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第六届地球系统科学大会参会心得(汪镇)

 

一、前言

77~710日,第六届地球系统科学大会(CESS)在上海召开,众多地球科学领域的专家、学者相聚于此,开展了一场精彩的学术交流与探讨。无论是专业精通的著名科学家,还是初露头角的年轻研究生,他们热爱与钻研的科学精神深刻感染了我,创新与卓越的科学成果也深深震撼了我。很荣幸能够参加此次学术盛宴,学习到很多有用的知识,同时也展示了我们课题组对晚中新世大气pCO2重建的研究现况。在此就本次大会的所学、所思、所想,结合我们课题组的相关研究,梳理一下个人的参会心得。

二、相关的重建指标

关于大气pCO2的重建方法,除了我们课题组的浮游有孔虫硼同位素以外,达佳伟博士的《运用黄土高原成壤碳酸盐重建古大气CO2浓度》介绍了土壤碳酸盐的碳同位素,以我国黄土高原风尘堆积序列中的次生成壤碳酸盐为主要研究对象,调查发现成壤碳酸盐与土壤有机质的δ13C 记录呈现不一致的时空分布,不能反映区域C4植被的演化历史,基于土壤CO2两端元混合模型,发现大气CO2对次生碳酸盐的碳同位素组成具有重要贡献。同时,结合黄土高原过去80万年古土壤样品以及冰芯CO2记录,发现土壤全岩磁化率与土壤呼吸作用产生的CO2浓度之间存在显著相关性,通过建立磁化率经验模型可以有效限定古土壤呼吸作用产生的CO2浓度(重要参数S(z)),提升传统古土壤CO2气压计方法的精度,重建连续高分辨率的晚新生代古大气CO2浓度。此外,达佳伟博士也提到尚未有人针对晚中新世大气pCO2做高分辨率的记录重建,这也侧面反映了我们课题组目前所进行的研究具有前瞻性、创新性意义。

植物叶蜡的生物指标方面,刘金召副研究员的《陆地植物叶蜡生物指标“植物类型效应”研究》通过对黄土高原陆地植物样品的收集、化学抽提和同位素测定,以及对全球已发表叶蜡正构烷烃丰度和同位素数据等进行汇总及整理分析,发现不同植物类型之间存在明显的差异;石敏锐博士的《东灵山地区植物叶片δ13Cbulk和叶蜡δ13Calk对气候响应的长期研究》,表明沉积物中有机质的总碳同位素和正构烷烃碳同位素不受温度的影响,主要受控于降雨量的变化,是年降雨量的有效性替代指标;王佳博士的《长链正构烷烃分子特征和碳同位素值在原位土壤中的变化》证明在植物体进入土壤过程,成岩作用基本没有改变保留的长链正构烷烃分子信号(如CmaxACL,但明显降低CPI值),同时δ13Calk值比δ13Cbulk值更稳定,是更好的替代指标。因此,在后续研究晚中新世C4植被扩张事件时,应当注意相关生物指标的具体含义。

另外是有孔虫壳体的Na/Ca值,周晓理副教授的《有孔虫钠钙比值指示海水钙离子浓度在过去一千六百万年持续下降》认为有孔虫壳体的Na/Ca值可能指示了海水中钙离子的浓度,并由此重建了16 Ma以来的海水中钙离子的浓度变化,这对于理解海水碳酸盐体系的变化历程有着重要的指示意义,结合古碳酸钙补偿深度可以更精确地估计海水中碳酸根离子的浓度变化,然后根据我们课题组研究所获得的海水pH值进而重建出大气pCO2,其结果具有一定的参考价值,可以对我们之前方法计算的大气pCO2做出评估。

最后有趣的指标是黄土的硼同位素,不同于有孔虫壳体硼同位素所指示的pH值,雷昉博士的《我国东北地区黄土硼同位素记录的过去80万年以来东亚夏季风强度变化》考虑到硼同位素在海水蒸发、水汽传输、降水中会发生分馏,表生环境温变化对其影响不显著,因此古降水δ11B值可以作为不受温度影响的季风强度新指标,而降水的硼是黄土样品中硼的主要来源,同时黄土硼同位素与其他传统黄土指标(磁化率、粒度、红度等)在冰期-间冰期尺度对应良好。新指标首次灵敏地记录了东北地区在距今约43万年前后夏季风强度的显著差异,东北地区43万年之后夏季风强度减弱可能受控于北半球高纬冰期-间冰期平均冰量的增加。

三、大气pCO2变化的物理化学机制

大陆风化作用是调节长期气候变化的重要机制之一,控制大气二氧化碳进入陆地碳库。李高军教授的《大陆风化二元调控机制》认为长英质地壳CaMg 矿物含量低,风化更可能受新鲜矿物供应限制,从而响应构造隆升,驱动气候变化;而铁镁质地壳CaMg 矿物供应充足,风化更可能受气候控制,与大气pCO2之间构成负反馈机制,是维持宜居气候和碳循环平衡的关键。陈吉涛研究员的《晚古生代大冰期大陆风化与气候》认为大陆硅酸盐化学风化一方面消耗大气CO2,另一方面也影响径流输入的大陆营养盐进而影响海洋初级生产力和有机碳埋藏,这些过程都不同程度的影响气候状态和大陆冰川。而大陆冰川的消融也对大陆风化产生影响。

生物泵和物理泵是控制大气二氧化碳进入海洋碳库的两个最主要途径。宫勋教授的《多时间尺度北太平洋环流变化对海洋固碳作用的影响》介绍北太平洋及其边缘海的洋流系统主要通过两个过程来控制碳收支:(1)表层洋流系统的演化对海洋初级生产力的影响;(2)亚北极太平洋垂向通风对表层海洋与深海碳储库之间的碳通量的控制作用。袁鹏教授的《“矿物增效的生物泵”可望用于提高海洋固碳效率》也强调了海洋的储碳作用,通过增加对高营养盐、低叶绿素海域的铁营养供给,促进浮游生物勃发,使之将更多有机碳带入深海储存,从而减少大气中二氧化碳含量,缓解全球变暖。施江南博士的《上新世西太平洋暖池营养跃层与生产力协变及其古海洋学意义》重建记录显示热带西太平洋海区生产力与全球大气CO2浓度变化大体上具有一致性,可能指示了早上新世生物泵在气候系统中对大气CO2的调节具有正反馈效应。

四、晚中新世的气候背景研究

晚中新世(~11-5.3 Ma)是新生代变冷以来值得关注的一个时期,地球气候系统发生了一系列重大的变化,包括青藏高原隆升、亚洲季风演化、晚中新世全球变冷、C3C4植被转变、晚中新世大洋碳位移、生物勃发等等。因此,我对本次大会晚中新世气候研究的相关报告做了简要整理。

在南海区域,苗运法研究员的《晚中新世南海孢粉记录与亚洲季风演化》对多站位的孢粉数据进行分析,并结合εNd和我国华南地区、中南半岛主要河流沉积速率/通量,发现南海北部的孢粉浓度、植物多样性与针叶树/蕨类植物比值在8.5 Ma时急剧下降,而南海南部则呈现相反的趋势。在南海北部入海的珠江和红河与泰国湾地区的沉积速率在10-8 Ma快速降低,而湄公河沉积速率在此时期却快速增加。同时海洋沉积物中的εNd在南海北部和南部约8.5 Ma处显示出相反的变化。因此,苗运法研究员提出这些同步但相反的变化不是直接的季风变化,而可能与河流重组有关,导致径流在南海北部迅速减少,但在南海南部快速增加,这种大规模河流重组可能是构造和季风演变的综合结果。

青藏高原隆升、亚洲季风演化和新生代全球变冷的关系是构造-气候领域最引人注目的科学问题之一。杨一博副研究员的《青藏高原隆升影响全球变化的季风视角》在东亚季风区的临夏盆地和黄土高原东部获取了两条陆源沉积的粘土矿物记录,重建了约12 Ma以来的季风区硅酸盐风化历史,结果揭示了约7-9 Ma东亚季风区存在季风降水驱动的硅酸盐风化加强,导致长期大气CO2净消耗介于0.18-1.8×1011mol yr-1之间,并可能驱动了约7 Ma开始的全球快速降温和北半球冰川作用。因此,青藏高原隆升除了直接加强构造活跃区的硅酸盐风化和有机碳埋藏外,可能通过改变构造欠活跃的东亚地区水循环格局,从而促进该区域的硅酸盐风化和有机碳埋藏,进一步驱动全球变化。

另外,青藏高原隆升对于亚洲内陆干旱化及亚洲风尘系统演化具有重要影响。杨一博副研究员的《青藏高原北部隆升与亚洲风尘演化》在青藏高原北部及邻区利用沉积物粘土矿物学和粘粒化学指标建立了可用于有效规避沉积相影响并开展大范围空对比的亚洲内陆干旱化和物源变化记录,揭示了晚新生代约8 Ma亚洲风尘大幅增强并显著改变下风向流域盆地沉积物组成的过程。同时,蒋晓东研究助理教授的《深海锰结核记录晚中新世以来亚洲内陆干旱化》对西北太平洋锰结核进行了系统的岩石磁学和地球化学研究,发现锰结核记录了晚中新世以来两次显著的亚洲内陆干旱化,分别是约8-7 Ma和约3.6-0 Ma,对研究区的生产力和深海微生物活动都具有显著的影响,联合全球古生产力数据深入分析,发现这两次干旱化分别是区域性和全球性事件,因此认为这两次事件分别由青藏高原隆升和全球变冷所驱动。

青藏高原隆升促进风化作用与干旱化增强,导致大量陆源有机碳与风尘输送到海洋,影响到海洋整体的碳循环过程。杜金龙博士的《陆源过程驱动的晚中新世碳位移事件:基于箱式模型的研究》从数值模拟的角度分析不同碳库之间的碳收支关系,发现在晚中新世时期,陆地C4植被扩张与陆源输入增强的综合作用,导致了海水碳同位素的负偏,并且模拟结果与地质记录相当吻合。

大洋生产力方面,主要考虑到海水混合交换增强提供营养盐,引起生物勃发。王亚苏博士的《南海北部中中新世以来钙质超微化石群落演变及其生态环境意义》通过钙质超微化石群落组合与CaCO3(wt)%分析,重建南海中中新世以来的生态环境演变过程。结果显示在中中新世时期印尼海道通畅,温跃层浅、海表混合强,能提供大量营养物质维持高生产力,到中-晚中新世交界,印尼海道受阻导致西太平洋暖水聚集,使温跃层深度加深、海表混合减弱、深海的营养补给减少,使得生产力降低,随后季风环流增强引起上升流和营养补给增加,晚中新世至上新世海洋生产力增加,南海出现生物勃发。同时,冯华博士的《晚中新世以来赤道西太平洋的硅质沉积》重建了晚中新世以来赤道西太平洋的硅质生产力记录,显示在9.5-7.5 Ma 期间硅质生产力有两个时间间隔约1 Ma的增长脉冲,相比前后的记录增长了两倍,更是晚上新世生产力增长的三倍。推测在此期间赤道西太平洋温跃层变浅,为生产力的增长提供营养盐基础,而同时赤道东太平洋的硅质生产力却大幅下降,呈现出相反的趋势,有可能是营养盐在横向洋流传输中,赤道西太平洋利用的营养盐增多,导致赤道东太平洋所需营养盐不足。

五、总结

科研内容上,此次地球系统科学大会让我受益匪浅,对相关重建指标有更深刻的理解,对大气pCO2变化机制也有更宏观全面、更微观细致的认知,同时在个人科学问题的研究上补充了更多的背景知识和思考角度。学术氛围上,对地球科学的同一份热爱、对科研问题的同一份执着,让大家汇聚一堂、讨论交流、思想碰撞,每一场精彩的学术演出都凝聚了汇报人背后的汗水与信念,使每位参会人都能在浓厚的学术氛围中有所收获。最后祝愿地球系统科学大会越办越好!

 

汪镇  同济大学海洋地质国家重点实验室,2019级硕士研究生,1931663@tongji.edu.cn

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