| 全球变暖和大气CO2浓度上升是人们目前观测到的事实，但是二者之间是否存在必然的因果关系，科学界还存在着激烈的争论。同时，大量的古气候研究表明，地球围绕太阳运行的轨道参数变化对全球气候有着重要的调控作用。因此，辨析地质历史时期三者的变化规律及其关系，对于理解目前人类所面临的气候变化问题具有重要的参考价值。本论文聚焦于大气CO2浓度和地球围绕太阳运行的轨道变化这两个影响古气候变化的重要因素，开展的主要工作和获得的结论有： 1. 分别从显生宙、中生代、新生代、中更新世、末次冰消期、全新世、过去千年以及近几十年的仪器观测记录共８个时间段，对地质历史时期过去约500 Ma的大气CO2浓度与气候变化指标进行了梳理分析。根据记录载体和时间跨越尺度，将这些不同时间段上的古气候记录归纳为3个类型：① 以模型计算和古土壤、古生物等为记录载体的百万年及更长时间尺度的记录，大气CO2浓度和气候变化指标的变化总体趋势是一致的，但是由于数据的分辨率较低，误差较大，所以较难进行明确的因果关系研究；② 以南极冰芯为载体的轨道时间尺度的记录，重建的数据精度较高，为研究在无人类活动影响的背景下，大气CO2在地球气候系统的变化过程中所扮演的角色提供了可能；③ 以冰核和积雪为主要载体，包括仪器记录在内的百年及更短时间尺度的记录，虽然这个时期的研究资料最为丰富，数据精度也更高，但是影响气候变化的因素也在增多，在进行数据分析时会产生多种解释和较大的不确定性。对整理的结果进行综合对比，得到以下认识：① 从500 Ma的总体变化趋势来看，气候变化指标和大气CO2浓度均表现出下降的趋势，但两者的起伏变化并无固定的先后次序；② 地质时期的大气CO2浓度有过很大的波动，存在多次高大气CO2浓度（温室地球）时期，最高时可达5000 ppmv以上，也存在一些低大气CO2浓度（冰室地球）时期，最低时可达200 ppmv以下；③ 依据目前的全球观测数据，大气中的CO2浓度已经突破400 ppmv，虽然没有确切的证据表明该浓度具有特殊的含义，但这一数值是过去800 kyr以来的最高值，甚至在整个第四纪（2.58 Ma至今）都是罕见的。与此同时，南北半球的平均温度也在逐年升高，这些都需要引起人类的注意。 2. 以高分辨率的两极冰芯记录、海洋沉积记录、洞穴石笋记录作为数据源，收集整理了全球范围内的88个具有良好年代标尺的末次冰消期古气候重建结果作为研究的基础数据库。以往的全球或区域性的数据集成多基于对采用网格面积加权平均方法整合后的古气候时间序列的分析。但是，这种传统的数据系列整合方法对于分布零星而且方法各异、气候变化信息量各异的古气候记录并不是最佳的选择。为了能够更好地捕捉大区域范围内气候变化趋势转折点的时间信息，本研究采用了一种更为简单直接的数据集成方法——数据归一化和移动平均集成，重建了22‒9 kabp期间全球/半球尺度上的百年分辨率气候变化指标（Deglacial Climate Index, DCI）。以利用南极西部冰盖冰芯最新重建的百年尺度大气CO2浓度结果作为全球大气CO2浓度变化的代表，采用Rampfit和Breakfit突变点检验方法以及时滞分析方法，对集成的全球/半球DCI序列与大气CO2浓度之间的时序关系进行了识别对比，结果表明，无论在全球还是半球尺度上，DCI的初始升高时间均领先于大气CO2浓度的初始上升时间，而落后于米兰科维奇轨道理论所强调的北半球高纬地区夏季太阳辐射的变化，说明在末次冰消期，大气CO2浓度的变化只是地球系统内部的一个反馈环节，而不是初始的驱动因素。在博令-阿勒罗德间冰阶（BØlling-AllerØd）和新仙女木（Younger Dryas）时期，DCI与大气CO2浓度的时序关系表现出同步变化的趋势，这与近年来的一些研究结果相类似，反映了二者之间一种快速的耦合关系。多种古环境重建指标的对比分析表明，这可能与南大洋（Southern Ocean）在将储藏在深海中的大量CO2释放到大气中的同时，也将海洋中的大量潜热交换至大气中有关。对南北半球DCI的变化过程进行的比较显示出两个半球之间存在明显的“跷跷板”变化模式（Bipolar Seesaw），反映了大西洋经向翻转环流在调节冰消期南北半球气候变化过程中所起的重要作用。本研究获得的结果与Shakun等（2012, Nature）所认为的大气CO2浓度的变化在末次冰消期领先于全球气候的变化存在显著差异。综合来看，我们的结果支持Denton等（2010, Science）提出的假说，即北半球巨大冰盖的存在是末次冰消期发生的前提条件，地球轨道变化引起的北半球高纬地区夏季太阳辐射的变化是末次冰消期发生的初始驱动，大气CO2浓度的变化是气候系统内部的反馈环节。 3. 对位于甘肃省张掖市临泽地区的早白垩纪彩色丘陵沉积地层进行了详细的野外勘察，识别出剖面下段约474 m的沉积地层属于早白垩纪下沟组。该段地层之上沉积了一套厚约150 m的夹杂黑色页岩的灰岩地层，可以与同为早白垩纪沉积的位于六盘山地区的六盘山群地层中一套相似的灰岩地层相比较。对已有的年代学结果进行综合对比，并结合高分辨率磁性地层学的研究推断该套灰岩地层的初始沉积年龄约为114 Ma。对剖面进行了连续的高分辨率采样，并进行了多种古环境指标的测量分析。通过频谱分析和连续小波变换对采集自剖面下段474 m地层的1245个样品的磁化率与百分比频率磁化率指标序列进行周期识别，成功检测出了21.5‒37.0 m，7.5‒9.5 m，2.1‒4.4 m和1.4‒1.7 m四个接近米兰科维奇轨道参数——长偏心率、短偏心率、地轴倾角、岁差周期之间比值的周期带，表明地球轨道的周期性变化对该套地层的沉积环境具有明显的调控作用。以La2004天文模型（Laskar et al., 2004）计算的地球轨道参数变化为参照，设计了相应的带通滤波器对磁化率与百分比频率磁化率序列进行的滤波结果表明，该段地层跨越了约15.5个405 kyr长偏心率周期，以及约63个100 kyr短偏心率周期，二者的跨越时段约为6.1 Myr。以100 kyr短偏心率周期的变化为目标，通过轨道调谐的方法为该段地层建立了114.1‒120.2 Ma区间连续的天文年代标尺。据此计算的下沟组地层沉积速率在62–105 m/Myr之间，且大多数时间保持在70−80 m/Myr内。多种古环境指标的分析显示，地球围绕太阳运行轨道的周期性变化调控着整个沉积环境的演变过程，说明在早白垩纪高大气CO2浓度背景下，地球气候的变化依然明显受到其轨道变化驱动的太阳辐射变化的影响。 |
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