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轻松读懂海洋(8)海陆地质开关—中美地峡 精选

已有 4331 次阅读 2022-1-1 19:22 |系统分类:科普集锦

在大西洋西面更靠近赤道的地方,中美地峡显得很特别,细细的腰身连接南美洲和北美洲,与安德烈斯岛屿一起围成了墨西哥湾和加勒比海。墨西哥湾是石油的重要产出地,加勒比海则是海盗电影中最为神秘的地方。

美洲这种细长的构造由板块俯冲产生的岛弧产生。在中美洲形成之前,大西洋和太平洋的海水可以自由交换。当然这种交换在大洋尺度上,并不会让太平洋和大西洋的海水完全混合,但是至少在中美洲附近的海水性质是较为一致的。科学家到底是用什么样的方法,来研究大西洋和太平洋是何时开始分家的呢?

如果我们测量中美洲火山岩的年龄,可以得出一些年龄限制。还有一种有趣的研究是考察南北美洲一些特征的动物种群,如果在某一时间,它们可以在两个地方同时出现,说明中美地峡已经联通,海水交换肯定会被限制。

而实际上,并不用等到中美地峡完全浮出海面才造成闸门效应,要想真正了解中美地峡对大西洋和太平洋海水的交换限制,还是要直接去研究中美地峡两侧海洋沉积物记录的海水和生物种群的特征。

基于这种思考,科学家在中美地峡两边打了钻孔,取上来长序列的连续海洋沉积物。一般情况下,越深的沉积物沉积年龄越老,越靠顶上的沉积物,其沉积年龄越年轻。

按照这个思路,最表层的海洋沉积物一定是近期沉积的吗?

答案是非也。有的时候,会发生侵蚀现象,把年轻的物质侵蚀掉。

所以,我们要用一系列定年方法,把沉积物的深度和年龄对应好。构建年龄框架是研究古海洋学的前提,如果把沉积物的年龄定错了,其科学故事就会离真相十万八千里。

假设我们已经获得了准确的年龄框架,于是就可以把沉积序列的深度转化为年龄变化。随后,我们开始选择一些参数,这些参数能够代表海洋的某种特殊性质变化。最为直接的是d18O曲线。d18O的值与冰盖的融化和海水盐度有关。正常情况,如果是南北极冰盖扩张,轻的16O会聚集在冰盖里,海洋里的16O含量就会减少,并且全球会具有一定的同步性。但是,d18O的数值还受控于海水盐度,当盐度增加时,比如d18O增加千分之0.5,可对应于海水(比如表层海水)的盐度(Sea Surface SalinitySST)增加1个单位。

如果我们把中美地峡两侧的d18O曲线叠合在一起,就会发现,在4.7Ma之前,二者几乎同步变化,这说明,太平洋和大西洋的海水是相通的。4.7-4.2Ma,在大西洋这边,加勒比海的记录显示d18O开始发生正偏,加勒比海的SSS(浅水部分)明显增加。这说明太平洋东边和加勒比的海水性质开始发生分异,暗示着中美地峡的隆起,太平洋和大西洋之间的海水交换受到了限制。

加勒比海道关闭,中美地峡隆起,太平洋和大西洋海水交换受到限制,引起了一些列的气候和环境响应,低纬度的气候控制和局部气候因素加强,这主要表现在21ka的信息开始增强,但又有强烈的区域特征。

为什么加勒比海的SSS在中美地峡隆起后,会升高?

在太平洋和大西洋可以自由交换海水的时候,也不是自由双向混合。在早期,东太平洋上层相对低盐度的海水向东流入加勒比海。我们可以做一个反向证明。如果加勒比的咸水流入东太平洋,那么在东太平洋的东西向上,其SSS会系统发生变化,形成SSS东高西低的模式。可是,实际数据并不支持这个模式。科学家发现,在东太平洋,相隔很远的两个钻孔的SSS变化基本一致,不存在梯度变化。

SSS的太平洋海水,会影响大西洋NADW的形成量。当低SSS的太平洋浅层水无法进入加勒比海之后,显而易见,加勒比海的SSS会增加。

加勒比海道逐渐变浅,经历了一个很长的时间过程。在早中新世,当海脊到达2000米水深时,中层海水可以自由交换,但是深层水的交换先被禁止了。到了~12Ma,海脊升高到水深1000米时,只有浅层水可以自由交换了。12-6Ma,海脊逐渐升高到200米水深,逐渐开始影响浅表水的交换。到了4.2Ma,表层水的交换彻底被截断,加勒比海的SSS显著增加。

太平洋低SSS的海水进入大西洋变得不畅,会使得东太平洋地区的SSS降低。在信风作用下,大西洋的水汽(低SSS)会持续吹入东太平洋,这会补偿太平洋流入大西洋的一些低SSS海水,使得该区SSS降低,而大西洋这边,SSS则增加。

在大气方面,热带辐合带ITCZ)的变化也不甘寂寞。ITCZ我们以后会专门讲,这里可以理解为一个东西向围绕地球的降雨带。在现今,ITCZ的平均位置在北纬6度附近,但是在气候更暖的晚中新世和早上新世,ITCZ更靠北(北纬10度)。到了5-4MaITCZ向南移动,很大可能还是与中美地峡形成,以及SSS变化有关,可以想象,这一时期,在加勒比海脊周边的大西洋区,其气候水文条件会发生重大变革。

这里插一句,北半球出现冰盖后,气候变冷,把ITCZ向南推进。这会造成一系列的变化,比如南半球的西风带也会被连带向南推进,造成南半球深层水上涌,生物生产力大幅度增加等现象。

上面我们提及,4.4Ma之后,23ka的气候周期凸显,这说明加勒比海地区的海气交换更加强烈,浅层水的性质(比如SST)变化大,与之相关的气候更加敏感。但是,如果考察深层水相关的气候指标,可能就会缺乏这种23 ka的信息,反向证明了这种变化与浅表水和大气交换相关,而表层水和深层水的交换则没有那么强烈。

中美地峡的关闭不只是对区域气候造成重大影响,对全球气候的影响也非常显著,其后果主要有两个,第一是4.7-4.2Ma加强了AMOC,经过几个Ma的积累,NADW逐渐加强,大西洋深处的通风变好,CO2可以被及时带走,CaCO3的保存变得更加容易。于是科学家欣喜地发现,大西洋虽然也很深,但是有孔虫的CaCO3壳体保存完整,是研究长序列NADW演化的良好介质。第二是造成北半球温度升高,而南半球温度则降低。最初北半球的温度升高会使得更多水汽向北半球高纬移动,为冰盖的形成带来物质。否则,没有水汽,也没办法形成大量冰盖,也不会有随后的温度大幅度降低。在这个基础上,再叠加其后的一些构造和气候条件,比如合适的天文轨道周期匹配,到了2.7Ma,北半球冰期大幅度增强,使得气球最终走上了冰河时代。

综合中美地峡关闭和地中海溢出流增强,二者叠加在一起,使得AMOC增强,NADW增强。




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