作者 | 韓揚眉 劉曉倩
藏南定日地區的「古新世—始新世極熱事件」剖面。中科院青藏高原所供圖
距今約5600萬年前，地球上發生了新生代以來最強烈的一次快速升溫，導致大氣圈、水圈和生物圈發生了重大變化。
這一歷史性事件被稱為「古新世—始新世極熱事件」，該事件與碳釋放有關。近30年來，該事件一直是古氣候、古環境研究的熱點之一。
近日，中科院青藏高原研究所大陸碰撞與高原隆升重點實驗室副研究員張清海、研究員丁林團隊聯合國內外研究人員，證實「古新世—始新世極熱事件」時期完整的碳同位素負漂應該具有一個階梯狀的結構，在大氣和淺海中碳同位素負漂具有較大的幅度。相關成果發表於《地球與行星變化》。
「古新世—始新世極熱事件」大約持續了20萬年，其中碳釋放持續的時間大約為1000年至50000年。
在千年到萬年的時間尺度上，「古新世—始新世極熱事件」為研究氣候變化和碳循環之間的耦合規律提供了難得機會。
尤其在當前，人類社會正面臨著由於大量碳排放所導致的全球溫度上升，研究「古新世—始新世極熱事件」能夠幫助人們更好地了解未來的氣候、環境和生物變化。
碳同位素負漂的結構和幅度被認為是「古新世—始新世極熱事件」研究的核心問題。
張清海介紹，「古新世—始新世極熱事件」時期，大量輕碳（13C同位素含量較少的碳）從岩石圈釋放到大氣海洋系統中，造成了地球表層碳庫中的碳同位素組分發生了顯著的負漂。
而也正是碳釋放，觸發或是加劇了這次全球升溫。
長期以來，關於碳同位素負漂的結構和幅度研究存在兩種主流觀點，即碳同位素負漂是碳同位素一步快速漂移到最負值並逐漸回返的過程；碳同位素負漂的幅度（用來估算「古新世—始新世極熱事件」期間碳釋放的總量）最大為4‰。
2017年，丁林和張清海團隊即對上述兩個主流觀點提出了質疑。此後，該團隊歷時兩年，對藏南定日地區的淺海碳酸鹽岩剖面中的大有孔蟲殼體開展了微量元素和碳同位素研究。
應用雷射剝蝕—等離子體質譜（LA-ICPMS） 和二次離子質譜（SIMS） 原位地球化學分析技術，該團隊分析了大有孔蟲殼體上的原位微量元素含量和原位碳同位素組成。
研究表明，「古新世—始新世極熱事件」期間，完整的碳同位素負漂具有一個階梯狀的結構。研究還證實，在淺海和大氣中，碳同位素負漂的幅度大致為7‰，並首次給出「古新世—始新世極熱事件」時期碳釋放總量的上限為28000Pg（目前人類每年排放的碳約為10Pg）。
階梯狀碳同位素負漂結構的存在暗示「古新世—始新世極熱事件」期間存在多次碳釋放，很可能存在「碳釋放—溫度上升—再次碳釋放」的正反饋過程。
大氣和淺海中碳同位素負漂的幅度明顯大於深海，這暗示碳釋放對大氣和淺海造成的影響可能遠大於深海。
「這警示我們，大量碳釋放到大氣—海洋系統中可能造成一系列多米諾骨牌式氣候、環境和生物響應。在自然狀態下，地球可能需要數十萬年才能恢復到之前的正常氣候狀態。」張清海表示。
研究還表明，過去關於「古新世—始新世極熱事件」的研究工作大多來自於不完整的沉積記錄，而這不可能準確完整地重現該事件的來龍去脈。未來還需發掘更多具有階梯狀碳同位素結構的剖面，以對其進行深入研究。
研究人員介紹，目前，對於「古新世—始新世極熱事件」的觸發機制、碳釋放的具體源區和過程尚不清楚。
下一步，丁林團隊擬基於藏南的高解析度碳酸鹽岩剖面和其他剖面，通過有機地球化學和其他手段作進一步研究，確認碳釋放的具體源區和過程，查明碳釋放和氣候變化之間的耦合關係，進而幫助人們更好地理解未來的氣候環境變化。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2019.103049
《中國科學報》 (2019-12-17 第3版 綜合)