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上新世海平面变化的幅度和起源

自然体积574，页面237 - 241 (2019）引用本文

主题

摘要

地球正朝着300多万年前“上新世中期温暖期”最后存在的气候前进。1在美国，当大气中二氧化碳浓度约为400ppm时，全球海平面因轨道强迫而振荡2，3.全球平均海平面峰值(GMSL)可能已经比现在的值高出约20米4，5．对于这种程度的海平面上升，需要格陵兰岛、南极西部和南极东部冰原的海洋部分大面积退缩或崩溃。然而，在冰期-间冰期旋回内，海平面变化的相对幅度仍然没有得到很好的约束。为了解决这个问题，我们校准了现代海浪沉积物运输和水深之间的理论关系，然后将该技术应用于新西兰旺格努伊盆地连续800米厚的上新世浅海沉积物序列的粒度。用这种方法得到的水深变化，在对构造沉降进行校正后，得到周期性相对海平面变化。在上新世中晚期(约3.3-2.5 Ma)的冰期-间冰期旋回中，海平面平均变化了13±5米。由此产生的记录独立于全球冰量代理3.(根据深海氧同位素记录)和海平面周期与南极洲日照2万年(kyr)的周期变化相一致，以偏心率调制的轨道进动为节奏6介于3.3至2.7 Ma之间。此后，海平面的波动以地球轴向倾斜的41光年周期为周期，因为南极洲的冰盖稳定下来，北半球的冰盖加剧3.，6．严格来说，我们提供的是RSL变化的幅度，而不是GMSL的绝对变化。然而，基于冰川均衡调整对RSL变化的模拟表明，我们的记录接近于平海平面，这里定义为未登记到地球中心的GMSL。尽管如此，在保守的假设下，我们的估计将上新世海平面的最大上升限制在25米以内，并在本世纪预测的气候条件下为极地冰量变化提供了新的约束条件。

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图1新西兰旺格努伊盆地位置及样点。
图2:PlioSeaNZ RSL记录以及与轨道参数和气候代理的比较。
图3:PlioSeaNZ RSL记录的轨道尺度海平面波动振幅。
图4:ESL上升20米的GIA模拟的归一化RSL模式。

数据可用性

PlioSeaNZ RSL曲线及相对振幅见图。2而且3.可从https://doi.org/10.1594/PANGAEA.902701．

代码的可用性

古水深-粒度法的代码可从https://doi.org/10.1594/PANGAEA.902701．

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下载参考

确认

我们感谢L. van Rijn对粒度-水深方法的评论。这项研究主要由新西兰皇家学会马斯登基金13 VUW 112资助，并得到了新西兰商业创新和劳动部合同C05X1001的额外支持。科学钻井办公室、南极研究中心、惠灵顿维多利亚大学和韦伯斯特钻井勘探有限公司的D. Mandeno和A. Pyne提供了技术钻井专业知识。

作者信息

作者及隶属关系

  1. 南极研究中心，惠灵顿维多利亚大学，新西兰惠灵顿

    g·r·格兰特，t·r·奈什，g·b·邓巴，r·m·麦凯和r·h·列维

  2. GNS科学，下赫特，新西兰

    g·r·格兰特和r·h·列维

  3. 海岸系统部，荷兰皇家海洋研究所，乌得勒支大学，登堡，荷兰

    p . Stocchi

  4. 西密歇根大学地质与环境科学系，美国密歇根州卡拉马祖

    M. A.科明兹

  5. 新西兰汉密尔顿怀卡托大学理学院

    p·j·j·坎普

  6. 特木科天主教大学工程学院，智利，特木科

    C. A.塔皮亚

  7. 纽约州立大学宾汉姆顿大学，美国纽约州宾汉姆顿

    M. O.帕特森

作者
  1. 格兰特
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  2. 奈什
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  3. 邓巴
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  4. p . Stocchi
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  5. M. A.科明兹
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  6. p·j·j·坎普
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  7. C. A.塔皮亚
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  8. r·m·麦凯
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  9. 莱维
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  10. M. O.帕特森
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贡献

t。r。n。和g。r。g。设计了这个项目。G.R.G.测量并分析了数据。g.r.g.， T.R.N.和G.B.D.解释了结果。p.s.， m.a.k.， P.J.J.K.和C.A.T.为建模和支持数据集做出了贡献。r.a.m.， R.H.L.和M.O.P.协助解释数据。所有作者都参与了手稿的起草。

相应的作者

对应到格兰特．

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有利益竞争。

额外的信息

出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。

同行评审信息自然感谢Natasha Barlow和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。

扩展的数据图形和表格

扩展数据图1粒度-水深关系的现代模拟和模型计算。

一个，砂子的观测值(点)和模型值(阴影带表示粗体平均线的最大值和最小值)(∑V> 63)和三个不同的现代大陆架横断面(Manawatu, NZ，绿色)的水深36；蒙特利湾，美国，蓝色39；新西兰旺格努伊湾，灰色40)．所用的波参数如下:H年代= 1.2 m和Tp= 20秒(参考。41）;蒙特利,H年代= 1.8米，Tp= 20秒(参考。42）;旺格努伊湾H年代= 2.2 m和Tp= 20秒(参考。43)．看到方法命名法。模型误差由方程(8)．红色阴影带表示∑V> 63= 95%-100%为方法的极限，其中所有水深均含有100%∑V> 63．现代的Whanganui Bight被选为最合适的现代模拟物，从∑中确定水深V> 63本研究在岩心和露头均有记录。b，平均沉积物旋回振幅为30%∑时，水深-粒度模型的导数V> 63，表示波峰周期Tp= 20秒，有效波高H年代= 2.0 m(深灰色)和H年代= 2.5米(浅灰色)，差值(浅灰色虚线)。c，校准ΣV> 63从最大晶粒尺寸的分布和测量D90从核心样品(蓝色圆圈)描述为线性关系(深蓝色虚线;方程(5)和模型与观测值的偏差(灰色)。d，校正波峰周期(Tp)临界所需速度指数(U铬、钨；方程(1）)14．马纳瓦图的观测结果(最广泛的采样;绿色圆圈)用于比较峰值波周期指数0.33(深绿色实线)、0.43(虚线深绿色线)和0.5(淡绿色虚线)，模型和观测值之间的偏差由各自的细黑线表示。

图2旺格努伊盆地上新世古地理。

图中显示的是一个面向主导西风开放的半封闭的宽阔海湾，具有弧形的海岸线和向西加深的陆架15．图中标注了西伯利亚-1核(红圈)和朗提凯河段(红色虚线)的位置。

图3 PlioSeaNZ RSL与纬度日照的时间关系。

南半球和北半球高纬度夏季日照18(65°S, 1月1日，实线;65°N, 7月1日，虚线)与PlioSeaNZ记录在3.3和3.0 Ma之间的Pearson相关系数，使用R - Astrochron包中的' slideCor '函数47．在这里，0 kyr的滞后期表示在未调谐的PlioSeaNZ年龄模型中没有时间变化，±10 kyr的滞后期表示与PlioSeaNZ年龄模型相对于天文记录的正或负变化相关。

扩展数据图4在新西兰Whanganui，对预先确定的ESL情景预测的RSL进行评估。

一个- - - - - -c，计算20 kyr冰期-间冰期极地冰盖变率的RSL值为三个ESL值(一个， 15米;b， 20米;而且c， 25 m)和三种极地冰盖贡献情景。情景1表示仅南极洲的贡献，情景2表示格陵兰冰盖(GIS)的贡献(5米)与南极的贡献(15米)相一致，情景3有30米的AIS贡献，与5米的GIS积累相一致。对于每个ESL值，所有场景在新西兰旺格努伊(Whanganui)的RSL都无法区分。d- - - - - -f，根据20 kyr南极变率和40 kyr北半球变率计算的RSL, AIS为10 m，北半球冰盖(NHIS)为3种不同贡献;d， 10米;e， 20米;而且f， 30米。

图5延伸5 kyr冰期和间冰期敏感性分析。

利用ANICE-SELEN冰盖模型对新西兰旺格努伊的RSL进行建模，以比较对称的冰川-间冰期旋回性(粗线)和延伸的冰川和间冰期(虚线)。一个，将15米ESL波动的RSL建模为对称波形(粗体黑线)，并带有延伸的冰川和间冰期(虚线灰);b的RSL曲线残差一个关于ESL(对称，黑体;和延伸，虚线灰色)。c,因为一个但对于线性20 kyr年代学(粗大的深蓝色线)的10 m ESL波动和来自累积延长冰期和间冰期的更长的周期旋回(蓝色虚线);d,因为b显示残差c但反复使用ICE-5G模型54(对称加粗，黄色;延伸，黄色虚线)。ANICE-SELEN和ICE-5G型号的区别d很明显，但都是几十厘米量级。有趣的是，较长的周期性和延长的冰川/间冰期相对于ESL(正值)产生较大的RSL偏移。

图6不同地幔粘度剖面对旺格努伊地区RSL上升的预测。

所示为扩展数据图中描述的情景，在冰期和间冰期之间线性融化10 kyr后，15 m ESL变化的预测RSL上升4(即场景1(短虚线)，2(虚线)和3(实灰线))，分别为四种地球模型(a, b, c, d;扩展数据表2)．下地幔和上地幔之间的对比越大，预测的RSL上升值就越低。较厚的岩石圈(120千米)导致在情景1中略高于海面峰值。

扩展数据图7计算15 m ESL冰盖瞬时融化产生的全球RSL变化。

所示为粘性弛豫10 kyr后根据场景1(仅AIS)的RSL(相对于ESL的归一化)(地幔粘度剖面a;扩展数据表2)在瞬间融化之后。白色带表示ESL信号的RSL在0.8到1.2之间。与图相比，gia驱动的RSL指纹更加明显。4(10kyr长线性熔点)。红白相间的靶心突出了旺格努伊遗址。

扩展数据表1年龄关联点和相关的线性沉积速率
全尺寸表
扩展数据表2 GIA计算中使用的固体地球模型参数
全尺寸表

补充信息

补充数据

该文件包含地质数据(补充图1和图2)，为地层环境解释提供了基础。文中提及的现代粒度横断面和波浪数据的位置图见补充图3、4。利用横切面所示的地层厚度对样本点进行对比和反剥(补充图5)。

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引用本文

格兰特，g.r.，奈什，t.r.，邓巴，G.B.et al。上新世海平面变化的幅度和起源。自然574， 237-241(2019)。https://doi.org/10.1038/s41586-019-1619-z

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  • DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-019-1619-z

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