上新世M2冰期海平面显著下降揭示冰盖生长与CO2的脱耦机制

为解决上新世M2冰期（~3.3 Ma）冰量变化与温度信号的争议问题，Zifei Yang团队通过改进底栖有孔虫Melonis spp.的Mg/Ca古温度计（精度±0.2-0.3℃），重建了高分辨率（~2 kyr）的底栖水温（BWT）和全球冰量记录。研究发现M2冰期伴随55米海平面下降（SLE），且冰量增长与CO2下降的耦合性强于与水温的关联，揭示了北半球热输送减少与印尼海峡限制共同驱动的冰盖动态机制。该成果发表于《Nature Communications》，为现代气候背景下冰盖敏感性提供了关键案例。

　　

约330万年前的上新世中期，地球处于温暖气候背景下，大气CO₂浓度接近现代水平（300-500 ppm）。这一时期突然出现的M2冰期事件（海洋同位素阶段M2）一直让科学家困惑：究竟是全球冰盖扩张还是单纯的深海降温？传统观点认为高CO₂环境下难以形成大规模冰盖，但沉积记录中的冰筏碎屑（IRD）和氧同位素（δ¹⁸O）信号又暗示冰量变化。这个矛盾的核心在于底栖有孔虫δ¹⁸O同时包含温度和冰量信号，而现有Mg/Ca古温度计的误差（±0.5℃）甚至超过上新世冰期-间冰期温差本身。

为解决这一难题，卡迪夫大学（Cardiff University）的研究团队Zifei Yang等人创新性地优化了底栖有孔虫Melonis spp.的Mg/Ca-δ¹⁸O古温度计方法。通过分析全球多个站点的现代和化石样本，他们发现Melonis的Mg/Ca比值不受个体大小或孔隙水碳酸盐饱和度（ΔCO₃^2-）影响，将温度重建精度提升至±0.2-0.3℃。应用该方法对大西洋ODP 982站（1134米）和东太平洋ODP 1241站（2027米）的岩芯开展高分辨率分析，首次揭示M2冰期存在两阶段冰量增长：第一阶段伴随北大西洋降温（2.6℃），导致27米海平面下降；第二阶段在南半球夏季日照最低点时，CO₂降至350 ppm触发额外28米海退。

关键技术包括：1）多指标（Mg/Ca、B/Ca、δ¹⁸O、δ¹³C）联测不同粒径（150-355μm）Melonis壳体；2）优化核心顶部校准方程，排除高有机碳站点的溶解效应；3）采用基体匹配标准品的高分辨率ICP-MS分析；4）利用Cibicidoides氧同位素温度校准方程计算海水δ¹⁸O（δ¹⁸O_sw）。

主要结果：

1. 1.

   古温度计改进：新校准的Melonis Mg/Ca-BWT关系式（0.108*BWT+0.902）将海平面估算误差从±15米降至±7米，δ¹⁸O_sw误差±0.06-0.08‰。

2. 2.

   M2冰期动态：

   • •

     北大西洋先期冷却（3.30-3.29 Ma）与中美洲海峡（CAS） reopening导致的北向热输送减少相关

   • •

     第一阶段冰量增长（0.3‰ δ¹⁸O_sw）滞后降温约10 kyr，与CO₂下降同步

   • •

     第二阶段（3.287 Ma）冰量再增0.3‰，南大洋底水形成增强

3. 3.

   驱动机制：印尼海峡（ITF）限制减少南半球热输送，与轨道强迫、CO₂下降形成正反馈，总冰量达55米SLE（海平面当量）。

结论与意义：

该研究颠覆了M2事件以降温为主的传统认知，证明在近现代CO₂水平下，海洋通道变化可通过热输送重组触发显著冰盖响应。特别值得注意的是，冰量增长与CO₂变化的同步性强于与温度的关系，暗示冰盖扩张本身可能通过改变南大洋碳循环进一步降低CO₂。这一发现为理解现代冰盖对洋流变化的敏感性提供了地质类比，对预测未来海平面变化具有重要启示。论文的创新方法学框架也为高精度古气候重建树立了新标准。