晚中新世北极石笋揭示北半球近无永久冻土状态：全球变暖背景下冻土碳释放的警示

本研究通过分析西伯利亚北部洞穴中的石笋（speleothems），首次直接证实晚托尔通期（8.68±0.09 Ma）北半球大部分地区处于无永久冻土状态。研究人员结合U-Pb定年与团簇同位素（clumped isotopes）技术，重建了当时年均气温（MAAT）较现代高18.9-23.4℃的极端暖化情景，预测类似变暖将导致北半球近地表冻土完全消融，释放约855.42 PgC（petagrams of carbon）的土壤有机碳，其中42.77-128.31 PgC可能以温室气体形式释放。该成果为理解冻土碳循环对气候变暖的响应机制提供了关键古气候证据，发表于《Nature Communications》。

　　

研究背景
北极地区正以全球平均四倍的速度变暖，但现代观测数据难以预测永久冻土（permafrost）的长期动态。冻土区储存着约1672 PgC（相当于大气碳储量的两倍），其消融可能引发碳释放的级联效应。然而，全球变暖达到何种程度会导致北半球冻土大面积消失，仍是气候科学的核心难题。晚中新世托尔通期（Tortonian，11.63-7.25 Ma）是地质历史上与当前变暖轨迹相似的“暖室气候”窗口，但缺乏高纬度的直接证据。

研究设计与方法
由牛津大学领衔的国际团队对西伯利亚勒拿河三角洲塔巴-巴斯塔克（Taba-Ba'astakh）洞穴群的石笋展开多学科分析。通过U-Pb同位素定年（66个亚样本）锁定石笋生长年代为8.68±0.09 Ma，结合团簇同位素（Δ₄₇）重建古温度。利用GIS模型将古温度数据与现代冻土分布及土壤有机碳（SOC）储量（0-3 m深度）关联，量化碳释放潜力。

研究结果
1. U-Pb年代学
石笋的²³⁵U/²⁰⁷Pb-²⁰⁸Pb/²⁰⁷Pb等时线年龄为8.68±0.09 Ma（图2），对应托尔通期晚期。此时全球年均气温（MAAT）较现代高约4.5℃，而北极放大效应使西伯利亚升温达18.9-23.4℃。

2. 古温度记录对比
团簇同位素显示当地年均地温（MAGT）为+6.6℃至+11.1℃，远高于现代-12.3℃（图2）。同期植物化石证据（Omoloy河沉积物）支持MAAT达+7℃至+16℃，与西大西洋ODP 907站点的夏季海表温度（SST）+13℃至+20℃吻合（图2）。

3. 冻土与碳释放重建
模型显示18.9℃升温将使北半球冻土面积缩减至1%（仅格陵兰北部残留），23.4℃升温则导致完全消失（图3）。若全部近地表冻土消融，855.42 PgC中5-15%（42.77-128.31 PgC）可能以CO₂/CH₄形式释放（图3B）。

结论与意义
该研究首次证明托尔通期水平的变暖（全球MAAT+4.5℃）足以使北半球近无冻土，其碳释放量相当于当前大气碳储量的12-38%。这一发现为IPCC极端变暖情景（RCP8.5）下的冻土反馈机制提供了地质类比，强调北极放大效应的灾难性潜力。研究同时揭示了冻土消融的非线性阈值：当MAAT突破-6℃至0℃的冻土存活窗口时，系统可能发生不可逆崩溃。

技术亮点

1. 高精度U-Pb定年解决低钍碳酸盐年龄难题；
2. 团簇同位素（Δ₄₇）突破传统代用指标的温度重建限制；
3. 古冻土-GIS模型实现地质数据与现代观测的空间耦合。

讨论延伸
研究者指出，托尔通期暖化驱动机制（如巴拿马海峡开放、白令海峡闭合）与当前人为变暖不同，但碳循环反馈的物理规律具有可比性。该成果为评估“临界点”理论提供了关键锚点，并警示即使实现《巴黎协定》2℃目标，北极仍可能触发远超预期的碳释放。