白垩纪中期(94-84 Ma)是过去140 Ma以来的一个超级温室期，当时大气CO2浓度至少超过1000ppmv(Foster et al., 2017)，热带地区年平均温度高达35℃(O'Brien et al., 2017)，海平面比今天要高170m。在这样的气候背景下，南极大陆呈现出怎样的境况，是否存在极地冰？由于沉积记录的缺乏，相关的古环境古气候信息知之甚少。
2017年，德国亥姆霍兹极地和海洋研究中心Johann Klages团队利用遥控机器人钻机，从西南极陆架上（古纬度～82°S）钻取了一个长约30 m的沉积岩心柱（图1）。基于生物地层学和古地磁学，该岩心柱底部近3 m的沉积序列的年代被限定到白垩纪中期（土仑阶-桑托阶：～92-83 Ma）。这为探索该时期南极大陆古气候和古环境演化提供了绝佳的研究材料。最近，Johann Klages团队通过对该岩心柱底部3 m的沉积物进行了多指标分析，系统重建了白垩纪中期南极大陆的古气候古环境，成果发表在Nature上。
图1 钻孔位置及地质背景（Klages et al., 2020）
从岩性上看，3m厚的岩心柱由两部分组成：下部具有清晰层理结构的碳质泥岩和上部约5 cm厚的褐煤层（图2）。岩心柱CT扫描揭示出沉积物中保存了非常密集且完好的原位根系网络，在显微镜下可清楚辨认出单个的细胞结构。孢粉分析结果显示，植被类型以罗汉松科和南阳杉科的针叶林为主，同时还含有大量的蕨类植物和淡水相的蓝藻生物。结合地球化学和生标证据，Johann Klages及同事认为中白垩超级温室期西南极地区存在以针叶林为主的复杂温带雨林系统，并发育了广泛的河流流域（图3）。为了重建这片雨林生长的气候背景，Johann Klages团队利用孢粉组合特征和生物标志化合物分析，估算出当时南极大陆年平均气温为13℃，夏季河流或湖泊平均表层水温可高达20℃，年平均降雨量接近1120 mm。该气候条件大致与今天英国相当。
图2 钻孔岩心多指标古气候古环境重建结果（Klages et al., 2020）
图3 基于孢粉结果和古环境信息重建的温带雨林复原图（Klages et al., 2020）
为了弄清白垩纪中期南极大陆气候环境变化的主要驱动机制，Johann Klages团队运行全球气候模型进行CO2敏感性实验分析。模拟结果显示（图4），仅当CO2浓度达1120ppmv以上时，模拟出的南极夏季地表温度才与重建结果相吻合。尽管如此，模拟的年平均气温仍远低于重建结果。由于冰对太阳辐射有极高的反照率，而植被对地面长波辐射能有强吸收能力，研究人员推断白垩纪中期南极大陆是一个无冰世界，繁茂的植被和较高的大气CO2浓度是维持该时期温带气候的必要前提。
图4 现代和中白垩世CO2敏感性实验（Klages et al., 2020）。图中虚线表示模拟输出的最暖月平均温度，实线表示模拟输出的区域平均温度（Klages et al., 2020）
该研究的主要意义在于填补了南极大陆白垩纪中期超级温室期古环境和古气候记录的空白，为评估古气候模型可靠性以及进一步厘清温室气候的驱动机制提供了关键地质数据。
主要参考文献
Foster G L, Royer D L, Lunt D J. Future climate forcing potentially without precedent in the last 420 million years[J]. Nature Communications, 2017, 8: 14845.（链接）
O'Brien C L, Robinson S A, Pancost R D, et al. Cretaceous sea-surface temperature evolution: Constraints from TEX86 and planktonic foraminiferal oxygen isotopes[J]. Earth-Science Reviews, 2017, 172: 224-247.（链接）
Klages J P, Salzmann U, Bickert T, et al. Temperate rainforests near the South Pole during peak Cretaceous warmth[J]. Nature, 2020, 580(7801): 81-86.（链接）
（撰稿：陈祚伶/新生代室）
