研究揭示急速升温事件背后碳释放的完整记录

距今约5600万年前，地球上发生了新生代以来最强烈的一次快速升温，导致大气圈、水圈和生物圈发生了重大变化，这一历史性事件被称为“古新世-始新世极热事件”，该事件与碳释放有关。近三十年来，该事件已成为古气候、古环境研究的热点之一。

近日，中科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清海、研究员丁林团队联合国内外研究人员证实“古新世-始新世极热事件”（PETM）时期完整的碳同位素负漂应该具有一个阶梯状的结构，在大气和浅海中碳同位素负漂具有较大的幅度。相关成果发表于《地球与行星变化》。

“古新世-始新世极热事件”大约持续了20万年，其中碳释放持续的时间大约为1000-50000年。在千年到万年的时间尺度上，古新世-始新世极热事件为研究气候变化和碳循环之间的耦合规律提供了难得的机会。尤其在当前，人类社会正面临着由于大量碳排放所导致的全球温度上升，研究“古新世-始新世极热事件”能够帮助人们更好地了解未来的气候、环境和生物变化。

碳同位素负漂的结构和幅度被认为是“古新世-始新世极热事件”研究的核心问题。张清海介绍，“古新世-始新世极热事件”时期，大量轻碳（13C同位素含量较少的碳）从岩石圈释放到大气海洋系统中，造成了地球表层碳库中的碳同位素组分发生了显著的负漂。也正是由于碳释放，触发或是加剧了这次全球升温。

长期以来，关于碳同位素负漂的结构和幅度研究存在两种主流观点，即碳同位素负漂是碳同位素一步快速漂移到最负值并逐渐回返的过程；碳同位素负漂的幅度（用来估算PETM期间碳释放的总量）最大为4‰。

2017年，丁林和张清海团队便对上述两个主流观点提出了质疑。此后，该团队历时2年对藏南定日地区的浅海碳酸盐岩剖面中的大有孔虫壳体开展了微量元素和碳同位素的研究。应用激光剥蚀-等离子体质谱(LA-ICPMS) 和二次离子质谱(SIMS) 原位地球化学分析技术，该团队分析了大有孔虫壳体上的原位微量元素含量和原位碳同位素组成。

研究表明，“古新世-始新世极热事件”期间，完整的碳同位素负漂具有一个阶梯状的结构。研究还证实：在浅海和大气中，碳同位素负漂的幅度大致为7‰，并首次给出“古新世-始新世极热事件”时期碳释放总量的上限为28000 Pg（目前人类每年排放的碳约为10 Pg）。

阶梯状碳同位素负漂结构的存在暗示“古新世-始新世极热事件”期间存在多次碳释放，很可能存在“碳释放-温度上升-再次碳释放”的正反馈过程。大气和浅海中碳同位素负漂的幅度明显大于深海，这暗示碳释放对大气和浅海造成的影响可能远大于深海。

“这警示我们，大量碳释放到大气-海洋系统中可能造成一系列多米诺骨牌式气候、环境和生物响应。在自然状态下，地球可能需要数十万年才能恢复到之前的正常气候状态。”张清海表示。

此外，研究还表明，过去关于“古新世-始新世极热事件”的研究工作大多来自于不完整的沉积记录，而这不可能准确完整地恢复出该事件的来龙去脉，未来，还需发掘更多具有阶梯状碳同位素结构的剖面来对对其进行深入研究。

研究人员介绍，目前，对于“古新世-始新世极热事件”的触发机制、碳释放的具体源区和过程尚不清楚。下一步，丁林团队拟基于藏南的高分辨率碳酸盐岩剖面和其他剖面，通过有机地球化学和其他手段作进一步研究，确认碳释放的具体源区和过程，查明碳释放和气候变化之间的耦合关系，进而帮助人们更好地理解未来的气候环境变化。