北大西洋中纬度海域浮游有孔虫揭示的70ka以来古海洋环境演化

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北大西洋中纬度海域(40-50°N)位于亚极地环流圈(SPG)和亚热带环流圈(STG)相互作用地带,是全球气候变化较为敏感地区。由于位置独特,该区域主要汇集了2种不同的水团:低温低盐的极地水和高温高盐的北大西洋暖流(NAC)。夏季NAC向北增强,上层水体被亚热带温暖和贫营养水团所覆盖,导致水体分层和混合层变薄。而极地水流入时,上层水体被寒冷和高生产力的水所覆盖,导致温度和盐度梯度减小,进而形成均匀的厚混合层。研究表明冰期极地水周期性地从现代位置扩张至中纬度海域,北大西洋的洋流体系向南和向东移动,SPG增强。这归因于北大西洋周围冰盖的反复崩塌,产生大量融水,最终削弱了北大西洋深层水的形成。因此,该区域的古海洋学研究逐渐成为人们关注的焦点。本文以冰筏碎屑(IRD)带中的重力柱岩芯Hu71-377为研究对象,该岩芯是由Dalhousie大学的Hu71022航次采集。通过在加速器质谱仪(AMS14C)上测定14C年龄,建立了Hu71-377中0~30 ka的年龄模型。30~70 ka的年龄模型通过以下方法构建:将Neogloboquadrina pachyderma的δ18O调谐至格陵兰冰芯(NGRIP)和亚极地岩芯PS2644中N.pachyderma的同位素地层学记录比对,获得相关年龄控制点。这项研究分析了多种代用指标,如IRD、浮游有孔虫组合、N.pachyderma和Neogloboquadrina incompta的δ18O和δ13C。研究还通过相同物种的Mg/Ca值和δ18O重建了研究区近70 ka以来的海洋表层温度(SST)和海洋表层盐度(SSS)。通过研究,获得以下结论:(1)岩芯Hu71-377中识别了6个Heinrich事件(H事件),分别发生在距今:~15.6 ka、~22 ka、~29 ka、~38 ka、~46.5 ka和~62 ka。H2和H4是H事件的典型特征,而具有狭窄IRD峰的H3和H6与北大西洋东部和IRD南缘岩芯中缺乏IRD峰值的观点相反。此外,H1期间存在2个IRD峰值,表明至少有2个阶段的冰流排放。因此,H1.1和H1.2之间的IRD间断(~15.1 ka)可能是冰消期融水和不同冰流引起的。(2)H事件记录了上层水柱的不同水文变化。H3和H5期间δ18ON.pachyderma未观察到与其他H事件δ18ON.pachyderma一样显著变轻的特征,可能是H1、H2、H4和H6期间融水影响更为强烈。而H3和H5期间可能受到更多暖水流入,从而减弱了融水作用。N.pachyderma和N.incompta的Mg/Ca值被用来重建近70 ka以来SST变化。结果显示,H2期间海表冷却。但是,H1和H6期间SSTN.pachyderma和SSTN.incompta显著升高6~8℃。H4期间仅SSTN.pachyderma升高3.5℃。值得注意的是H3和H5期间SSTN.incompta升高3℃,再次说明H3和H5期间可能有季节性北大西洋暖水输入。(3)N.pachyderma和N.incompta在浮游有孔虫组合中占主导。计算N.incompta与N.pachyderma相对丰度的比值,以推断研究区70 ka以来与水团变迁有关的SST。MIS2期和MIS4期比值<50%,反映了极地冷水团侵入后较为寒冷的环境;而MIS3期暖期和全新世比值>50%,反映高温高盐的NAC流入。但是,由于浮游有孔虫的季节性差异和栖息深度变化可能导致其相对丰度的变化,故N.incompta与N.pachyderma相对丰度比值的结果可能高估了研究区SST。考虑到有孔虫相对丰度比的限制,本研究使用Mg/Ca指标来重建SST。(4)利用SST和δ18O分别重建了N.incompta和N.pachyderma的海水背景值δ18Ow和SSS。从SSSN.pachyderma和SSSN.incompta可以看出:由于受融水和北大西洋暖水相互作用,H3期间上层水柱中存在较强的温跃层和盐跃层。此时,北大西洋经向翻转流(AMOC)可能仍然较强。但是,H1、H2、H4和H6期间SSSN.pachyderma和SSSN.incompta显著降低,表明强烈的融水作用可能减弱了AMOC。(5)MIS4期SSSN.pachyderma和SSSN.incompta间差值减小,表明强烈的对流混合;而SSTN.pachyderma和SSTN.incompta差值增大,可能是海表冷却和海水混合使得MIS4期上层水柱中N.pachyderma向深处栖息。MIS3期暖期温跃层消失,但MIS3期冷期至MIS2期,上层水柱形成一个均匀且厚重的混合层。MIS1期SST和SSS呈负相关,全球海平面升高解释了SSS降低。(6)δ13C表明MIS3期和MIS1期δ13C偏重,说明海气交换良好,而MIS4期和MIS2期海气交换减弱。δ13CN.pachyderma和δ13CN.incompta间差值可能主要反映H事件的古环境。H1、H2和H6期间δ13CN.pachyderma和δ13CN.incompta差值减小,可能受温跃层变深或强风驱动的海水垂向混合的影响。然而,H4和H5期间δ13C差值增大,表明季节性温跃层变浅,与夏季NAC增强和水体分层有关。此外,δ13CN.pachyderma与其壳体重量无显著相关性;相反,N.incompta壳体重量与δ13CN.incompta在寒冷的LGM呈正相关、在温暖的全新世呈负相关,说明壳体重量可能引起壳体δ13C与海水∑CO2的δ13C偏移。因此,不排除H事件期间壳体重量增加可能使得δ13CN.incompta变重,进而导致δ13CN.pachyderma和δ13CN.incompta差值增大。
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