雙殼（牡蠣）化石與全球氣候變化。 青藏所供圖

距今1.4億年的溫室地球時(shí)期，海洋表層溫度如何變化、極地冰川是否存在？為解開這一謎題，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院青藏高原研究所（以下簡稱青藏所）研究員丁林嘗試讓來自青藏高原的“氣候探針”——牡蠣化石“開口說話”。

“雙殼類等軟體生物的殼體是連接地表各圈層的‘時(shí)空橋梁’，精細(xì)記錄了地球氣候節(jié)律與生態(tài)更替的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。”丁林對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》說，相關(guān)研究有助于“啟迪我們從深時(shí)之境中探尋生態(tài)文明的未來之路”。

通過與國際團(tuán)隊(duì)合作，研究者對(duì)距今1.398億年至1.329億年的早白堊世時(shí)期產(chǎn)自青藏高原的4件牡蠣化石進(jìn)行深入研究。研究結(jié)果打破了傳統(tǒng)認(rèn)知，為理解地球氣候演變及預(yù)測(cè)未來生態(tài)情景提供了全新視角。相關(guān)論文近日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。

一座“時(shí)空橋梁”

“以牡蠣化石為代表的增生生物殼體如同樹木年輪，每年形成明暗交替的生長紋層。”丁林解釋說，夏季高溫時(shí)，殼層生長較快、結(jié)構(gòu)疏松，形成“亮帶”；冬季低溫時(shí)，生長減緩、結(jié)構(gòu)致密，形成“暗帶”。

基于這一思想，早在2014年，丁林團(tuán)隊(duì)就提出利用介形蟲化石明暗相間的季節(jié)性殼體環(huán)帶，進(jìn)行氧同位素古高度計(jì)重置檢驗(yàn)的方法，并據(jù)此揭示了岡底斯山是比喜馬拉雅山更古老的山脈。

長久以來，科學(xué)界普遍認(rèn)為“在溫室地球背景下，海水表層溫度季節(jié)變化微弱，冰川活動(dòng)也極為罕見”。在新研究中，丁林領(lǐng)銜的碰撞隆升及影響團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合德國森肯貝格生物多樣性和氣候研究中心、英國布里斯托大學(xué)、馬達(dá)加斯加塔那那利佛大學(xué)等單位，打破了這一傳統(tǒng)認(rèn)知，揭示了溫室地球氣候的復(fù)雜性與多變性。

一首“交響樂”

“為精準(zhǔn)識(shí)別大型耙牡蠣化石殼體生長紋層，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了高分辨率微區(qū)采樣，并采用了‘多管齊下’的分析手段。”論文第一作者、青藏所特別研究助理何松林介紹，例如，運(yùn)用掃描電鏡和陰極發(fā)光顯微鏡，開展巖相學(xué)分析，細(xì)致觀察化石的微觀結(jié)構(gòu)；通過測(cè)定鍶同位素及成巖識(shí)別元素錳和鐵的含量，對(duì)化石進(jìn)行全面的地球化學(xué)分析。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)確定這些化石并未受到后期成巖作用的改造，并從中提取出氣候季節(jié)性變化的高分辨信號(hào)。此外，他們還結(jié)合全球氣候模型，模擬了不同二氧化碳濃度下的海表溫度、海水氧同位素值和鹽度分布，進(jìn)一步驗(yàn)證了研究數(shù)據(jù)的可靠性。

研究團(tuán)隊(duì)據(jù)此首次重構(gòu)了溫室地球時(shí)期海洋表層溫度的季節(jié)性波動(dòng)歷史，發(fā)現(xiàn)早白堊世時(shí)期地球具有顯著的季節(jié)性溫差和極地冰蓋-冰川周期性消融現(xiàn)象。

研究表明，在白堊紀(jì)早期大洋缺氧事件全球降溫時(shí)期，牡蠣化石記錄的南半球中緯度地區(qū)冬季海水溫度比夏季低10℃至15℃，這一數(shù)據(jù)與現(xiàn)今同緯度地區(qū)季節(jié)性海水溫度變化幅度相似。海水氧同位素?cái)?shù)值的波動(dòng)表明，部分淡水可能以季節(jié)性冰蓋-冰川融水的形式注入海洋，類似現(xiàn)代格陵蘭冰蓋夏季消融的情景。

“早白堊世溫室世界就像一首交響樂，溫暖的主旋律中偶爾穿插著冰川的短促音符。”何松林比喻說。

一扇“新窗”

當(dāng)前全球變暖常被簡化為“溫度持續(xù)上升”。研究者表示，這項(xiàng)研究提醒我們，氣候系統(tǒng)具有高度非線性特征。

研究表明，溫室氣體濃度升高可能加劇季節(jié)差異，使得極端天氣頻發(fā)，而非均勻升溫。研究推測(cè)，早白堊世的短暫冰川活動(dòng)可能由巴拉那-伊騰德卡火山活動(dòng)的負(fù)反饋與地球軌道周期變化等因素共同驅(qū)動(dòng)。

“這提示我們，即使在全球變暖的今天，局部地區(qū)的重大地質(zhì)事件疊加人類活動(dòng)，也會(huì)出現(xiàn)意料之外的降溫事件。”論文共同通訊兼第一作者、青藏所特別研究助理王天洋說。

此前，研究團(tuán)隊(duì)通過分析位于藏南江孜地區(qū)的箭石化石，已經(jīng)提出在早白堊世瓦蘭今期全球降溫期間，大陸冰蓋的總體積或達(dá)到現(xiàn)今南極冰蓋體積的一半——約16.5×10⁶立方千米。此次成果不僅再次印證了該時(shí)期氣候變化的復(fù)雜性，也增進(jìn)了人們對(duì)溫室氣候背景下海陸相互作用機(jī)制的科學(xué)理解。

“這項(xiàng)研究如同為古老氣候圖景打開一扇新窗，打破溫室氣候單一敘事，照見地球系統(tǒng)深層的季節(jié)律動(dòng)與冰凍回聲。”論文作者之一、森肯貝格生物多樣性與氣候研究中心教授Andreas Mulch說。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9417