重返无冰未来：早白垩世海表温度与冰川的季节性周期及其对现代气候的启示

为探究温室气候下短时间尺度（如季节性）气候波动机制，研究人员通过双壳类化石的团簇同位素（Δ47）和稳定同位素（δ18O、δ13C）分析，重建了早白垩世Valanginian期（约1.33亿年前）南半球中纬度海表温度（SST）和盐度变化。研究发现该时期存在高达15.9°±4.9°C的季节性温差、与现代相当的δ18Osw值及极地季节性冰川活动，为预测未来无冰地球气候提供了关键类比。

论文解读

在地球漫长的气候变迁史中，白垩纪（约1.45-0.66亿年前）被称为“温室世界”的典型代表——高浓度大气CO₂、无永久极地冰盖、海平面比现代高出数百米。然而，这个看似稳定的温室系统内部却暗藏玄机：早白垩世Valanginian期（约1.33亿年前）突然出现了一次全球降温事件（Weissert事件），伴随碳同位素正偏（CIE）、海平面下降和可能的极地冰川活动。这一“温室中的冰室插曲”成为理解气候系统敏感性的绝佳案例。但长期以来，科学家们对短时间尺度（如季节性）的气候波动机制知之甚少，而这些恰恰是与人类活动时间尺度最相关的关键环节。

中国科学院地质与地球物理研究所领衔的研究团队将目光投向马达加斯加西北部Mahajanga盆地的“时间胶囊”——保存完好的Valanginian期牡蛎（Rastellum属）化石。这些化石如同天然的气候记录仪，通过壳体生长纹层和化学组成保留了季节性环境信号。研究团队创新性地结合团簇同位素测温（Δ₄₇，通过测量碳酸盐中¹³C-^{18</supO键的异常丰度来反演温度）与传统稳定同位素（δ18O、δ13C）及元素比值（Mg/Ca、Sr/Ca）分析，首次量化了早白垩世中纬度海域的季节性温度波动，相关成果发表于《科学进展》（Science Advances）。}

关键技术方法
研究团队采用多学科交叉技术：1）激光剥蚀ICP-MS获取壳体微量元素剖面（Mg/Ca等）重建生长周期；2）基于δ¹⁸O的年内生长模型量化季节性生长速率；3）团簇同位素（Δ₄₇）直接测温，规避了传统δ¹⁸O温度计对海水组成的依赖；4）锶同位素（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）定年确定化石层位年龄；5）HadCM3BL-M2.1aD气候模型模拟不同CO₂浓度（560/1120 ppm）下的古气候场景。

研究结果

稳定同位素与微量元素结果
通过分析四个Rastellum个体（Rm、Rr、RsA、RsB）的δ¹⁸O和Mg/Ca等指标，发现Weissert冷期（WCI）标本的季节性δ¹⁸O波动幅度（-1.25‰至1.37‰）显著大于暖期（WWI），暗示更强的温度/盐度季节性。阴极发光成像证实壳体未经历成岩蚀变，原始信号保存完好。

团簇同位素结果
Δ₄₇值（0.647‰-0.717‰）换算的温度显示：WCI期冬季均温仅15.1°±4.6°C，夏季达31.0°±5.4°C，温差高达15.9°±4.9°C（与现代南半球中纬度相当）；而WWI期温差较小（6.1°-7.9°C）。采用不同校准方程会系统性影响绝对值，但季节性差异模式稳健。

模型-数据对比
气候模型模拟显示，当大气CO₂为560 ppm（WCI期估计值）时，模拟的南半球中纬度季节性温差（11°C）与Δ₄₇数据高度吻合；而1120 ppm（WWI期）场景下温差仅增加1°-2°C，表明CO₂对季节性幅度影响有限。

讨论与意义
这项研究颠覆了传统认知：1）即便在温室世界，中纬度仍可存在与现代相当的温度季节性；2）重建的δ¹⁸O_sw值（平均+0.1‰ VSMOW）接近现代海洋（-0.28‰），支持Valanginian期存在季节性极地冰川（约4百万平方公里，相当于现代南极冰盖一半）；3）CO₂浓度波动（560-1120 ppm）是驱动气候状态转换的关键开关。

该成果为预测未来气候提供了独特视角：随着CO₂浓度攀升，地球可能再次进入“季节性无冰”状态——极地冬季结冰、夏季消融，中纬度温度季节性波动维持高位。这种中间态气候的机制解析，对人类应对即将到来的气候转型具有重要预警意义。正如研究者所言：“Valanginian就像一面镜子，映照出地球从白色星球向蓝色星球过渡的临界状态。”