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晚古生代冰川的足迹

已有 470 次阅读 2020-2-12 16:14 |个人分类:科研快讯|系统分类:科研笔记

原创:陈吉涛


众所周知,我们当前生活在两极有大陆冰川的“冰室”气候环境下,但当前全球变暖现象已普遍被学术界和社会民众认同,主要体现在大气CO2浓度和全球温度急剧升高,可能正在触发多个气候临界点而造成不可逆的地质现象和气候变化,如北极与南极冰川融化加速、西伯利亚冻土消融、全球海平面上升等,严重威胁人类生存环境与生态系统健康(图1,Lenton et al., 2019)。

 

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图1. 全球变暖气候临界点(翻译自Lenton et al., 2019)

注:多米诺效应是指在一个相互联系的系统中,一个很小的初始能量就可能产生一系列的连锁反应,

人们把这种现象称为“多米诺骨牌效应”或“多米诺效应” (引自科普中国)。

 

为了更全面深入的了解全球气候变化,地质学者开始聚焦“深时”(通常指第四纪之前的地质历史)古气候研究(王成善等, 2017)。其中,晚古生代石炭—二叠纪大冰期(~340—290Ma)是地球上动植物繁盛以来规模最大的冰期,在南方冈瓦纳大陆发育了多幕式的冰期事件(图2)。对晚古生代大冰期全面系统的研究,或可为研究当前全球变暖提供一定的“深时”地质类比,也因此成为当前“深时”古气候研究的热点领域之一。

 

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图2. 晚古生代大冰期冈瓦纳大陆及冰川沉积(翻译自Le Heron et al., 2019)

 

研究大冰期的沉积响应及古环境背景,可从“近场”(near-field)和“远场”(far-field)两方面入手。“近场”研究大多是指针对冈瓦纳大陆上由冰川作用形成的沉积序列,通过精确的火山灰锆石测年、沉积学、以及碎屑锆石年代学等约束冰川进退时限、方向及剥蚀过程(如Griffis et al., 2019; Rolland et al., 2019)。而“远场”研究则是针对中纬度地区由冰川性海平面升降和气候变化所形成的沉积序列,通过开展综合地层学、沉积学和沉积地球化学的研究,揭示低纬度地区对冰川进退的沉积响应、大冰期的触发机制和气候变化、海洋环境等(如Chen et a., 2018; Yang et al., 2020)。两者对比研究,相辅相成,可以更好地揭示大冰期的冰川进退和气候变化规律。

“近场”研究一般聚焦于含冰碛岩沉积序列、块状搬运沉积(Mass Transport Deposits)、含坠石沉积等。但是冰川不仅能搬运、堆积沉积物,也具有强大的侵蚀能力,能将基岩或软的沉积基底削平、磨光、并留下明显的擦痕,如果能保存下来,则形成复杂的层面构造或(古)山谷构造。作为登山爱好者的攀登圣地,美国加州优胜美地(或约塞米蒂,Yosemite)国家公园中著名的酋长岩(El Capitan)和半圆顶(Half Dome)花岗岩体沿山谷方向的垂直岩面(图3),就是由扩张的第四纪冰川侵蚀而成的。


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图3. 美国加州优胜美地国家公园酋长岩(上图,来自https://www.visittheusa.com/)和半圆顶(下图,来自https://en.wikipedia.org/)

 

南非卡鲁盆地发育了著名的晚古生代冰川沉积,地质学者对其相关研究可追溯到一个世纪以前。其中,在卡鲁盆地Oorlogskloof地区晚石炭世Dwyka群底部发育了一个显著的不整合面,主要以冰川成因的凹槽、纵脊、球根状层面等构造为主。J. J. Visser(1990)对该不整合面及相关沉积构造进行了详细描述与解释,他认为含水沉积物侧向移动是形成这些构造的主要原因,侧向移动的原因在于冰川底部裂隙或孔洞的出现导致出现低压区。这些特征是在海侵过程中由海平面突然上升引起冰川底部脱离沉积基底而保存下来的。间冰期温度升高,冰川消融,海平面上升,冰川被水浮起,脱离沉积基底,不再继续改造基底,而使得这些沉积特征得以保存。因此,作者认为,该不整合面可被解读为代表着一次间冰期(或冰融期)气候。

近期奥地利维也纳大学D.P. Le Heron联合欧洲和南非其他学者,通过野外观察与无人机高精度拍照,清晰地刻画了这一冰下不整合面(subglacial unconformity)的侵蚀特征。但根据Le Heron等对这些颇具特征的地形进行详细的空间分析,发现该冰下不整合面是由三组不同期次的、具有不同侵蚀特征的层面构造组成(图4)。


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图4. 南非卡鲁盆地晚古生代冰下不整合面特征(翻译自Le Heron et al., 2019)。图中蓝色箭头代表冰流方向;不同颜色的圆圈和数字与图中的期次相对应。

 

根据这三组不同特征的层面构造的相互切割关系,Le Heron等(2019)认为,它们是由冰川侵蚀位置的侧向迁移导致。 第一期:主要以冰川流动侵蚀形成的槽模构造为特征,伴有颗粒流沿槽模一侧形成的小型叶状体裙带构造(图5A)。第二期:由于海平面短暂上升,导致冰川与沉积基底部分脱离,形成似“冰山龙骨”侵蚀而成的推挤、凸起、变形构造(图5B)。第三期:海平面下降,冰川重新触底,形成与第一期相似的沉积构造(图5C)。最终保存了这三期相互切割的沉积构造(图5D)。据此,该冰下不整合面并不能指示间冰期海平面的突然上升,而是代表着冰期发育时期错综复杂的冰川侵蚀过程。同时,文章指出该沉积环境可能是受潮汐作用影响的边缘海环境。涨潮时,海平面上升,冰川被短暂浮起,脱离沉积基底;落潮时,海平面下降,冰川又重新触底侵蚀(图5)。

 

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图5.冰下不整合面的形成模式图,刻画了冰川不同期次的侵蚀作用以及侵蚀位置的侧向迁移,

形成了三套不同期次、不同侵蚀特征的沉积构造(翻译修改自Le Heron et al., 2019)。

每个期次(Phase)标题的颜色对应着图中相应颜色的地形与侵蚀特征。

 

该文清晰地刻画了一个看似简单的(冰下)不整合面却蕴藏着复杂的地质过程。正确认识冰下不整合面是辨识“深时”冰盛期(glacial)与冰消期(deglacial)古气候的重要线索,也是揭示这些相关沉积构造是发育于冰川之下还是由漂流冰山触底而成的重要手段。这一研究也代表了地质学者对不整合面的认识不断更新,即不整合面很可能代表着盆地演化过程中复杂多变的沉积过程,而并非是之前所认为的一个简单的沉积间断的物理界面。



知识BOX


冈瓦纳大陆(Gondwana)是指在晚古生代时期存在于南半球的古大陆,也被称冈瓦纳古陆或南方大陆,它首次是由奥地利地质学家休斯(E. Suess)于1885年在《地球的面貌》(The Face of the Earth)一书中借用印度中部一个冈瓦纳的地方来命名的。

众所周知,地球上的联合大陆和大洋是周期性地诞生和消亡的,古生代的潘基亚泛大陆(Pangea)是离我们最近的一个超级大陆,当时大多数陆地都聚合在一起,形成了一个庞大的整体——潘基亚泛大陆。潘基亚泛大陆从中间开始裂解后,首先形成了南、北两部分。北部称为劳亚古大陆,南部称为冈瓦纳古陆,其中冈瓦纳古陆包括现今的南美洲、非洲、澳大利亚、南极洲、印度次大陆、印支半岛和阿拉伯半岛,以及中国的青藏高原南部大部分地区等(图6)。

 

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图6. 潘基亚泛大陆裂解初期阶段出现的劳亚古陆和冈瓦纳古陆(图源:星球研究所)



本文作者系中国科学院南京地质古生物研究所 研究员

本文属作者本人理解,欲知更多详情,请进一步阅读相关原始文献。


主要参考文献

【1】王成善, 王天天, 陈曦, 高远, 张来明, 2017. 深时古气候对未来气候变化的启示. 地学前缘, v. 24, p. 1–17.

【2】Chen, J., Montañez, I.P., Qi, Y., Shen, S., and Wang, X., 2018, Strontium and carbon isotopic evi­dence for decoupling of pCO2 from continental weathering at the apex of the late Paleozoic gla­ciation: Geology, v. 46, p. 395–398.

【3】Griffis, N.P., Montañez, I.P., Mundil, R., Richey, J., Isbell, J., Fedorchuk, N., Linol, B., Iannuzzi, R., Vesely, F., Mottin, T., da Rosa, E., Keller, B., Yin, Q.-Z., 2019. Coupled stratigraphic and U-Pb zircon age constraints on the late Paleozoic icehouse-to-greenhouse turnover in south-central Gondwana. Geology47 (12), 1146–1150.

【4】Le Heron, D.P., Dietrich, P., Busfield, M.E., Kettler, C., Bermanschläger, S., Grasemann, B., 2019. Scratching the surface: Footprint of a late Carboniferous ice sheet. Geology, 47, 1034–1038.

【5】Lenton, T.M., Rockström, J., Gaffney, O., Rahmstorf, S., Richardson, K., Steffen, W., and Schellnhuber, H.J., 2019. Climate tipping points — too risky to bet against. Nature, v. 575, p. 592–595.

【6】Rolland, Y., Bernet, M., van der Beek, P., Gautheron, C., Duclaux, G., Bascou, J., Balvay, M., Héraudet, L., Sue, C., Ménot, R.-P., 2019. Late PaleozoicIce Age glaciers shaped East Antarctica landscape. Earth and Planetary Science Letters, v. 506, p. 123–133.

【7】Visser, J.N.J., 1990, Glacial bedforms at the base of the Permo-Carboniferous Dwyka Formation along the western margin of the Karoo Basin, South Africa: Sedimentology, v. 44, p. 507–521.

【8】Yang, J., Cawood, P.A., Montañez, I.P., Condon, D.J., Du, Y., Yan, J.-X., Yan, S., Yuan, D., 2020. Enhanced continental weathering and large igneous province induced climate warming at the Permo-Carboniferous transition. Earth and Planetary Science Letters, v. 534, 116074.


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原文链接:晚古生代冰川的足迹.pdf





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