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长江中游江汉盆地古近纪沉积演化的“天外操控”

已有 1155 次阅读 2020-1-14 14:32 |个人分类:科研快讯|系统分类:科研笔记

原创:王治祥、黄春菊


现代工业文明的进步很大程度是通过大规模对化石燃料(煤、石油和天然气)的开采与使用来推动的。化石燃料的使用导致埋藏在地下岩石圈中亿万年前的碳库加速向大气中释放,使得大气中的CO2和CH4的浓度在工业革命之后快速攀升,迅速偏离自然界的正常波动范围,即CO2浓度过去80万年以来在冰期-间冰期的变化范围约为180-280ppm,变化幅度为~100ppm,而2019年5月大气中CO2浓度达到415ppm,比工业革命之前高出35%;CH4浓度过去80万年以来在冰期-间冰期的变化范围为~350-800ppb,变化幅度为~450ppb,而2019年6月大气中CH4浓度已达1858ppb ,约为工业革命前的2.5倍。这些温室气体在短时间内快速升高,已经导致地球气候系统发生了异常的波动,如大陆和山岳冰川加速融化、洪涝和干旱等极端气候事件频发等,这些事件都严重危害人类的居住环境和生命财产安全,甚至有可能迫使人类在内的全球生物进入下一个生物大绝灭中。现状如此,未来更让人担忧,我们急迫地想知道,未来地球气候可能会发生怎样的变化?适宜人类居住的地球将经历什么?这个地球未来还是否适合人类居住?等等这些问题,不仅仅是地质学家和古气候学家关注的科学问题,也是各国政府首脑和普通民众所关注的热点问题。

科学家们通过对全球大洋进行科学钻探,对提取的钻孔沉积物进行了年代学分析,并对保存完好的碳酸盐微体化石(如有孔虫)或藻类进行指标提取(如硼同位素、长链不饱和乙基和甲基酮等),通过公式换算获得了新生代以来(距今6600万年至今)大气中CO2浓度的变化,发现在晚始新世至渐新世(距今4300-2300万年)时期的大气中CO2浓度从约1500-2000ppm 降至约750ppm(Zachos et al., 2008)。研究表明,在3400万年左右南极大陆才开始发育冰川,而之前的新生代南北两极是无冰川发育的,或者只有间歇性的冰川覆盖。设想一下,假如未来大气中CO2浓度上升到750ppm 乃至1200ppm以上,这很可能导致南极和北极的冰川完全融化,一旦缺乏两极冰川控制的冷高压气团,全球气候必然发生重大变化,这种变化极可能是灾难性的。因此,对于全球在未来高的CO2浓度下,气候将发生怎样的变化是值得我们重点关注的科学问题。


未来气候变化的预测必须基于对过去气候变化的了解和现代气候的观测,那么过去地质历史时期的气候演化是如何获得的呢?这里介绍一个典型的研究实例——江汉盆地新生代旋回地层学与古气候重建研究。

中国地质大学(武汉)黄春菊教授团队在长江中游的江汉盆地开展了中晚始新世至渐新世时期的旋回地层学和古气候学的研究工作。选取在江汉盆地展开古气候研究工作,是因为江汉盆地有着较为独特的天然地理优势。江汉盆地位于中国三级阶梯的第二阶梯与第三阶梯的转换地带(图1),是记录青藏高原隆升过程在长江中游地区沉积响应的一部天书。古近纪以来江汉盆地沉积了近万米的地质记录,其中潜江组、广华寺组记录了始新世中晚期到中新世的气候变化过程(Huang and Hinnov, 2019)。


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图1. 距今3400万年江汉盆地和西宁盆地的区域位置图


通过提取的古气候替代指标参数,可以重建7千万年以来构造和轨道时间尺度的长江中游古气候的演化过程(图1和图2)。钻孔的自然伽马测井曲线反应沉积物中U(铀)、Th(钍)和K(钾)的含量变化(图2),这些元素含量的变化和地层中岩性变化息息相关,如在富含碳酸盐和盐岩层中含量较低,而在泥岩层中含量较高。岩性的变化与气候的变化又是紧密相关的,如盐岩层的沉积反映了高温干燥的蒸发环境。通过对自然伽马测井曲线进行旋回分析,识别出稳定的405千年长偏心率周期旋回并对其进行天文调谐,建立了从~4300万年至2300万年的连续的、高分辨率的绝对天文年代标尺,发现在4100-4040万年期间,盐岩发育层段可以与深海氧同位素记录的始新世中期极热事件有很好的对应关系,这指示了盐岩发育段是地球的暖期,而粉砂-泥岩富集层段位于~2.4万年长偏心率的低值时期,这一时期对应于地球夏季的凉爽湿润时期(图3)。同时还发现,江汉盆地中晚始新世时期的泥岩-盐岩沉积旋回恰好有准100千年的周期,这和青藏高原东北缘同时代的西宁盆地的膏岩-泥岩的沉积旋回特征类似,因此,认为~100千年的轨道偏心率周期是主导西宁盆地和江汉盆地的盐岩和膏岩沉积发育的主要因素。通过进一步解译天文轨道参数对气候变化和沉积地层记录的影响,发现在偏心率低值时期,冬夏两季的季节性温差变化减弱,导致北半球冬季温暖和干燥的气候盛行,这种气候条件有利于盐湖和盐岩发育;而在偏心率高值时期,北半球的季节性变化增强,引起季风特别是夏季风活动的增强,从而增加降雨量和泥岩的发育(图3)。


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图2. 江汉盆地自然伽马测井曲线(GR)与深海氧同位素对比图

 

研究发现,早渐新世开始时期江汉盆地沉积物由始新世时期的盐岩与泥岩的互层沉积为主转变为以粉砂岩-泥岩互层的沉积物为主,同时期的西宁盆地也是由膏岩与泥岩互层沉积为主转变成以红棕色泥岩为主的沉积,这都指示了江汉盆地和西宁盆地的陆地湖相沉积记录响应了全球气候的重大变化。Licht等(2014)的研究表明,在晚始新世就存在类似于现今的东亚季风气候模式,高的大气CO2浓度在水汽循环中起到了重要作用。江汉盆地沉积记录的转变不仅响应了全球大背景下的气候变冷,同时也反映了该区在距今3400万年之后东亚夏季风增强及冬季风减弱,这可能是由于青藏高原隆升和大气CO2浓度降低导致的。因此,该研究成果进一步证实了早渐新世时期江汉盆地及其以东地区的气候格局与现今类似

目前地球在1月3日左右到达其公转轨道的近日点,未来2千年之后夏季日照量将达到最低值,这就意味着未来一段时期内地球的冬季将变得温暖干燥。正如IPCC报告所预测的,如果不采取任何节能减排措施到本世纪末二氧化碳浓度将达到1500-2000ppm,地表温度将上升4.8℃(Pagani et al., 2005)。晚始新世时期大气二氧化碳浓度在1500-2000ppm之间,地表温度比现今夏季最高温度高4.6℃,因而,我们可以说始新世晚期是本世纪末或者未来2000年气候变化的最好类比实例。也就是说,千年之后的气候环境将很可能会与始新世时期江汉盆地记录的气候状况类似,即长江中下游地区的气候可能会变得温暖干燥,可能现今淡水湖也将会转变为咸水湖,这将深刻地影响到人类的生存及其宜居环境。


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图3. 长江中游地区的江汉盆地潜江组-荆河镇组地层记录的中晚始新世-渐新世时期万年-百万年轨道尺度的气候变化及其与全球深海氧同位素和理论的~1.2 Myr长斜率周期和~2.4 Myr长偏心率周期对比图.

 

本文作者王治祥系中国地质大学(武汉)的博士后,黄春菊系中国地质大学(武汉)的教授。

本文属作者本人的理解,欲知更多详情,请阅读以下原始文献。


主要参考文献

【1】黄春菊,2014. 旋回地层学和天文年代学及其在中生代的研究现状. 地学前缘,21(2):48-66.

【2】汪品先和翦知湣,2019. 探索南海深部的回顾与展望. 中国科学:地球科学,49(10):1590-1606.

【3】Licht, A., van Cappelle, M., Abels, H.A., Ladant, J.B., Trabucho-Alexandre, J., France-Lanord, C., Donnadieu, Y., Vandenberghe, J., Rigaudier, T., Lecuyer, C., Terry, D., Jr., Adriaens, R., Boura, A., Guo, Z., Soe, A.N., Quade, J., Dupont-Nivet, G. and Jaeger, J.J., 2014. Asian monsoons in a late Eocene greenhouse world. Nature, 513(7519): 501-506.

【4】Huang, C. and Hinnov, L., 2019. Astronomically forced climate evolution in a saline lake record of the middle Eocene to Oligocene, Jianghan Basin, China. Earth and Planetary Science Letters, 528, doi.org /10.1016/j.epsl.2019.115846.

【5】Pagani, M., Zachos, J.C., Freeman, K.H., Tipple, B., Bohaty, S., 2005. Marked decline in atmospheric carbon dioxide concentrations during the Paleogene. Science309, 600–603.

【6】Zachos, J., Pagani, M., Sloan, L., Thomas, E. and Billups, K., 2001. Trends, rhythms, and aberrations in global climate 65 Ma to present. Science, 292(5517): 686-693.

【7】Zachos, J.C., Dickens, G.R., Zeebe, R.E., 2008. An early Cenozoic perspective on green-house warming and carbon-cycle dynamics. Nature451, 279–283.


知识BOX


旋回地层学:顾名思义就是研究地层中各种古气候指标的韵律性变化特征,这里研究的是轨道尺度上(万年至几十万年)的韵律性变化。当地球自转和绕太阳公转时,由于受到其他行星万有引力的影响,导致地球的轨道参数(偏心率、斜率和岁差)发生周期性的变化,从而引起地表接受到的日照量在纬度上和季节上的变化,进而导致地球的气候系统在区域和全球具有万年至百万年尺度上的周期性变化(黄春菊,2014)。在海洋和陆地沉积系统中,受这种由轨道作用驱动气候的周期性变化,导致在地层中表现为韵律性和旋回性的沉积特征(黄春菊,2014)。其中,长偏心率405 千年在至少两亿年以来的地层记录中表现相对稳定,被喻为地球表层系统的“心跳”( 汪品先和翦知湣,2019)。

地球近日点:地球的围绕太阳公转的过程中,其运行的轨道是一个椭圆,太阳位于椭圆的焦点上,当地球运行到离太阳最近的点叫近日点,地球公转轨道的近日点也有进动现象,其周期约为2万1千年,近日点的进动对地球的气候起着决定性作用。根据轨道周期理论曲线计算,1万年前地球的近日点在夏至,是北半球最温暖的时期,北半球在夏天离太阳近,接受的太阳辐射最多,导致冰川的急剧融化,这个暖期从2万年左右开始一直持续到1万年前,历时1万年左右,大约从1万年左右开始到现在,地球的近日点时间由夏至向冬至移动,北半球夏季接受的日照量减少,地球的气候逐渐变冷。


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图4. 地球各圈层的相互作用过程及太阳辐射驱动的地球气候系统的变化 (据Ruddiman 2008修改).


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原文链接:长江中游江汉盆地古近纪沉积演化的“天外操控”.pdf




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