引用本文
李悦, 王汝建, 李文宝. 利用有孔虫氧同位素重建古海平面变化的研究进展[J]. 地球科学进展, 2016, 31(3): 310-319.
Li Yue, Wang Rujian, Li Wenbao. .Review on Research on Paleo-Sea Level Reconstruction Based on Foraminiferal Oxygen Isotope in Deep Sea Sediments[J]. Advanced Earth Science, 2016, 31(3): 310-319.  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2016.03.0310.
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Copyright©2016, 地球科学进展 编辑部
利用有孔虫氧同位素重建古海平面变化的研究进展
李悦1, 王汝建1*,*, 李文宝2
1.同济大学海洋地质国家重点实验室,上海 020092
2.内蒙古农业大学水资源保护与利用自治区重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010018
*通信作者:王汝建(1959-),男,云南昆明人,教授,主要从事古海洋与古气候学研究.E-mail:rjwang@tongji.edu.cn

作者简介:李悦(1989-),男,天津人,硕士研究生,主要从事古海洋与古气候学研究.E-mail:1335140liyue@tongji.edu.cn

基金:国家重大科学研究计划项目“近百年极地冰盖冰架变化对全球海平面上升的总体贡献定量研究”(编号:2012CB957701); 南极专项项目“2016年度南极周边海域海洋地质考察”(编号:CHINARE2016-01-02)资助
摘要

海平面变化重建结果是一个重要的气候变化指标,可以被用来与其他气候指示要素以及基于计算机模型的重建结果进行比较,从而可以更好地理解海平面变化以及与其气候系统其他要素之间的关系。从深海沉积物中的钙质有孔虫得到的氧同位素记录包含着全球大陆冰量的变化过程,因此可以用来重建地质历史时期海平面演化的历史。尽管诸多研究者利用海洋沉积物中有孔虫氧同位素比值作为基础数据重建了长时间尺度上连续的海平面变化记录,但是,在未来的海平面重建过程中,还需要与其他学科领域结合,并对海平面重建结果和其他气候指标进行对比和相互验证,才能获得可靠的海平面变化记录。

关键词: 海平面变化; 有孔虫氧同位素; 极地冰盖
中图分类号:P736.22 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2016)03-0310-10
Review on Research on Paleo-Sea Level Reconstruction Based on Foraminiferal Oxygen Isotope in Deep Sea Sediments
Li Yue1, Wang Rujian1,*, Li Wenbao2
1.State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092,China
2.IMARK Key Laboratory of Water Resources Protection and Utilization,Inner Mongolia Agriculture University, Hohhot 010018,China

First author:Li Yue(1989-), male, Tianjin City, Master student. Research area include Paleoceanography and paleoclimatology.E-mail:1335140liyue@tongji.edu.cn

Corresponding author:Wang Rujian(1959-), male, Kunming City, Yunnan Province,Professor. Research area include Paleoceanography and paleoclimatology.E-mail:rjwang@tongji.edu.cn

Fund:Project supported by the State Key Project of Scientific Research and Plan “Quantitative research on total contribution of polar ice-sheet change during the last 100 year to global sea-level rise”(No.2012CB957701); Antarctic and Arctic Special Project “Marine geology investigation around Antarctic in 2016”(No.CHINARE2016-01-02)
Abstract

Sea level reconstruction is an important proxy for climate change. It can be compared with other reconstructed climatic factors as well as the results of the computer model-based reconstruction to offer a better recognition of the relationship between sea-level changes and other factors in the climate system. Oxygen isotope record obtained from calcium foraminiferal shell in deep-sea sediments contains global continental ice volume signal which can be used to reconstruct the evolution of paleo-sea level. Researchers reconstructed many long time scale and continuous records of sea level change by using foraminiferal oxygen isotope ratio data. In the future of paleo-sea level reconstruction, however, researchers need to contrast the sea level reconstruction with other climate proxy results to validate its accuracy and employ the interdisciplinary study method to acquire further development.

Keyword: Paleo-sea level; Foraminiferal oxygen isotope; Polar ice sheet.
1 引言

第四纪冰期导致了全球平均海平面的大幅波动。末次冰盛期(Last Glacial Maximum, 26.5~19.0 ka BP[1])时海平面与现在相比下降了120~140 m[2~4], 造成第四纪海平面变化的原因主要有2个:一是冰盖和海洋之间周期性的水的质量交换[5]; 二是固体地球受表面负荷变化激发的动态响应[5, 6]。第四纪海平面变化由于受到冰盖的循环生长和衰退的影响, 产生了复杂的时间和空间分布格局[5], 值得进行深入地研究和讨论, 而预测未来海平面的变化, 也需要对冰盖在全球持续变暖情况下的潜在不稳定性有更深入的理解。测量海平面的变化主要有2种方式, 同时也就产生了2种“ 海平面” 的概念:一种是测量海平面相对于洋底的变化, 所得到的结果即为相对海平面, 可以通过古海滩地质记录或者现在海岸验潮站的观测值获得数据; 另一种是测量海平面相对于地球质量中心的变化, 获得的结果即为绝对海平面, 卫星测高是唯一可以测量绝对海平面的方法[7]。对于古海平面的重建来说, 重建结果只能是相对海平面。

重建古海平面变化有着重要的科学意义, 在地球科学的很多领域中, 需要了解在冰期与间冰期旋回中的海平面及南北极冰盖演化的历史。例如, 估计冰期旋回中的冰川体积和冰川的地理分布[5]; 校正与海水体积变化相关的海洋沉积物中有孔虫氧同位素记录[8]; 从地质数据中估计陆地运动的垂直速率[9]; 对古地形进行重建, 并用于检验人类或者其他物种迁移的模型[10]等。此外, 利用地质记录重建的过去海平面变化可以与其他的气候替代指标记录以及基于计算机模型的输出结果进行比较, 以便更好地理解过去海平面的演化以及海平面与气候系统其他要素的关系, 这对于我们提升对将来海平面变化的预测能力和应用古数据进行校正和检验物理过程模型来讲至关重要[11]。为了理解未来的海平面上升, 作为背景的自然信号也需要研究, 用于评估人类对海平面的贡献[12]。

海洋沉积物中的有孔虫氧同位素记录提供了有关过去百万年以来详细的气候变化信息[13]。为了更好地理解海平面对全球气候变暖的响应, 就需要连续的, 高分辨率的, 准确定量的, 并且与过去气候波动相关的海平面变化记录[14~16], 氧同位素重建的古海平面记录可以被用作这些研究的重要参考。此外, 这些记录对于过去3 Ma以来主要的冰期与间冰期旋回和与之相对应的气候— 海洋耦合系统的建立也十分重要[17~19]。本文的目的是回顾和综述利用有孔虫氧同位素重建古海平面变化的研究进展和现状, 讨论它们的优缺点, 展望重建古海平面变化的前景。

2 海洋沉积物有孔虫氧同位素与古海平面变化的关系

重建古海平面变化的数据主要有2种来源:一是来自于过去的海平面或者海岸线相对于现在海平面变化的直接观测数据; 二是来自于深海沉积物中有孔虫的氧同位素信号[6, 20], 这一部分即为本文的主要讨论内容。

学术界普遍认为, 从深海沉积物中的有孔虫分析得到的氧同位素记录包含着全球大陆冰量的变化历史, 即海平面变化中的冰川— 水动力成分的变化历史[21]。与海水中的18O相比, 质量更轻的16O更易于从海水中蒸发, 之后由于大气中的瑞利分馏导致16O在高纬度降水中相对富集[22]。因此, 在水蒸气向极地输送的过程中, 18O/16O的比值会变小。在冰期, 由于全球的16O更多地被储存在冰盖中, 海洋中的质量轻的氧同位素会出现损耗减少的情况, 巨大的陆地冰盖的生长促进了海水中18O/16O比值的增长。因此, 有孔虫的氧同位素比值对全球冰量较为敏感, 可以作为全球冰量变化的指标— — 低值表明冰量小, 是全球暖期, 高值表明冰量大, 全球温度较低, 是冷期[23, 24], 其相关过程如图1所示[25]。如果冰盖体积发生变化, 冰盖的同位素成分保持稳定, 并且温度变化和海洋水团保持不变, 则可通过氧同位素记录估算海平面变化[21]。实际上, 影响海水中氧同位素比值变化的因素除了冰盖之外, 还包括一些其他因素。这些因素主要有:①海水温度, 海水温度的变化对底栖有孔虫壳体和水体之间的氧同位素分馏过程有影响[26, 27]; ②有孔虫栖息水体的性质, 有孔虫氧同位素比值会受到当地海水性质变化的影响, 如淡水注入导致的盐度变化和大洋环流自身性质对氧同位素比值的影响[28]; ③来自不同源区具有不同的氧同位素信号的水团的水平运动和混合[29]以及局部区域内蒸发和降水的变化对其造成的影响[30]。在实际应用深海沉积物有孔虫氧同位素数据重建海平面变化结果的时候, 需要将上述影响因素剔除, 才可能获得较为准确的重建结果。

通常有3类氧同位素替代性指标记录被用来重建过去的全球平均海平面[6]:第一类是在早期研究中获得的底栖有孔虫氧同位素记录, 该记录包含了温度和全球冰量结合的信号[31]; 第二类是底栖有孔虫或者浮游有孔虫以及介形虫的氧同位素记录, 需要结合与之相匹配的、可以对这些信号中的温度影响因素进行独立研究的替代性指标(如Mg/Ca比值和生物标志化合物 U37K等)[32, 33]; 第三类是来自蒸发性边缘海的浮游有孔虫氧同位素记录, 通过利用表层水的盐度作为海平面的变化函数的水力模型, 可以将其转化为相对海平面信号[34]。

图1 水文循环对氧同位素比值影响的示意图(据参考文献[25]修改)
对海水的影响用斜体表示Fig.1 Schematic diagram of the hydrological cycle influences on oxygen isotope ratios(modified after reference[25])
Effects on seawater are described in italics

3 现有的重建方法
3.1 有孔虫氧同位素比值与海平面遗迹之间建立关系的方法

Labeyrie等[35]最早提出了利用有孔虫氧同位素记录重建全球海平面波动的方法, 认为可以将采自挪威海和赤道太平洋(V19-30)的底栖有孔虫氧同位素记录结合, 使受温度波动的影响降到最低, 并且主要反映冰量变化。由于挪威海的水温总是接近水的冰点, 所以在整个冰期旋回中(包括间冰期阶段), 挪威海的深层水温度总能保持相对一致, 但是在挪威海的钻孔中很少有包含有孔虫的部分; 另一方面, 太平洋深层水在冰期内的水团和温度波动相对稳定。因此, Labeyrie等[35]认为在这2个研究区域在不同阶段经历了最小温度波动, 因此氧同位素记录主要反映了冰量的变化。为了使整个冰期与间冰期旋回中的温度影响最小化, 并且提供一个冰期与间冰期旋回内的完整海平面记录, 挪威海钻孔被用来重建间冰期海平面变化, 太平洋钻孔被用来重建冰期海平面变化。

Shackleton[21]和Chappell等[8]同样利用了赤道太平洋V19-30钻孔的底栖氧同位素记录, 但是, 他们是将氧同位素记录与巴布亚新几内亚胡昂(Huon)半岛利用珊瑚化石阶地估算出的海平面记录结合起来。他们发现V19-30钻孔的氧同位素记录与现代间冰期海平面0 m和末次冰盛期时(LGM)的海平面-120 m(低于现在海平面120 m)之间的简单线性比例很难解释在胡昂半岛的记录上发现的变化幅度。但是假定相对于间冰期在冰期时深层大洋有2 ℃的降温, 这2组数据就可以相互吻合[8, 21], 因为基于对孔隙水和来自深海钻孔的底栖有孔虫稳定氧同位素之间测量比较重建的深层海水温度表明, 在某些区域内和不同的水深条件下, 冰期深海大洋比现在低若干摄氏度[36]。

Waelbroeck等[27]的研究结果表明, 可以在相对海平面数据和来自末次冰期旋回的北大西洋和赤道太平洋的底栖有孔虫氧同位素比值之间建立一个稳定的回归关系。随后分别将该回归关系应用在北大西洋站位(NA 87-22/25)和赤道太平洋站位(V19-30)提取的长时间尺度底栖有孔虫氧同位素记录上, 得到了一个过去4个冰期旋回内的综合相对海平面曲线, 以及相对应的置信区间。该相对海平面重建结果与其他方法重建的海平面结果有着较好的一致性。对底栖有孔虫氧同位素和珊瑚礁化石数据重建的海平面估计值之间的关系进行回归分析发现, 在冰期与间冰期底栖有孔虫氧同位素值与海平面变化之间的对应关系存在不同, 这一结果很可能反应了不同时期内深层海水温度、水力学和其他因素对底栖有孔虫氧同位素的影响[26]。

Cutler等[37]利用Shackleton[21]提出的方法, 通过将底栖有孔虫氧同位素数据与珊瑚礁化石得到的海平面结果做仔细比对, 从而得到海平面变化记录。Cutler等[37]对之前公布的珊瑚礁U/Th测年数据进行筛选, 从而得到了一组基于珊瑚礁年龄对海平面变化估计值, 接下来用这组估计值提供了一个海平面变化与赤道太平洋钻孔V19-30的底栖有孔虫氧同位素的对应关系。这一结果揭示了在冰期阶段, 海平面和钻孔V19-30的底栖有孔虫氧同位素变化的斜率接近于0.01‰ /m, 与全球平均值相符[36]。此外, 底栖有孔虫氧同位素值还携带了在间冰期时与大洋变暖相关的重要的温度信号, 考虑到该温度信号同时出现在间冰期大西洋和太平洋的钻孔当中, 这很有可能是一个全球性信号[37]。

除了上述利用底栖有孔虫氧同位素数据进行古海平面重建的结果之外, 为了提取冰量变化记录, 有必要剔除温度和局部水动力对氧同位素记录的影响, 利用浮游有孔虫氧同位素比值结合表层海水温度重建可以解决这一问题。Lea等[38]利用浮游有孔虫Mg/Ca比值得出的表层海水温度, 并且将其对氧同位素比值的影响从浮游有孔虫氧同位素中减去, 从而得出了只受水体影响的氧同位素比值, 并将其假定为与冰量成比例。他们调查了东赤道太平洋 Galapagos群岛北部Cocos海脊的TR163-19钻孔, 并且采用了Mg/Ca比值法测量表层海水温度去剔除该记录中的温度效应。所剩余的水体氧同位素记录曲线揭示了与已知冰量和海平面变化相一致的变化趋势。

3.2 红海和地中海水力模型与氧同位素分馏结合的重建方法

红海是一个强蒸发且与开放大洋隔绝的边缘海, 只通过东南部的曼德海峡与印度洋连接, 而且曼德海峡非常狭窄, 水深也很浅。由于只能通过这一狭窄海峡与开放大洋进行水量交换, 所以红海对海平面变化十分敏感。海平面一旦下降, 会导致海峡剖面面积减小, 这样一来通过海峡交换运输的水量也会随之下降。这使得海水在红海中的滞留时间增长, 加强了强蒸发对红海海水性质的影响[39]。滞留时间越长, 海水就越长地暴露在强蒸发环境之下, 极高的蒸发率使更轻的16O更容易被蒸发, 从而使海水中的氧同位素比值偏重。红海海盆放大了红海沉积物中的有孔虫氧同位素比值记录的海平面变化的信号。由蒸发导致的氧同位素比值增加, 以及其对由海平面变化控制的通过海峡水量变化的敏感性, 将红海氧同位素比值与海平面变化联系到了一起[40]。

Siddall等[34]利用一个水力学模型来计算通过海峡的海水交换传输量。该模型由2个部分组成, 一部分用来计算曼德海峡的实际交换水量[41], 另一部分用来计算红海海盆涡通量参数[42], 来消除由夏季东南季风导致的水量交换季节性变化。这两者结合起来使得该模型只对年度性的海峡水量交换响应, 在这个模型中2个重要的盆地驱动参数— — 蒸发量和湿度就可以在整个年度循环中保持不变。接着利用一个为地中海开发的蒸发性盆地氧同位素分馏模型[43]计算盐度和与附近的水体达到平衡状态时的碳酸钙壳体中的有孔虫氧同位素记录值。模型中的盐度和有孔虫氧同位素记录值的变化受到海平面的控制, 模拟得到的有孔虫氧同位素记录对海平面变化可以计算出一个关系式, 再用这个关系式将来自红海沉积物中的有孔虫氧同位素记录转换为过去的海平面变化[34, 44]。为了保证重建结果可以解释这一时期红海海盆内任何可能的气候驱动因素变化, 他们利用敏感性分析确定了2个sigma等效置信区间, 误差为正负12 m, 并将其结果与珊瑚礁数据重建的海平面记录做对比, 用以检验该方法的可靠性[34, 44]。Grant等[45]基于Siddall等[34]的研究, 首次提出了过去500 ka来具有准确定年、连续且高分辨的红海海平面记录。

尽管红海对于探究500 ka以来的海平面重建记录来讲是一个理想区域[14, 45], 但是没有超过500 ka以上的高质量红海沉积物有孔虫氧同位素数据可以将海平面重建的记录向前延伸。Rohling等[46]将研究方向转向另一个和开放大洋有着有限连接的蒸发性边缘海— — 地中海, 地中海提供了可以追溯到5.33 Ma前的不间断沉积物记录[47, 48], 以及通过轨道调谐年代方法[49]将东地中海浮游有孔虫氧同位素数据综合出一条具有千年尺度的地中海浮游有孔虫氧同位素数据综合曲线记录。利用这条东地中海氧同位素综合记录, 并结合上述在红海利用海平面重建方法就可以获得一个更长时间尺度的海平面记录。Rohling等[46]采用的重建方法与之前在红海曼德海峡使用的重建方法有着相同的思路, 即将直布罗陀海峡海平面和浮力驱动相关的水力控制模型[50~52]与地中海蒸发和氧同位素分馏方程式结合起来[43, 53], 建立海平面与深层海水氧同位素记录之间的关系, 再利用该关系重建海平面变化。通过对重建结果进行分析, Rohling等[46]发现地中海5.33 Ma以来海平面和深海温度均在下降, 但是缺少明显的同步过程。此外还发现在上新世— 更新世冰期开始的时候, 标志性的降温阶段(2.73 Ma)和首次出现的大冰期(2.15 Ma)之间有着巨大的时间差。

3.3 利用北半球冰盖和海水温度耦合模型的重建方法

海洋沉积物中的有孔虫氧同位素组成记录表明, 在过去数百万年间地球气候经历了冰期和间冰期的演替过程[13]。但是, 正如前文所述, 一般认为氧同位素组成记录主要受冰盖和深水温度这2个因素的影响。如果想分离这2种效应, 就需要使用独立的温度记录或独立的海平面记录去分别估算冰盖部分[27, 37]和深层海水温度部分[54]。

Bintanja等[55]利用北半球冰盖和大洋温度的耦合模型, 可以同时获得海平面变化和高纬地区温度变化。他们使用了一种新方法, 该方法认为北半球冰盖氧同位素含量和局部深海温度都与北半球中纬度到高纬度表层空气温度相关, 在冰期与间冰期时间尺度内, 北半球冰盖氧同位素含量和局部深层海水温度对平均底栖有孔虫氧同位素记录有着显著的影响。通过计算表层空气温度, 可以直接分离冰盖和深层水部分的氧同位素影响。该方法只依赖氧同位素数据, 运行模型之后还可以得到重建的实际气候变化结果, 如表层空气温度、全球海平面变化、冰量变化和冰盖氧同位素含量等[55]。在用来驱动模型的底栖有孔虫氧同位素数据的使用上, Bintanja等[55]选择利用自动图形校正算法进行合成, 源数据来自全球57个站位的底栖有孔虫氧同位素综合记录(LR04记录)[56]。Bintanja等[55]选择LR04记录的理由是现有长时间尺度底栖有孔虫氧同位素记录在记录全球冰量变化的同时, 也记录了叠加在全球冰量信号上的局部海水状况的影响, 这会在重建过程中引入不确定性, 但LR04记录则可以代表全球的平均情况。

为了将氧同位素信号分离为受冰盖变化影响的部分和受深层海水温度影响部分, Bintanja等[57]采用了基于之前提出的一个相似方法的“ 逆过程” 技术(图2)。该方法基于海洋氧同位素模拟值和0.1 ka以来的实际观测值的变化来计算平均空气温度异常。平均空气温度异常值被引入2个物理系统之中:一个是图3中左侧的冰盖和质量平衡模块, 另一个是图3中右侧的大气和深海温度耦合模块。质量平衡模块利用现在降水中的氧同位素含量场、表层空气温度值、降水值和受地球轨道在长时间尺度上的变化影响的太阳辐射值作为初始条件, 计算了空间尺度上和时间尺度上的表层质量变化场和降水中的氧同位素含量场。表层质量平衡和降水中的氧同位素含量被用于冰盖模块中去计算新的冰盖表层高度的分布和表层反射率, 这些计算值接下来会迭代(iteration)到质量平衡过程中。冰盖过程决定了平均冰盖氧同位素含量, 冰盖体积和全球海平面变化。在冰盖过程中计算得到的值与深海温度一起被用于海洋过程中去估算海水氧同位素值, 之后将该值代入到逆过程运算之中。整个计算过程产生了相互一致的温度变化、冰量和冰盖氧同位素的变化值[57]。

Bintanja等[55]的重建结果显示(图3), 海平面的波动与氧同位素输入信号的波动一致。在末次冰盛期时, 海平面下降至现在的125 m, 而在700 ka前也曾出现若干海平面低点。该方法重建的海平面记录与基于470 ka红海沉积物氧同位素记录重建的海平面的估计吻合[34], 特别是对于最后一个冰期旋回, 同时也与珊瑚礁化石推定的海平面数据有着良好的一致性[5]。此外, Bintanja等[55]还发现冰盖对氧同位素组分的影响在不同时期是变化的, 在冰期开始时其对氧同位素变化的贡献大约是10%, 而到了冰期最剧烈的时候, 冰盖的贡献值提高到了60%, 这说明强烈的海洋温度下降出现在冰盖缓慢的形成过程之前。

图2 逆过程方法的图解纲要
该过程计算了模拟氧同位素值和0.1 ka之后的观测氧同位素值的平均地表空气温度异常值。平均地表温度异常(DT)的计算结果, 会被导入到2个物理系统当中:①左侧的冰川和质量平衡模块; ②右侧的大气深层海水温度耦合模块。质量平衡模块利用现在的降水中的同位素含量(Ip)、地表空气温度(T) 和降水量(P) 以及受轨道引起的随时间变化的太阳辐射(Q), 计算了在空间上(x), 季节上(s)和时间(t)上的变化的质量平衡(M)变化场和降水中的同位素含量(Ip)。M和Ip被冰川模块用来计算新的冰川表层高度(H)和表层反射率(α )的分布, 该新的计算结果将会返回代入质量平衡过程。Io为观测氧同位素值, 冰川过程决定了平均冰盖同位素含量(Ii), 冰川体积(Vi)和全球海平面(S)。以上这些值, 与深海温度(DTo)一起, 被海洋过程用来计算代入逆过程的海水氧同位素值(Im)。这一过程产生了相互一致的DT、DTo、Vi、S 和Ii的时间序列观测获得的数值用红色标注, 模拟结果值用黑色标注(据参考文献[55]修改)Fig.2 Schematic outline of the inverse procedure
The routine calculates a mean surface air temperature anomaly (DT) based on the difference between the modelled marine isotope value and the observed value 0.1 ka later. The value of DT feeds into two physical systems:① the ice-sheet and mass-balance module to the left and ② the atmosphere-deep ocean temperature coupling module to the right. The mass-balance module calculates spatially (x), seasonally (s) and temporally (t) varying fields of surface mass balance (M) and isotope content of precipitation (Ip) using initial, present-day fields of Ip, surface air temperature (T) and precipitation (P) and temporally varying orbitally induced insolation (Q). M and Ip are used by the ice-sheet module to calculate new distributions of ice-sheet surface height (H) and surface albedo (α ), which feed back into the mass balance routine. Io denotes observed value of oxygen isobope.The ice-sheet routine determines the mean ice-sheet isotope content (Ii), the ice-sheet volume (Vi) and global sea level (S). These values, together with the deep ocean temperature (DTo), are used by the ocean routine to evaluate the marine isotope value (Im) that feeds into the inverse routine. This procedure yields mutually consistent time series of DT, DTo, Vi, S, and Ii. Observed variables are in red, modelled ones in black (modified after reference[55])

图3 全球相对海平面重建结果时间序列
蓝色曲线为全球平均海平面的重建结果, 绿色曲线为北美大陆冰盖对海平面变化的贡献量, 红色曲线为欧亚大陆冰盖对海平面变化的贡献量(据参考文献[55]修改)Fig.3 Time series of past global sea level
Reconstructed global sea level (blue), and the contributions from Eurasia (red) and North America (green) in sea level equivalents (modified after reference[55])

4 讨论和展望
4.1 有孔虫氧同位素重建方法的优势和不足

利用深海沉积物中的有孔虫氧同位素比值重建海平面变化主要有以下优势:①可以得到长时间连续的海平面变化记录, 最长可以得到距今数百万年前的结果[49], 与之相比, 海平面遗迹由于会受到其后冰期作用的影响, 不容易保存, 所以一般来说其时间尺度较短, 而且获得的记录并不连续[2, 4, 58, 59]; ②利用氧同位素重建海平面变化可以对与之相关的古气候变化因素进行讨论, 而不仅仅局限于对海平面变化自身的研究, 比如对深层海水温度、全球冰量变化等进行探讨和研究[27, 54, 55]。

但是利用氧同位素重建海平面变化也有局限性和不足:①由于有孔虫氧同位素记录中包含的信息反映了在多种因素影响下的变化, 也就不能简单地将氧同位素变化转换成为海平面的变化[27]; ②重建结果的不确定性, 对几十万年前的海平面重建结果仍然存在着更大的不确定性, 这种不确定性可能来自于数据源, 也可能来自于采用的方法包含的系统性误差引入的不确定性[59]; ③由于有孔虫氧同位素比值数据自身的时间分辨率限制, 得到的重建结果的时间分辨率并不高, 尤其是反映在末次冰盛期以来的海平面变化上[60]; ④即使将海洋沉积物中有孔虫氧同位素与Mg/Ca数据结合使用, 也不能提供对过去温暖阶段海平面峰值的可信定量估计[20]。

4.2 全新世以来海平面演化历史

与地质历史上其他时期相比, 全新世有着最为丰富、详细和最高分辨率的相对海平面重建数据。尤其是在北半球区域, 冰盖后退变化的历史相对完整和清晰。对过去数千年的海平面变化的详尽重建对于认识海平面的自然变化和提供预测现在和未来变化的背景十分重要[61, 62]。全新世的初期, 全球平均海平面比现在低60 m, 这主要是由于剩余的斯堪德纳维亚冰盖和劳伦泰德冰盖以及比现在略大的南极冰盖存在导致的。全球平均海平面上升速率自7 ka以来开始放缓, 这是由于劳伦泰德冰盖最后消融的结果[6]。在7~2 ka BP, 由于冰盖损失造成的海平面变化只有几米[6, 63], 绝大部分被认为是由于南极冰盖的损失造成的[64, 65]。在过去7 ka, 相对海平面在很多曾经被冰盖覆盖的区域下降了, 这是由于之前大量覆盖在那些地区的冰川消融之后引发的冰川均衡效应引起的[66]。来自北大西洋沿岸区域利用盐沼海平面重建结果揭示了过去2 ka内在数十年至千年尺度之间的分米级海平面变化[62, 67], 这一变化反映了冰盖的损失和大气海洋变异耦合的结果[68]。

4.3 展望

对于氧同位素重建海平面变化这种方法来说, 未来主要有3个发展方向:①随着技术水平的不断提高, 在采样和获取数据结果方面, 今后会得到更精确的测年数据和年龄框架, 这些都将会对重建海平面结果起到十分重要的作用; ②可以通过新的数据分析手段和方法, 利用可以代表海平面和其他独立指标的信号获取与此对应的海平面数据; ③发展新的模型方法, 如冰动力学模型等, 此外改进能够对千百年瞬时状态模拟仿真的海冰— 海汽耦合模型也将是未来工作的一个重要方面。除了以上3个发展方向之外, 重建古海平面变化也面临着很多新的科学问题。现在地球科学的跨学科研究使得对海平面上升变化的来源、幅度以及速度的解释进入了一个新的阶段, 随着海平面重建数量的增加和地理分布上的扩展, 对冰盖质量变化的认识更充分, 以及地球物理过程等, 都使得科学家们更深刻地认识到海平面在时间和空间尺度上变化的复杂性, 以及极地冰盖对温暖气候响应的认识取得了进展。特别是对冰川均衡效应的解释, 有助于解决海岸海平面记录的空间变异性, 并已经调整了一些过去暖期内的地理位置特别的海平面变化重建结果[20]。

根据《World Glacier Inventory》 和《中国冰川目录》 的最新统计, 全球的冰川面积为 15 865 756 km2, 其中, 96.6%分布在南极洲和格陵兰岛, 其次为北美洲(1.7%)和亚洲(1.2%), 其他各洲数量极少[69]。国内外许多学者利用不同的方法和手段对冰川体积变化进行研究, 并取得了丰硕的成果, 这对于海平面上升、全球变化以及区域水循环研究等具有重要的影响[70]。现在全球气候变暖已经达到了与过去极地冰盖显著消失时同样的水平, 但是在利用古海平面记录更好地预测冰盖对于气候变化的敏感性这一方面仍然存在着很多挑战[71~73]。相关古海平面记录能提供给我们最具有社会意义的信息可能就是提高人类对于由于极地冰量损失导致的全球平均海平面(Global Mean Sea Level, GMSL)升高的理解以及对于采取何种手段保护不断脆弱的生态环境, 比如珊瑚礁, 对珊瑚礁生态现状的综合分析显示, 过去50多年来南海珊瑚礁处于急剧退化之中直接威胁着南海的生态安全, 而南海珊瑚礁的退化主要是由于加剧的人类活动影响所致[74]。但是, 在现有的海平面重建结果中仍然缺少对于由于极地冰盖消退或者崩塌导致的全球平均海平面上升的精确估计。为了更好地认识全球平均海平面现有的变化幅度、速度以及冰川融水的来源, 需要更好的全球海平面重建分布结果, 这一结果需要有高时间分辨率和更精确的预测值, 其中还应包括靠近现在和历史上曾经被冰盖覆盖地区的海平面重建结果[20]。

The authors have declared that no competing interests exist.

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