Nature：白堊紀超級暖期南極大陸存在溫帶雨林
白堊紀中期（94-84 Ma）是過去140 Ma以來的一個超級溫室期，當時大氣CO2濃度至少超過1000ppmv（Foster et al., 2017），熱帶地區年平均溫度高達35℃（O'Brien et al., 2017），海平面比今天要高170m。在這樣的氣候背景下，南極大陸呈現出怎樣的境況，是否存在極地冰？由於沉積記錄的缺乏，相關的古環境古氣候信息知之甚少。
2017年，德國亥姆霍茲極地和海洋研究中心Johann Klages團隊利用遙控機器人鑽機，從西南極陸架上（古緯度～82°S）鑽取了一個長約30 m的沉積巖心柱（圖1）。基於生物地層學和古地磁學，該巖心柱底部近3 m的沉積序列的年代被限定到白堊紀中期（土侖階-桑託階：～92-83 Ma）。這為探索該時期南極大陸古氣候和古環境演化提供了絕佳的研究材料。最近，Johann Klages團隊通過對該巖心柱底部3 m的沉積物進行了多指標分析，系統重建了白堊紀中期南極大陸的古氣候古環境，成果發表在Nature上。
圖1 鑽孔位置及地質背景（Klages et al., 2020）
從巖性上看，3m厚的巖心柱由兩部分組成：下部具有清晰層理結構的碳質泥巖和上部約5 cm厚的褐煤層（圖2）。巖心柱CT掃描揭示出沉積物中保存了非常密集且完好的原位根系網絡，在顯微鏡下可清楚辨認出單個的細胞結構。孢粉分析結果顯示，植被類型以羅漢松科和南陽杉科的針葉林為主，同時還含有大量的蕨類植物和淡水相的藍藻生物。結合地球化學和生標證據，Johann Klages及同事認為中白堊超級溫室期西南極地區存在以針葉林為主的複雜溫帶雨林系統，並發育了廣泛的河流流域（圖3）。為了重建這片雨林生長的氣候背景，Johann Klages團隊利用孢粉組合特徵和生物標誌化合物分析，估算出當時南極大陸年平均氣溫為13℃，夏季河流或湖泊平均表層水溫可高達20℃，年平均降雨量接近1120 mm。該氣候條件大致與今天英國相當。
圖2 鑽孔巖心多指標古氣候古環境重建結果（Klages et al., 2020）
圖3 基於孢粉結果和古環境信息重建的溫帶雨林復原圖（Klages et al., 2020）
為了弄清白堊紀中期南極大陸氣候環境變化的主要驅動機制，Johann Klages團隊運行全球氣候模型進行CO2敏感性實驗分析。模擬結果顯示（圖4），僅當CO2濃度達1120ppmv以上時，模擬出的南極夏季地表溫度才與重建結果相吻合。儘管如此，模擬的年平均氣溫仍遠低於重建結果。由於冰對太陽輻射有極高的反照率，而植被對地面長波輻射能有強吸收能力，研究人員推斷白堊紀中期南極大陸是一個無冰世界，繁茂的植被和較高的大氣CO2濃度是維持該時期溫帶氣候的必要前提。
圖4 現代和中白堊世CO2敏感性實驗（Klages et al., 2020）。圖中虛線表示模擬輸出的最暖月平均溫度，實線表示模擬輸出的區域平均溫度（Klages et al., 2020）
該研究的主要意義在於填補了南極大陸白堊紀中期超級溫室期古環境和古氣候記錄的空白，為評估古氣候模型可靠性以及進一步釐清溫室氣候的驅動機制提供了關鍵地質數據。
主要參考文獻
Foster G L, Royer D L, Lunt D J. Future climate forcing potentially without precedent in the last 420 million years[J]. Nature Communications,2017, 8: 14845.
O'Brien C L, Robinson S A, Pancost R D, et al. Cretaceoussea-surface temperature evolution: Constraints from TEX86 and planktonic foraminiferal oxygen isotopes[J]. Earth-Science Reviews, 2017, 172: 224-247.
Klages J P, Salzmann U, Bickert T, et al.Temperate rainforests near the South Pole during peak Cretaceous warmth[J].Nature, 2020, 580(7801): 81-86.
（撰稿：陳祚伶/新生代室）
校對：陶琴