高亮等：德雷克海峡在约6200-5900万年期间初始打开，引发全球大洋环流重组与降温

2025-06-06     发布：    点击：0次

为什么德雷克海峡如此重要？

想象地球的腰部被一条巨大的水道环绕——这就是现今的南极绕极流（Antarctic Circumpolar Current，ACC）（图1）。作为连接太平洋、大西洋和印度洋的“海洋高速公路”，它不仅驱动着全球大洋环流，更通过调控热量、盐分和养分的分配，深刻塑造着全球气候系统。其中，位于南美与南极大陆之间的德雷克海峡，堪称这条高速公路的“终极关卡”。若没有德雷克海峡的开启，强大的南极绕极流将无法形成，现今的全球大洋环流格局也将不复存在。

 图1. 南极绕极流在现今全球大洋环流中处于核心地位（改自Talley，2013）

难题：海峡何时初开？

尽管科学家们很早就认识到德雷克海峡打开对地球气候演化的重要性，但其初始开启时间一直存在巨大争议。过去数十年的研究提出的时间跨度极大，从早始新世到中新世不等。造成争议的主要原因是该地区地质构造复杂（涉及多个板块相互作用），尤其是海底扩张留下的磁异常记录保存不佳，导致难以精确重建海峡内不同盆地的开启时间。这一不确定性引发学界对‌新生代全球变化核心驱动机制‌（大洋环流或CO₂浓度变化）的广泛讨论，成为当前新生代研究的焦点问题（图2）。

 图2. 新生代期间（约‌6600万年前至今），地球系统经历了‌全球大洋环流重组‌、‌大气CO₂浓度波动降低‌、‌气候状态由热室向冰室转变‌、‌两极冰盖形成‌以及‌生物圈演化‌等关键事件，成为研究全球变暖背景下未来地球环境演变的主要参照期（Westerhold et al., 2020）‌

新研究如何破解难题？

 图3. 考察队员到达南极乔治王岛（King George Island） 

南极半岛与南美板块的分离直接导致德雷克海峡的形成。通过重建这两个板块的古地理位置，可有效约束海峡开启的时空过程，但南极半岛古大陆重建关键数据的缺失长期制约着相关研究。针对这一难题，由我校海洋学院、极地地质与海洋矿产教育部重点实验室高亮教授、赵越教授团队联合首都师范大学杨振宇教授、东华理工大学裴军令教授等合作者（图3），在自然资源部国家海洋局极地考察办公室、中国极地研究中心（中国极地研究所）、智利南极研究所、智利麦哲伦大学及智利驻华大使馆等的协同支持下，依托国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目，通过中国南极科学考察国际合作（智利），开展了南极半岛与南设得兰群岛的野外地质调查与室内实验分析，取得以下新认识：

1. 精确“定年”：在南极半岛巴坎斯群岛（Barchans Islands）和阿纳格拉姆岛（Anagram Island）采集了花岗岩样品，利用锆石U-Pb同位素定年技术，精确测定这些岩石的形成年龄分别为约5900万年和5500万年，为古地磁数据提供准确的年代学制约。

2. 捕捉“地球磁场印记”：对南设得兰群岛罗伯特岛铜矿半岛（Coppermine Peninsula）（约6200万年）、乔治王岛菲尔德斯半岛（Fildes Peninsula）（约5500万年）火山岩与沉积岩开展了古地磁研究。岩石在形成时会记录下当时地球磁场的方向（磁偏角和磁倾角），通过测量这些“化石磁场”方向可以计算出南极半岛在地质历史时期的古纬度变化和自身旋转情况。

3. 锁定“旋转时刻”：将新获得的年龄与对应的古地磁数据（特别是磁偏角变化）结合，并与已发表的古地磁数据对比分析，团队有了新的发现：在约6200 至5900万年之间，南极半岛经历了一次显著的顺时针旋转（图4a-c）。

 图4. 基于（a）古地磁数据的（b，c）古大陆重建发现德雷克海峡初始打开发生在约6200-5900万年之间，对应（g）南太平洋深海沉积间断增加，南大西洋深海沉积间断减少（Dutkiewicz & Müller, 2022）；（h）南太平洋深海溶解氧含量增加，南大西洋深海溶解氧含量减少（Kaiho, 1991）；（i，j）全球深海底栖有孔虫δ¹³C与δ¹⁸O正偏（Westerhold et al., 2020）；（k）全球深海底栖有孔虫δ¹⁸O记录的降温（Zachos et al., 2001）（详见论文）

旋转如何打开海峡？

这次突然的顺时针旋转，就像一个巨大的门把手被拧动，导致南极半岛的北端（靠近南美）向东移动，从而在南极半岛和南美巴塔哥尼亚南端安第斯山脉之间撕开了一道裂口（图4c）。虽然这个最初的裂口可能还不宽也不深（属于浅海通道），但它标志着德雷克海峡的诞生，使得南大西洋和南太平洋的海水得以在高纬度初步连通。

 图5. 德雷克海峡打开（a）前（b）后的洋流及海水盐度变化（基于古海洋数据与地球系统数值模拟结果，据Toumoulin et al., 2020修改）（详见论文）

海峡初开，环流与气候骤变

这个新形成的浅海通道，促成了南极绕极流的雏形——“原始环南极洋流（proto-ACC）”的形成。虽然它远不如今天的环南极流强大，但其影响已经非常显著：

1. 隔离南极：它开始部分地将南极水域与更温暖的亚热带高盐度水域（如巴西暖流、厄加勒斯暖流）隔离开来（图5）。

2. 改变南极底层水强度：隔离导致威德尔海地区的海水盐度降低，减弱了南大西洋南极底层水的强度，但更多的高盐度水被南极绕极流带到南太平洋，增加了南太平洋的海水盐度与底层水的强度（图4g，h；图5）。

3. 重塑全球大洋环流模式：更重要的是，它促使全球深海环流模式发生转变。深海水团的来源从多个区域性来源，逐渐统一为以南大洋为主要来源。全球海洋的翻转环流得到加强。

4. 触发全球降温：地质记录显示在约6200-5900万年之间，全球平均温度下降约1-2 ℃（图4k）。地球系统数值模拟揭示德雷克海峡浅水贯通可导致同等程度降温。本次研究证明，德雷克海峡的初始打开及其引发的原始环南极洋流形成，是导致“古新世全球降温事件”的主要驱动力。虽然当时南极还没有形成巨大的冰盖以及强大的南极绕极流，但这个相对较浅的通道已足以对全球气候产生显著影响。

科学意义

本研究回答了地球科学领域长期悬而未决的核心问题之一：德雷克海峡何时初始打开？揭示了南极半岛在约6200-5900万年期间发生的一次关键的旋转是打开海峡的“扳机”。该发现将海峡的打开与同时期全球海洋环流与深海环境的剧变和显著降温事件在时间上对应起来，证实地质构造活动（开合海峡）通过改变洋流，能够迅速而显著地影响全球气候。这不仅深化了对地球各圈层（岩石圈-水圈-大气圈）相互作用机制的理解，还为研究过去、现代及未来气候变化提供了关键参照框架。

德雷克海峡初始开启后，其持续打开过程是否主导了新生代全球变化？这对当前全球变暖的应对策略有何启示？相关探索仍在持续推进中（未完待续）。

 上述成果分别以The Initial Opening of the Drake Passage Occurred During ca. 62-59 Ma和Plate Rotation of the Northern Antarctic Peninsula Since the Late Cretaceous: Implications for the Tectonic Evolution of the Scotia Sea Region 为题发表在Geophysical Research Letters和Journal of Geophysical Research: Solid Earth上。

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2024GL111455

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2022JB026110