近日，国际综合性学术期刊《Science Advances》发表我院刘丰豪博士及其合作者的研究成果“Eccentricity rhythms in the Oligocene-Miocene carbon cycle regulated by weathering and carbonate burial”。该研究聚焦新生代“双极冰盖”格局形成前的暖室期，发现当时气候与碳循环在偏心率周期上呈现同相位变化，这一模式与当今冰室期截然不同。为解释这一现象，该研究构建了从“低纬水循环”到“海洋碳循环”的证据链，揭示了偏心率驱动的化学风化通过调控浅海碳酸盐埋藏，进而影响大洋碳酸盐体系及碳同位素组成，从而提供了理解暖室背景下地球表层系统对轨道驱动的反馈机制的新视角。
新生代6600万年以来，地球气候系统与碳循环存在显著的40万年和10万年偏心率周期，特别是40万年长周期因具有跨越地质时代的稳定性，被形象地喻为地球气候系统的“心跳节律”。然而，偏心率只会微弱影响入射太阳辐射的总量，为何能在地质记录中留下如此强烈的印记，至今仍是未解之谜。为寻找这一问题的答案，首先需要找到长时间跨度的地质档案资料以及可以简便测量并能有效指示气候-碳循环波动的指标。深海沉积序列是记录新生代全球环境演变的良好载体，海洋沉积底栖有孔虫的稳定氧（δ18O）、碳（δ13C）同位素，可以分别指示气候-冰冻圈变化以及大洋和其他储库之间的碳转移，因此常常被用来追踪气候变化与碳循环演变。
过去五十多年来，大洋钻探计划获取的深海岩芯为重建新生代气候与碳循环的演化历史提供了关键资料。基于其中底栖有孔虫δ18O和δ13C的高分辨率分析，得以描绘出地球表层系统演变的精细图谱，包括长期趋势、轨道周期波动与突发事件（图1）。距今约6600万年至600万年的古新世至中新世，地球处于“双极无冰”和“单极有冰”的暖室期，此时底栖有孔虫的δ18O与δ13C记录均呈现出清晰的偏心率周期韵律，且二者始终保持同相位振荡（图1）。这与上新世至更新世“双极有冰”（冰室期，距今约600万年以来）状况下的反相位关系形成鲜明对比（图1），暗示着气候与碳循环之间的耦合机制发生了根本性转变。当前，在全球变暖背景下，北半球冰盖正在快速消退，地球可能正从“双极有冰”向“单极有冰”状态回溯。因此，深入解析暖室期δ18O与δ13C同相位变化的内在机制，不仅关乎对过去气候-碳循环关系的理解，更对未来增温背景下地球表层系统演变的预估具有启示意义。
图1. 新生代~66–6 Ma双极冰盖形成之前的暖室期，底栖有孔虫δ18O和δ13C记录呈现显著的40万年和10万年偏心率周期，并且δ18O–δ13C在偏心率时间尺度上呈现同相位变化，与~6 Ma之后的冰室期二者反相位变化形成鲜明对比。（A和B）底栖有孔虫δ18O和δ13C记录，深色曲线为新生代全球同位素CENOGRID曲线，浅色曲线为IODP U1505站位数据，灰色条带示两极冰盖的演化历史，黄色阴影示该研究聚焦的时间段。（C和D）CENOGRID δ18O和δ13C曲线的演化谱分析结果。（E和F）底栖有孔虫δ18O和δ13C在40万年和10万年偏心率周期上的相位演化关系。
该研究基于南海北部IODP U1505站位的沉积柱状样品，获取了晚渐新世至晚中新世高分辨率底栖有孔虫δ18O和δ13C记录（图1），进一步利用底栖有孔虫B/Ca比值重建了中新世深海碳酸根离子饱和度（∆[CO32-]）（图2）。同时，通过整合热带太平洋和西南大西洋多个站位的深海CaCO3含量数据（图3），发现∆[CO32-]与CaCO3沉积记录均表现出显著的偏心率周期，且与δ18O、δ13C呈现同相位变化（图2和图3）。在此基础上，结合生物地球化学数值模拟，该研究提出中新世δ18O与δ13C在偏心率时间尺度上呈同相变化的核心机制在于“风化输入-陆架碳酸盐埋藏”耦合过程（图4）。
图2. U1505站位重建的海水∆[CO32-]具有显著的偏心率周期，并与δ18O和δ13C同相位变化。（A和G）底栖有孔虫δ18O，（B和H）δ13C，（C和I）∆[CO32-]记录。（D, E, J和K）δ18O、δ13C和∆[CO32-]的40万年和10万年周期滤波结果。（F和L）δ18O、δ13C和∆[CO32-]的谱功率。
图3. 深海CaCO3沉积记录表现出显著的偏心率周期，与同站位的δ18O和δ13C呈现同相位变化。（A和G）偏心率。（B至D, H至J）太平洋站位（1218、U1334、U1335、U1336、U1337、U1338、U1490）和大西洋站位（1264）的CaCO3记录。（E和K）CaCO3记录的谱功率。（F和L）在40万年和10万年周期上，δ18O与CaCO3记录之间的交叉谱相干性和相位角。（M）相关站位位置。
图4. 大陆风化-陆架/深海碳酸盐耦合机制示意图（以近日点出现在北半球夏季为例）。（A）偏心率最大值时，海水温度升高、南极冰量减少，深海δ18O负偏；同时，季风和大陆化学风化增强、DIC、ALK和PO43-向海输送增多、淹没陆架上的碳酸盐沉积增强、海洋生物泵作用增强，共同导致深海δ13C和[CO32-]下降、大气CO2浓度和海水[PO43-]升高。（B）偏心率最小值时，上述过程反向发生。
具体而言，在偏心率极大值期，轨道配置导致全球增温，增强的低纬度季风降雨与化学风化共同促进了溶解无机碳（DIC）和碱度（ALK）向海洋的输送；与此同时，南极冰盖退缩引发海平面上升，扩展了浅海陆架的范围。风化输入的物质与海侵提供的沉积空间相结合，促使浅海陆架区钙质生物繁盛并大量埋藏。该过程持续吸收表层海水中的重碳（13C），导致大洋δ13C整体偏负，与暖期升温、冰退引起的大洋δ18O负偏移同步发生。此外，大规模的浅海碳酸盐埋藏消耗海水[CO32-]，也解释了偏心率极大值期深海CaCO3溶解增强的现象。
基于上述论证，该研究提出“风化 碳酸盐埋藏”耦合机制同样适用于“单极有冰”的渐新世；而对于“双极无冰”的古新世 始新世，该耦合机制可能依然存在，但此时深海温度主导了底栖δ18O变化，且存在与深部碳输出相关的极热事件，相应的气候-碳循环互馈过程可能更为复杂。
论文第一作者为我院刘丰豪博士，合作者包括我院黄恩清教授（通讯作者）、杜金龙博士和田军教授，海洋二所马文涛研究员，香港大学柳中晖教授，以及乌特勒支大学Lucas Lourens教授。该研究受国家重点研发计划，国家自然科学基金以及上海市基础研究特区计划共同资助。
全文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx6682