《SCIENCE ADVANCES》：Eccentricity rhythms in the Oligocene-Miocene carbon cycle regulated by weathering and carbonate burial
编辑推荐：
本研究针对新生代单极冰期深海氧-碳同位素在偏心率尺度上同相变化的机制难题，通过高分辨率硼钙比重建中新世深层水碳酸根离子饱和度变化，结合碳循环模型与全球深海碳酸钙埋藏记录，揭示了低纬度水文循环驱动的化学风化增强及陆架-深海碳酸盐埋藏空间再分配是同步δ18O-δ13C信号的关键成因，为暖气候背景下碳循环动力学提供了新机制框架。
在地球漫长的气候演变史中，天文轨道力驱动的周期性变化始终是调控全球气候系统与碳循环的关键因素。尤其引人注目的是，在新生代大部分时期（距今约6600万年至600万年），底栖有孔虫的氧同位素（δ18O，指示深海温度与冰盖体积）和碳同位素（δ13C，反映碳循环动态）在40万年和10万年的偏心率周期上表现出显著的同相变化——即当地球轨道偏心率达到最大时，δ18O和δ13C值同步偏负。然而，这一持续数千万年的同步现象背后的物理机制一直悬而未决。随着当代全球变暖加速和北半球冰盖退缩，地球正从双极冰盖模式向单极冰盖模式回归，理解暖气候条件下碳循环的调控机制变得愈发紧迫。
为破解这一谜题，研究人员将目光投向了渐新世至中新世（约2400万至600万年前）这一时期。当时地球处于南极单极冰盖状态，与当前气候转型期具有可比性。本研究通过分析国际大洋发现计划（IODP）南海站点U1505的岩芯样本，获取了跨越约1800万年的高分辨率底栖有孔虫δ18O和δ13C记录，并创新性地重建了深层水碳酸根离子饱和度（Δ[CO32?]）和磷酸盐浓度（[PO43?]）的演化历史。结合全球多个大洋站点的深海碳酸钙（CaCO3）埋藏记录和碳循环模型模拟，研究团队提出了一个全新的整合机制。
关键方法概述
研究团队首先对南海U1505站点的底栖有孔虫壳体进行了稳定同位素（δ18O和δ13C）测量，并利用硼钙比（B/Ca）和镉钙比（Cd/Ca）分别重建了古深层水的碳酸根离子饱和度（Δ[CO32?]）和磷酸盐浓度（[PO3?4]）。所有数据均通过天文调谐方法建立了高精度年代框架。同时，研究人员整合了来自太平洋和大西洋多个站点的已发表深海碳酸钙含量（%CaCO3）数据。为验证机制，他们构建了一个七箱体生物地球化学模型，模拟了轨道尺度上风化输入-碳埋藏反馈过程对海洋碳系统的调控作用。
轨道信号在底栖δ18O和δ13C中的印记
南海U1505站点的δ18O和δ13C记录清晰显示出405 kyr和100 kyr的偏心率周期信号，其振幅与全球记录吻合。在偏心率最大值时期，δ18O和δ13C同步偏负，表明暖期与碳同位素轻化事件同时发生。
偏心率对深海Δ[CO32?]和[PO43?]的驱动
重建的Δ[CO32?]记录显示出显著的偏心率周期振荡，且与δ18O和δ13C变化同相。在偏心率最大期，Δ[CO32?]下降30-60 μmol/kg，表明深层水碳酸盐饱和度降低。同时，[PO43?]呈现与Δ[CO32?]反相的变化模式，暗示生物泵作用增强。
全球远洋CaCO3埋藏
对全球七个大洋站点的%CaCO3记录分析显示，在偏心率最大期，太平洋东部站点出现强烈的碳酸盐溶解（损失达10-75%），而太平洋西部和大西洋站点变化较缓和。所有站点的%CaCO3变化均与δ18O记录同相，表明深海碳酸盐埋藏受全球性机制调控。
碳循环模型验证
模型模拟成功再现了观测到的同位素和碳酸盐系统变化。当偏心率最大时，增强的低纬度季风降雨促进了大陆化学风化，增加了向海洋输送的溶解无机碳（DIC）和碱度（ALK）。这些输入促进了陆架区碳酸盐的大量埋藏，同时消耗了海水中的CO32?，导致深海碳酸盐饱和度下降和δ13C降低。敏感性实验表明，河流DIC和ALK输入是δ13C波动的主要驱动因素，而陆架碳酸盐埋藏的空间再分配是调控海洋[CO32?]的关键。
研究结论与意义
本研究通过多指标集成分析，揭示了渐新世-中新世时期偏心率尺度碳循环变率的物理机制：轨道构型与暖期温度共同强化了低纬度水文循环，促进化学风化和陆源碳-碱度输入，进而引发碳酸盐埋藏从深海盆地向大陆架的再分配。这一过程不仅降低了深海碳酸根离子浓度和δ13C值，还通过碳酸盐反馈调节了大气CO2水平。
该机制可扩展至整个新生代单极冰期，但自中新世晚期以来，随着北半球冰盖发育和双极冰盖模式确立，δ18O-δ13C关系转变为反相，且不同海盆的碳酸盐系统响应出现分化。这一发现不仅深化了对地质历史时期碳循环动力学的理解，也为预测当代全球变暖背景下碳循环响应提供了关键古气候类比。研究发表于《科学进展》（SCIENCE ADVANCES），为暖地球气候状态下的碳循环调控提供了新的理论框架。
