Black carbon in deep-sea sediments from the northeastern equatorial Pacific Ocean

Abstract

Eolian deposit in deep-sea sediment cores is a good archive for understanding the land–ocean interactions via atmosphere, due to it is little influenced by fluvial and continental shelf processes. This study dealt with black carbon (BC) in a 328 cm-long piston core collected from the northeastern equatorial Pacific Ocean (16°12' N, 125°59' W), covering the last 15 million years. BC is a common name of carbon continuum formed by incomplete combustion of fossil fuels and plant materials. BC has commonly refractory nature. Thus BC in preindustrial open-ocean sediment can be used as a long-time range tracer of forest-fire events. Chemical oxidation was used to determine BC. Concentration of BC varies from 0.01 wt% to 0.23 wt%. Mass accumulation rate (MAR) of BC ranged between 0.08 mg/㎠/1000 yrs and 47.5 mg/㎠/1000 yrs. It is noted that the MAR in sediments younger than 8 Ma (av. 9.2 mg/㎠/1000 yrs) is twice as mach as that in sediments older than 8 Ma (av. 4.6 mg/㎠/1000 yrs). Stable carbon isotope value of BC increases with deacreasing time from the lowest δ13C value (-28.66‰) near 11 Ma until it reaches the highest value (-20.45‰) near 4.5 Ma. The change of MAR across 8 Ma seems to be related to change of climate in the sediment sources. At present, the study area is located north of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ), but the ITCZ was positioned north of the study area, prior to 8 Ma, when its meridional migration occurred toward south. Accordingly, the higher BC MAR in sediment younger than 8 Ma seems to be accounted for climate conditions of the Northern Hemisphere, such as Asian drying due to Tibetan plateau uplift and arid climates in North America. Also, Base value of BC content and MAR increase at about 3.6 Ma, which can be explained by Asian drying caused by Tibetan plateau uplift and strengthening of climate circulation. Variation in stable carbon isotope ratio value through time seems to be related to vegetation change in the continental ecosystem. Low δ13C values maintained before 8 Ma, largely induced by C3 type vegetation increased until 4 Ma, which indicates gradual C4 grassland expansion through decreasing time. Relatively stable, high δ13C value occurred between 4 Ma and 2 Ma, representing dominance of C4 grassland in the Northern Hemisphere. After 2 Ma, δ13C value decreased, as C3 plants became dominant in the ecosystem again. The change of vegetation seems also related with the change of climate. Dry climate at Late Miocene caused C3 forest-fire, and subsequent expansion of C4 vegetation, which agrees with the previous reports. Thus, stable carbon isotope data of BC of this study provide a detailed, global trend of vegetation type turn over in the Northern Hemisphere.

심해저 퇴적물 코어의 풍성 퇴적물은 호수나 대륙붕 작용의 영향을 거의 받지 않아 대기에 의한 대륙-해양의 관계성을 파악할 수 있는 좋은 기록자가 된다. 이 연구는 적도 인근 북동태평양(16°12' N, 125°59' W)에서 채취한 328cm 길이, 최근 1500만 년에 해당하는 코어의 블랙 카본을 다루고 있다. 블랙 카본은 화석 연료나 식물체의 불완전한 연소로 인하여 생성되는 탄소 연속체의 통칭이다. 블랙 카본은 전반적으로 반응성이 적은 특성을 지니고 있다. 따라서 산업화 시대 이전 외양성 퇴적물의 블랙 카본은 장기간에 걸친 산불의 추적자로 사용할 수 있다. 블랙 카본을 측정하기 위해서 화학적인 산화를 사용했다. 블랙 카본의 함량은 전체 퇴적물의 무게에서 0.01~0.23%를 차지했다. 블랙 카본의 질량축적률은 0.08 mg/㎠/1000년에서 47.5 mg/㎠/1000년 사이로 나타났다. 800만 년 이후 퇴적물의 질량축적률이 (평균 9.2 mg/㎠/1000년) 800만 년 이전 퇴적물의 질량축적률보다 (평균 4.6 mg/㎠/1000년) 두 배 의 값을 보인다. 블랙 카본의 탄소 안정동위원소비는 1100만년 전에 가장 낮은 값을 (-28.66‰) 보인 후 450만년 전에서 최대값에 (-20.45‰) 이르기까지 꾸준히 증가하는 경향성을 보인다. 질량축적률의 변화는 퇴적물 기원지의 기후 변화와 연관되어 있는 것으로 보인다. 연구 지역은 현재 적도수렴대의 북부에 위치하고 있으나, 적도수렴대의 이동이 일어난 800만 년 전에는 적도 수렴대가 연구 지역의 북부에 위치하고 있었다. 따라서, 800만 년 이후의 높은 BC 질량축적률은 티베트 분지의 상승으로 인한 아시아의 건조화와 북아메리카의 건조화와 같은 북반구의 기후 상태로 설명할 수 있다. 시대에 따른 탄소 안정동위원소비의 변화는 육성 생태계에서의 식물상의 변화와 연관지어 설명할 수 있다. C4 식물의 영향을 받은 800만 년 이전의 낮은 δ13C 값은 400만 년까지 상승하며, 이는 C4 초원이 시간이 지남에 따라 점진적으로 확장되었음을 의미한다. 400만 년 전부터 200만 년 전까지의 상대적으로 높고 안정된 δ13C 값은 C4 초원이 북반구에서 우세하게 존재하였음을 의미한다. 200만 년 이후에는 C3 식물이 다시 우세해지면서 δ13C 값이 줄어들게 된다. 식생의 변화는 기후의 변화와도 연관되어 있다. 후기 마이오세의 건조한 기후는 C3 식생 위주의 숲에 산불이 일어나기 쉽게 했으며, 이로 인해 C4 식물이 팽창하게 된다. 블랙 카본의 탄소 안정동위원소비는 이러한 북반구에서의 식물군 교체에 대하여 전지구적인 자료를 제시해주고 있다.