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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

编译者:liguiju发布时间:Nov 20, 2023点击量:31 来源栏目:科研动态

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.

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