大陆分裂引发的抬升作用促成了东南极冰盖的形成

《SCIENCE》：Continental breakup–driven uplift instigated East Antarctic Ice Sheet formation

　　

编辑总结

大约3400万年前，是什么因素导致了南极洲的冰川形成？大气中二氧化碳浓度的下降被认为是主要原因，但其他机制可能也起到了重要作用。Gernon等人研究了侏罗纪大陆分裂以及随后地幔表面反馈所导致的区域地形抬升的作用。他们发现，东南极高原的扩张以及始新世时期甘布尔采夫山脉的抬升，在约4500万年前使地形达到了冰盖形成的临界点，从而克服了原本过高的温度限制。——杰西·史密斯

结构化摘要

引言

东南极冰盖是地球上最古老、最大的冰体，其储存的冰量相当于全球海平面上升约52米，但其形成过程至今仍不甚明了。一个长期存在的谜题是：在相对温暖的全球气候条件下，东南极冰盖是如何在始新世-渐新世过渡期（约3400万年前）形成的？如果大气中二氧化碳浓度的下降是唯一驱动因素，那么预计两个半球会出现同步的全球降温现象。但实际上，北半球的冰川形成比南极晚2000万到2500万年。这表明，气候-冰盖模型中缺少了控制东南极冰盖形成的关键过程。

研究依据

早期的研究表明，东南极的冰川形成始于以横贯南极山脉、甘布尔采夫山脉和莫德女王地为中心的区域性冰盖。这些冰盖在始新世-渐新世过渡期逐渐扩大并合并，最终形成了东南极冰盖。我们假设，1亿多年前非洲与南极洲分离所导致的地质动力作用使南极地区具备了冰盖扩展的条件。为了验证这一假设，我们将地貌演化模型与能量平衡模型及冰盖模型相结合，旨在分析数百万年时间尺度上地形变化对气候的影响。我们在多种可能的全球温度条件下评估了冰盖生长所需的海拔阈值，并研究了不同抬升情景对全球平均地表温度的可能影响。

研究结果

地貌演化模型显示，大陆分裂在莫德女王地形成了高度超过2公里的沿海断崖，同时还形成了延伸约2000公里内陆的高原。随之而来的抬升和地壳露出作用向内陆推进，大约经过1亿年才到达原始的甘布尔采夫山脉。始新世时期甘布尔采夫山脉的再次抬升使得该地区形成了河流侵蚀形成的山地地貌，后来又出现了类似高山地区的冰川作用。在始新世-渐新世过渡期之前的1500万年里，持续的抬升大大增加了永久雪线以上的区域面积。通过冰盖模型和能量平衡模型的分析，我们认为正是这种动态抬升决定了冰盖扩展的时间，使得在约4500万年前，该地区的海拔升高到了冰盖形成的临界点。这种抬升使得东南极冰盖能够在相对温暖的气候条件下形成，同时通过反照率效应引发了约1.0摄氏度的全球降温。不过，这样的降温幅度还不足以在北半球的低海拔地区引发冰川形成。

结论

数百万年的持续抬升可以解释南极地区的一些奇特地貌特征，比如甘布尔采夫山脉的高山式地形。更重要的是，这种长期的地形演化会导致冰川形成的临界条件不断变化，而现有的全球气候模型无法捕捉到这一点。区域性的抬升以及由此带来的地表局部降温，使得在相对温暖的全球气候条件下仍能形成冰盖，从而解释了渐新世时期极地地区仍然温暖却依然出现了冰盖的现象。南极地区全球气温下降与地面抬升之间的相互作用，可以解释为什么南半球的冰盖形成时间比北半球更早。这种地貌、冰盖与气候共同演化的机制，不仅是导致冰川形成的重要因素，可能还影响了更早时期的冰河时代。

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东南极地区地形变化对冰盖形成的影响。

在固定气候条件下，使用重建后的地形数据进行的冰盖模型分析表明，地形的变化会影响冰盖的发展，而在3400万年前，抬升作用推动了甘布尔采夫山脉地区的冰盖扩展与稳定。

插图：加里·欣克斯。

摘要

大约3400万年前南极洲为何会形成冰川，至今仍存在争议，因为当时相对温暖的气候和海洋温度似乎与冰盖的形成相矛盾。虽然二氧化碳浓度的显著下降被认为是主要原因，但有证据表明其他因素也起着重要作用。我们研究了由侏罗纪大陆分裂以及地幔表面反馈所导致的区域地形抬升，是否有助于东南极冰盖的形成。通过将地质动力-地形模型与冰盖模型及能量平衡模型相结合，我们发现，东南极高原的逐步扩张，包括始新世时期甘布尔采夫山脉的抬升，使得在该地区的气候在约4500万年前就达到了冰盖形成的临界点。这种抬升作用使得东南极冰盖能够在比预期更温暖的气候条件下形成，从而造成了早期冰川形成的半球不对称现象，同时也解释了渐新世时期极地地区仍然温暖却依然出现了现代冰盖世界的现象。