2的量。 研究结果显示,东亚、南亚以及非洲季风区的硅酸盐风化强度随着岁差周期波动,且主要受到季风降水演变的控制。在冰期,通过硅酸盐风化作用消耗的CO2的量低于间冰期,这主要是冰期较低的温度所导致。但值得注意的是,冰期的风化碳消耗却保持在相对稳定的水平。我们推测,冰期冰盖的扩张将较强的硅酸盐风化区域限制在中-低纬度区域。随着岁差调控的南北半球的太阳辐射量变化,降水带及其所引起的陆地硅酸盐风化带,在南北半球间往复摆动,相对稳定的风化面积产生了相对恒定的CO2消耗量。该冰期-间冰期尺度季风气候变化对全球硅酸盐风化调控的理论,有助于我们深入理解地质历史上和未来硅酸盐风化在全球碳循环中扮演的重要角色。 论文第一和通讯作者为中国科学院海洋研究所副研究员赵德博。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目和中国科学院战略先导专项等的联合资助。 论文信息: Zhao, D.*, Wan, S., Huang, X., Lu, Z., Clift, P.D., Li, D., Liu, X., Yang, Y., Jiang, S., Lin, A. Precessional variation of monsoon-controlled silicate weathering caused steady atmospheric carbon dioxide consumption during glacial periods. Commun Earth Environ 6, 505 (2025). https://doi.org/10.1038/s43247-025-02498-5