中中新世气候转型期太平洋深层环流变化与碳循环

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2022.076

中中新世气候转型（14.2~13.9 Ma）是全球联动的一个快速气候变化事件，冰盖、洋流和碳循环均发生显著变化，厘清其驱动机制对理解新生代全球变冷有重要意义。对此已有研究提出2种假说：一种重视洋流重组，另一种则突出碳循环的重要性，但二者都无法完美解释中中新世气候转型的种种现象。实际上，冰盖—洋流—碳循环三者形成耦合的系统，共同造成地球气候变化。综合已有的地质记录，两类机制均导致深部大洋碳储库增大，大气pCO₂降低，并进一步促进气候变冷和冰盖增长，表明不同子系统之间的耦合作用引起气候突变。相较于碳循环过程和冰盖变化，学术界对中中新世气候转型期间洋流变化的了解较少，特别是南大洋和太平洋深部水团。未来的研究应聚焦于深部太平洋的洋流变化，以便更全面地完善对中中新世气候转型的理解。

关键词: 中中新世气候转型, 大洋环流, 碳循环, 太平洋

The Middle Miocene Climate Transition (MMCT, 14.2~13.9 Ma) was a global climate change event characterized by significant changes in ice sheets, ocean currents, and carbon cycles. Clarifying the driving mechanism is important for understanding the global cooling during the Cenozoic. Two hypotheses have been proposed to explain the mechanism of MMCT, one emphasizing the reorganization of ocean circulation and the other highlighting the importance of the carbon cycle. However, neither hypothesis can explain the various phenomena of the MMCT. The ice sheets, ocean circulation, and carbon cycle are crucial in the mechanism of the MMCT, and form a coupled system that causes climate change on Earth. With the help of these three elements and combined with geological records, these two mechanisms lead to an increase in deep ocean carbon storage and a decrease in atmospheric pCO₂, which further promotes climate cooling and ice sheet growth. In comparison with that on carbon cycle processes and ice sheet changes, existing research regarding ocean circulation, particularly in the deep Southern Ocean and Pacific Ocean, during the MMCT period is insufficient. Consequently, future research should focus on the changes in ocean circulation in these key regions to improve our understanding of the forcing mechanism of MMCT.

Key words: Middle Miocene Climate Transition, Ocean circulation, Carbon cycling, Pacific Ocean.

中图分类号:

P532

图1 中中新世气候转型期间全球环境变化的地化记录
（a）全球底栖有孔虫δ ¹³C记录 ^{［

2
］}，浅灰色为原始数据，浅蓝色为10点局部加权回归散点平滑（LOESS Smooth）数据；（b）全球底栖有孔虫δ ¹⁸O ^{［

2
］}，浅灰色为原始数据，浅绿色为10点局部加权回归散点平滑数据；（c）利用浮游有孔虫钙质壳体硼同位素δ ¹¹B（圆形图标） ^{［

17
-

19
］}、深海沉积物不饱和烯酮碳稳定同位素δ ¹³C（菱形图标） ^{［

20
-

21
］}重建的大气 pCO ₂；（d）Δ ₄₇恢复的ODP747站BWT ^{［

23
］}，利用底栖有孔虫壳体的Mg/Ca值恢复的ODP806 BWT ^{［

24
］}，黑色误差线据代表95%置信区间；（e）利用浮游有孔虫钙质壳体Mg/Ca值 ^{［

4
］}和Δ ₄₇ ^{［

25
］}恢复的ODP1171站SST，黑色误差线据代表95%置信区间；（c）中曲线为4次多项式拟合趋势；浅黄色柱为中中新世气候转型时间范围

Fig. 1 Geochemical records of global environmental change during Middle Miocene Climate Transition
（a） Global benthic foraminifera δ ¹³C records ^{［

2
］}， light gray is the original data， light blue is 10 points of locally weighted scatterplot smoothing （LOESS Smooth） data；（b） Global benthic foraminifera δ ¹⁸O records ^{［

2
］}， light gray is the original data， light green is 10 points of locally weighted scatterplot smoothing （LOESS Smooth） data；（c） Atmospheric pCO ₂ reconstructed by the boron isotope of the calcium shell of planktonic foraminifera δ ¹¹B ^{［

17
-

19
］} （circular icon） and the unsaturated alkenone carbon stable isotope of deep-sea sediments δ ¹³C ^{［

20
-

21
］} （diamond icon）；（d） The bottom water temperature of the ODP747 ^{［

23
］} station recovered by Δ ₄₇and _{the bottom water temperature of the ODP806^{［

24
］} station recovered by the Mg/Ca ratio of the benthic foraminifera calcium shell and. The black error bars represent a 95% confidence interval；（e） The sea surface temperature of the ODP1171 station recovered by the Mg/Ca ratio of the benthic foraminifera calcium shell^{［

4
］} and Δ₄₇^{［

25
］}， the black error bars represent a 95% confidence interval； The curve in （c） is a quadratic polynomial fitting trend. The light yellow column in the figure shows the time range of MMCT}

图2 现代太平洋环流模式以及经向δ¹³C_DIC 剖面（150°W）
（a）经向（150°W）太平洋海水δ ¹³C _DIC剖面，带红点的数字代表本文在出现的站位；（b）太平洋深层环流模式以及文章数据的站位分布，A到B代表（b）图δ ¹³C _DIC剖面位置（150°W）；数字与红点代表本文所用数据站位点，红色线条为LCDW，蓝色线条为UCDW，据参考文献［ 33 ］修改，（b）中带箭头的线条代表洋流流动方向，据参考文献［ 32 ］改绘。UCDW（Upper Circumpolar Deep Water）：绕极上部深层水，LCDW（Lower Circumpolar Deep Water）：绕极下部深层水，AABW（Antarctic Bottom Water）：南极底层水，AAIW（Antarctic Intermediate Water）：南极中层水，NPDW（North Pacific Deep Water）：北太平洋深层水；数据来源于NOAA，由Ocean Data View软件绘制而成 ^{［

34
］}

Fig. 2 Modern Pacific circulation pattern and meridian δ¹³C_DIC profile （150°W）
（a） Meridian sea water δ ¹³C _DIC profile （150°W）， the numbers and red dots represent the positions where they appear in this article；（b） The deep circulation pattern of the Pacific Ocean and the station distribution of the article data， A-B represent the position of figure （b）（δ ¹³C _DIC profile， 150°W）； The numbers and red dots represent the data station sites used in this article， the red lines represent LCDW， and the blue lines represent UCDW， modified after reference ［ 33 ］ and the lines with arrows in figure （b） represent the direction of the current flow. Redrawned according to the reference ［ 32 ］. UCDW： Up Circumpolar Deep Water， LCDW： Lower Circumpolar Deep Water， AABW： Antarctic Bottom Water， AAIW： Antarctic Intermediate Water， NPDW： North Pacific Deep Water. The data is from NOAA， and the graph is drawn by Ocean Data View software ^{［

34
］}

图3 中中新世气候转型期间多地化指标记录
（a）南海（ODP1146和ODP1148）底栖有孔虫δ ¹³C记录 ^{［

7
-

8
］}；（b）东太平洋（ODP1236、ODP1237）底栖有孔虫δ ¹³C记录 ^{［

76
］}；（c）东赤道太平洋IODP U1337站浮游有孔虫（红色）与底栖有孔虫（黑色）δ ¹³C记录 ^{［

77
］}；（d）南海（ODP1146和ODP1148）与东太平洋（ODP1236和ODP1237）站位底栖有孔虫δ ¹⁸O记录 ^{［

7
，

76
］}；（e）ODP1236站与ODP1237站底栖有孔虫δ ¹³C梯度Δδ ¹³C _{（1236-1237）}；（f）多站位鱼牙化石或沉积物碳酸盐组分ε _Nd记录 ^{［

28
，

76
，

78
-

79
］}；（g）底栖有孔虫重建的［CO

3 2 -

］记录 ^{［

80
］}；（h）南大洋ODP1092站位浮游有孔虫δ ¹¹B重建大气 pCO ₂ ^{［

19
］}，浅色阴影为2σ置信区间；图中浅蓝色渐变表示东南极冰盖快速扩张的开始

Fig. 3 Multi-geochemical proxy record during the Miocene climate transition
（a） Benthic foraminifera δ ¹³C record of South China Sea （ODP1146 and ODP1148） ^{［

7
-

8
］}；（b） Benthic foraminifera δ ¹³C record of Eastern Pacific（ODP1236 and ODP1237） ^{［

76
］}；（c） East Equatorial Pacific IODP U1337 station planktonic foraminifera （red） and benthic foraminifera （black） δ ¹³C record ^{［

77
］}；（d） Benthic foraminifera δ ¹⁸O record of South China Sea （ODP1146 and ODP1148） ^{and Eastern Pacific （ODP1236 and ODP1237）^{［

7
，

76
］}；（e） Benthic foraminifera δ¹³C gradient Δδ¹³C_{（1236-1237）} of ODP1236 and ODP1237 station；（f） Multi-station fish tooth fossil or sediment carbonate component ε_Nd record^{［

28
，

76
，

78
-

79
］}；（g）［CO

$3 2 -$
］ record reconstruct by Benthic foraminifera^{［

80
］}；（h） Atmospheric pCO₂ reconstructed by the boron isotope of the calcium shell of planktonic foraminifera δ¹¹B in Southern Ocean ODP1092 station^{［

19
］}； Light shading is a 2σ confidence interval； The light blue gradient in the figure indicates the beginning of rapid expansion of the East Antarctic Ice-sheet}

3 2 -

图4 中中新世气候转型前后太平洋水体结构示意图（据参考文献［ 78 ］修改）
（a） MMCT之后太平洋水体结构剖面图；（b） MMCT之前太平洋水体结构剖面图；数字代表太平洋站位，圆圈和方块代表站位位置，箭头代表水体流动方向

Fig. 4 Schematic diagram of the structure of the Pacific ocean before and after the middle Miocene climate transition （modified after reference ［ 78 ］）
（a） Schematic representing water mass structure in the Pacific Ocean after the middle Miocene climate transition；（b） Before the middle Miocene climate transition； The numbers in the figure represent the Pacific Station， the circles and squares represent the position of the Station， and the arrows represent the direction of water flow

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Pacific Ocean Deep Circulation and Global Carbon Cycle During the Middle Miocene Climate Transition