研究揭示急速升温事件背后碳释放的完整记录

大约5600万年前，地球经历了新生代以来最强烈的快速变暖，导致大气、水圈和生物圈的重大变化。这一历史事件被称为“古新世-始新世极热事件”，与碳释放有关。近30年来，这一事件已成为古气候和古环境研究的热点之一。

近日，中国科学院青藏高原研究所大陆碰撞与高原隆升重点实验室副研究员张庆海、丁琳团队与国内外研究人员共同确认，“古新世-始新世极热事件”(PETM)时期的完整碳同位素负漂移应为阶梯状结构，大气和浅海中的碳同位素负漂移范围较大。相关结果发表在《地球和行星变化》杂志上。

“古新世-始新世极热事件”持续了约20万年，其中碳释放持续了约1000-5万年。在1000-10000年的时间尺度上，古新世-始新世极端热事件为研究气候变化与碳循环之间的耦合规律提供了难得的机会。特别是目前，人类社会正面临着由大量碳排放导致的全球气温上升。研究“古新世-始新世极热事件”可以帮助人们更好地了解未来的气候、环境和生物变化。

负碳同位素漂移的结构和幅度被认为是“古新世-始新世极端热事件”研究的核心问题。张庆海介绍说，在“古新世-始新世极热事件”期间，大量轻碳(碳同位素含量较少的碳)从岩石圈释放到大气海洋系统，导致地球表面碳同位素组成的显著负漂移。也正是碳的释放引发或加剧了全球变暖。

长期以来，关于碳同位素负漂移的结构和幅度有两种主流观点，即碳同位素负漂移是碳同位素一步快速漂移到最大负值并逐渐返回的过程；负碳同位素漂移的幅度(用于估计PETM期间释放的碳总量)最多为4‰。

2017年，丁琳和张庆海的团队质疑了上述两种主流观点。此后，该小组对*南部定日地区浅海碳酸盐岩剖面中有孔虫壳的微量元素和碳同位素进行了两年的研究。利用激光烧蚀等离子体质谱和二次离子质谱原位地球化学分析技术，研究小组分析了有孔虫外壳上的原位微量元素含量和原位碳同位素组成。

研究表明，在“古新世-始新世极热事件”期间，碳同位素的完全负漂移呈阶梯状结构。研究还证实，在浅海和大气中，碳同位素的负漂移约为7‰，首次发现“古新世-始新世极热事件”期间总碳释放的上限为28000 Pg(目前，人类每年排放约10 Pg的碳)。

台阶状碳同位素负漂移结构的存在意味着在“古新世—始新世极热事件”中有大量的碳释放，这可能是一个“碳释放—升温—再碳释放”的正反馈过程。大气和浅海中碳同位素的负漂移明显大于深海，这意味着碳释放对大气和浅海的影响可能远大于深海。

“这警告我们，向大气-海洋系统释放大量碳可能会引起一系列多米诺气候、环境和生物反应。在自然条件下，地球可能需要几十万年才能恢复正常气候。”张庆海说。

此外，研究还表明，以往对“古新世-始新世极热事件”的研究大多来自不完整的沉积记录，无法准确、完整地恢复事件的因果关系。将来，需要挖掘更多具有阶梯状碳同位素结构的剖面进行深入研究。

研究人员表示，目前，“古新世-始新世极热事件”的触发机制以及具体的碳释放源区和过程尚不清楚。接下来，丁琳团队计划在*南部高分辨率碳酸盐岩剖面和其他剖面的基础上，通过有机地球化学等手段进行进一步研究，以确定碳释放的具体来源区域和过程，识别碳释放与气候变化的耦合关系，帮助人们更好地了解未来气候和环境变化。

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2019.103049

*南部定日地区“古新世-始新世极热事件”剖面的青藏地图