南極新生代海陸格局變遷對全球氣候變化的影響

裴軍令趙 越周在征楊振宇劉曉春鄭光高仝亞博李建鋒侯禮富

1.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所,北京 100081;

2.中國地質(zhì)調(diào)查局極地地學研究中心,北京 100081;

3.新構造運動與地質(zhì)災害重點實驗室,北京 100081;

4.山東科技大學地球科學與工程學院,山東 青島 266590;

5.首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院,北京 100048

0 引言

2020年2月9日,巴西科學家于南極半島西摩島(Seymour Island) Marambio Base測得創(chuàng)紀錄的20.75 ℃溫度 (Robinson et al., 2020),筆者作為中國第36次南極科學考察中國-智利聯(lián)合考察隊成員,于2020年2月3—6日在西摩島、2月7—10日在南極半島北部開展野外考察,見證了這一歷史時刻。南極作為全球變暖在地球上的敏感區(qū)和關鍵區(qū),多個南極相關國際組織將進一步加強合作,保護地球上最后一方凈土 (Hogget al., 2020)。

眾所周知,地球北極、南極和海拔最高的青藏高原構成的“三極”是地球最主要的冷源(李三忠等,2019), “三極”冰凍圈的聯(lián)動變化通過影響大尺度環(huán)流異常,如厄爾尼諾-南方濤動(El Nino-Southern Oscillation,ENSO)等多種反饋機制,進而引起的全球尺度大氣遙相關和大洋溫鹽環(huán)流 (Pedro et al., 2018; England et al., 2020),對區(qū)域甚至全球水文、生態(tài)和氣候系統(tǒng)產(chǎn)生影響(Bronselaeret al., 2018)。近年來造成的歐亞冬季低溫、中國夏季洪澇災害、澳大利亞南部夏季干旱等極端氣候事件已威脅到人類生存(趙越和劉建民,2008;李菲等,2021)。可見,南極地區(qū)的地質(zhì)過程與氣候、環(huán)境變化將影響到北半球氣候系統(tǒng)甚至北極區(qū)域氣候環(huán)境變化 (England et al., 2020),比如,南極冰蓋融化加劇很可能在未來幾十年內(nèi)引起全球海平面大幅上升 (Rignot et al., 2019),南極阿蒙森海冰架(Amundsen Ice Shelf)快速融化通過冰架-海洋相互作用對南大洋產(chǎn)生冷卻和淡化效應,進一步驅動南大洋海表降溫、海冰擴張等氣候現(xiàn)象 (Rye et al., 2020)。

然而,至今對南極冰蓋誕生、生長及消融的過程、機制并不完全了解。一種觀點認為是塔斯曼海峽 (Tasman Passage)、德雷克海峽 (Drake Passage)通道在34 Ma 左右的打開導致了南極環(huán)極洋流 (the Antarctic Circumpolar Current, ACC)的形成 (Barker and Thomas, 2004; Eagles et al., 2006;Livermore et al., 2007; 陳廷愚等, 2008; Munday et al., 2015),東南極大陸開始出現(xiàn)山岳冰川,同時改變了新生代全球氣候的格局和生物分布 (Kennett, 1977; Wilson et al., 2013; Cook et al., 2016; Jovaneet al., 2019)。另一種觀點認為是CO2濃度從始新世的 1000×10-6下降到34～31 Ma 的600×10-6以下(Pagani et al., 2005),導致南極穩(wěn)定的大冰蓋出現(xiàn) (Galeotti et al., 2016)。

總之,全球氣候變化是海洋-大氣相互作用與構造、巖漿活動等多圈層、多因素綜合影響的結果,隨著時間的推移而進化,地球最終形成了人類居住的宜居星球,地球系統(tǒng)多圈層過去、現(xiàn)在和未來的相互作用將對人類生活產(chǎn)生直接影響。地球周期性變化主要受公轉偏心率、地軸斜率和歲差控制,地球內(nèi)部的作用決定著長期變化及突變事件?，F(xiàn)代氣候變化受熱帶驅動和冰蓋驅動雙重控制,最新研究表明,南、北兩極的冰量不僅決定了現(xiàn)今全球的基本氣候狀態(tài),還影響了天文輻射作用對氣候系統(tǒng)的可預測性 (Westerhold et al., 2020)。文章總結了新生代以來南極海陸格局變遷與海洋、大氣環(huán)流形成過程的關聯(lián)性,進而分析對南極冰蓋發(fā)展的調(diào)控作用,全面地理解南極海洋-陸地-氣候變化過程,分析地質(zhì)事件、極端氣候變化、全球氣候變化之間關系。

1 前新生代南極大陸演化

南極大陸包括東南極古陸、西南極活動帶和羅斯造山帶三大構造單元(陳廷愚等, 2008),記錄了地球演化中多次重大地質(zhì)事件,曾經(jīng)是哥倫比亞、羅迪尼亞、潘基亞超大陸的一部分(圖1)。中晚侏羅世伴隨南大西洋、印度洋張開,非洲、印度板塊紛紛北向漂移,東南極和非洲之間最老的磁異常為M38 (～164 Ma; Müeller and Jokat, 2019)印度板塊東南緣與澳大利亞板塊之間開始發(fā)育裂谷盆地 (Stagg et al., 2004),威德爾海(Weddell Sea)裂谷系最古老的160～145Ma海底磁異常則揭示了非洲和南極之間的裂解,約138 Ma南美和非洲之間開始陸內(nèi)裂解。晚白堊世初期(～99.6 Ma),南美洲、澳大利亞和南極洲形成了一個非常大規(guī)模的“諾亞方舟” (圖2;McKenna, 1973)。

圖1 南極及周邊現(xiàn)代海陸格局圖Fig.1 Continent-ocean configuration pattern map of the Circum-Antarctic region Earth relief data with 1 arc-minute resolution (earth_relief_01m) are from the website: http: //mirrors.ustc.edu.cn/gmt/data/; Data visualization by The Generic Mapping Tools (GMT, v6.1.0)

南極-澳大利亞共軛陸緣經(jīng)歷了兩期裂谷作用,形成三段共軛陸緣。最新的綜合研究根據(jù)已有地質(zhì)和地球物理數(shù)據(jù),包括磁性異常、斷裂帶、共軛地殼域、大陸伸展量、大陸地質(zhì)、板塊邊界位置、破裂年齡和地層等多學科證據(jù),對裂谷和破裂的重建進行了總結,為澳大利亞-南極裂解的可行模式提供了強有力的框架(圖2)。多數(shù)研究使用最老的洋底磁異常條帶記錄的磁極性時C34對應的83 Ma作為 “真正的” 海底擴張出現(xiàn)。～80Ma時發(fā)生的南美和南極相對的板塊運動的變化導致威德爾海北部大洋巖石圈和南極半島大陸地殼之間邊界發(fā)生匯聚 (Lagabrielle et al., 2009; Verard et al., 2012; Eagles and Jokat, 2014)。

西南極構造上屬于岡瓦納古陸靠古太平洋邊緣的部分,記錄了古太平洋板塊和鳳凰(Phoenix)板塊中生代以來的地質(zhì)演化事件。沿古太平洋邊緣從115～90 Ma與鳳凰板塊俯沖有關的巖漿活動反映了大陸構造體制的巨大變化 (圖2)。約83 Ma時西蘭蒂亞大陸(Zealandia)與西南極、澳大利亞之間的海底擴張開始 (Eagles et al., 2004)(圖2)。南極半島是一個長期存在的增生大陸邊緣,從124～110 Ma,大洋地殼發(fā)生再次俯沖及鈣-堿性深成巖產(chǎn)生,與發(fā)生在115～96 Ma的麻粒巖相變質(zhì)巖和堿性花崗巖、鎂鐵質(zhì)深成巖混合。在南極半島的西部保存了早侏羅世—白堊紀中期火山-沉積層序,其厚度大于8 km,該層序不整合于三疊紀增生雜巖上,是世界上最完整的弧前層序之一。白堊紀中期的巖漿活動在岡瓦納的整個原太平洋邊緣廣泛存在,沿帕默地(Palmer Land)東部邊緣侵入巖存在～125 Ma、 ～115 Ma和～105 Ma三次明顯的巖漿活動 (Riley et al., 2018),與沿著西南極邊緣發(fā)育的安第斯山脈130～105 Ma的三次巖漿事件一致(Paterson and Ducea, 2015)。

圖2 晚白堊世以來南極與相鄰陸塊重建圖Fig.2 Reconstruction of Antarctica and its surrounding areas since the late Cretaceous Euler rotation parameters of relevant oceanic crust regions were calculated based on geometric characteristics of marine magnetic anomaly and fracture zones constraints, following the precondition that the stage rotation rate was constant. Gplates software was applied to reconstruct the kinematic process of all tectonic units. The model is also constrained by tectonic events such as intracontinental extensional history, strike-slip and deformation records. Additionally, the paleomagnetic data are used to verify and iterate the model. The reconstruction of the Scotia Sea region is based on van de Lagemaat (2021). Data visualization by Gplates and GMT software.

南極半島北部南設得蘭群島 (South Shetland Islands)和詹姆斯·羅斯島 (James Ross Island)發(fā)育白堊紀地層。南設得蘭群島下白堊統(tǒng)主要是拜爾斯群(Byers Group)的 2.7 km厚的弧內(nèi)地層(Hathway and Lomas, 1998),由玄武巖、硅質(zhì)火山巖和火山碎屑巖組成。利文斯頓島 (Livingston Island)及拜爾斯半島 (Byers Peninsula)的火山巖時代主要為148～123 Ma、91～88 Ma(鄭祥身等, 1989),喬治王島 (King George Island)南部存在91 Ma左右火山巖(胡世玲等,1995;高亮等,2015)。詹姆斯羅斯盆地是典型的弧后盆地,主要發(fā)育白堊統(tǒng)地層古斯塔夫群(Gustav Group)和馬蘭比奧群(Marambio Group),古斯塔夫群是一套厚度＞2km的粗粒海相硅質(zhì)碎屑沉積物和火山巖序列,馬蘭比奧群是一套厚度＞3 km的陸相泥巖、粉砂巖及薄層礫巖,西摩島可見較為完整的白堊紀—古新世—始新世地層露頭,發(fā)育有大量植物和動物化石,最近的磁性地層研究顯示馬蘭比奧群年齡約為85～66 Ma(Milanese et al., 2020)。

2 新生代南極海陸格局變遷

白堊紀末南大西洋和印度洋洋盆進一步擴張,新生代海底磁異常條帶保存完整(圖2,圖3),為厘定洋殼年齡、解析洋殼結構、恢復板塊運動等地質(zhì)難題提供了直接信息 (Gee and Kent, 2007)。澳大利亞與南極板塊在79～53 Ma 擴張速率比較穩(wěn)定(圖2,圖3),至～50 Ma左右澳大利亞板塊快速向北移動,脫離岡瓦納古陸(Whittaker et al., 2013)。約45Ma時,南極-澳大利亞板塊裂離速度加快,地震和重力數(shù)據(jù)顯示了海底擴張由西向東的過程(圖3),向東傳遞的海底擴張和裂谷的不對稱性在時間上與垂直裂谷轉變?yōu)閮A斜裂谷相一致,也與裂谷作用走向從沿著克拉通到沿著古生代巖石圈的轉變一致 (Ball et al., 2013)。磁異常重建和塔斯曼西部東南印度脊形成的斷裂帶說明澳大利亞和南極板塊之間35～32 Ma的最后裂解地區(qū)位于南塔斯曼高地(圖3) (Scher et al., 2015)。

圖3 新生代以來南極周邊區(qū)域海底擴張過程Fig.3 Seafloor spreading map around the Antarctic since 65 Ma Reconstruction data are derived from the global-scale plate motion models by Seton et al., 2012; Müller et al., 2018, 2019; Wessel et al., 2019; Van De Lagemaat et al., 2021; Data visualization by Gplates and GMT software.

70～50 Ma間,南美洲板塊絕對運動的方向是南向,之后運動方向由南向運動轉為西北西向運動(圖2,圖3;Doubrovine et al., 2012),根據(jù)巴塔哥尼亞 (Patagonia) -南極半島陸橋在49～47 Ma發(fā)生沉降,斯科舍海 (Scotia Sea) 伸展開始于約50 Ma(Livermore et al., 2005)。南極半島出露的新生代巖漿巖主要是古近紀火山巖和侵入巖,主要分布在南設得蘭群島和亞歷山大島(Alexander Island)。在南設得蘭群島出露的古近紀火山巖以喬治王島的菲爾德斯半島 (Fildes Peninsula)為代表,以玄武質(zhì)、玄武安山質(zhì)和安山質(zhì)為主,另有少量的英安質(zhì)亞堿性巖石組合(鄭光高等,2015)。納爾遜島(Nelson Island) 東部火山巖年齡為66～56 Ma,波特半島 (Potter Peninsula)火山巖年齡約為47.6Ma。在喬治王島的巴頓半島 (Barton peninsula)和韋弗半島(Weaver peninsula),玄武質(zhì)、安山質(zhì)熔巖和花崗巖體在45 Ma短期時間內(nèi)噴發(fā)和侵入。亞歷山大島北部地區(qū),古近紀花崗巖侵入到增生雜巖中,時代為56 Ma(McCarron and Millar,1997)。

由于南極巖石露頭少、野外工作難度大,古地磁結果缺乏,少量的古地磁極說明至少從白堊紀中期開始南極半島就一直與東南極洲緊密相連(表1;Watts et al., 1984; Grunow, 1993; Bakhmutov and Shpyra, 2011; Milanese et al., 2017,2019; Gao et al., 2018)。84 Ma時南極大陸漂移至近極點的位置(圖4),此后其位置相對固定,期間太平洋板塊開始俯沖,羅斯海盆(Ross Sea basin)逐漸形成,45 Ma左右開始,南極半島向南運移,而南美南部向北運移,形成了現(xiàn)有的斯科舍海(圖4)?，F(xiàn)今,南美板塊和南極板塊間的離散方向變?yōu)闁|西向(Eagles and Jokat, 2014;鄭光高等,2015)。在新生代巖漿活動的同時,南美和南極半島之間發(fā)生伸展擴張,加上斯科舍(Scotia)俯沖帶弧后伸展,導致了德雷克海峽在～34 Ma打開(Eagles et al., 2006)。菲尼克斯板塊的主俯沖期在約20 Ma結束,局部的俯沖和有限的弧后擴展局限在今天南極半島的尖端,南設得蘭群島的弧巖漿作用最終在約20 Ma時停止(Fretzdorff et al., 2004)。20 Ma 至今各海盆水深有變淺趨勢(如羅斯海盆、威德爾海盆和塔斯曼海),～10 Ma時尤為明顯,可能與沉積物的充填有關,大西洋擴張速率降至小于40 mm/a,使得南美洲板塊繼續(xù)向西移動(孫運凡等,2013)。4 Ma左右,隨著板塊俯沖和洋脊擴張作用的停止,已俯沖在南極半島之下的板塊繼續(xù)下沉,由于缺失擴張脊的推動力,使得下沉板塊產(chǎn)生回卷,最終導致布蘭斯菲爾德海峽(Bransfield Strait)弧后盆地的打開,形成最深達2000 m的不對稱地塹式構造邊緣盆地(Larter and Barker, 1991)。

表1 西南極古地磁數(shù)據(jù)表Table 1 Paleomagnetic data from West Antarctica

圖4 白堊紀以來南極古緯度圖(參考點:70°S, 65°W)Fig.4 Paleolatitudes of the Antarctic since the Cretaceousrelative to a reference point on the Antarctic Peninsula (70°S, 65°W)

喬治王島發(fā)育始新世—漸新世—早中新世的連續(xù)地層剖面,主要為一套拉斑玄武巖,夾火山碎屑巖,此前被認為屬于島弧火山巖系列(Birkenmajer and Luzkowska,1987),但該玄武巖高鉀低鋁的特征,更符合大陸性質(zhì)的構造。保存完好的含大量生物化石的海相冰川沉積是研究南極冰蓋演化歷史的重要證據(jù)。中國學者對長城站所在的菲爾德斯半島出露的含化石沉積、火山碎屑巖地層開展了深入研究(劉小漢和鄭祥身,1988;沈炎彬,1990;宋之深,1997;段威武和曹流,1998),構建了該區(qū)年代及生物地層層序(劉小漢和鄭祥身,1988;沈炎彬,1990),重建了古氣候與古地理環(huán)境(薛耀松等,1996;宋之深,1997;段威武和曹流,1998)。

羅斯海西南部、南極橫斷山脈及其周緣內(nèi)陸盆地是研究南極冰川和氣候演化的熱點地區(qū),發(fā)育有漸新世以來較完整的冰川沉積序列,天狼星組的形成時間和形成環(huán)境為該區(qū)冰蓋演化提供了支撐。埃莫里地塹-普里茲灣海岸地帶發(fā)育的新生代沉積地層同樣記錄了南極冰蓋及氣候演化信息(Hambrey and Mckevel, 2000),中國學者在地層、古生物和古地理等方面取得了研究成果(王自磐,1998)。

3 討論與結論

3.1 新生代全球氣候變化與南極地質(zhì)過程

最近,根據(jù)多年研究積累的2.3萬余個數(shù)據(jù)點重建了新生代高清晰度深海碳氧同位素全球氣候參考曲線 (Cenozoic Global Reference Benthic Foraminifer Carbon and Oxygen Isotope Dataset,簡稱CENOGRID)(Westerhold et al., 2020),通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計判別,劃分出熱室、溫室、冷室和冰室四個狀態(tài):熱室狀態(tài)從56 Ma持續(xù)到47 Ma;溫室包括66～56 Ma、47～34 Ma兩個時期;冷室狀態(tài)從34 Ma到3.3 Ma,以13.9 Ma為界分為兩個階段;冰室狀態(tài)從3.3 Ma持續(xù)至今(圖5)。演化圖譜顯示溫室和熱室比冷室和冰室狀態(tài)地球預測性更強,47 Ma之后,確定性的波動幅度越來越大,直到34 Ma成為不可預測狀態(tài) (Westerhold et al., 2020)。34 Ma是南極地質(zhì)演化史上的關鍵時期,晚始新世塔斯曼陸橋與南極大陸之間裂谷發(fā)育、始新世末南極半島與南美開始分離導致岡瓦納大陸最終解體(Lyle et al., 2008)、南極繞極環(huán)流 (ACC) 形成(圖2,圖3,圖5;Barker and Thomas, 2004)。

圖5 新生代南極地質(zhì)事件與全球氣候變化對比Fig.5 Cenozoic geological events in the Antarctic compared with global climate changes This Graph is modified after Zachos et al., 2001; Livermore et al., 2007; Westerhold et al., 2020; 2021-2030 Earth Science Development Strategy Research Group, 2021. Deep-sea oxygen isotope data, mainly collected by Ocean Drilling Program (ODP) and Integrated Ocean Drilling Program (IODP), mined from the database provided by Westerhold et al., 2020

不同角度的研究結果認為塔斯曼海峽、德雷克海峽打開時間存在爭論。來自地質(zhì)觀測、地球物理等的證據(jù)對澳大利亞和南極裂解過程給出不同的解釋,時代上從約100 Ma到30 Ma,空間上從西到東分多段 (Veevers, 1986;Tikku and Cande, 1999; Tikku and Direen, 2008; Whittaker et al., 2008, 2013; Aitken et al., 2014; Gillard et al., 2015)。南極與南美裂解也存在早始新世、早漸新世、甚至～20 Ma的觀點 (Lagabrielle et al., 2009; Dalziel, 2014; Eagles and Jokat, 2014)。如根據(jù)底棲有孔蟲δ18O在34～33 Ma時快速的下降,將德雷克海峽深部洋流貫通時間指向32 Ma(Lawver and Gahagan., 2003; Lagabrielle et al., 2009) 或32.8 Ma(ODP Site 1090) (Latimer and Fillipelli, 2002),根據(jù)斯科舍海記錄的磁異常條帶認為最老打開時間為～28.5 Ma(圖3; Lodolo et al., 2006; Van De Lagemaatet al.,2021),還有學者根據(jù)古生物差異認為徳雷克海峽打開較早, 古新世晚期南美洲和南極半島之間形成了一個寬且淺的陸表海,阻止了兩地間陸生動物交流,但由于殘留陸殼的阻礙直到早中新世ACC才形成(圖2;Livermore et al., 2004)。雖然海道具體貫通時間與打開規(guī)模尚無定論 (Pfuhl and McCave., 2005;Scher and Martin.,2006),古新世以來逐漸打開的過程已得到認可(圖5)。

在全球板塊重組時期,南美板塊西向的絕對運動影響了印度、澳大利亞和太平洋板塊(Whittaker et al., 2007; Müller et al., 2016; Torsvik et al., 2017; Vaes et al., 2019),時間與通過澳大利亞和南極洲之間塔斯曼海峽海水貫通時間吻合(Bijl et al., 2013),長時間尺度的全球變冷大約也發(fā)生在這一時間 (Cramwinckel et al., 2018),并被認為與喜馬拉雅山脈和安第斯山脈隆起導致的硅酸鹽暴露風化作用增強導致的全球二氧化碳減少有關(Kump et al., 2000)。中始新世山脈隆升及氣候變冷的過程中,該時期板塊的重組使得德雷克海峽完全打開,強大的 ACC形成(Hill et al., 2013; Houben et al., 2019),促進了南極洲的進一步冷卻而與溫室氣體的下降作用關系不大(Sijp et al., 2014),為南極洲的冰川作用提供了先決條件。構造通道的變化影響了中始新世晚期到中新世早期的海洋環(huán)流,進而影響全球氣候變化(Katzet al., 2011)。早始新世時,喬治王島地區(qū)古生物化石記錄了暖溫帶-亞熱帶的植被與氣候特征,中始新世時為溫暖濕潤的古氣侯環(huán)境,植被與現(xiàn)代生長在南美、澳大利亞及新西蘭溫帶或涼溫帶的常綠或落葉植被接近(沈炎彬,1990;段威武和曹流,1998)。120航次鉆探獲得漸新統(tǒng)最下部筏冰碎屑沉積記錄,推測冰蓋在始新世末期 (～36.0 Ma) 已到達海面 (Wise et al., 1992),低緯向南極輸送熱量的能力開始降低,進而造成南極的熱隔絕并導致南極冰蓋的形成,地球氣候系統(tǒng)由溫室期轉為冰室期,對南極甚至全球氣候產(chǎn)生重要的影響 (Kennett, 1977; Scher, 2017)。早漸新世來自熱帶的暖流被南極周圍的ACC切斷,導致南極區(qū)域氣候變冷,山岳冰川或東南極冰蓋形成 (陳廷愚等,2008;Munday et al., 2015)。古生物證據(jù)證明漸新世氣候與始新世相比已經(jīng)開始變冷,漸趨惡劣環(huán)境開始不利于植物生長。34 Ma全球氣候系統(tǒng)非線性程度大大增強,預測確定性參數(shù)顯著降低與南極冰蓋同步出現(xiàn)應該具有密切聯(lián)系。

3.2 新生代南極構造-氣候效應

新近紀早期德雷克通道持續(xù)打開,使ACC規(guī)模擴大和加強(圖2,圖3,圖5),導致南極與低緯度熱水的相互影響越來越弱,開始出現(xiàn)較深的環(huán)南極大陸的大洋海水循環(huán) (Eagles et al., 2006),約14 Ma南極冰凍圈演化成大規(guī)模冰蓋,促進全球氣候變冷和溫鹽環(huán)流,進而改變了新生代全球氣候的格局和生物分布 (Kennett et al., 1977; Cook et al., 2016)。在冷室地球第一階段中(25～14 Ma),氣候周期以偏心率為主,傾角周期表現(xiàn)不顯著 (Westerhold et al., 2020)。早中新世梅爾維爾角組(Melville Piont Formation)發(fā)育有一套冰川海相地層,沉積于以海冰為主的淺海、低能環(huán)境,說明南極冰蓋規(guī)模不大,高緯冷源的放大效應還不顯著。13.9 Ma之后地軸傾斜度的信號逐漸增強,與南極形成大規(guī)模冰蓋過程一致,到3.3 Ma成為冰室地球氣候系統(tǒng)的主導周期,與北極冰蓋形成同步效應(Westerhold et al., 2020)。

發(fā)生在始新世和漸新世之交的南極板塊與澳大利亞板塊、南美板塊的裂解事件(圖2,圖3)與34 Ma全球氣候由暖室進入冷室期轉折具有高度一致性;中新世約14 Ma由冷室進入冰室,也對應了德雷克海峽通道完全打開導致ACC成為全球最大規(guī)模的環(huán)流?？梢?新生代以來的全球氣候變化與南極的海陸變遷過程關聯(lián)性強,促進了始/漸新世快速變冷、中中新世轉入冰室狀態(tài)的發(fā)生。達到深層海水貫通的ACC與全球多洋盆之間連通形成了著名的橫跨大洋的溫鹽環(huán)流,即大洋輸送帶(Great Ocean Conveyer Belt),調(diào)節(jié)全球大洋冷熱平衡,并阻礙熱量向南的輸送。

3.3 新近紀以來南極巖漿活動-氣候效應

全球氣候變化是多因素綜合作用的結果,新生代早期的古/始新世極熱事件為代表的熱室狀態(tài)、中新世冰室狀態(tài)中的暖期與溫室氣體 CO2濃度變化直接相關,分別對應了北大西洋火成巖省、哥倫比亞河火山噴發(fā)事件(圖5)。65 Ma至今青藏高原深部碳循環(huán)與全球大氣圈溫室氣體以及氣候變化之間也存在一致現(xiàn)象:55～50 Ma印度板片俯沖起始階段,巖漿-變質(zhì)作用導致深部碳庫巨量CO2釋放;50～25 Ma早期巖漿活動劇烈,大氣CO2濃度迅速升高且維持在較高水平,后期巖漿活動趨緩,大氣CO2濃度出現(xiàn)緩慢降低的趨勢;25 Ma以來巖漿活動規(guī)模驟然減小,大氣CO2濃度總體保持在較低的水平(Guo et al., 2021)。

詹姆斯羅斯島、布拉班特島 (Brabant Island)和欺騙島(Deception Island)發(fā)育有新近紀晚期火山巖,由大量的熔巖深成體和成分類似的拉斑玄武巖、堿性玄武巖、夏威夷巖及少量的碧玄巖、橄欖粗安巖等組成。詹姆斯羅斯島火山群是南極半島最大的新近紀火山區(qū),巖漿活動的特點是:熔巖充填三角洲、玄武巖熔巖、凝灰?guī)r和火山碎屑角礫巖主要位于冰下環(huán)境中,主要巖性是碎屑角礫、枕狀熔巖和近地面的熔巖流等。玄武巖的40Ar/39Ar年齡顯示形成時間集中在6～4 Ma之間,部分在1.69～0.13 Ma之間 (Smellie et al., 2008)。這些巖漿活動對區(qū)域氣候變化的影響尚不清楚,增加了南極區(qū)域古氣候記錄的不可確定性。

布蘭斯菲爾德海峽在約上新世之后的打開致使南設得蘭群島與南極半島分離 (Barker and Burrell, 1982),塊體裂解或海峽的打開阻隔了生物間的交流,形成了不同島嶼獨特的生物圈。布蘭斯菲爾德海峽是處于從裂谷到擴張演化階段的第四紀弧后盆地,重震聯(lián)合反演剖面可以發(fā)現(xiàn)在布蘭斯菲爾德海峽中央盆地多處存在巖漿活動,沿盆地擴張中心海底分布有大量的新鮮火山巖,是海底火山、地震等新構造活動極為活躍的地區(qū)(馬龍和邢健,2020)。布蘭斯菲爾德海峽的新洋殼伴隨海底火山作用持續(xù)生成,由于海峽盆地整體的左旋走滑運動,導致中部和東部盆地分別處于海底擴張初期和擴張前弧后裂谷階段,并表現(xiàn)為完全不同的地形地貌、火山活動及沉積特征(Schreider et al., 2014)。南極新近紀晚期古氣候的變化與固體地球科學中巖漿活動、海陸格局變遷有機地結合起來(圖5),將為深入開展人類活動對全球氣候變化的影響程度提供更完善的證據(jù)鏈。

4 研究展望

南極冰蓋封存了40億年來大陸起源、物質(zhì)循環(huán)、構造活動、環(huán)境氣候變化、生物進化等多樣化記錄,盡管人們對南極如何演化的理解有了很大的進步,但在認識南極上仍然存在太多的未知。南極也曾綠意盎然,擁有茂盛的森林,是動物的樂園,深入理解新生代以來南極及周邊地塊海陸格局變遷對海洋、大氣循環(huán)的調(diào)控機制,探尋新生代以來地質(zhì)過程與南極冰蓋生長的耦合關系,構建南極氣候變化與全球氣候變化模型,可以查明地質(zhì)演化對氣候變化的驅動過程,更好地預測未來氣候變化。

南極繞極環(huán)流(ACC)是體積最大的地轉流,連接大西洋、印度洋和太平洋(圖1)。它在全球分布中扮演著重要的角色,帶動熱量、營養(yǎng)物、鹽、碳以及大氣和海洋之間的氣體交換,因此對地球的氣候產(chǎn)生了強烈的影響。現(xiàn)在南極海陸格局持續(xù)變遷中,未來會影響到ACC的循環(huán)路線和強度,海底地震、火山等新構造活動持續(xù)活躍,甚至會改變洋底溫度,引起溫室氣體快速大量的釋放。

展望未來,確定南極海陸變遷過程,揭示下伏巖石圈與上覆冰蓋動態(tài)的聯(lián)系比以往任何時候都更重要,因為現(xiàn)代人為活動造成的全球變暖的速度遠遠超過了在新生代任何時候的自然氣候波動幅度,并且有可能將地球氣候從目前的冰室推向熱室狀態(tài) (Westerhold et al., 2020)。在南極這一受人類活動干擾相對較弱的地區(qū)開展多圈層相互作用與流固耦合研究十分迫切,涉及水圈-巖石圈流固耦合和化能生命系統(tǒng)效應、水圈-大氣圈多尺度能量串級及其氣候效應、水圈-大氣圈-生物圈耦合及其生態(tài)和氣候效應等 (李三忠等,2019),需要詳細的地球物理和地質(zhì)證據(jù)支撐,需要進一步研究具有精準年齡厘定的構造位置、巖漿活動等,為構建可靠的南極演化模型提供關于南極不同組成部分如何以及何時活動的信息。因此,亟需在南極地區(qū)開展包括深部動力學、地球關鍵帶、海洋與大氣相互作用、冰凍圈與水循環(huán)以及資源效應的涉及多學科多圈層的系統(tǒng)研究計劃,建設能夠實現(xiàn)中國科學家到更多關鍵區(qū)域開展工作的航海、航天、陸地全天候平臺,集中國地學科研之力形成南極極端條件下的地學系統(tǒng)理論,為研究全球氣候變化提供科學依據(jù)。

致謝:中國第32、33、35、36次南極科學考察隊、智利南極研究所給予了野外工作的大力支持,評審專家提出了建設性修改意見,在此表示衷心感謝。