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北极东西伯利亚冰盖与环境演变研究

编辑:ZLY 作者:叶黎明 时间:2020年09月24日 访问次数:89

       “海洋沉积与海岸过程”团队参与了我国自第三次北极科考以来所有的调查和研究工作,积累了大量的研究样品和观测数据,在北冰洋源汇过程、富锰褐色层成因机制、碳埋藏和沉积动力学等方面取得了较大的进展,最新研究成果发表在《Marine Geology》和《Acta Oceanologica Sinica》上,通过分析冰阀碎屑(IRD)、主量元素和有孔虫等记录,重点研究了东西伯利亚大陆边缘末次间冰期以来的沉积环境和冰阀事件。结果表明,在氧同位素2期(MIS2)东西伯利亚冰盖(ESIS)是存在的,但是其扩展冰架的覆盖范围仅限于南门捷列夫洋脊、楚科奇盆地和楚科奇隆起,而楚科奇海台和北风洋脊被劳伦泰扩展的冰架所控制。在MIS4期,ESIS经历了明显的扩张,一个更稳定的冰架完全占据了楚科奇海台和北风洋脊,劳伦泰冰盖(LIS)和欧亚冰盖(EAIS)产生的冰山受到严重限制,只有来自东西伯利亚陆架的细粒沉积物才有可能通过冰下排水系统大量输入。


图1  末次间冰期以来东西伯利亚冰盖(ESIS)的扩张范围
(白色半透明边框—前人提出的ESIS范围,红色虚线—本文圈定的ESIS范围)

       自中更新世以来,北极冰盖通过调节地球表面反照率、有机碳收支和水文循环在全球海洋和气候系统中引发了显著的反馈。随着冰盖的扩张,整个北冰洋可能都会被一个巨大的冰架所覆盖,这将从根本上改变我们对氧同位素和海平面变化的基本认识,并重新定义气候模型的边界条件。沿着东西伯利亚大陆边缘,科学界认为楚科奇海台上最初形成的是小型的冰帽,后来发现在楚科奇海台上存在的应该是大型的冰架。冰川地貌和沉积相方面的最新研究表明, ESIS及其延伸的冰架可能自中更新世以来至少5次覆盖了南门捷列夫洋脊、楚科奇盆地、楚科奇隆起、楚科奇海台和北风洋脊,为重建北冰洋的冰川历史提供关键信息。


图2  柱状沉积物中不同时期粘土矿物的端元组成

       由于广泛存在的沉积间断和先前冰川地貌的有效保存,很难确定东西伯利亚大陆边缘冰阀事件的特定范围和时间。以前的数据大多支持在MIS6期东西伯利亚大陆架上存在一个2000米厚的冰盖,门捷列夫洋脊和楚科奇海台上有一个厚度超过1000米的着底冰架,它们之间还存在一系列的冰间湖(Polynas)。在MIS6期之后,ESIS及其延伸的冰架是否曾经出现过,目前仍在争论。由于正常沉积速率并不支持东西伯利亚大陆边缘末次冰盛期(LGM)之后的半深海沉积,ESIS最后一次大规模扩张可能发生在LGM之前。从德隆群岛北部冰川槽获得的地球物理和沉积学记录也表明,东西伯利亚大陆架在LGM期间没有被冰盖覆盖。只有少量的证据支持MIS2期间楚科奇陆架上存在冰盖,例如东北走向的冰川线理以及楚科奇海隆上非化石、过压实沉积物的发育。因此,需要更多的证据来进一步明确东西伯利亚大陆边缘冰阀事件的范围、时间和来源,以便建立完整的北冰洋冰川历史,更好地了解其在气候和生物系统中的反馈,特别是在MIS2期,人类通过白令海大陆桥从亚洲迁移到北美,深受冰盖发育的影响。


图3  末次间冰期以来东西伯利亚冰盖扩张的时间和范围

       在MIS2期,北极环境非常特殊,EAIS覆盖范围仅为MIS6期一半。相比之下, LIS扩张到了最大范围,有大规模的冰流通过麦肯锡河口进入北冰洋西部。北冰洋1000米至2500 米深处的水温上升了2-3℃, 500米以浅水体的温度接近冰点,有效促进了西北冰洋冰架的生长。因此,整个北冰洋西部地区似乎被一个大面积的冰架覆盖,海洋环流不畅,沉积速率极低,导致一些地区缺乏沉积。粘土矿物组合表明,楚科奇海台和北风洋脊很可能受控于源自劳伦泰(Laurentide)冰盖的冰架,该冰架是造成海底西北向冰川线理的主要原因。粘土矿物和IRD分布表明,南部门捷列夫洋脊、楚科奇盆地和楚科奇海隆之上有明显的冰架搁浅,很可能来自东西伯利亚边缘,而不是LIS或EAIS,后者特别稳定,缺乏可观的IRD。这个冰架似乎是ESIS主体的一部分,而负责冰山卸载的区域仍然位于搁浅冰架的外部。正如前人所讨论的,南门捷列夫洋脊表现为巨厚冰架的覆盖区,而不是形成冰碛的活跃冰缘。
       MIS4期间,东西伯利亚大陆边缘的环境也不同于北冰洋中部,其特点是环流不畅、缺乏IRD和东西伯利亚大陆架大量的细粒沉积物输入。相对于MIS2期,ESIS在MIS4期的覆盖范围可能有所增加,其东北边界接近前人提出的最大范围。因此,更多含伊利石的冰流进入楚科奇海台和北风洋脊,阻断了来自其他冰盖的冰山输入。同时,与MIS2相关的LIS覆盖范围减少,冰流不再从麦肯锡河口进入北冰洋西部,而是向西迁移。这可能是楚科奇海台和北风洋脊劳伦泰来源冰山后退的一个原因。虽然先前的研究没有确定大规模冰川地貌与MIS4期间ESIS的扩张有关,但沿着北风脊有混杂岩沉积。尽管楚科奇海台和北风洋脊上的大部分冰川线理在MIS2期间被移除,但在北风脊以西水深>1000 米的盆地中存在一些东北走向的冰川线理,指示了MIS4期ESIS的扩张方向。

该成果发表论文:
Ye, L. (叶黎明), Zhang, W., Wang, R., Yu, X. and Jin, L. Ice events along the East Siberian continental margin during the last two glaciations: evidence from clay minerals. Marine Geology, 2020, 428. (国际SCI)
Ye, L. (叶黎明), Yu, X., Zhang, W., Wang, R. Ice sheet controls on fine-grained deposition at the southern Mendeleev Ridge since the penultimate interglacial. Acta Oceanologica Sinica, 2020, 39(9). (国内SCI)