DOI: https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2026.105467
تاريخ النشر: 2026-04-11
المؤلف: Jaime Y. Suárez-Ibarra وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث الجيولوجيا وعلم المناخ القديم
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تقلبات المناخ الجليدي-ما بين الجليدي في العصر الرباعي المتأخر فيما يتعلق بدورة الكربون، مع التركيز على لب SIS-203 من الهامش القاري البرازيلي الجنوبي. تسلط الأبحاث الضوء على الدور المهم لإنتاج الكربونات، والذوبان، والدفن في تقلبات CO₂ في الغلاف الجوي، والتي يمكن أن تتفاوت بحوالي 80-100 جزء في المليون بسبب آليات التغذية الراجعة المتأثرة بالقوى المدارية. تشير النتائج إلى انخفاض الإنتاجية خلال الحد الأقصى الجليدي الأخير (LGM)، مع زيادة طفيفة خلال ذوبان الجليد وإلى الهولوسين، كما يتضح من مؤشرات الفورامينيfera العائمة. تكشف تحليل الفورامينيfera الأوتوجينية εNd عن تأثير سائد لمياه المكون الجنوبي المسببة للتآكل (SCW) خلال LGM، مما يشير إلى أن التغيرات في هندسة كتلة المياه، بدلاً من العمليات البيولوجية، كانت هي المحرك الرئيسي لذوبان الكربونات والحفاظ عليها.
تقدم الدراسة أيضًا نموذج عمر مصقول للب لب SIS-203، يكشف عن انحراف كبير يبلغ 30,000 سنة في قاعدته مقارنة بإعادة البناء السابقة، والذي يُعزى إلى قيود طرق التأريخ الحتمية. يوفر النهج البايزي المستخدم تقديرًا أكثر دقة لعمر قاعدة اللب (~30 ka BP). تشير النتائج إلى تأثير SCW شبه الكامل خلال LGM، والذي يتميز بقيمة εNd تبلغ -7.6، إلى جانب انخفاض سرعات التيارات القاعية، مما قد سهل تراكم CO₂ المستنشق وزيادة ذوبان الكربونات. تدعم العلاقة الضعيفة بين الإنتاجية ومؤشرات الذوبان الاستنتاج بأن ذوبان الكربونات كان مدفوعًا بشكل أساسي بتغيرات في هندسة كتلة المياه، مما يضع المحيط الأطلسي الغربي الجنوبي كمنطقة حاسمة لتخزين الكربون خلال LGM.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية دورات الجليد-ما بين الجليدي في العصر الرباعي المتأخر، مع تسليط الضوء على ارتباطها بحجم الجليد العالمي، ودرجة الحرارة، ومستويات CO2 في الغلاف الجوي، كما يتضح من سجلات نظائر الأكسجين-18 القاعية ولب الجليد في القارة القطبية الجنوبية. بينما توفر المعلمات المدارية إطارًا لفهم هذه التحولات المناخية، إلا أنها لا تفسر بالكامل التغيرات الملحوظة، مما يستدعي النظر في آليات تغذية راجعة إضافية. تتضمن إحدى هذه الآليات توسيع الجليد البحري في القارة القطبية الجنوبية، والذي يمنع تفريغ CO2 ويعزز تخزين الكربون في المحيط العميق من خلال زيادة إنتاج مياه المكون الجنوبي الغنية بالمغذيات (SCW). يرتبط هذا العملية بتحولات كبيرة في نظام المحيط-المناخ على مدى الـ 25,000 سنة الماضية، لا سيما خلال الانتقال من الحد الأقصى الجليدي الأخير (LGM) إلى الهولوسين، والذي يتميز بارتفاع CO2 في الغلاف الجوي، وانخفاض حجم الجليد العالمي، وتحولات في الإنتاجية البيولوجية.
تستكشف الورقة أيضًا دور المحيط الأطلسي في الدورة الحرارية الملحية العالمية وتأثيرها على المضخة البيولوجية، والتي تعتبر حاسمة لتخزين الكربون. أشارت الدراسات السابقة إلى انخفاض في الإنتاجية الأولية خلال آخر ذوبان جليدي، مما قد يكون ساهم في إطلاق الكربون من المحيط. يهدف المؤلفون إلى دراسة التفاعل بين تكوين كتلة المياه والإنتاجية المحلية في المحيط الأطلسي الجنوبي، باستخدام نسب نظائر النيوديميوم (εNd) كعلامة لإعادة بناء أصل كتلة المياه. من خلال استخدام نهج متعدد المؤشرات، بما في ذلك δ¹³C القاعي ومتوسط الطين القابل للفرز، تسعى الدراسة إلى توضيح ديناميات الحفاظ على الكربونات وتخزين الكربون في المحيط الأطلسي الجنوبي الغربي العميق خلال الفترة من 31-7 ka، مع افتراض أن هذه المنطقة قد تكون قد خدمت كخزان كربون كبير خلال LGM.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم جمع عينات من الرواسب من لب SIS-203، الذي يبلغ طوله 3.6 متر وتم استرجاعه من الهامش القاري البرازيلي الجنوبي على عمق 1894 مترًا تحت مستوى سطح البحر (الإحداثيات: 29°30′S، 47°7′W). تقع هذه المنطقة عند الحدود بين مياه المحيط الأطلسي العميق (NADW) ومياه المحيط العميق القطبي العلوي (UCDW). تم الحصول على اللب خلال حملة أوceanographic أجريت في الربيع-الصيف الأسترالي لعام 2007، نظمتها شركة Fugro Brasil Ltda نيابة عن الوكالة الوطنية البرازيلية للنفط والغاز الطبيعي والوقود الحيوي.
النتائج
تشير النتائج من لب SIS-203 إلى أن عينات الرواسب تعود إلى الفترة من 31 إلى 7 ka BP، والتي تتوافق مع العصر الرباعي المتأخر والهولوسين المبكر/الوسط. تراوحت نسبة G.bull/G.rub من 0.04 عند 19 ka BP إلى 0.88 عند 28 ka BP، بمتوسط قدره 0.26±0.17. تراوحت الوفرة النسبية لـ G. glutinata من 9% عند 7 ka BP إلى 108% عند 17 ka BP، بمتوسط قدره 36.7%. تقلبت قياسات الطين القابل للفرز بين 25 ميكرومتر و34 ميكرومتر، بمتوسط قدره 29.6±1.9 ميكرومتر. كشفت التحليلات النظيرية لـ Cibicidoides wuellerstorfi عن قيمة قصوى لـ δ^18O تبلغ 4.48 ‰ عند 18.47 ka BP وقيمة دنيا تبلغ 2.72 ‰ عند 8.33 ka BP، متماشية مع القيم المعروفة للحد الأقصى الجليدي الأخير (LGM) والقيم المبكرة للهولوسين. تراوحت قيم εNd من -7.6 إلى -9.6، بمتوسط قدره -8.66 ± 0.5.
أظهرت تحليلات المكونات الرئيسية (PCA) أن المكونات الأولى تمثل 65.1% و67.8% من التباين في مؤشرات الإنتاجية القديمة ومؤشرات الذوبان، على التوالي. كانت معدلات التراكم أعلى بشكل ملحوظ خلال الفترة من 31-16 ka BP، بمتوسط يتراوح بين 15-23 سم/ألف سنة، قبل أن تنخفض إلى حوالي 3 سم/ألف سنة خلال المرحلة النظيرية البحرية 1. يتماشى نموذج العمر لقمة اللب مع دراسة سابقة، لكن هناك اختلاف كبير يبلغ 30 ألف سنة في القاعدة، يُعزى إلى اختلافات منهجية. استخدمت الدراسة الحالية نهجًا بايزيًا (rbacon)، والذي يوفر نموذجًا أكثر موثوقية من خلال استيعاب التباين في معدلات تراكم الرواسب، على عكس طريقة الاستيفاء الخطي المستخدمة من قبل Petró et al. (2021)، والتي قد تكون أدت إلى استنتاجات غير واقعية.
مناقشة
في المحيط الأطلسي الجنوبي الغربي، يؤثر التفاعل بين الدوامة شبه الاستوائية والتقاء البرازيل-مالفيناس بشكل كبير على دوران السطح وخصائص كتلة المياه. يشير الالتقاء، الواقع عند حوالي 38°S، إلى التفاعل بين المياه الاستوائية الدافئة والمالحة والمياه شبه القطبية الأكثر برودة وأقل ملوحة، والتي تشكل معًا ديناميات تيارات البرازيل ومالفيناس. تحت هذه التيارات السطحية، تكون مياه المحيط الأطلسي المركزي (SACW) غنية بالمغذيات وأبرد، مما يعزز الارتفاع الدوري الذي يزيد من الإنتاجية الأولية. تسلط الدراسة الضوء على كيفية تأثير التغيرات في نسب مياه المحيط الأطلسي العميق (NADW) ومياه المكون الجنوبي (SCW) على كيمياء الكربونات والحفاظ عليها، حيث تعزز SCW ذوبان كربونات الكالسيوم بسبب عدم تشبعها بالنسبة لأيونات الكربونات.
تكشف تحليلات الفورامينيfera من لب SIS-203 عن رؤى حول إنتاجية سطح البحر في الماضي وذوبان الكربونات. تستخدم الدراسة مؤشرات متنوعة، بما في ذلك نسبة الأنواع المرتبطة بالارتفاع ووفرة الفورامينيfera العائمة، لإعادة بناء أنماط الإنتاجية التاريخية. من الجدير بالذكر أن تحليلات المكونات الرئيسية تشير إلى أن الفترات الجليدية شهدت زيادة في الإنتاجية المرتبطة بأحداث الارتفاع، بينما لم يكن ذوبان الكربونات مرتبطًا مباشرة بمستويات الإنتاجية. بدلاً من ذلك، يبدو أنه يتأثر بتغيرات في خصائص كتلة المياه العميقة وحالة التشبع بالكالسيت. تشير النتائج إلى أن الحفاظ على الكربونات يتم التحكم فيه بشكل أساسي من خلال هندسة كتلة المياه وديناميات الدوران، مع زيادة ملحوظة في SCW خلال الحد الأقصى الجليدي الأخير (LGM) مما أدى إلى ارتفاع معدلات الذوبان. وهذا يبرز دور المحيط الأطلسي في دورة الكربون العالمية، لا سيما خلال الفترات الجليدية عندما تعزز زيادة تدفق المواد العضوية وإنتاج SCW تخزين الكربون في المحيط العميق.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2026.105467
Publication Date: 2026-04-11
Author(s): Jaime Y. Suárez-Ibarra et al.
Primary Topic: Geology and Paleoclimatology Research
Overview
This study investigates the Late Quaternary glacial-interglacial climate variability in relation to the carbon cycle, focusing on core SIS-203 from the southern Brazilian continental margin. The research highlights the significant role of carbonate production, dissolution, and burial in atmospheric CO₂ fluctuations, which can vary by approximately 80-100 ppm due to feedback mechanisms influenced by orbital forcing. The findings indicate low productivity during the Last Glacial Maximum (LGM), with a slight increase during deglaciation and into the Holocene, as evidenced by planktonic foraminifera proxies. The analysis of authigenic foraminiferal εNd reveals a predominant influence of corrosive Southern Component Water (SCW) during the LGM, suggesting that changes in water mass geometry, rather than biological processes, primarily drove carbonate dissolution and preservation.
The study also presents a refined age model for core SIS-203, revealing a significant 30,000-year offset at its base compared to previous reconstructions, attributed to the limitations of deterministic dating methods. The Bayesian approach employed provides a more accurate age estimate for the core’s base (~30 ka BP). The results indicate a near-total SCW influence during the LGM, characterized by an εNd value of -7.6, alongside reduced bottom current velocities, which likely facilitated the accumulation of respired CO₂ and intensified carbonate dissolution. The weak correlation between productivity and dissolution proxies further supports the conclusion that carbonate dissolution was primarily driven by changes in water mass geometry, positioning the western South Atlantic as a crucial region for carbon sequestration during the LGM.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the Late Pleistocene glacial-interglacial cyclicity, highlighting its correlation with global ice volume, temperature, and atmospheric CO2 levels, as evidenced by benthic oxygen-18 isotope records and Antarctic ice cores. While orbital parameters provide a framework for understanding these climatic shifts, they do not fully account for the observed changes, necessitating the consideration of additional feedback mechanisms. One such mechanism involves the expansion of Antarctic sea ice, which inhibits CO2 degassing and enhances carbon storage in the deep ocean through increased production of nutrient-rich Southern Component Water (SCW). This process is linked to significant transformations in the ocean-climate system over the last 25,000 years, particularly during the transition from the Last Glacial Maximum (LGM) to the Holocene, characterized by rising atmospheric CO2, decreased global ice volume, and shifts in biological productivity.
The paper further explores the role of the Atlantic Ocean in global thermohaline circulation and its impact on the biological pump, which is crucial for carbon sequestration. Previous studies have indicated a decline in primary productivity during the last deglaciation, which may have contributed to net ocean carbon release. The authors aim to investigate the interplay between water mass configuration and local productivity in the South Atlantic, utilizing neodymium isotope ratios (εNd) as a tracer to reconstruct water mass provenance. By employing a multi-proxy approach, including benthic δ¹³C and mean sortable silt, the study seeks to elucidate the dynamics of carbonate preservation and carbon storage in the deep western South Atlantic during the 31-7 ka interval, positing that this region may have served as a significant carbon reservoir during the LGM.
Methods
In this study, sediment samples were collected from piston core SIS-203, which has a length of 3.6 meters and was retrieved from the southern Brazilian continental margin at a depth of 1894 meters below sea level (coordinates: 29°30′S, 47°7′W). This location is situated at the boundary between North Atlantic Deep Water (NADW) and Upper Circumpolar Deep Water (UCDW). The core was obtained during an oceanographic campaign conducted in the austral spring-summer of 2007, organized by Fugro Brasil Ltda on behalf of the Brazilian National Agency of Petroleum, Natural Gas and Biofuels.
Results
The results from core SIS-203 indicate that the sediment samples date back to the interval of 31 to 7 ka BP, corresponding to the latest Pleistocene and early/middle Holocene. The G.bull/G.rub ratio varied from 0.04 at 19 ka BP to 0.88 at 28 ka BP, with a mean of 0.26±0.17. The relative abundance of G. glutinata ranged from 9% at 7 ka BP to 108% at 17 ka BP, averaging 36.7%. Mean sortable silt measurements fluctuated between 25 µm and 34 µm, with an average of 29.6±1.9 µm. The isotopic analyses of Cibicidoides wuellerstorfi revealed a maximum δ^18O value of 4.48 ‰ at 18.47 ka BP and a minimum of 2.72 ‰ at 8.33 ka BP, aligning with known Last Glacial Maximum (LGM) and early Holocene values. The εNd values ranged from -7.6 to -9.6, with a mean of -8.66 ± 0.5.
The principal component analyses (PCA) demonstrated that the first components accounted for 65.1% and 67.8% of the variance in palaeoproductivity and dissolution proxies, respectively. Accumulation rates were notably higher during 31-16 ka BP, averaging between 15-23 cm/kyr, before declining to approximately 3 cm/kyr during Marine Isotope Stage 1. The age model for the core top aligns with a previous study, but a significant 30 kyr discrepancy exists at the base, attributed to methodological differences. The current study employed a Bayesian approach (rbacon), which provides a more reliable model by accommodating variability in sediment accumulation rates, in contrast to the linear interpolation method used by Petró et al. (2021), which may have led to unrealistic extrapolations.
Discussion
In the Southwest Atlantic, the interplay between the Subtropical Gyre and the Brazil-Malvinas Confluence significantly influences surface circulation and water mass characteristics. The confluence, located at approximately 38°S, marks the interaction between warm, saline Tropical Water and cooler, fresher Subantarctic Water, which together shape the dynamics of the Brazil and Malvinas Currents. Below these surface currents, South Atlantic Central Water (SACW) is nutrient-rich and cooler, promoting periodic upwelling that enhances primary productivity. The study highlights how variations in the proportions of North Atlantic Deep Water (NADW) and Southern Component Water (SCW) affect carbonate chemistry and preservation, with SCW promoting dissolution of calcium carbonate due to its undersaturation with respect to carbonate ions.
Foraminiferal analyses from core SIS-203 reveal insights into past sea surface productivity and carbonate dissolution. The study employs various proxies, including the ratio of upwelling-related species and the abundance of planktonic foraminifera, to reconstruct historical productivity patterns. Notably, principal component analyses indicate that glacial periods experienced enhanced productivity linked to upwelling events, while carbonate dissolution was not directly correlated with productivity levels. Instead, it appears to be influenced by changes in deep-water mass characteristics and the saturation state of calcite. The findings suggest that carbonate preservation is primarily governed by water mass geometry and circulation dynamics, with a notable increase in SCW during the Last Glacial Maximum (LGM) leading to heightened dissolution rates. This emphasizes the Atlantic’s role in global carbon cycling, particularly during glacial periods when increased organic matter flux and SCW production enhance deep ocean carbon storage.