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【前沿论坛】Lisa Tauxe:晚中新世C3-C4植被转换的精确时限及其与全球气候变化的联系
2018-06-01 | 作者:科技处 | 【 】【打印】【关闭

报告人:Lisa Tauxe  | 整理:孙蕗、刘素贞(岩石圈室) 

 

摘 要:晚中新世C4植被扩张与南亚季风气候、大气CO2浓度下降和/或干旱化的关系是备受古气候学界长期关注并富有争议的重要科学问题,其争议的重要原因之一是早期的地层年代框架不够准确精确。Tauxe院士将着重阐述如下问题:对南亚Siwalik群地层年代学结果的综合评价;阿拉伯海U1457站的磁性地层学和超微化石生物地层学新结果;晚中新世C4植被扩张事件的准确时限;晚中新世C4植被扩张是全球性还是区域性事件;晚中新世C4植被扩张与大气CO2浓度下降的关系。

 

一、科学问题

  今天我要讲的报告是关于确定晚中新世全球大范围内植被面貌发生突变的精确时限问题。很多时候我们很难定义发生时间很接近的几个地质事件之间的因果关系,但有一个基本事实是不变的,即发生的时间要比更早。因此,地质学研究中的一个最基本问题就是要厘清各个事件发生的时间线,而这项工作也往往十分具有挑战性。所以今天我们就通过一个实例来了解一下该如何解决这类问题。 

  

   

    图1 65 Ma以来全球海洋碳、氧同位素记录[1] 

  Zachos [1] 将新生代以来全球重大的气候、构造、生态事件总结在了一张图(图1)上。这张图的左侧是65 Ma以来的全球海洋氧同位素曲线,它取决于两个因素:温度和冰量(不含大陆冰盖)。在大约34 Ma之前各个大陆上基本上处于无冰状态,之后气温逐渐降至现今的水平。包括北极冰盖出现在内的多个重要事件也在这个过程中发生。而我则对图右侧的Δ13C曲线更感兴趣,在这条曲线靠上的位置,作者在旁边标注出了“C4植被扩张这一生态事件,我今天的报告内容就和这一事件有关。 

  这一事件发生的时间大概是8 Ma左右,这一时间节点很微妙,它与北半球冰盖出现、亚洲季风增强、地中海Messinian盐度危机等事件发生的时间非常接近。它们之间是否有内在的因果联系?今天的报告回答不了所有问题,但也许能对其中一个我感兴趣的方面提出一点自己的看法。 

  前人的研究已经证实了在晚中新世时期发生的地中海Messinian盐度危机,同时期的硅藻记录也显示大气CO2浓度出现显著下降。在这样的假设下,我们来看看中新世以来大气pCO2的变化:在上新世——更新世期间这个值约为200 ppmv,而在全新世时则快速升至现今的水平(大约为400 ppmv),这主要是由于人类活动向大气中排放CO2导致的。但我们再来看中新世时的情况,那时的大气p CO2比现今还要高得多,虽然这些估值变化范围比较大,但即使是最保守的估计(500——800 ppmv)也高于现今的浓度水平。那么问题来了,在中新世晚期(7——8 Ma)是什么因素导致了大气pCO2水平的快速下降?实际上这一变化过程与南亚次大陆上植被面貌的剧变同时发生,即C3植物群的主宰地位被C4植物群所替代。 

  在座的一部分听众可能不太了解C3C4植物的概念,虽然这也不是我擅长的方向,但了解一些基本的概念还是很有必要的。实际上C3C4植物的区别在于利用光合作用的路径不尽相同。相对来说,C3植物的光合作用较为简单,而C4植物的光合作用过程更为复杂,后者利用光合作用合成碳水化合物的效率也更高。此外,C3植物的光合作用过程更为原始,包括大部分乔木、灌木及喜冷的草本植物;C4植物则主要包含一些特定的喜暖草本植物等,后者在约7——8 Ma时期开始扩张。正是由于C3C4植物利用光合作用的路径不同,因此二者的碳同位素组成也有差异,表现在C4植物的碳同位素偏重,而C3植物的碳同位素偏轻。这种碳同位素的不同还会进一步被沉积环境中的碳酸盐结核(carbonate nodule)、叶蜡(leaf wax)以及哺乳动物牙齿化石所记录下来。 

  碳同位素变化所反映的晚中新世C3植物群向C4植物群的转变,早已被前人解读为生态环境由森林向草原转变[2]。这一变化与北半球冰盖出现、CO2浓度显著下降等事件近乎同时发生。这自然就引出了一系列科学问题:1. C3植被向C4植被转变的现象是全球同步发生的,还是局部现象?2. 这一转变和大气pCO2水平的快速下降之间以及北半球冰盖的出现之间是否存在因果关系? 

二、前人工作总结

  早先,来自太平洋的钻孔岩心中记录了一次神秘的稳定碳同位素漂移事件,其年代因微体化石C. primus的出现而限定在~6.2 Ma(根据磁性地层学方法对其他岩心中C. primus的年龄限定而来),这一漂移事件与Zachos[1]定义在8 Ma左右的事件是否有联系?紧接着在印度洋的钻孔岩心中也发现了类似的碳同位素漂移事件,其年代由A. primus(与C. primus类似)的出现而限定在~6.2 Ma。学术界对于引起这次碳同位素漂移事件的原因尚不清楚,这些记录来自深海沉积物,虽然无法代表陆地上C4植被的扩张,但也说明海洋中在此时发生的某种变化引起了碳同位素漂移,一些学者起初认为这是大洋洋流的变化导致的。 

  此后在世界上几乎所有大洋沉积物中都发现了类似的碳同位素漂移,根据A. primus的出现(其地磁极性年表的时代为Epoch 6,即约6.2 Ma),碳同位素漂移的时间被约束在~6.0 Ma。这一全球范围内的碳同位素漂移事件的原因尚不得而知,但它在全球大洋中发生的时间却很接近,这一点非常有趣。最近,Uno[3]对印度洋西部钻孔岩心中保存的陆相植被叶蜡烷烃的研究同样发现了碳同位素漂移事件,利用生物年代学方法得到的年龄为10 Ma(图2)。这个年龄明显比之前得到的年龄要老,其中一个重要原因就是定年所用的年代标尺不同。在这一岩心记录[3]中还可以观察到碳同位素组成逐步变化的过程及其对应的年代范围。我将这一范围用绿线标记出来,并对后面涉及的其它数据也做同样处理。早期的一些DSDPThe Deep Sea Drilling Project)航次得到的岩心并不适合用磁性地层学定年,而之后的部分岩心中不但发现了A. primus这种理想的生物年代学标记,而且同样适合用磁性地层学限定其年代。 

   

    图2 来自东非的多指标记录显示C4植被在10 Ma时开始扩张[3] 

  在考虑前人的研究结果时,要注意其所用的地磁极性年表。例如,Epoch 6所代表的极性带在最新的地磁极性年表中的年龄为~7 Ma,而不是~6 Ma即地磁极性年表本身也会随着定年技术的提高而发生相应的变化,这种变化使我们在比较多个不同的地层序列时要将其置于统一的年代学框架内。 

  除了海洋沉积记录,在陆相沉积序列中也发现了一系列类似的结果。Quade [2] 测量了巴基斯坦东北部古土壤中的碳酸盐结核的稳定碳同位素组成,其中的碳同位素变化被解释为亚洲季风增强导致的C3植被向C4植被的转变(图3)。我今天要重点讨论的记录都来自既有年代学约束(磁性地层学)又有稳定碳同位素变化的剖面。这篇文章中有几个有趣的现象值得我们单独讨论,原作者在已有磁性地层学研究基础的几个剖面上进行系统采样[2],这些剖面分布在一个向斜构造上,其中一个剖面似乎完整地记录了碳同位素变化的整个过程,其年代由磁性地层学约束在晚中新世(~7 Ma)(图3),这与海相沉积记录的年代~6 Ma(在最新年表中为~7 Ma)很接近。作者及其团队又在多个地点开展了类似的研究,这一系列研究得到了学术界的重视并引领了其他研究者在全球其他地区(印度、巴基斯坦、尼泊尔、阿根廷、北美、非洲等)的工作。 

   

    3 巴基斯坦北部Siwalik群古土壤中碳酸盐结核的碳同位素随时间变化图[2] 

  综合来看,这些工作所揭示的碳同位素漂移时代并不一致,这是否意味着碳同位素漂移在不同地点先后发生呢?对这些结果的年代校正引起了我的兴趣,深海岩心中年代的确定主要基于微体化石的生物年代学,而陆相沉积则主要由磁性地层学及动物化石的年代约束,不同的研究使用不同的年代标尺,并利用生物地层学进行间接校正。这正是导致年代数据的不一致的主要原因。正如我之前所举的Epoch 6的例子,其代表的极性带在最新的磁极性年表中的年龄约为7 Ma,而不是之前所认为的~6 Ma 

  有研究者总结了当时已知C4植被扩张在全球不同大陆的年代学记录,包括南亚Siwalik地区,非洲,南、北美洲地区,其年龄跨度从8——4 Ma不等,这一结果表明该事件在全球的非同步性,或者磁性地层学结果的可信度不够高,或者还有其他的原因。若我们追溯这些年代学数据所对应的引用文献,可以发现不同研究者所用的地磁极性年代标尺各不相同,下面我会展示这其中容易被忽视的一个问题。 

  如果我们对磁极性年表的演替过程进行总结就可以看出,某些磁极性带在不同年代标尺中的位移可以达到1 Myr左右,而且越是的年代标尺,其对磁极性带的标定更偏年轻。这种偏差虽然是无法避免的,但本质上来说仍然属于人为因素。 

三、年代框架微调

  我们需要做的就是将这些数据放在统一的年代学框架下进行讨论,尽量减小这种人为因素的影响。这一点说起来很简单,但实际上并不是。对于数据的筛选,我仅选择了来自叶蜡和古土壤内碳酸盐结核中的碳同位素漂移记录。为了避免混淆,这些记录都必须有直接的磁性地层学结果进行年代限定。在这一过程中,我发现北美和非洲的记录都没有磁性地层学的直接约束,而在印度次大陆及南美阿根廷地区则有比较理想的数据。接下来我们需要将来自同一地点的碳同位素漂移与生物年代学、磁性地层学相结合。 

  首先来看来自南亚尼泊尔、印度和巴基斯坦地区的记录,这些地区的同位素数据和年代学数据常常发表在不同的期刊上,而且同位素的变化已经加入了原作者的年代学解译,因此我们要做的就是将同位素记录从原作者的年代框架中剥离出来,重新和剖面的地层、高(深)度变化挂钩,将其变化区间标注出来,并重新在最新的GTS2012年表的框架下校正。首先来看巴基斯坦东北部Siwalik群的Jalalpur剖面,该剖面的磁性地层学结果由Johnson[4]发表于1982年,之后J. Quade[2]在此剖面采集了古土壤样品。我们首先需要确定原作者使用的磁极性年代框架,这样才能将同位素随时间的变化转化为其随剖面高度的变化,并重新确定其所处的磁极性带位置及其时代。下面就是我对Jalalpur剖面的结果重新进行校正的过程,可以看到原作者使用的地磁极性年表是近40年前制定的,虽然是在当时并不算陈旧,但从现今的角度看其误差就很大了。从剖面的碳同位素数据可以看出漂移所对应的地层位置,在确定漂移时要仔细甄别由C3植被向C4植被的转变过程,这里我将它定义为一个区间段,这是我的处理方式,大家可以根据自己的理解进行调整。这样我就将漂移事件的顶、底界所对应的磁极性带确定了下来,在新的年表中这一时间段的年龄也就不难得出了。如果大家之前有印象的话,这一年龄与深海岩心中记录的时间一致。 

  剩下的工作内容大同小异,我不打算赘述,这几个剖面都在Siwalik地区,磁性地层学工作和碳同位素数据由不同的人分别发表出来。现在我将这些旧数据都重新进行了数字化处理,整合在这一张图上,不同的颜色代表了来自不同剖面的结果。如果暂不考虑不同大陆之间的对比,仅仅在南亚次大陆范围内来看的话,这些新得到的年龄是否集中在某个时间点附近呢?实际上我们确实找到了这一时间点,即7 Ma,它与这里每个剖面的新结果都符合地很好。这样来看,Quade[2]歪打正着,同样得到了这个年龄,但从今天的观点来看他们用旧年表得到的结果是不准确的。 

  下面这个记录来自与印度洋北部的阿拉伯海,是从印度河海扇中得到岩心,目的是研究印度季风。印度河海扇汇集了印度河从南亚次大陆北部带来的沉积记录。从这一岩心中得到的磁性地层学结果(磁倾角变化)并不理想,由于该岩心位于阿拉伯海(北半球),负的倾角可以解释为负极性,正的倾角即为正极性,除非倾角近水平,因为的倾角很难区分开,所以我将这类数据点用绿色表示,由于其极性不得而知,因此可以忽略掉。蓝色数据点则表示极性已经确定。此外,该地点中标志性的微体化石(A. primus)首次出现的层位,以及来自叶蜡(由印度河从南亚次大陆上带来)的碳同位素漂移所对应的层位皆对应于负极性带,现在的问题就是如何将这一结果与新的年表对应起来。如果从其他岩心中得到的A. primus首次出现年代是可靠的话,这一负极性带可与C3Br对应,其余可以此类推,这是一种最有可能的解释。当然,生物年代地层也有可能是错的,这会直接影响整个年代框架的解读,但目前来看上面这种解释是最合理的。因此,按照这一年代框架,碳同位素漂移发生的时间约为7.3 Ma,至少不会晚于7 Ma 

  下面的记录来自阿根廷。研究者测量了多个剖面的碳同位素变化,其中一个剖面还有磁性地层学数据,这一剖面的结果十分理想。我们对它进行了与上文相同的处理步骤,可以看到在C4An(约9 Ma前后)时期仍然是C3植被占主导地位,但同时在之后整个中新世期间碳同位素组成始终缓慢地向正值变化,一直持续到~4 Ma时发生较大幅度的漂移。相比南亚次大陆的结果,这一记录表明该地区的碳同位素漂移发生的时间要晚得多。约4 Ma同时也是巴拿马地峡关闭的时间,因此该地区碳同位素漂移更可能与此事件有关,而与南亚次大陆的约7 Ma的环境变化无关,毕竟二者时间上的差异较大。 

四、小结

  现在我们再回到报告开始提到的几个问题。首先,C4植被的扩张与北半球冰盖的出现近乎同时发生,二者之间是什么样的因果关系?根据磁性地层学提供的年代约束,碳同位素漂移在南亚次大陆上开始的时间(7 Ma)晚于海相沉积所记录的时间(~7.3 Ma)。其次,这是一个全球同步的事件吗?并不是,虽然从海相沉积的角度看它在全球近乎同步发生,但从陆相沉积记录来看并不一致(非洲和南美洲),只是南亚次大陆上这一事件似乎是同步的(~7 Ma)。 

   

    图4新生代全球pCO2变化(上)及温度变化曲线(下)[5] 

  那么C3C4植被是如何与大气pCO2水平及北半球冰盖联系在一起的呢?图4Zachos[5]2008年发表的数据,可以看到在古近纪大部分时间内气温都较高,当时两极都处于无冰环境中;新近纪时期气温有所下降但仍保持在相对较高的水平,直至大约4 Ma时气温下降幅度突然增快,真正的进入到“冰期”环境。同一时期全球大气pCO2水平变化[5]也反映出类似的趋势。根据我们上面得到的结论,南亚次大陆上古土壤碳酸盐结核中的碳同位素变化与C4植被在7 Ma的扩张以及大气pCO2水平快速下降同步发生,都早于北半球冰盖的扩张。南亚次大陆上的一些陆相沉积由于处在向斜构造上而不可避免会受到影响,那么C4植被的扩张是否有可能是由于构造抬升事件导致的呢? 

  实际上,C4植被提取大气CO2的能力很强。我根据其他文献做了一些计算,可以给大家更直观的感受。有研究者测量了12年间被不同类型植被覆盖的土壤中碳酸盐结核的碳同位素数据,假设印度次大陆上全部都生长着C4植被,经过一系列简单的计算可知,仅需要大约22 kyr就可将大气pCO2水平减少400 ppmv。当然我们的假设前提比较极端,但即使印度次大陆上覆盖的C4植物仅占一小部分面积,它们从大气中提取的CO2效率仍然十分惊人,这一过程所花费的时间从地质历史的角度来看十分短暂。因此,这一碳同位素漂移事件导致的大气pCO2水平下降是北半球冰盖扩张的前提条件之一。 

  关于我提到的多数剖面,它们的年代约束实际上多多少少都有些问题,最主要的缺陷就是没有磁性地层学约束。为了解决上述因果关系的问题,可选择的一个突破口是青藏高原的红沟剖面。Wang[6]用磁性地层学方法为该剖面提供了年代框架,因此这个剖面可能值得尝试开展碳酸盐结核的碳同位素测定。今后我们需要更多来自海洋和陆地的记录进一步约束这一同位素漂移事件。目前北美洲地区在这一方面仍是空白,因为地层的年代框架更多依赖于生物年代学手段,其精度不够高。 

  这样看来,北半球冰盖扩张这一重要事件更可能与巴拿马地峡的关闭有关,后者显著地改变了洋流和水汽输送路径,可能是由4 Ma发生的构造事件导致的。它与C4植被的扩张之间可能并没有太大关系。谢谢大家!     

  参考文献 

  [1] Zachos J, Pagani M, Sloan L, et al. Trends, rhythms, and aberrations in global climate 65 Ma to present.[J]. Science, 2001, 292(5517):686-693. 

  [2] Jay Quade, Thure E. Cerling, John R. Bowman. Development of Asian monsoon revealed by marked ecological shift during the latest Miocene in northern Pakistan[J]. Nature, 1989, 342(6246):163-166. 

  [3] Uno K T, Polissar P J, Jackson K E, et al. Neogene biomarker record of vegetation change in eastern Africa.[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2016, 113(23):6355. 

  [4] Johnson N M, Opdyke N D, Johnson G D, et al. Magnetic polarity stratigraphy and ages of Siwalik group rocks of the potwar plateau, Pakistan[J]. Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology, 1982, 37(1):17-42. 

  [5] Zachos J C, Dickens G R, Zeebe R E. An early Cenozoic perspective on greenhouse warming and carbon-cycle dynamics[J]. Nature, 2008, 451(7176):279-283. 

  [6] Wang W, Zheng W, Zhang P, et al. Expansion of the Tibetan Plateau during the Neogene[J]. Nature Communications, 2017, 8: 15887.  

  致谢:感谢邓成龙研究员对本文的审核。

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