海洋所研究揭示南極冰蓋形成期全球變冷驅(qū)動(dòng)了東亞夏季風(fēng)減弱
近日,國(guó)際地學(xué)自然指數(shù)(Nature Index)期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth《地球物理研究雜志-固體地球》在線刊發(fā)了中國(guó)科學(xué)院海洋研究所萬(wàn)世明研究團(tuán)隊(duì)與南京大學(xué)、美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)合作的最新研究成果“Global cooling-driven summer monsoon weakening in South China across the Eocene-Oligocene transition”。研究人員基于南海北部始新世-漸新世沉積物中的磁性礦物特征研究,揭示了磁性礦物對(duì)氣候變化的響應(yīng)過(guò)程,發(fā)現(xiàn)東亞夏季風(fēng)在始新世-漸新世氣候轉(zhuǎn)型期間受到南極冰蓋形成和全球變冷的影響而發(fā)生了顯著減弱。
現(xiàn)代東亞大陸的氣候主要受到東亞季風(fēng)系統(tǒng)的控制,研究東亞季風(fēng)的長(zhǎng)期演變歷史和驅(qū)動(dòng)機(jī)制不僅可以更好理解地球系統(tǒng)多圈層相互作用的機(jī)理,而且對(duì)認(rèn)識(shí)全球變暖背景下人類生存環(huán)境如何發(fā)展具有指示意義。早期研究揭示出東亞大陸氣候系統(tǒng)在大約2200萬(wàn)年前經(jīng)歷了行星風(fēng)系向季風(fēng)風(fēng)系的轉(zhuǎn)變,認(rèn)為東亞季風(fēng)起源于約2200萬(wàn)年前,并且自該時(shí)間以來(lái)的東亞季風(fēng)演變已有較深入的研究。不過(guò),近些年來(lái)越來(lái)越多的證據(jù)顯示,在約4000~5000萬(wàn)年前,東亞大陸氣候很可能就已受東亞季風(fēng)系統(tǒng)控制了。然而,由于分布較廣并具有良好年代約束的連續(xù)沉積記錄的缺乏,我們對(duì)東亞季風(fēng)的早期演變過(guò)程還不甚清楚。并且,始新世-漸新世之交,南極冰蓋開始形成,全球氣候整體變冷,地球從之前的“溫室狀態(tài)”進(jìn)入了之后的“冰室狀態(tài)”。東亞季風(fēng)的演化如何響應(yīng)全球氣候的轉(zhuǎn)型或青藏高原的早期隆升,需要有精確年代約束的地質(zhì)記錄來(lái)相互對(duì)比和檢驗(yàn)。

圖1 研究區(qū)位置及站位圖 (a)為現(xiàn)今的地理位置 (b)為3500萬(wàn)年前的古地理圖
南海作為西太平洋區(qū)域最大的邊緣海,自形成以來(lái)接受了來(lái)自周邊地塊的巨量碎屑沉積,是重建源區(qū)古環(huán)境古氣候信息的良好載體。研究人員選取了國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃(IODP)368航次在南海北部U1501站位(圖1)鉆取的晚始新世至早漸新世沉積(440

圖2 沉積物的巖石磁學(xué)結(jié)果

圖3 沉積物中磁性礦物的形貌特征
結(jié)果(圖2和圖3)顯示,沉積物中主要的攜磁礦物為來(lái)自華南東南緣的碎屑(鈦)磁鐵礦。這些碎屑磁鐵礦為源區(qū)直接風(fēng)化侵蝕形成的小顆粒磁鐵礦,隨后通過(guò)地表徑流及洋流輸送至海洋沉積區(qū)。因而,沉積物中這些碎屑磁鐵礦的含量和粒度受到地表侵蝕強(qiáng)度和徑流強(qiáng)度的影響。在東亞季風(fēng)區(qū),夏季風(fēng)主導(dǎo)了區(qū)域的降水,更強(qiáng)的夏季風(fēng)可以造成更強(qiáng)的地表徑流和風(fēng)化侵蝕,可以輸送更多并且更粗粒的碎屑磁鐵礦。因此,在始新世-漸新世轉(zhuǎn)型后的磁性礦物含量變低和粒度變細(xì)很可能指示了東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度的減弱(圖4)。此外,該站位赤鐵礦/針鐵礦的比值在始新世-漸新世轉(zhuǎn)型后也呈現(xiàn)了明顯降低(圖4)。已有研究揭示,赤鐵礦/針鐵礦比值在氣候暖濕的環(huán)境下較高,在冷干的環(huán)境下則較低。因此,本研究推測(cè)赤鐵礦/針鐵礦的比值降低指示了華南氣候在始新世-漸新世轉(zhuǎn)型后變得更加寒冷干燥。結(jié)合本站位巖芯已有化學(xué)風(fēng)化、物理侵蝕和干濕變化等代用指標(biāo),同時(shí)綜合對(duì)比東亞大陸現(xiàn)有的古氣候記錄,共同揭示出東亞夏季風(fēng)在經(jīng)過(guò)始新世-漸新世轉(zhuǎn)型后發(fā)生了明顯減弱,另外還發(fā)現(xiàn)夏季風(fēng)強(qiáng)度在始新世-漸新世轉(zhuǎn)型前存在短暫的增強(qiáng)。

圖4 始新世-漸新世轉(zhuǎn)型前后期間東亞季風(fēng)演化與全球氣候變化的對(duì)比
在構(gòu)造時(shí)間尺度,東亞夏季風(fēng)長(zhǎng)期演化的影響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變冷。已有模擬研究表明,青藏高原隆升可通過(guò)動(dòng)力和熱力效應(yīng)-增強(qiáng)而不是減弱東亞夏季風(fēng),而副特提斯海向西撤退會(huì)減少西風(fēng)水汽對(duì)東亞北方區(qū)域的影響,但是對(duì)華南區(qū)域影響較小。因此,始新世-漸新世氣候轉(zhuǎn)型期間東亞夏季風(fēng)的減弱最可能是全球變冷所驅(qū)動(dòng)。冰蓋擴(kuò)展和全球變冷可通過(guò)多種過(guò)程(如降溫引起的大氣水汽含量降低、夏季海陸溫度梯度差異減小、海平面降低等)來(lái)減弱東亞夏季風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度。本研究為東亞季風(fēng)區(qū)始新世-漸新世期間的水熱循環(huán)即溫度和降水的協(xié)同演變提供了關(guān)鍵證據(jù),同時(shí)也對(duì)更準(zhǔn)確理解始新世-漸新世氣候轉(zhuǎn)型的區(qū)域響應(yīng)過(guò)程具有重要價(jià)值。
論文的第一作者為中國(guó)科學(xué)院海洋研究所的
論文信息:
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
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