我系利用旋回地层学验证土星对亚洲大陆季风气候影响的17万年周期变化
2022-01-11 17:33:00李哲萱

由威尼斯棋牌手机版2299张睿副教授带领的“新生代地质与环境”团队近年来对中国黄土高原东部晚中新世—上新世风成红粘土进行了较为详细的旋回地层和天文年代学研究。关注于破译地球和土星之间轨道倾角的长期频率扰动相关的“非常规”17万年斜率调制周期。与40万年长偏心率周期类似,17万年长斜率周期已被最新的天文解决方案证明是重要的轨道驱动成分,可作为中新世—上新世气候波动的“节拍器”指标,揭示东亚季风区的风成周期性沉积模式,重建全球大气环流。研究指出,调制斜率引起的沉积旋回也是晚中新世—上新世干湿交替气候形成的重要原因。季风系统中发现的17万年周期变化是揭示长期气候规律的关键环节之一。这些发现改进了之前的假设,即只有40万年的偏心率周期有助于推动从晚中新世到上新世的气候变化。该研究于2022年1月10日发表在著名地学期刊Geophysical Research Letters上。

1:(a) 黄土高原地区地形图展示主要构造特征及研究剖面位置。b-d,研究剖面实地照片

米兰科维奇提出地球轨道要素驱动气候变化的理论,并指出地球在太阳系中的轨道参数,如岁差、斜率和偏心率等,是通过调节接受到的地表太阳辐射量,进而影响万年—十万年尺度上地球气候环境的规律性变化。最近260万年的第四纪时期,全球气候是在以10万年的短偏心率(第四纪晚期)和4万年的倾角或斜率(第四纪早期)周期为主的冰期-间冰期气候旋回框架内变化。寒冷的冰川气候一直是人类生存面临的最大危机和挑战。根据分子生物学和现代遗传学研究,早期智人在10万年前的末次间冰期大规模出现。之后,经历了7-1.15万年末次冰期的环境,尤其是2万年前的末次冰期最寒冷阶段的严酷考验之后,从1.15万年至今,在最后一轮温暖的间冰期里,人口数量大规模繁衍并挑战着地球承载的极限,产生了文明。人文和科技有了长足的进步,迎来了工业化革命。(有关讨论末次冰盛期影响人类生存的高分辨短期全球气候波动,如~1000年周期、50—600年周期和2.6万年周期,以及对气候变化与太阳活动的推测,感兴趣可参考张睿副教授团队另一篇文章,2021年8月发表在第四纪顶级期刊“Quaternary Science Review”上,链接在文末)。

在工业化仍如火如荼地进行的今天。人类也认识到温室气体的排放会进一步改变地球的环境和气候,科学的发展仍在评估后续影响。如果气候脱缰原有规律,即使不会给全人类带来灾难,也会在很长一段时间内挑战人类的生存环境。例如,由大量温室气体排放引起的全球变暖会大量融化南极和格陵兰冰盖,海平面上升将淹没当今世界各地的主要金融和经济活动中心,人类从而被迫进行大规模的人口迁移。因此,关注260万年前比现在气温高1~4摄氏度的上新世和晚中新世的气候变化,也是目前我们前沿科学家最关注的领域之一。

根据天文研究,金、木、水、火、土五颗行星在地球轨道的偏心率和斜率的周期性变化中起着重要作用,其影响仅次于太阳和月球。土星是五大行星中离地球最远的,但它是太阳系中仅次于木星的第二大行星,以土星环为特征。土星也是太阳系中卫星最多的行星(至少有83颗卫星)。其中,绰号“泰坦”的土卫六比行星中的水星还要大。

目前影响地球偏心率变化的长期作用力首先是长达40万年的金星—木星轨道偏心率调制周期。然后在火星、木星、金星、地球和水星之间还有其他成对的共振调制周期。由于这几对作用力的周期都在10万年左右, 它们共同构成了第二个重要的短偏心率周期。其中,40万年的金星—木星偏心率周期可以稳定数亿年,而其他10万年周期的短偏心率调制周期只能追溯到数千万年的范围内,相对不稳定。倾角或斜率的理论探索稍微复杂一些。变化最大的两对轨道长期斜率调制是火星—地球和地球—土星。这是因为这两对调制作用在很长一段时间内也是稳定的(比如,目前的理论表明至少有4000万年和2000万年)。它们的斜率调制周期分别计算为120万年和17万年。然而,这一理论推导仍需通过获取地质历史记录中的气候敏感指标来进一步验证。特别是Boulila等人直到2018年才通过天文学理论结合海洋沉积物观测全面了解的17万年调制周期。2020年,Laskar进一步完善了该周期的天文解决方案,指出17万年长斜率周期可以与40万年长偏心率周期一起做为地球最重要的脉动“节拍器”指标,从而确定地质记录天文年代。然而,基于该理论的大陆气候指标跟踪仍亟待解决。2021年7月,黄何等人通过从松辽等地多个湖泊采集的有机碳指标,报道称17万年的气候周期变化可能存在于数亿年的范围内。

2:吴家峁(a)和石楼(b)红粘土剖面的磁化率小波分析,傅里叶功谱如右图所示

2005年以来,西北大学岳乐平教授、李建星博士和徐永博士等研究者便在黄土高原东部柳林、石楼等红粘土发育区,从事上新世和晚中新世地层的划分工作。由于黄土高原东部更靠近太平洋夏季风前缘,其气候指标比中西部内陆地区前人研究的一些经典剖面有更多的气候敏感波动记录。在此基础上,张睿副教授及其博士后Anwar,以及我校特聘教授克拉夫钦斯基此后利用旋回地层,特别是对40万年长偏心率记录的确认,进一步厘定了该地区红粘土的首个天文时代(文章和讨论分别发表于2015年及2018年的JGR和EPSL上)。根据野外观测,大约每米红粘土记录一个持续4万年左右的古土壤层,正好符合短斜率周期。近年来,通过对黄土高原自东向西十余个典型红粘土剖面不间断的野外科学研究,这一现象具有相似的特征,但在黄土高原东部尤为明显。由于气候记录的敏感指标在1-2万年的时间尺度内最易受到地质沉积的平滑作用,所以4万年的斜率周期,在实际的信号检测中并不明显。因此,西北大学新生代团队进一步关注于红粘土能否成为17万年和120万年斜率调制周期的良好载体。本月10日发表在地球物理研究快报(Geophysical Research Letters)上的文章《The 173-kyr obliquity cycle pacing the Asian monsoon in the eastern Chinese Loess Plateau from Late Miocene to Pliocene》,是大陆季风区报道的第一个17万年斜率旋回记录。同时对于120万年的调制周期的探索,将另有刊文。以此次报道为基础,类似17万年和120万年这样的“非常规”米兰科维奇天文气候周期,将继续在大量季风区记录报道中出现。

3:吴家峁(a,b)和石楼(c,d)红粘土剖面的天文时间尺度。ac为磁化率与长斜率滤波和斜率包络线对比,bd为磁化率与长偏心率滤波和岁差包络线对比

本文是张睿副教授团队12个月内第三篇NI第一作者文章(第四篇SCI)。2021年2月发表在Journal of Geophysical Research Solid Earth和8月Geophysical Research Letters上的两篇文章,分别报道了最早风成红粘土的旋回地层(始新世),以及如何通过天文气候周期排除短期极性摆动对地磁年代学的干扰影响,为本文奠定了前期的理论基础。


原文链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1029/2021GL097008


2021年2月JGR文章链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020JB021037

2021年8月GRL文章链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL093962

2021年8月QSR文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0277379121003784