科研兴趣

一、目前的聚焦方向       

        我目前主要关注气候变化的驱动机制,但侧重过去气候,聚焦构造(几十万年、上百万年)、轨道(万年)和千年尺度上的变化。对过去气候变化的重建采用两种方法,即深海沉积记录中的气候替代性指标和数字模拟。目前研究的深海沉积记录来自南海、帝汶海(Timor Sea)、东赤道太平洋和东热带大西洋(西非岸外)。深海沉积物需要参与大洋航次获取;气候替代性指标在实验室中产生,主要包括底栖和浮游有孔虫的稳定氧、碳同位素,浮游有孔虫壳体的Mg/Ca比值,深海沉积物的有机碳、碳酸钙含量和有机地化指标如U37K,岩芯XRF元素扫描相对丰度;数字模拟目前主要利用箱式模型(Box Model),正在尝试利用中等复杂程度的耦合模式如Uvic和Climber,依靠IBM的中端服务器,未来的发展方向是利用高分辨率的GCM模式如NCAR的CCSM3,这需要大型计算机的支持。

        气候变化驱动机制隐藏在气候替代性指标的时间序列中,需要利用一系列的数理方法在时间域和频率域上进行挖掘,如频谱分析、交叉频谱分析、连续小波分析、相位分析等。时间序列的年代模式(age model)重建是研究的基础,末次冰期以来的百年和千年尺度上的研究主要依靠AMS C14绝对测年,晚第三纪轨道尺度上的精确年代标尺则采用天文调谐,此外利用岩芯磁性地层和生物地层确定构造尺度上的年代模式。

二、已取得的认识和正在关注的内容

(一)天文调谐的年代标尺的建立

        1、0-5百万年天文调谐的年代标尺

        轨道尺度上精确的年代标尺一直是古海洋学家和古气候学家关注的重点,因为它是所有古海洋学研究的基础。自气候变化的地球轨道驱动学说即米兰科维奇理论建立以来,地质学家发现地球轨道的三个周期-偏心率、斜率和岁差就一直存在于各种气候替代性指标的时间序列之中,气候变化的幅度和周期都受这三个地球轨道参数变化的调控,至少5百万年以来,受轨道参数控制的太阳辐射变化与气候变化在斜率和岁差周期上存在稳定的相位差,即斜率周期上太阳辐射驱动领先气候响应8千年,而在岁差周期上领先5千年。这一发现使得利用气候替代性指标的时间序列建立精确的天文调谐的年代标尺成为可能。5百万年以来,天文年代标尺的建立一般采用底栖有孔虫的稳定氧同位素作为调谐材料,采用Andre Berger或Laskar的天文计算方案作为调谐目标。已故的英国剑桥大学教授Nick Shackleton爵士是这一研究方向的先驱,他建立的ODP677站位、ODP846站位的年代标尺一直是晚上新世以来开放大洋年代标尺的对比标准。在国内,天文调谐的年代标尺首先在更新世的黄土记录中得以实现,以丁仲礼的研究为代表,于志伟和丁仲礼还首创了自动轨道调谐方法,该方法被反复证明在上新世以来极为有效。

        在西太平洋的海相记录中,第一个天文调谐的年代标尺在南海南部ODP1143站底栖有孔虫的稳定氧同位素记录中得以实现。ODP184航次在南海取得了高质量的深海沉积岩芯,我们利用南海南部ODP1143站的底栖有孔虫的稳定氧同位素,采用自动轨道调谐方法建立了0-5百万年天文调谐的年代标尺,弥补了西太平洋的空白,使得这一年代标尺成为南海乃至西太平洋的对比标准。相应文献如下:”Tian J, Wang P.X., Cheng X.R., Li Q.Y., 2002. Astronomically tuned Plio-Pleistocene benthic d18O records from South China Sea and Atlantic-Pacific comparison. Earth and Planetary Science Letters, 203:1015-1029″.

       

图1.ODP1143站底栖有孔虫d18O 5百万年天文调谐的年代标尺与Shackleton 6百万年合成的d18O曲线(Shackleton et al., 1983,1990,1995)。曲线下的标记代表氧同位素期次。

 2、晚第三纪(Neogene)天文调谐的年代标尺

        老于6百万年,建立轨道尺度上天文调谐的年代标尺困难重重。主要的原因有两点。第一,底栖有孔虫的d18O变化幅度较小,冰期和间冰期的区分比较困难,以致氧同位素期次的划分异常困难,在晚上新世和更新世建立的氧同位素地层学无法进一步延伸到更老的地质年代;其次,太阳辐射驱动与气候响应在斜率和岁差周期上的相位差很难确定。这使得研究者不得不另寻比较稳定可靠的气候参数。Shackleton爵士注意到,深海沉积岩芯中与生产力有关的参数比如碳酸钙的含量表现出较强的斜率周期,而与陆源输入物有关的参数比如风尘含量则表现出较强的岁差周期(Shackleton and Crowhurst, 1997),而物性参数如磁化率的变化则受到这些因素的影响。Shackleton和他的合作者在大西洋ODP154航次钻取的深海沉积岩芯中,利用周期性变化显著的磁化率记录建立了14-34 Ma的天文年代标尺,取得了很好的效果(Shackleton and Crowhurst, 1997; Shackleton et al., 1999),被后来的研究者广泛的引用(Zachos et al., 2001a, 2001b)。此后的研究发现,渐新世、中新世乃至上新世的深海沉积记录中,40万年和10万年的偏心率周期异常显著,斜率的变化则最为稳定。一种利用偏心率周期调控幅度,利用稳定的斜率周期作为基本周期的调谐方法开始被研究者采用。然而,这一方法中零相位的假设前提带来了系统误差,对年代标尺精度的影响范围局限在5千年以内,在轨道尺度上是可以接受的。这一问题至今没有解决。