晚新生代地球气候经历了长期的变冷趋势，在约4-2百万年前的上新世-更新世之交，北半球冰盖开始大规模出现，塑造了人类熟识的“两极有冰”的冰室期气候特征。然而，北半球冰盖何以开始发育，仍是一个未解之谜。先前的假说强调巴拿马地峡的合拢导致的低纬大西洋水汽和热量向北欧沿岸的输送，但中美洲构造演变的年代学证据似已推翻这一经典假说。近年来的成果，倾向于认可大洋深部环流格局的演进，特别是大气二氧化碳浓度的降低，为北半球冰盖开始发育提供了前提条件。
图1. 太平洋深部环流格局及南/北来源水团的Nd同位素特征（a），南-北深度剖面（剖面位置见a中小图）上的水体碳同位素（b）和碳酸根离子浓度（c）分布特征。圆点示U1489（黄色）及其他相关站位（白色）位置。
翦知湣教授团队，利用大洋钻探IODP 363航次在赤道西太平洋获取的U1489站位岩芯材料，综合应用浮游有孔虫Nd同位素、底栖有孔虫B/Ca元素比值指标记录，并合作开展地球系统模式模拟实验；结果表明：
（1）北半球冰盖增长期（约3.1-2.5百万年前）太平洋深部的南大洋来源深层水组分显著增加，同时太平洋深层海水的碳酸根离子浓度显著下降；
（2）模拟结果表明，南极海冰厚度与范围的增加，可以有效增强南极来源深层水向赤道太平洋扩张；
（3）结合其他相关指标记录，进一步提出南源深层水扩张与亚南极海域生物生产变化，共同导致了北半球冰盖增长期太平洋深部溶解无机碳储库显著增加，是这一气候转折期大气二氧化碳浓度下降的关键贡献机制。
图2. 4-2百万年前古海洋古气候变化。左侧：U1489站位浮游有孔虫Nd同位素(a)，及据其换算的南源深层水比例 (b)；右侧：文献资料中的大气二氧化碳浓度(c)，及U1489站位底栖有孔虫B/Ca比值计算的海水碳酸根离子浓度。黑色阴影标识北半球冰盖增长期（NHG）。
该项工作是国内外诸多学者通力协作的成果，合作者包括我院翦知湣教授（第一作者）、党皓文教授（通讯作者）、胡莉莉和周晓理副教授，以及崂山实验室于际民教授、河海大学吴琼博士，中国地质大学（武汉）宫勋教授，法国Paris-Saclay大学Christophe Colin教授，德国AWI研究所Christian Stepanek教授和Gerrit Lohmann教授，中科院南海所万随副研究员。
该研究受国家自然科学基金委（项目号42188102, 42222603, 42176053, 41830539）及德国BMBF基金项目（PalMod-01LP1504A, NOPAWAC-03F0785A）的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2023.118020