南半球启动的中更新世气候转型：南极冰盖扩张触发深海环流重组与冰川周期跃变

《SCIENCE ADVANCES》：Southern Hemisphere initiation of the mid-Pleistocene transition

本刊推荐：为揭示中更新世转型（MPT）期间地球冰川周期从4.1万年向10万年跃变的驱动机制，研究人员对南太平洋U1541站位的氢化钕同位素（εNd）记录开展了高分辨率研究。结果表明，MPT并非由北半球过程触发，而是始于南半球。约180万年前南极冰盖（AIS）扩张至临界规模，通过冰山释放和融化改变南大洋浮力分布，进而削弱北大西洋深层水（NADW）形成，最终在约125万年前（MIS 38）引发了深层环流重组，为MPT的启动创造了条件。该研究为理解重大气候转型的驱动机制提供了新的南半球视角。

　　

大约在125万至70万年前，地球经历了一个神秘的气候转型期——中更新世转型（Mid-Pleistocene Transition, MPT）。在此期间，全球冰期-间冰期的节律性循环，其主导周期从约4.1万年（与地球轨道倾角变化周期一致）神秘地切换到了约10万年。然而，地球轨道参数在此期间并未发生足以解释这种周期性变化的显著波动，这使MPT的驱动机制成为古气候学领域一个长期悬而未决的核心谜题。长久以来，科学界的目光多聚焦于北半球，认为可能是北大西洋深层水（North Atlantic Deep Water, NADW）形成减弱或大西洋经向翻转环流（Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC）的重大扰动，导致了大气二氧化碳（CO₂）下降和北半球大冰盖的增长，从而引发了周期跃变。但这一假说缺乏来自关键区域——南大洋——的直接证据支持。那么，地球冰川节律的这次“心跳骤变”，其扳机究竟扣动于北半球还是南半球？发表于《SCIENCE ADVANCES》的一项最新研究，通过南太平洋一份珍贵的深海沉积记录，为我们揭示了MPT启动的“南方起源”。

为追溯MPT期间全球深海环流的变化，研究团队对国际大洋发现计划（IODP）在南太平洋获取的U1541站岩芯（54°13′S, 125°25′W，水深3604米）进行了高分辨率（中值分辨率约8千年/样品）的氢化（代表海水）钕同位素（ε_Nd）分析。钕同位素是示踪水团混合的经典地球化学指标，在开阔大洋中，较高的ε_Nd值通常指示较低的北组分水（Northern Component Water, NCW，源自北大西洋）影响，反之亦然。研究团队还整合了已发表的北太平洋、南大洋等多处站位的ε_Nd、底栖有孔虫氧同位素（δ¹⁸O）、底水温度（Bottom Water Temperature, BWT）以及冰筏碎屑（Ice Rafted Debris, IRD）等多项古气候代用指标记录，构建了一个跨越150万至50万年前的综合性气候演变图景。在技术方法上，核心是获取高分辨率的氢化ε_Nd时间序列。样品主要来自化石鱼类牙齿/碎屑和铁锰氧化物结壳的浮游有孔虫。样品经过严格的物理清洗（超声、有机溶剂、去离子水）以去除碎屑颗粒干扰，随后用酸溶解，先后通过TRUspec树脂和LNspec树脂柱进行稀土元素分离和钕的纯化。纯化后的样品通过多接收器电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICPMS）测定¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd比值，并经标准物质JNdi-1校正后，以ε_Nd形式报告。研究还采用了动态端元线性混合模型，来区分水团混合比例变化与端元成分（如NCW的ε_Nd值）变化各自对南太平洋ε_Nd记录的贡献。

RESULTS部分的主要发现如下：

Neodymium isotope time series：U1541站点的ε_Nd记录在150万至50万年前期间呈现显著的冰期-间冰期旋回波动。最重要的发现是，在约125万年前的海洋同位素阶段（MIS）38，ε_Nd达到了整个序列中最放射成因的值（-5.80 ± 0.20），而在约90万年前的MIS 22也出现了另一次显著的放射成因漂移。这两次事件在统计上显著区别于其他冰期。这一结果表明，在MPT开始之前（MIS 38），南太平洋深海环流已经发生了显著变化，NCW的贡献减弱。

AMOC versus endmember change：通过动态端元混合模型分析，研究人员发现，在MPT（125-70万年前）及之后，U1541站点的ε_Nd变化模式与模型重建的北大西洋端元ε_Nd组成变化高度一致，表明这一时期南太平洋的信号是水团混合与北端元成分变化（可能由冰盖风化导致）共同作用的结果。然而，在MPT之前（MIS 46-38），虽然U1541的ε_Nd逐渐升高（表明NCW贡献减少），但北端元组成并未呈现同步变化模式。这表明，驱动MIS 38时期ε_Nd变化的机制主要是深海环流混合比例的变化，而非北半球风化作用导致的端元成分改变。

Antarctic trigger of pre-MPT AMOC weakening：通过对比南太平洋U1541的ε_Nd记录与西南太平洋ODP 1123站、北大西洋ODP 607站的底水温度记录，研究发现南半球高纬度地区在约142.5万年前开始显著变冷，并持续了约20万年，这与U1541站点ε_Nd自约140万年前开始的逐渐上升（NCW贡献减少）在时间上同步。更重要的是，南大洋的冰筏碎屑记录表明，南极冰盖（Antarctic Ice Sheet, AIS）在约180万年前已扩张至临界规模，转变为冰川-海洋型冰盖。这种冰盖一旦与海洋接触，在冰期就会通过崩解释放大量冰山。冰山向北漂移融化（“南向逃逸”），在南大洋表层注入淡水，降低了表层水密度，从而抑制了AMOC的北向回流，削弱了NADW的形成。这一过程自约140万年前开始，随着每个冰期循环逐步削弱AMOC，最终在MIS 38（约125万年前）达到最弱状态，这被记录为U1541站点最正的ε_Nd值。

在DISCUSSION部分，作者基于以上发现，描绘了MPT启动的新图景。研究结论指出，中更新世转型（MPT）是由南半球过程启动的，而非传统认为的北半球。其关键链条是：长期变冷使南极冰盖在约180万年前增长至临界规模，成为海洋终止型冰盖。此后，在冰期，冰山的大量崩解和融化改变了南大洋的浮力分布，逐步削弱了AMOC和NADW的形成（自约140万年前开始，在125万年前的MIS 38达到顶峰）。北向热输送的减弱导致北半球冷却，同时，南半球变冷可能推动热带辐合带北移，为北半球冰盖扩张提供了必要的湿气条件。然而，在仍以4.1万年为主导周期的“前MPT”世界，AMOC减弱和可能的深海碳储存持续时间较短，因此未观测到冰期大气CO₂的显著下降。直到约90万年后，随着南北半球冰盖均达到足够规模，冰期-间冰期旋回变得不对称（漫长的冰进与短暂的冰退），延长了深海分层的持续时间，才使得碳得以在深海长期封存，最终导致冰期大气CO₂浓度显著降低，并稳定了10万年的冰川周期。MPT启动后，其后续的气候变化则主要受北半球过程主导。

这项研究的意义重大。它首次基于南大洋的高分辨率环流记录，明确提出了MPT的“南半球启动”机制，将南极冰盖的扩张和相关的冰山-海洋相互作用置于触发这一重大气候转型的核心位置。这挑战了长期以来以北半球过程为中心的MPT理论，为理解地球气候系统如何在轨道强迫未变的情况下发生内部“状态跃迁”提供了全新的、更全面的框架。该研究强调了南半球高纬度过程在驱动全球气候演变中的先导性和关键性作用，对于深入理解过去、并可能类比预测未来冰盖变化对全球海洋环流和碳循环的潜在影响，具有深远的启示。