上新世/更新世之交太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流演化-海山結(jié)殼Nd同位素記錄

范維佳，韓喜球*，邱中炎，葉黎明，郭棟山

( 1. 自然資源部海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；2. 自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

1 引言

在上新世/更新世之交，北半球大陸冰蓋開(kāi)始發(fā)育，地球氣候系統(tǒng)由單極有冰進(jìn)入兩極有冰的演化階段，隨之引起水循環(huán)、碳循環(huán)、大陸風(fēng)化和元素循環(huán)等一系列重要變化[1-5]。前人對(duì)北半球冰蓋形成的原因提出了多種假說(shuō)，比如大氣CO2濃度下降[6-7]、地球斜率變化幅度的減小[8-9]、由巴拿馬海道關(guān)閉引起的格陵蘭島和歐洲大陸降雪、降水量上升等[9-10]。大洋環(huán)流對(duì)全球氣候具有反饋放大機(jī)制[11]，前人對(duì)北大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流（Atlantic Meridional Overturning Circulation，AMOC）在這一時(shí)期的變化有較為深入的研究[10,12]，但對(duì)太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流（Pacific Meridional Overturning Circulation，PMOC）在該時(shí)期如何演化，以及在北半球冰川化進(jìn)程中扮演何種角色尚缺乏系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)。

海山鐵錳結(jié)殼忠實(shí)記錄了其生長(zhǎng)過(guò)程中海水的Nd同位素組成[13]，是重建古洋流演化的重要研究對(duì)象。相比溶解無(wú)機(jī)碳δ13C和Cd/Ca等指標(biāo)，海水的Nd同位素組成基本不受生物過(guò)程影響，可以指示水團(tuán)的來(lái)源及其演化[14-16]。相比魚牙和有孔蟲殼體等自生礦物，海山鐵錳結(jié)殼有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，一塊數(shù)厘米厚的結(jié)殼就可能記錄了數(shù)千萬(wàn)年的古海水演化歷史，如果用沉積物來(lái)研究的話，則需要數(shù)百米長(zhǎng)的巖心，只有通過(guò)大洋鉆探才能獲得[17-21]，特別在沉積速率非常低的深海，很難在遠(yuǎn)洋沉積物樣品中挑選到足夠數(shù)量的有孔蟲供定年和Nd同位素分析。也正是因?yàn)樵诔练e記錄獲取上存在一定的困難，過(guò)去關(guān)于長(zhǎng)尺度古洋流演化包括古PMOC的研究尚比較欠缺。

本文收集了過(guò)去30 a來(lái)已發(fā)表的太平洋富鈷結(jié)殼的Nd同位素記錄，通過(guò)研究不同海域不同水深結(jié)殼Nd同位素記錄的演化特征，深入探討距今3.5 Ma前后PMOC的演化特征及其與北半球冰川化的聯(lián)系，并對(duì)未來(lái)重建長(zhǎng)尺度和高分辨率的古PMOC演化過(guò)程的研究提出建議。

2 海水Nd同位素對(duì)洋流的示蹤

海水中Nd的主要輸入源有河水、陸源顆粒物的溶解、海底熱液、地下水交換以及海底沉積物孔隙水的擴(kuò)散等。其中，河流輸入占主要貢獻(xiàn)，熱液貢獻(xiàn)甚微[22]。陸源顆粒物輸入包括河流輸入和風(fēng)塵輸入。在火山島嶼分布較多的海區(qū)，河流輸入的顆粒物約有0.25%～0.38%的Nd會(huì)溶解進(jìn)入海水[23]。在河口區(qū)，由于季節(jié)性懸浮沉積物的輸入和擴(kuò)散，海水Nd同位素呈現(xiàn)出季節(jié)性變化特征[24]。風(fēng)塵顆粒溶解對(duì)海水中Nd的貢獻(xiàn)取決于風(fēng)塵通量和風(fēng)塵顆粒中Nd的溶解能力。有關(guān)風(fēng)塵顆粒中Nd的溶解程度的估算還存在爭(zhēng)議，Greaves等[25]認(rèn)為風(fēng)塵顆粒中的Nd只有1%～3%溶解，而Tachikawa等[26-27]則認(rèn)為溶解比例可達(dá)20%。大西洋的風(fēng)塵通量較高，風(fēng)塵溶解來(lái)源的Nd是表層海水Nd的重要來(lái)源，保守估計(jì)可以達(dá)到河流輸入Nd的95%[25]。Greaves等[28]研究發(fā)現(xiàn)，北太平洋表層海水Nd含量在中部最低，越靠近東亞大陸邊緣越高，且稀土配分模式也越接近代表風(fēng)塵特征的上地殼稀土配分特征，認(rèn)為亞洲風(fēng)塵對(duì)西北太平洋Nd通量的貢獻(xiàn)顯著。不過(guò)，從深層水的Nd同位素特征來(lái)看，風(fēng)塵輸入的貢獻(xiàn)似乎不是很重要[29]。

海水中的Nd可以通過(guò)顆粒物的吸附清掃作用移除，其在海水中平均滯留時(shí)間為600～1 000 a[27]。因此，Nd在表層海水中含量很低，而在深層水體，隨著顆粒物的礦化和溶解作用，海水中Nd含量隨水深增大而升高，其濃度可達(dá)到4 pg/g左右。同樣，海水中Nd含量會(huì)隨著水團(tuán)年齡的增大而升高，例如北太平洋深層水的Nd含量要高于補(bǔ)充它的下層繞極深層水[30]。

海水Nd同位素組成與鹽度、硅酸鹽濃度等保守性水團(tuán)指標(biāo)具有協(xié)同變化的特征，可作為水團(tuán)的“準(zhǔn)保守性”指標(biāo)[31]，能夠用來(lái)示蹤水團(tuán)和洋流。（1）不同來(lái)源的水團(tuán)具有特征的Nd同位素組成。因?yàn)檠笈柚車年憠K具有特定的巖性和Nd同位素特征，海水的Nd同位素組成主要受控于陸源風(fēng)化產(chǎn)物的輸入，使得不同海域水體的Nd同位素組成具有較大的差異和梯度。比如說(shuō)北大西洋周圍的巖石主要為形成于太古代或更早期的沉積巖，其εNd低至-40，導(dǎo)致現(xiàn)代北大西洋水團(tuán)的εNd約為-13；太平洋的主動(dòng)大陸邊緣火山活動(dòng)活躍，分布有大量的基性巖，通過(guò)風(fēng)化作用向太平洋輸入了大量放射成因的Nd同位素，所以表層海水εNd可高達(dá)0～4；南大洋和印度洋水團(tuán)的Nd同位素值則介于上述兩者之間，為-7～-8。（2）Nd在海水中的平均滯留時(shí)間接近或略小于大洋水體的平均混合時(shí)間，所以水團(tuán)的Nd同位素信號(hào)可以隨水團(tuán)遷移足夠遠(yuǎn)的距離且不會(huì)被徹底均一化。（3）水團(tuán)的Nd同位素組成基本不受生物作用的影響，而且在吸附/解吸附過(guò)程中也不發(fā)生分餾。

3 太平洋洋流結(jié)構(gòu)及水團(tuán)Nd同位素特征

3.1 北太平洋洋流結(jié)構(gòu)

北太平洋的表層水團(tuán)（深度小于200 m的水團(tuán)）的分布和運(yùn)動(dòng)主要受控于表層風(fēng)場(chǎng)[32]。一方面熱帶表層海水在東南信風(fēng)的強(qiáng)迫下向西運(yùn)動(dòng)，形成北赤道流，抵達(dá)太平洋西邊界后形成西邊界流（黑潮）向北運(yùn)動(dòng)；另一方面，在極地東風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下，亞極地表層水也在西邊界匯聚向南運(yùn)動(dòng)，形成親潮；兩支海流在35°～40°N輻聚混合，在西風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下向東運(yùn)動(dòng)，形成副熱帶環(huán)流圈[32]。

北太平洋中層水主要分布于20° N以北，水深在300～800 m，以低鹽（34～34.3）、低密度（σθ=26.6～27.4）和低氧（50～150 μmol/kg）為典型特征[33-35]，其運(yùn)動(dòng)路徑的南界在中、東太平洋到20°N，而在西太平洋可一直南下進(jìn)入蘇拉威西海[36-37]。赤道以北至20°N的中層水團(tuán)為赤道太平洋中層水，以較高的鹽度（34.5～34.6）和最低含氧為特征，一般認(rèn)為赤道太平洋中層水是由亞南極模態(tài)水向赤道海區(qū)下沉、再循環(huán)形成[38]（圖1）。受河流淡水輸入、亞洲季風(fēng)降水、大西洋向太平洋水汽輸送以及蒸發(fā)量相對(duì)較低等多種因素的共同影響，北太平洋表層水鹽度明顯偏低，從而限制了北太平洋中層水的形成[37]。但是，在中高緯的鄂霍茨克海，因海冰形成產(chǎn)生的鹽析作用可產(chǎn)生高密的陸架水團(tuán)，該水團(tuán)下沉構(gòu)成北太平洋中層水的先驅(qū)水團(tuán)[37]。類似地，阿拉斯加灣中層水對(duì)北太平洋中層水也有少量貢獻(xiàn)[34]。這些先驅(qū)水團(tuán)與黑潮水混合后，沿亞北極環(huán)流圈和副熱帶環(huán)流圈的邊界（約40°N）向東流入東太平洋，并逐漸變重下沉，再?gòu)臇|太平洋向西南流回西太平洋[38]（圖1）。

圖1 太平洋中、深層洋流路徑示意圖（根據(jù)文獻(xiàn)[38]）Fig. 1 The circulation of intermediate and deep water masses in the Pacific (after reference [38])

現(xiàn)代北太平洋深層水主要由南源的下層繞極深層水補(bǔ)充[32]（圖1）。下層繞極深層水沿西邊界進(jìn)入北太平洋后在阿留申群島以南上升緩慢擴(kuò)散混合，形成通風(fēng)較弱的老齡的北太平洋深層水。北太平洋深層水沿著與北太平洋中層水相反的方向由東北太平洋向西南運(yùn)動(dòng)，在25°N的區(qū)域與來(lái)自南大洋的上層繞極深層水相遇混合，含氧量有所升高，然后繼續(xù)向南運(yùn)動(dòng)進(jìn)入南太平洋（圖1）。下層繞極深層水向北太平洋侵入后混合上升再以北太平洋深層水的形式折返流向南太平洋，即構(gòu)成了太平洋深水經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流。

3.2 太平洋水團(tuán)Nd同位素特征

北太平洋表層水Nd同位素值分布較為離散（εNd=-5.4～1.8），與距離大陸邊緣遠(yuǎn)近、受河流的影響程度、風(fēng)塵沉降以及季節(jié)有較為密切的關(guān)系[39-41]。起源于北赤道流的黑潮在流經(jīng)東亞大陸邊緣時(shí)，通過(guò)“邊界交換”作用獲得了貧放射成因的Nd同位素特征（εNd=-5.6～-3.9）[42-43]，因此在北赤道流和黑潮等水團(tuán)的影響區(qū)域，表層海水繼承了這種Nd同位素特征；而在中太平洋火山島嶼周邊，基性火山物質(zhì)風(fēng)化的輸入對(duì)表層海水Nd同位素造成明顯影響，比如在夏威夷島周邊，表層海水更加富放射成因Nd同位素（εNd=-1.4～0.8）[44]。北太平洋次表層水（＞180～350 m）的εNd值明顯負(fù)偏，源于低εNd的黑潮影響[42]。北太平洋中層水主要由黑潮和親潮混合后下沉形成，亦有來(lái)自阿拉斯加灣的富放射性Nd同位素水體的貢獻(xiàn)，其εNd 穩(wěn)定在-3.3～-3.8[41,44]（表1）。但在鹽度最小值帶以下，北太平洋中層水的Nd同位素值持續(xù)增高，在750 m～1 500 m達(dá)到最大值-2.3～-2.8，而水體Nd濃度變化較小（17.7～22 pmol/kg），推測(cè)流經(jīng)太平洋西邊界的上層繞極深層水（εNdmax=-0.7）可能是形成中北太平洋中等深度εNd極大值的重要端元水團(tuán)[44-45]。起源于繞極流的下層繞極深層水的源區(qū)εNd為-8左右[45-46]。其在向北入侵的過(guò)程中，受沿途放射成因Nd同位素輸入的影響而逐漸升高，最終進(jìn)入北太平洋的εNd一般為-4.8[30]。改性后的下層繞極深層水在阿留申島弧區(qū)上升，并與εNd為-2左右的當(dāng)?shù)厣顚铀旌希纬搔臢d為-3.9±0.7的北太平洋深層水[39]，翻轉(zhuǎn)重新流入北太平洋洋盆。北太平洋深層水在夏威夷島附近與上層繞極深層水混合后形成改性北太平洋深層水，εNd升高為-3.5±0.5[39,44]（表1）。

4 PMOC的演化及其與北半球冰川化的聯(lián)系

4.1 Nd同位素記錄的變化特征與PMOC的演化

我們收集了太平洋不同海域不同水深的Nd同位素記錄（圖2，圖3）。從圖3可以看出，εNd記錄呈現(xiàn)明顯的經(jīng)向差異。從南到北，εNd值逐漸升高。具體特征如下：位于南太平洋的U1370孔[49]和D137-01結(jié)殼[50]的Nd同位素記錄反映了下層繞極深層水的演化，其中U1370孔位于40°S, 離南極繞極深層水形成區(qū)較近，其εNd記錄相較于其他海域有更大的波動(dòng)，可能指示該海域AABW和北大西洋深層水之間混合不均勻，所形成的南極繞極深層水尚不穩(wěn)定。D137-01結(jié)殼站位位于赤道附近，其εNd值變化較平緩，可能反映該海域繞極深層水團(tuán)較為穩(wěn)定。VA13/2結(jié)殼[51]位于中北太平洋，記錄了進(jìn)入北太平洋的下層繞極深層水的演化，其εNd記錄似乎在約距今4.5 Ma時(shí)達(dá)到最大隨后開(kāi)始逐漸降低，不過(guò)，由于該樣品取樣分辨率為2 Ma, εNd轉(zhuǎn)折的時(shí)間尚不能準(zhǔn)確約束。13D-27A和D4-13A結(jié)殼位于北太平洋亞極地海域[52]，近大洋環(huán)流末端位置，其εNd記錄也呈現(xiàn)出與中北太平洋VA13/2結(jié)殼相似的變化趨勢(shì)。中北太平洋CD29-2、D11-1和東太平洋Yaloc D22-3結(jié)殼樣品記錄了北太平洋深層水的演化[51,53]，與中北太平洋VA13/2結(jié)殼和亞極地海域的13D-27A和D4-13A結(jié)殼記錄相比，其εNd轉(zhuǎn)折時(shí)間相對(duì)較晚，發(fā)生在距今3.5 Ma前后。

圖3 太平洋Nd同位素記錄及其代表的水團(tuán)εNd演化Fig. 3 Nd isotope records from the Pacific and εNd variation of variety water masses

緯向上，太平洋西邊界的εNd記錄與中太平洋也存在明顯差異。ODP807孔取自赤道西太平洋翁通—爪哇海臺(tái)[54]，其εNd的演化趨勢(shì)與中北太平洋結(jié)殼樣品總體一致，同樣也在距今約3.5 Ma快速降低，不過(guò)，該孔在距今3.5～5.5 Ma期間的εNd值要明顯高于結(jié)殼樣品，可能與該時(shí)期島弧火山作用增強(qiáng)貢獻(xiàn)了較多的放射成因Nd同位素有關(guān)。MKD13結(jié)殼采集自西北太平洋水深約1 530 m的海山，大致記錄了北太平洋中層水的演化特征，其εNd值整體上低于中北太平洋，而且在距今3.5 Ma前后未見(jiàn)明顯變化[55]。同樣位于西北太平洋深層水（2 700 m）的MDD53結(jié)殼樣品的εNd值在距今3 Ma前低至-4.5左右[55]，與中北太平洋VA13/2的εNd相近，但在距今2.5 Ma時(shí)快速升高至-3.2，又在距今2 Ma后快速降低約0.5ε，可能表明太平洋西邊界水團(tuán)變化較為復(fù)雜。

從以上所有的Nd記錄來(lái)看，距今12 Ma以來(lái)，εNd總體上呈現(xiàn)先升后降的演化趨勢(shì)。中太平洋深層水結(jié)殼εNd在距今3～4 Ma前后發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)折。ODP 807孔的εNd同位素也在距今約3.5 Ma出現(xiàn)峰值，在距今3.2 Ma和距今2.67 Ma發(fā)生了大幅度的降低[54]，前者對(duì)應(yīng)于南極冰蓋在晚上新世擴(kuò)張的時(shí)間，后者完美對(duì)應(yīng)北半球冰蓋形成的時(shí)間[2]。

關(guān)于北半球冰蓋形成前后北太平洋深層水的εNd由上升轉(zhuǎn)為降低的原因不外乎以下兩種：（1）PMOC發(fā)生了變化，南源水團(tuán)中北大西洋深層水的貢獻(xiàn)增加，南源水團(tuán)輸入通量增加和北太平洋深層水下沉的停滯，均可引起北太平洋深層水的εNd負(fù)偏；（2）風(fēng)塵輸入發(fā)生了變化，距今3～4 Ma前后，伴隨著全球氣候變冷，亞洲內(nèi)陸干旱化程度加重，太平洋風(fēng)塵輸入增加，也能導(dǎo)致非放射成因Nd同位素對(duì)深層水的輸入通量增加。

Ling等[51]通過(guò)研究中太平洋富鈷結(jié)殼，注意到了Nd同位素記錄在距今約3.5 Ma存在轉(zhuǎn)折，他們推測(cè)，距今約3.5 Ma以來(lái)，由于北大西洋深層水的增強(qiáng)，經(jīng)溫鹽環(huán)流傳送，使其對(duì)太平洋繞極深層水的貢獻(xiàn)加大。北半球冰蓋形成之后，中、南大西洋深水沉積物粒度增大，也為北大西洋深層水的增強(qiáng)提供了佐證[59]。此外，距今3.1～2.7 Ma期間，東南極冰蓋發(fā)生增長(zhǎng)，太平洋和印度洋一側(cè)的南極底層水（Antarctic Bottom Water, AABW）的形成區(qū)由羅斯海為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐酝聽(tīng)柡橹鳎M(jìn)一步增進(jìn)了洋盆間深層水的物質(zhì)和熱量交換[2]，使得繞極水團(tuán)中有更多北大西洋深層水的成分。不過(guò)，更多的證據(jù)表明在晚上新世至早更新世期間，北大西洋深層水較強(qiáng)[60-61]，而在過(guò)去3 Ma期間總體是減弱的[62-63]。Frank等[64]也報(bào)道西北大西洋εNd在過(guò)去3 Ma持續(xù)下降，但南大洋的εNd則保持穩(wěn)定，表明北大西洋持續(xù)下降的εNd特征沒(méi)有傳輸?shù)侥洗笱蟆Ｋ裕碧窖螃臢d記錄轉(zhuǎn)折不太可能是北大西洋深層水貢獻(xiàn)增加導(dǎo)致。那么太平洋南源水團(tuán)輸入是否增強(qiáng)呢？東北太平洋沉積物巖心底棲有孔蟲δ13C記錄研究表明，早上新世中、深層水通風(fēng)較好，而在北半球冰蓋形成之后通風(fēng)變差，認(rèn)為南源下層繞極深層水團(tuán)增強(qiáng)，導(dǎo)致通風(fēng)最差的東北太平洋深層水團(tuán)南移[65-66]。然而，西北太平洋的ODP 882孔的記錄顯示，在距今2.7 Ma之前可能存在下沉形成的北太平洋深層水，數(shù)值模擬表明這支下沉形成的北太平洋深層水可以影響到1 000～2 000 m水深，并沿著北太平洋西邊界向南擴(kuò)散[67]，既很好的解釋了北太平洋中、深層水δ13C分布特征的變化[62-63]，也能解釋NPDW的溫度和δ18O變化[2]。位于太平洋西邊界的MDD53站的εNd在距今5～2 Ma間快速升高[55]，可能也捕捉到下沉形成的北太平洋深層水的信號(hào)。因此，距今3.5 Ma以來(lái)太平洋南源水團(tuán)輸入增強(qiáng)的證據(jù)并不充分，相反，北太平洋深層水形成的停滯得到了支持。

塵源Nd輸入增加同樣有引起北太平洋深部水體εNd負(fù)偏的可能。風(fēng)塵進(jìn)入海洋后會(huì)發(fā)生部分溶解，是海水Nd收支的重要組成，塵源Nd對(duì)全球海洋Nd收支的貢獻(xiàn)量大約為400 Mg/a[27]。van De Flierdt等[52]根據(jù)簡(jiǎn)單箱式模型，估算了塵源Nd對(duì)北太平洋深層水Nd同位素特征的影響。假設(shè)端元水團(tuán)Nd同位素特征和通量不變，那么只要塵源Nd（[Nd]=30×10-6，εNd=-10.3）的貢獻(xiàn)達(dá)到全部收支的13%，即可造成北太平洋Nd同位素降低1 ε。距今3.5 Ma之后，風(fēng)塵輸入陡增，日本海風(fēng)塵通量約為3 g/（m2·ka）[56]，中北太平洋LL44-GPC3站位為約200 mg/（m2·ka）[57]，均達(dá)到距今3.5 Ma之前的10倍，那么只需要風(fēng)塵中Nd的溶解率達(dá)到3.4%，便可造成上述變化。在緯度更高的ODP 885/886站，距今3.5 Ma之后風(fēng)塵通量可達(dá)到140 mg/（m2·ka），是之前的4倍左右，塵源Nd的溶解率只要達(dá)到4.3%即可[58]。實(shí)際上，風(fēng)塵顆粒的溶解率最大可達(dá)20%[27]，因此塵源Nd的貢獻(xiàn)可能不止這些。我們注意到，在距今3.5 Ma之前，北太平洋深層水的εNd記錄一直呈上升趨勢(shì)，也就是可能發(fā)生著放射性Nd的不斷累加，如果沒(méi)有Nd的收支條件的改變，這個(gè)趨勢(shì)可能會(huì)一直持續(xù)下去（圖3虛線），塵源Nd輸入的增加不僅抵消了εNd的上升趨勢(shì)，還造成進(jìn)一步負(fù)偏。因此，距今3.5 Ma之后亞洲內(nèi)陸風(fēng)塵輸入的陡然上升，可能對(duì)北太平洋深層水Nd同位素特征轉(zhuǎn)折性變化有較大的貢獻(xiàn)。

4.2 PMOC演化與全球變化的關(guān)系

海洋與大氣碳儲(chǔ)庫(kù)之間的相互作用是大氣CO2濃度變化的重要原因[68-69]，也是海洋過(guò)程影響全球氣候的重要方式。盡管大氣CO2進(jìn)入海洋并被保存在海水中的機(jī)制多種多樣，比如有機(jī)碳泵、堿度泵、微型生物碳泵等，但究其物理本質(zhì)，是海水層化或者說(shuō)深海通風(fēng)減弱為碳的儲(chǔ)存提供了條件[16,68,70-72]，也就是說(shuō)，深層水通風(fēng)的強(qiáng)弱是決定海洋碳庫(kù)變化的重要因素，而經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流的變化在此過(guò)程中起了重要作用。

在冰期，太平洋深層水通風(fēng)減弱，堿度增大，碳存儲(chǔ)能力增加，是冰期大氣CO2濃度降低的重要因素。在太平洋和南大西洋沉積記錄中均發(fā)現(xiàn)冰期存在作為CO2儲(chǔ)庫(kù)的老齡水團(tuán)[69-74]。Wan等[75]發(fā)現(xiàn)冰期時(shí)南海與太平洋之間深層水的差增大，為太平洋深層水通風(fēng)減弱，碳存儲(chǔ)能力增加提供了證據(jù)。Basak等[45]提供的南太平洋Nd同位素記錄表明，太平洋冰期底層水主要來(lái)自于羅斯海陸架區(qū)，與上覆深層水之間因密度差較大而層結(jié)，其εNd較間冰期高約2ε，同樣反映了深層水的層化現(xiàn)象。在冰消期，洋盆之間深層水交換增強(qiáng)，太平洋深層水通風(fēng)增強(qiáng)，深層水的層化遭破壞，海洋碳庫(kù)在冰期封存的CO2得到釋放，導(dǎo)致大氣CO2增加。Ronge等[76]通過(guò)對(duì)西南太平洋不同水深水團(tuán)Δ14C的重建認(rèn)為冰消期早期繞極流通風(fēng)增強(qiáng)，對(duì)大氣CO2濃度上升具有潛在的貢獻(xiàn)。在亞極地東北太平洋（阿拉斯加灣），末次冰消期εNd負(fù)偏（圖4a）與大氣CO2濃度升高幾乎同步（圖4b），表明南源水團(tuán)影響增強(qiáng)，北太平洋深層水的更新速率加快[16]。值得指出的是，Hu和Piotrowski[77]研究認(rèn)為末次冰期太平洋的深水經(jīng)向循環(huán)較現(xiàn)代快，而冰消期深水經(jīng)向循環(huán)減弱（圖4c）。冰期太平洋作為碳匯并不是因?yàn)樯顚铀疁彛怯捎谏镉袡C(jī)碳泵增強(qiáng)或高緯海冰形成引起的通風(fēng)減弱造成[77]。但我們認(rèn)為，南太平洋冰期Nd同位素較間冰期偏高，很可能是由于冰期北大西洋深層水的貢獻(xiàn)減弱，非放射成因Nd同位素輸入減少[78]。而赤道東太平洋深層水團(tuán)的Nd同位素的變化，可能是由于冰消期PMOC增強(qiáng)，北源水團(tuán)對(duì)東太平洋εNd的貢獻(xiàn)增大[16]。

圖4 末次冰盛期以來(lái)亞極地北太平洋中、深層水釹同位素、東南太平洋深層水輸運(yùn)時(shí)間和大氣CO2濃度的變化Fig. 4 The variation of εNd of the intermediate and the deep water from the sub-arctic north Pacific, deep circulation transit time and atmospheric CO2 concentration since the Last Glacial Maximum

上述冰期旋回尺度上PMOC與大氣CO2濃度的關(guān)系，為上新世/更新世氣候轉(zhuǎn)型期大洋環(huán)流與大氣CO2濃度可能的耦合變化提供了可能的機(jī)制。在上新世末，由于全球變冷，亞洲內(nèi)陸干旱化增強(qiáng)，對(duì)太平洋的風(fēng)塵輸入大幅增加，風(fēng)塵Fe的輸入刺激北太平洋有機(jī)碳泵增強(qiáng)，對(duì)大氣CO2濃度的下降有重要貢獻(xiàn)[4-5,58,79]；同時(shí)，北大西洋深層水形成減弱[62-63]、北太平洋深層水通風(fēng)減弱[67]以及繞極深層水形成區(qū)發(fā)生變化[2]等要素，造成全球洋盆尺度上深層水通風(fēng)減弱，有利于CO2在深海的封存，是有機(jī)碳泵機(jī)制的重要補(bǔ)充。因此，在上新世/更新世之交，北太平洋深層水下沉停滯導(dǎo)致的通風(fēng)減弱，使得更多CO2在深水封存，從而對(duì)全球氣候變冷和北半球冰蓋形成產(chǎn)生積極的貢獻(xiàn)。

5 結(jié)論與展望

本文對(duì)比分析了太平洋不同海域不同水深的海山結(jié)殼的Nd同位素記錄，通過(guò)分析水團(tuán)演化、風(fēng)塵輸入等因素對(duì)Nd同位素記錄的影響，探討了PMOC的演化及其與全球氣候變化之間的關(guān)系，得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：（1）距今12 Ma以來(lái)，太平洋水體的Nd同位素組成呈現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)折時(shí)間發(fā)生在距今3～4 Ma期間，與北半球冰蓋形成時(shí)間基本一致；（2）北太平洋深層水下沉的停滯和亞洲風(fēng)塵輸入增加可能是導(dǎo)致深層水Nd同位素從距今3～4 Ma開(kāi)始降低的原因；（3）在上新世/更新世之交，因北太平洋深層通風(fēng)減弱引起的大洋碳儲(chǔ)庫(kù)對(duì)CO2封存的增加可能是全球氣候變冷和北半球冰蓋形成的重要機(jī)制。

值得指出的是，盡管海山結(jié)殼在重建古洋流演化方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是受取樣和測(cè)試分析精度的制約，Nd同位素記錄的時(shí)間和空間分辨率普遍很低，在空間上難以實(shí)現(xiàn)微米尺度取樣和測(cè)試分辨率，難以重建千至萬(wàn)年分辨率的古洋流演化。為了能夠更精細(xì)刻畫PMOC的時(shí)空演化特征與全球氣候變化之間的聯(lián)系，未來(lái)需要突破結(jié)殼高分辨率定年和原位Nd同位素的高空間分辨率分析技術(shù)。