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Global and Planetary Change: PETM时期大幅度的碳同位素负漂
2019-11-03      
  PETM(古新世-始新世极热事件)发生在距今约5600万年前,是新生代以来最强烈的一次全球快速升温事件。在此期间,大量轻碳(13C同位素含量较少的碳)从岩石圈释放到大气海洋系统中,造成了地球表层碳库中的碳同位素组分发生了显著的负漂。学者们认为PETM时期的碳释放触发了(或者至少加剧了)这次全球升温。PETM持续了大约20万年,其中碳释放持续的时间大约为1000-50000年。在千年到万年的时间尺度上,PETM给我们提供了一个难得的机会来研究气候变化和碳循环之间的耦合规律。目前,人类社会正面临着由于大量碳排放所导致的全球温度上升。研究PETM能够帮助我们更好地了解未来的气候、环境和生物变化。因而,自从PETM事件于1991年在Nature上被首次报道以来,它一直是古气候古环境研究的热点之一。截止目前,关于PETM的论文已发表了超过700篇,其中大约40篇发表在Nature和Science上。
  碳同位素负漂(CIE)的结构和幅度是PETM研究的两个核心问题。长期以来,大部分学者认为碳同位素负漂是碳同位素一步快速漂移到最负值并逐渐回返的过程(One-step CIE),并以此为基础对PETM期间气候、环境和生物变化进行研究。在1999年,Bains等曾在Science上声称CIE可能具有一个较为复杂的结构。由于证据不足,他们的观点很快被绝大部分学者所抛弃。CIE的幅度可以用来估算PETM期间碳释放的总量。主流观点认为CIE的最大幅度为4‰,仅少数学者认为PETM期间CIE的幅度可能达到6-8‰。在过去的十年里,4‰的CIE幅度被学者们广泛接受。
  我们在2017年对上述的两个主流观点(One-step CIE 的结构和4‰ CIE的幅度)提出了质疑。我们认为:完整的CIE记录应该具有一个阶梯状的结构(Stepped CIE);在大气和浅海中,CIE的幅度能够达到7‰。为了进一步研究CIE的结构和幅度这两个科学问题,我们在藏南定日地区的浅海碳酸盐岩PETM剖面上开展了微量元素和碳同位素的研究。应用LA-ICPMS和SIMS原位地球化学分析技术,我们获得了剖面中大有孔虫壳体上的微量元素含量和碳同位素组成。微量元素证据排除了“成岩作用改变原始碳同位素组成”的可能性。SIMS碳同位素数据证实了我们以前的结论:PETM期间完整的CIE记录具有一个阶梯状的结构。阶梯状的CIE结构暗示在PETM期间可能发生过多次碳释放,很可能存在“碳释放—温度上升—再次碳释放”的正反馈过程。基于我们和前人发表的大量证据,我们断定One-step CIE来自于不完整的PETM沉积记录。因而,以前发表的、大量基于One-step CIE的工作需要被重新审慎评估。
  我们的研究还证实:在浅海和大气中,CIE的幅度大致为7‰。最初,学者们曾估算PETM期间碳释放的总量为~2000 Pg。随后,估算的碳释放总量逐渐上升到 >4500 Pg、>6800 Pg,7000-10000 Pg。在2017年,Gutjahr等在Nature上发表文章,认为PETM期间碳释放的总量超过10000 Pg。基于我们获得的7‰ CIE幅度并通过碳同位素物质平衡计算,我们首次给PETM时期碳释放的总量设置了个上限:<28000 Pg(目前人类每年排放的碳约为10 Pg)。
  该研究成果由中科院青藏高原研究所大陆碰撞与高原隆升重点实验室的张清海副研究员、丁林研究员和北京大学、美国威斯康辛大学麦迪逊分校、德国不来梅大学的学者们共同合作完成,发表于Global and Planetary Change。该研究得到了国家自然科学基金(41490615)、第二次青藏高原综合考察研究项目(2019QZKK0708)、国家重点研发计划“深地资源勘查开采”(2016YFC0600303)、德国自然科学基金(DFG)和其他一些项目的联合资助。全文链接如下: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092181811930534X
图1 显微照片显示碳酸盐岩样品中的主要成分(A)和大有孔虫的内部结构(B-D)
图2来自不同沉积环境中(深海、半深海、浅海和湖泊)、可对比的阶梯状碳同位素负漂记录
图3大有孔虫壳体上SIMS碳同位素数据显示~7‰的CIE幅
 
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