黄何，高远，王成善
1 米兰科维奇理论与“非常规”天文周期
米兰科维奇理论指出地球在太阳系中公转和自转轨道参数的变化影响了地表太阳辐射，进而调控了万年-十万年轨道尺度上的地球碳循环和气候变化（Zachos et al., 2001; Palike et al., 2006）。随着科学钻探计划（DSDP, ODP, IODP, ICDP）的实施，全球高分辨率地质记录为研究轨道尺度气候变化提供了绝佳素材，并由此诞生了旋回地层学作为地层学的重要分支，旋回地层学近年来被广泛用于构建高精度的年代学框架，并与其他测年手段进行相互校正（Kuiper et al., 2008; Wang et al., 2016）。然而，除了常规的偏心率（40万年，10万年），斜率（4万年）和岁差（2万年）轨道周期之外，近年来科学家在地质记录中捕捉到很多“非常规”的轨道幅度调制周期（AM），例如32-36 百万年 (Boulila et al., 2021), 7-11 百万年 (Boulila et al., 2012), 2.4 百万年 (Ma et al., 2017), 1.2 百万年 (Palike et al., 2006; Huang et al., 2020)。大量研究表明，这些长时间尺度的AM调制周期对地球的气候、环境、碳循环、水循环的变化都有较大影响。
天文理论计算指出，斜率信号的调制周期除了约1.2 Ma之外，还存在一个约17万年的短周期（Hinnov, 2000）。最近，这个17万年斜率调制周期首次在海相地层中被发现，并且作为一个新的目标天文轨道周期用于构建始新世中期的天文年代标尺（Boulila et al., 2018）。与此同时，在白垩系海相地层中也发现了稳定的17万年周期，并且利用17万年周期构建的浮动天文年代标尺对白垩系第二次大洋缺氧事件（OAE2）的持续时间进行了估计（Charbonnier et al., 2018）。以上两个实例皆来自海相地层记录，为了验证这个17万年周期的普遍性和稳定性，需要连续的、具有高精度时代约束的陆相记录，也需要对已经发表的多指标高分辨率地质记录进行系统综述（图1）。
图1 全球约17万年“非常规”天文周期的时空分布
2 全球17万年天文周期记录综述
2.1 晚白垩世松辽盆地17万年周期记录
松辽盆地大陆科学钻探“松科1井”获得了连续、完整的厚约500米、连续而完整的深湖-半深湖相青山口组地层，为研究万年-几十万年时间尺度的陆相古气候变化提供了绝佳的地质素材。前人研究中利用多重年代学方法将青山口组的沉积时代限定在~92-86.5 Ma。其中，在青一、二段发现了三层火山灰，有效限定沉积速率大约为8-9 cm/ka，这与旋回地层学基于GR测井数据得到的平均沉积速率一致（Wu et al., 2013）。因此，在高精度的年代学约束之下，我们能够进行轨道尺度的周期研究。
本次研究在青山口组中以1米等间距采集了203个机地化分析样品，得到了高分辨率的总有机碳含量（TOC）、碳氮比值（C/N）以及总有机碳同位素（δ13Corg）数据。通过对TOC数据进行频谱分析，得到一系列高置信度的周期信号，如34米，13.8米，9米，4.5米和3.4米；结合绝对年龄约束的沉积速率和Average spectral misfit (ASM)方法估算的沉积速率（8.3cm/ka），可以计算出这些波长代表大约408 ka, 166 ka, 108 ka, 54 ka, 40.8 ka的轨道周期信号，其中，408 ka可能代表长偏心率周期，108 ka可能代表短偏心率周期，54 ka和40.8 ka代表斜率周期。除此之外，TOC数据还记录了一个显著的大约17万年（s3-s6）的周期信号（图2和图3A）。该17万年周期与前人研究海相地层记录得出的斜率调制周期在时间上比较接近，因此我们认为TOC可能记录到了这个斜率调制周期信号。
图2 松科1井青山口组高分辨率地球化学记录
2.2 中新世塔里木盆地17万年周期记录
LN(1)井位于塔里木盆地东缘，钻取了一套厚约1000米的中新世河湖相沉积。由于受到青藏高原隆升和全球气候变冷的影响，塔里木盆地在中新世较温暖时期发育为湖相沉积，在较干冷气候背景下发育河流相沉积（Liu et al., 2014）。LN(1)井的地层年代主要利用磁性地层学数据进行约束，在约5.5-7 Ma这个时间段，主要为湖相沉积。因此，我们选择了这个时间段的TOC数据进行分析，得到了一系列置信度高于95%的周期：即170 ka、90 ka、54 ka、42 ka和23 ka (Huang et al., 2021)。同样地，对原始的TOC时间序列提取约4万年的斜率信号，并对得到的斜率曲线做希尔伯特变换，得到斜率周期的振幅变化曲线,该振幅曲线同样具有约17万年的周期信号（图3B）
2.3 第四纪厄尔吉特金湖的17万年周期记录
厄尔吉特金湖（El'gytgyn）位于俄罗斯东北部北极圈内（北纬67.5度，东经172度），每年有9个月被湖冰覆盖。厄尔吉特金湖的科学钻探获得了约273米的第四纪沉积记录。利用40Ar/39Ar火山岩年龄和磁性地层学，并结合深海氧同位素曲线与日照量曲线进行对比校正，建立了高精度的年龄模型。此外，前人对厄尔吉特金湖5011-1钻井获取的第四纪湖相地层进行了间距约2厘米的TOC测试(Melles et al., 2012)，这为研究轨道尺度的沉积变化提供了数据保障。通过频谱分析，在该TOC数据中检测到了显著的约170 ka, 40 ka, 28 ka, 23 ka和19 ka的轨道周期，此外在斜率周期滤波曲线的振幅序列中也发现了显著的约400 ka, 170 ka和100 ka的周期信号（Huang et al., 2021）（图3C）。
此外，我们对过去2亿年的中高纬度多种高分辨率古气候指标的记录进行汇总，发现均存在~160-200 ka周期（图1，Huang et al., 2021）。最近，在欧洲早古新世海洋沉积记录中检测到约200 ka的偏心率周期 (Hilgen et al., 2020)。该周期被认为是由短偏心率周期振幅极小值交替变化所产生的谐波周期。然而，本研究中原始TOC数据集的偏心率周期信号太弱，因此我们认为TOC数据中约17万年周期不太可能起源于偏心率周期。
图3 松辽盆地（A），塔里木盆地（B）和俄罗斯EI’gygytgyn 湖（C）的TOC数据中的17万年周期信号
3 ~17万年天文周期的来源探讨
根据天文理论方程计算，17万年周期可以源自斜率的调制周期，也可以是地球运行轨道的倾角周期（inclination），甚至可以是对原始斜率信号的非线性响应产生的周期。接下来我们对17万年周期的可能来源进行探讨。
轨道倾角是描述地球公转轨道与太阳系所在平面的夹角。我们利用La2010d天文解的基本参数计算出了晚白垩世时期的轨道倾角变化曲线（图4a）。频谱分析显示，轨道倾角存在~2.4 Ma、~1.2 Ma、~173 ka、~110 ka和98 ka的周期（图4b），其中~173 ka的信号强度最低。在长时间尺度上，由轨道倾斜引起的平均太阳总辐射量的最大变化为~0.003 Wm−2，比偏心率小三个数量级。微弱的信号强度表明~173 ka倾角信号几乎不会被古气候指标记录到。因此，我们认为TOC数据中的~17万年的信号不是来自于轨道倾角的变化。
天文轨道周期的振幅变化也会对环境、气候造成较大的影响。前人在大量的地质记录中发现了偏心率、斜率周期的振幅调制周期信号。我们对la2010d的斜率信号周期进行希尔伯特变换，得到它的幅度变化曲线（图4c）,对该曲线进行频谱分析可识别出两个主要的AM周期，即1.2 Ma 和173 ka。因此，我们认为本研究TOC数据中的约17万年的周期信号可能来自于斜率的调制周期。此外，我们在本次研究中提供了第三种产生17万年周期的可能机制，即通过沉积过程的阀值响应对原始斜率信号进行了“削波”处理，这一过程增强了原始斜率信号中的低频幅度调制信号（图4e, f）。
图4 17万年周期信号的可能产生来源
4 斜率驱动中高纬度有机碳埋藏
在米兰科维奇周期中，斜率对中高纬度地区气候的影响较大。它主要通过调控纬向日照量分布来影响中高纬度的大气环流与水汽输送。这些过程将会直接或间接影响大气降水、大陆风化、河流的输送能力与湖泊的富营养化。我们从松辽盆地、塔里木盆地和俄罗斯远东湖泊记录的TOC数据中都识别出较强的约4万年的斜率周期以及约17万年的斜率调制信号。
为了解释TOC记录中的斜率周期，我们提出了一个斜率驱动碳埋藏的沉积模式来进行说明。在气候系统中，碳循环与水文循环密不可分，气候模型预测季风和降水量存在斜率周期上的变化。最近对安达曼海的研究中表明，在中新世变暖期间，斜率对印度夏季风的强度具有调控作用（Jöhnck et al., 2020）。此外，斜率也被认为对调控大陆水循环、海平面变化等具有重要意义。正如TOC数据显示的那样，有机碳旋回与水循环都共同响应了斜率信号。因此，在斜率高值期间，中高纬度地区表现为较强的降水和地表径流，从而导致河流输入增加，使湖泊富营养化，底层水缺氧，利于有机质的保存（图5A）。相反地，斜率低值期，由于低纬地区向高纬地区的水分和热量传输效率降低，减少了中高纬地区的降水和化学风化，以及偏氧化的底层水环境，这些因素共同导致有机碳埋藏通量降低（图5B）。这些过程可以解释TOC数据集中的~4万年a斜率信号，因为~4万年的斜率信号能够直接响应这些沉积过程，但是~17万年调制周期却反映了~4万年斜率信号强度的变化，这种强度的变化一方面表现在原始天文曲线上，另一方面又体现在轨道驱动力与沉积系统之间的相互作用，因此，它的放大机制可能受“非线性”沉积过程的控制。
图5 斜率驱动有机碳埋藏的简略模式图
5 17万年斜率信号的非线性沉积响应过程
研究发现，17万年“非常规”的幅度调制周期在影响地球日照量变化上的作用微乎其微，但是它们在地质记录中却表现出显著甚至主导的周期信号特征。这表明地球气候系统通过自身的正负反馈过程将微小的地外驱动力进行了放大处理，体现了地球气候系统的非线性特征。因此，17万年斜率信号被记录到地层中的主要原因可能在于复杂的轨道信号降频方式、环境信号传输过程、地球气候系统反馈机制等（Huang et al., 2021）。
本研究中的三个TOC时间序列的频谱结果显示，~17万年信号不仅在~4万年的斜率幅度调制序列中存在，而且在原始TOC数据集中也能清晰地检测到（图3）。这一现象表明，斜率AM周期并非~17万年信号的唯一贡献者，存在一个特定的过程来增强~17万年信号本身。在这里，我们提供了一种沉积系统对斜率周期阈值响应相关的放大机制，即在沉积盆地内斜率驱动力越过湖泊自身的地球化学平衡阈值的情况下，斜率信号才能被记录下来，这样也使得~17万年幅度调制周期得到加强（图6）。湖泊生物地球化学平衡是一个能够抑制斜率信号记录的“临界点”。当斜率驱动力处于这个“临界点”以下时，湖泊系统自身并未建立起稳定的生物地球化学平衡，未达到“临界点”的湖泊系统会由于富氧的底层水，氧化消耗有机质，使得净有机碳埋藏通量减少，无法建立稳定的有机碳埋藏条件。相反地，当斜率驱动力超过湖泊自身建立的临界阈值时，湖泊系统达到稳定的地球化学平衡，建立了稳定的有机碳埋藏的条件，使得沉积下来的有机质得到很好的保存，最终使得净有机碳埋藏的通量增加（图6）。因此，湖泊生物地球化学过程可形成有机碳埋藏的阈值，该阈值可将基本的高频~40 ka斜率周期转换为较长的约17万年的低频调制周期。
湖泊中记录的陆相沉积过程，如化学风化和陆源养分输送，这些过程也会影响边缘海洋沉积环境，由此推测，我们的AM阈值模型可能有助于解释大陆边缘沉积体系中轨道作用力和沉积过程之间的非线性相互作用。
图 6 与173ka斜率振幅相关的非线性气候-沉积过程
6 17万年周期对全球碳循环的意义
从理论上讲，斜率驱动有机碳埋藏可能会影响全球碳循环，最终会在碳同位素记录上留下斜率信号的印记。因此，我们将松辽盆地高分辨率有机碳同位素曲线与美国西部内陆海道盆地和波希米亚盆地（捷克）的两条已发表的白垩纪有机碳同位素曲线相结合，以验证这一假设。结果显示，所有有机碳同位素记录都存在约17万年的斜率幅度调制周期（图7）。尽管之前的研究已经记录了这一周期，但其起源背后的确切沉积过程仍不清楚。
有机碳埋藏通常被认为是导致有机碳同位素正偏的驱动因素，因为光合作用优先利用轻碳（C12）合成有机质，导致剩余碳库中C13含量相对增加，使得后期产生有机质的碳同位素值偏正。松辽盆地晚白垩世的有机碳同位素数据中存在约17万年的周期信号，可能反映了中高纬度地区约17万年的碳埋藏周期。此外，陆地湖泊盆地的初级生产力和有机碳埋藏主要受控于河流中携带的溶解CO2和营养物质的供给。因此，我们推断晚白垩世约17万年的斜率调制周期在全球范围内的碳同位素记录可以追溯到中高纬度地区，斜率驱动的水循环过程导致的大陆古湖泊和广阔湿地中的周期性有机碳埋藏。
图7 晚白垩世有机碳同位素中的天文周期信号
7 结语
本次研究发现，尽管“非常规”低频幅度调制周期对地表日照量影响很小，但是它们在地质记录中却表现出显著甚至主导的周期信号特征。这表明地球气候系统通过自身的正负反馈过程将微小的地外驱动力进行了放大处理，体现了地球气候系统的非线性特征。该研究成果丰富了地球系统科学理论，证明了17万年“非常规”天文轨道周期对中高纬度地区有机碳埋藏的调控作用，揭示了该信号对全球碳循环的周期性影响，强调了在以往研究中经常被忽视的“非常规”天文周期信号的地质意义。
本文第一作者系中国地质大学（北京）博士研究生，第二作者为中国地质大学（北京）副教授，第三作者为中国地质大学（北京）教授。本文属作者认识，主要观点来自Huang and Gao et al. （2021） Science Advances论文。相关问题交流可通过邮箱huang1006@cugb.edu.cn与本人联系。欲知更多详情，请参考以下文献。
主要参考文献
[1] Zachos, J.C., et al. 2001. Climate Response to Orbital Forcing Across the Oligocene-Miocene Boundary. science. 292, 274-278.
[2] Palike, H., Norris, R.D., Herrle, J.O., et al., 2006. The heartbeat of the Oligocene climate system. Science 314, 1894-1898.
[3] Kuiper, K.F., A. Deino, F. J., Hilgen, W, et al., 2008. Synchronizing Rock Clocks of Earth History. Science 320, 500-504.
[4] Wang, T., Ramezani, J., Wang, C., et al., 2016. High-precision U–Pb geochronologic constraints on the Late Cretaceous terrestrial cyclostratigraphy and geomagnetic polarity from the Songliao Basin, Northeast China. Earth and Planetary Science Letters 446, 37-44.
[5] Boulila, S., Haq, B.U., Hara, N., et al., 2021. Potential encoding of coupling between Milankovitch forcing and Earth's interior processes in the Phanerozoic eustatic sea-level record. Earth-Science Reviews 220, 103727.
[6] Boulila, S., Galbrun, B., Laskar, J., Pälike, H., 2012. A ~9myr cycle in Cenozoic δ13C record and long-term orbital eccentricity modulation: Is there a link? Earth and Planetary Science Letters 317-318, 273-281.
[7] Ma, C., Meyers, S.R., Sageman, B.B., 2017. Theory of chaotic orbital variations confirmed by Cretaceous geological evidence. Nature 542, 468-470.
[8] Hinnov, L.A., 2000. New perspectives on orbitally forced stratigraphy. Annu. Rev. Earth Planet. Sci 28, 419-475.
[9] Boulila, S., Vahlenkamp, M., De Vleeschouwer, D, et al. 2018. Towards a robust and consistent middle Eocene astronomical timescale. Earth and Planetary Science Letters 486, 94-107.
[10] Charbonnier, G., Boulila, S., E.Spangenberg, J, et al. 2018. Obliquity pacing of the hydrological cycle during the Oceanic Anoxic Event 2. Earth and Planetary Science Letters 499, 266-277.
[11] Huang H, Gao Y, Ma C., et al., 2021. Organic carbon burial is paced by a ~173-ka obliquity cycle in the middle to high latitudes. Science Advances. 7, eabf9489.
[12] Hilgen, F., Zeeden, C., Laskar, J., 2020. Paleoclimate records reveal elusive ~200-kyr eccentricity cycle for the first time. Global and Planetary Change 194, 103296.
[13] J. Jöhnck, W. Kuhnt, A. Holbourn, N. Andersen,2020. Variability of the Indian monsoon in the Andaman Sea across the Miocene-Pliocene transition. Paleoceanogr. Paleoclimatol. 35, PA003923.
