古新世—始新世极热事件(PETM)的陆相记录:现状与展望

古新世—始新世极热事件(Paleocene—Eocene thermal maximum,PETM)是发生在古新世与始新世界线附近的一次全球快速增温事件。研究显示,PETM期间全球大气CO_(2)浓度增加,温度上升,陆地水循环加强,在陆地和海洋中产生了一系列生物—环境响应。目前,PETM研究主要集中在海相地层中,而针对陆相地层的相关报道并不多见。陆相沉积速率较快,沉积地层厚度大,并且保存有丰富的哺乳动物化石和植物孢粉,也适合开展高分辨率古气候研究。本文对北美、欧洲西部和我国典型陆相盆地的PETM研究成果进行了系统性综述,对比分析结果表明,PETM期间陆相地层中的碳同位素偏移过程可以分为快速负偏、保持低值和缓慢恢复三个阶段。陆地植物和哺乳动物在PETM期间并未经历大规模灭绝,反而通过进化、扩散和局部灭绝适应了快速变化的环境。基于最新的研究方法,包括碳酸盐岩U-Pb定年、汞同位素以及团簇同位素,对我国未来的PETM陆相记录研究提出了展望。

古新世—始新世极热事件与地球系统的自我调节:Gaia理论的应用

古新世—始新世极热事件(LPTM或PETM)是地球历史中最强烈的全球升温事件之一,又因其温室气体的排放与当前工业废气排放水平相当,因而在全球变化与地球系统科学研究中具有重要的研究意义。Gaia理论强调生物通过负反馈作用调节全球系统,使之趋于稳定。在前人研究资料的基础上,对比分析了分布于全球不同地区大洋钻孔与陆地剖面P/E界线附近的δ13C变化,综合了P/E极热事件对全球碳循环的影响以及事件的成因。认为P/E极热事件之后,地球系统在生物作用下逐渐恢复平衡。如果将生物与地球作为整体来看,那么这个整体是一个具有自我平衡能力的系统。地球历史中,其他与碳循环扰动有关的地质事件,应该也可以用Gaia理论的思路,从生物调节环境的角度分析碳循环的变化以及地球系统的平衡机制。

江汉盆地SKD1深钻记录的古新世——始新世极热事件时期的古气候

古新世—始新世极热事件(PETM,~56 Ma)是发生古新世与始新世界线附近的一次快速增温事件,研究PETM事件的气候变化及驱动机制对应对全球变暖对气候和生态系统带来的影响至关重要。然而目前PETM记录较少且其气候效应仍存在很大争议。本文基于江汉盆地SKD1钻孔材料,利用湖泊自生碳酸盐矿物及其氧同位素组成,并结合岩芯岩性特征,分析了钻孔碳酸盐氧同位素(δ^(18)O_(碳酸盐))的指示意义,探讨了PETM期间江汉盆地的古气候,结果清晰地记录了PETM事件期间江汉盆地降水量显著增加、气候变湿的特征。PETM事件之前(pre-PETM)δ^(18)O_(碳酸盐)值较高,碳酸盐矿物以白云石为主,指示了江汉盆地年均降水量较少,气候非常干旱;PETM期间δ^(8)O_(碳酸盐)值显著负偏,主要沉积方解石,指示了降水量显著增加,气候相对湿润。PETM事件之后(post-PETM)δ^(18)O_(碳酸盐)值升高,白云石含量增加,且开始沉积厚层蒸发盐,说明气候再次变干。未来全球快速变暖背景下,副热带至中纬度地区可能普遍存在降水量显著增多的现象。

北美西部古新世-始新世极热事件(PETM)期间的哺乳动物群序列(英文)

跟随一队研究哺乳动物群在古新世-始新世变化的生物地层学和古地理学的学者,已故周明镇教授开始了他的古脊椎动物学事业。这是化石记录中偶蹄类、奇蹄类和灵长类(APP类群)首次出现的时期。随着北美西部Polecat Bench新的最晚古新世Clarkforkian哺乳动物群的发现,古新世作为一个独立于始新世的分期从1911年开始被接受。后来,研究证明古新世-始新世界线包括了一段时间,这期间发育了矮小型哺乳动物支系。古新世-始新世碳同位素漂移(CIE)与哺乳动物矮小化以及APP类群的首次出现是同时的。据此可以对CIE进行全球性总结,结果表明它与古新世-始新世极热事件(PETM)相关。PETM这一全球温室变暖事件不仅对地球气候和生物群有短暂的影响,而且对生物群同样具有深远持续的影响。我们所知的哺乳动物与CIE和PETM之间关系的大部分内容是通过对Polecat Bench周边剖面独特地层记录的高分辨率研究得到的。周教授早年曾在那里工作过,如今他的骨灰也撒在那里。

塔里木海齐姆根剖面早古近纪极热事件及其环境效应

早古近纪的极热事件长期受到国际学术界的广泛关注.本研究以塔西南齐姆根剖面齐姆根组碳酸盐岩为研究对象,追踪东特提斯洋浅海环境下早古近纪极热事件的记录,在重建地层时代与古环境基础上探讨极热事件与沉积环境的关系.通过生物地层学和年代地层学研究,限定齐姆根组下段时代为Thanetian晚期至Ypresian早期(NP8~NP10,P4b~P6b/P7).全岩碳同位素组成显示3次碳同位素负偏移事件,负偏移值分别为-2.6‰、-4.3‰、-2.2‰.通过与全球记录对比,确定这3次CIE事件分别对应于古新世-始新世极热事件(PETM)前负偏移事件(POE)、PETM和早始新世极热事件2(ETM2)三次事件.根据碳酸盐颗粒、基质类型和生物化石组合,齐姆根组划分出10个微相类型,整体为陆表海碳酸盐缓坡环境,可进一步分为内缓坡、中缓坡和外缓坡环境,呈现出一次完整的海侵海退旋回.大规模海侵始于POE启动段,相应的沉积环境从内缓坡转变为中外缓坡,同时出现加强的风暴作用,海侵及加强的风暴作用贯穿PETM,一直持续到ETM2事件结束,相应的沉积环境由中外缓坡开始转变为近滨岸潮坪,代表一次大规模海退.相比于ETM2事件和POE事件,PETM事件期间可能存在海洋酸化、缺氧以及明显的钙质生物种属更替现象.

古新世-始新世极热事件碳循环研究进展

发生在古新世-始新世界线附近(~56 Ma)、由巨量轻碳注入到海气系统引发的一次快速增温事件被称为古新世-始新世极热事件(PETM).该事件发生期间的碳释放过程与当前人类燃烧化石燃料向大气中排放CO_(2)非常相似,因此对该事件的深入分析可为理解碳排放与气候变化的关系提供地质参考,同时有助于定量评估自然背景下生态系统、海洋和岩石圈的固碳潜力和速率.根据最新研究成果,对该事件的碳循环过程进行系统总结和分析,得到三点初步认识:(1) PETM时期巨量轻碳的释放是响应于事件前期增温的一个正反馈过程,说明巨量碳的来源可能是大陆坡水合物分解或高纬冻土消融;(2) PETM时期碳释放的平均速率要比现今人类活动的碳排放速率低一个数量级,暗示人类活动可能触发地球表层系统的正反馈过程,加剧全球变暖;(3) CO_(2)的施肥效应和海洋“生物泵”效率的提高加快事件的回返.

中新生代两类极热事件的环境变化、生态效应与驱动机制

对地质历史时期发生的极热事件进行深入分析可为认识和应对现今全球气候变暖提供借鉴与依据.根据碳同位素偏移特征,可以将中新生代五次典型的极热事件划分为碳同位素负偏移类和碳同位素正偏移类两类.第一类极热事件以碳同位素总体负偏移为特征,以二叠纪-三叠纪界线事件(PTB,~252Ma)、早侏罗世Toarcian早期大洋缺氧事件(TOAE,~183Ma)、古新世-始新世界线极热事件(PETM,~56Ma)为代表.第二类极热事件以碳同位素总体正偏移为特征,以白垩纪Aptian早期大洋缺氧事件(OAE1a,~120Ma)、白垩纪Cenomanian末期大洋缺氧事件(OAE2,~94Ma)为代表.碳同位素负偏移定义的极热事件造成温度、沉积作用、生物多样性等发生明显的变化,陆地环境出现野火频发、极端干旱、酸雨、臭氧层被破坏、金属中毒(如汞)和陆地水系变化等,海洋环境出现碳酸盐台地消亡、大洋酸化、大洋缺氧等现象,全球陆地和海洋生物尤其是浅海生物发生不同程度的绝灭.碳同位素正偏移定义的极热事件造成海水快速增温和大洋广泛缺氧,有机质大规模埋藏,出现黑色页岩沉积,远洋生物受到明显的影响(如出现钙质超微危机),而浅海和陆地生物受到影响不大.文章提出,碳同位素负偏移类极热事件可能为大陆环境下大火成岩省喷发触发,导致轻碳大规模释放到大气-海洋系统使得全球快速增温,从而引起一系列环境和生态响应.而碳同位素正偏移类极热事件为深海环境下大火成岩省喷发触发,把热量和营养物质直接释放到深海系统,由于海水缓冲作用导致海洋系统增温明显,而浅海和陆地系统影响相对较小.研究结果丰富了对地质历史时期极热事件的研究,不仅对于理解极热事件、大火成岩省、海洋-陆地环境变化、生物绝灭等具有重要的意义,而且为判别极热事件的类型并推断其驱动机制提供了一个新手段.

地球深部过程与极热和极冷事件

地球气候以频繁冷暖波动为特征,在百万年时间尺度上可划分为温室期和冰室期,期间发生持续时间相对短的极热和极冷事件.大多数学者将这些温室期、冰室期以及极热和极冷事件归因于大气CO_(2)浓度变化,即地球深部碳释放和表层碳消耗之间的动态平衡.地球深部碳是CO_(2)的主要来源,通过大火成岩省、俯冲带、裂谷岩浆活动等过程释放到大气中,从而引发全球增温.但是,深部过程又可通过4种途径引发降温:(1)火山活动释放SO_(2)形成硫酸盐气溶胶,导致“火山冬天”;(2)岩浆活动峰期之后的化学风化消耗大气CO_(2),其中,镁铁质岩化学风化速率高于长英质岩,降温作用更显著;(3)火山喷发及岩浆岩化学风化释放营养元素,促进大洋初级生产力,加快碳埋藏;(4)板块运动增大陆地面积以及使大陆聚集于高温、湿润的低纬地区,增强化学风化对CO_(2)的消耗.大体上,温室和冰室气候与俯冲带大陆弧岩浆活动强度(通常用大陆弧长度和年轻碎屑锆石相对丰度指代)及低纬地区弧-陆碰撞带长度有关,如果大陆弧活跃且低纬地区弧-陆碰撞带规模小,易形成温室气候,反之则形成冰室气候.极热事件普遍由镁铁质大火成岩省的快速巨量碳释放引发;极冷事件成因较为复杂,例如低纬地区大火成岩省强烈化学风化(如前寒武纪斯图特雪球地球)和硅质大火成岩省或大规模长英质火山活动的“火山冬天”效应(如晚古生代冰期极盛期).目前,从发生时间一致和关联机制合理性这两个角度考虑,大部分极热和极冷事件的发生都可归因于大规模岩浆活动,但是岩浆活动引发的系列反馈过程以及对极热和极冷事件的触发与维持机制仍缺乏深入理解.就此而论,高精度定年、岩浆活动过程及其气候反馈的数值模拟应该是今后研究的重点.

塔里木盆地西部白垩纪-古近纪海相地层框架及对重大地质事件的记录

塔里木盆地西部白垩纪—古近纪发生了大规模的海侵事件,形成一个喇叭状向西开口的海湾,该海湾属于东特提斯洋的一个分支。该地区白垩纪—古近纪海相地层记录了东特提斯洋演化和一系列重大地质事件,具有重要的研究价值,但对其地层的研究仍相对薄弱,对重大地质事件的研究还不够深入。本文拟通过详细的岩石地层、生物地层和其他地层方法,完善地层划分与对比框架,并在此基础上讨论Cenomanian/Turonian界线大洋缺氧事件(OAE2)、白垩纪/古近纪界线(K/Pg)、古新世—始新世极热事件(PETM)、特提斯海进与海退等一系列重大地质事件。塔里木盆地白垩纪—古近纪海相或海陆过渡相地层自下而上为克孜勒苏群、库克拜组、乌依塔克组、依格孜牙组、吐依洛克组、阿尔塔什组、齐姆根组、盖吉塔格组、卡拉塔尔组、乌拉根组和巴什布拉克组,上述地层中含有丰富的有孔虫、介形虫、钙质超微、沟鞭藻、孢粉、双壳类、腹足类等化石,以及少量菊石、腕足类、海胆和鲨鱼牙齿等化石。综合的生物地层和年代地层研究表明,克孜勒苏群的时代为早白垩世Barremian Albian期,库克拜组—依格孜牙组的时代为晚白垩世Cenomanian Maastrichtian期(Cenomanian/Turonian界线可能位于库克拜组三段),吐依洛克组的时代为白垩纪—古近纪过渡期;阿尔塔什组的时代为古新世早中期,齐姆根组为古新世晚期—始新世最早期,盖吉塔格组—乌拉根组的时代为中始新世中晚期,巴什布拉克组的时代为晚始新世,但不排除最上部进入渐新世早期。塔里木盆地的海侵开始于克孜勒苏群中上部沉积期(Albian晚期—Aptian早期),但规模很有限,大规模的海侵始于晚白垩世Cenomanian早期;从晚白垩世—古新世,共经历了5次大规模的海侵—海退事件;大约41 Ma前后,海水退出盆地南部的昆仑山山前,34 Ma前后,海水退出盆地北部的天山山前。上述海侵—海退事件可能受构造和全球海平面变化的双重影响,但构造事件对海侵的启动和结束可能更具决定性的影响。阐述了塔里木盆地西部白垩纪—古近纪海相地层所记录的OAE2、K/Pg界线、PETM和特提斯海侵—海退等事件,其中笔者及团队第一次在塔里木盆地西部齐姆根组中所发现和报道的PETM事件,将有助于揭示全球近岸地区PETM的特征和生物环境响应。在未来的研究中,需要进一步厘清塔里木盆地西部地层序列,建立更加精细的生物地层和年代地层框架,加强对PETM和特提斯海侵—海退等重大地质事件的研究。

我国中、新生代主要陆地生物群的年代框架和沉积环境演变研究报告

建立了榆社盆地的高分辨率磁性地层年代学框架,厘定了高庄动物群和麻则沟动物群的准确年代,建立了中国陆相上新统高庄阶和麻则沟阶的高分辨率磁性地层年代学框架。高庄动物群和高庄阶的时代为早上新世,麻则沟动物群和麻则沟阶的时代为晚上新世。目前已对临夏盆地牛家村、丫沟、杨家山、后山和郭泥沟剖面等5个含有重要化石层位的剖面以约20 cm间距采集了古地磁定向手标本样品。结合岩石地层学、磁性地层学和生物年代学的制约,确定了下沙沟动物群的年代为2.2~1.7 Ma;将上新统/更新统界线确定于下沙沟剖面的底部。此外,结合研究组近年来在泥河湾盆地的其他磁性地层学定年结果,建立了泥河湾盆地哺乳动物群的年代序列。建立了大理盆地三营组的高分辨率磁性地层年代学框架,揭示出大理盆地记录了C4n.1r负极性时到C2n正极性时之间的沉积,其中三营植物群产于上新世地层中,从而准确厘定了三营植物群的年代。课题组建立了昭通盆地的高分辨率磁性地层年代学框架,揭示出昭通盆地记录了C3Br负极性时到C2An.1n正极性时之间的沉积,其中昭通古猿化石及其伴生哺乳动物群产于C3An.1n正极性时早期,年代为6.1 Ma。此外,对辽西建昌玲珑塔大西山剖面含化石沉积层中的3个凝灰岩样品进行了详细的SIMS锆石U-Pb定年,获得了（160.7±1.7）Ma、（159.5±2.3）Ma和（158.9±1.7）Ma的年龄结果。通过对义县组各个沉积层展开精细的研究,确定各沉积层的古环境特征,并对热河生物群开展古生物学研究,命名Microraptor一新种。对辽西四合屯早白垩世古湖泊边缘区和深水区的各种岩相的分布范围和厚度变化趋势进行调查,分析了各种岩相和相组合在时间和空间的分布规律,恢复了湖泊形成、演化和消亡规律,探讨了各种岩相和相组合中化石埋葬的方式,从而寻找有利于化石特异埋藏的环境。对富含珍稀动植物化石的、辽西四合屯早白垩世古湖泊演化的第二和第三阶段的沉积物进行了高分辨率、微米级的沉积微相分析,从而划分了6个微相。通过有机碳同位素、碳酸盐碳氧同位素等地球化学手段在我国由南至北3个沉积盆地的地层中确定PETM事件的存在,并通过四醚膜类脂物（GDGTs）组分重建古温度等信息,进而恢复PETM时期我国陆地气候的空间格局和环境特征。该课题选取了内蒙古岱海地区全新世以来的湖泊沉积物DH99a钻孔,进行了黑碳的提取和碳同位素（δ13C）分析。在揭西县灰寨、河源黄村和浏阳澄潭江发现了3条出露完整、化石丰富的新剖面。对这3条剖面以及宜章心田门剖面进行了详细的研究,初步建立了南岭地区晚三叠世-早侏罗世的岩石地层和生物地层的层序。

陆相坳陷湖盆沉积对深时古气候的响应信号:以准噶尔盆地西北缘安集海河组为例

“深时”古气候研究范围为前第四纪地质记录,目的在于为未来气候预测提供依据。准噶尔盆地西北缘安集海河组沉积期,研究区处于早古近纪极热气候(PETM)时期,由于其温室气体排放与当前工业废气排放水平相当,对于全球变化以及地球系统科学研究具有重要意义,一直以来都是古近纪气候研究的热点。准噶尔盆地西北缘在早古近纪沉积期发育大范围分布的典型陆相坳陷湖盆沉积,因其远小于海洋的沉积规模而具有远高于海洋系统的气候变化敏感度,能够更加精确地记录古气候演化对湖盆沉积体系的控制作用。本文以准噶尔盆地西北缘安集海河组为主要研究对象,选取28块砂岩样品和23块泥岩样品分别进行粒度分析和微量元素测试。实验结果显示:研究区安集海河组砂岩中值粒径分布在7.58~393μm,平均值为74.44μm,属于细砂级别;微量营养元素Ni、Cu和Zn的富集指示高生产力水平,元素Mo、Re、V、Co、Cr组合以及Re/Mo、V/Sc、V/Cr和Ni/Co指示氧化型沉积环境,Sr/Cu指示干燥炎热的气候条件。综合岩心观察和镜下鉴定等手段,针对坳陷湖盆对极热气候事件的响应进行系统分析,从岩石学和生物地球化学两个方面寻找沉积物中的信号记录。在极热气候条件下,研究区整体处于干旱炎热的气候环境,随着干旱进程的不断加剧,湖盆蒸发作用强烈,湖平面下降,沉积物粒度逐渐变粗,沉积物暴露水面遭受氧化,形成大面积展布的陆相红层沉积,同时,水体中CO 2分压不断上升,导致碳酸盐矿物浓度达到过饱和状态,以基底式碳酸盐胶结物的形式析出;受干旱气候加剧的影响,湖水持续浓缩,水体盐度上升,整体表现为陆相半咸水沉积环境,水体氧化性逐渐增强,古生产力水平呈现先增后降的变化趋势。

江陵凹陷早始新世石盐流体包裹体均一温度研究及其古气候意义

近年来江陵凹陷因深层富钾卤水及钾盐矿物的发现受到各界的关注。而钾盐的形成与古环境有着密切的联系。本文通过石盐包裹体均一温度的研究,对江陵凹陷早始新世古气候进行了初步探讨,力求为确定江陵凹陷成钾有利期提供一定依据。通过对石盐样品中的单一液相流体包裹体采用冷冻法进行均一温度测定,测温结果显示其均一温度范围是14.9-32.3℃,均值23.7℃,且各样品间温度数据波动不大。由此说明,江陵凹陷早始新世新沟嘴组中段的古气温较高,且比较稳定,属于温暖干旱的气候。此外,还通过分析比对前人研究成果,发现该区域古气温自沙市组至新沟嘴组下段有明显降低的趋势,这可能与古新世—始新世极热事件（PETM）之后的降温期有关。

内蒙古苏崩地点的古新世软食中兽(哺乳纲,中兽目)：古新世-始新世界线附近“东方伊甸园”扩散模式的新证据(英文)

记述了发现于内蒙古苏崩晚古新世格沙头期的中兽类软食中兽Hapalodectes属的一个新种。这是软食中兽在中国古新世地层中的首次发现,也是亚洲格沙头期的第二种软食中兽。已有的系统学和生物地层学证据支持软食中兽属和软食中兽科(Hapalodectidae)亚洲起源的观点。软食中兽显然是在古新世-始新世极热事件(PETM)期间通过白令陆桥扩散到北美大陆的,因而符合"东方伊甸园"学说中的生物地理格局。软食中兽有限的(即非欧洲的)地理分布使得我们可以重建该属生物地理学历史。如同软食中兽一样的"东方伊甸园"式的扩散模式,可以看作是大的环境变化事件导致多个支系产生相似的系统学和生物地理学分布格局的生物地理扩散机制。严格地检查了所谓的在古新世-始新世界线上或其附近的与"东方伊甸园"模式相矛盾的大陆间哺乳动物扩散事例,结果发现这些例子都是不可靠的。"东方伊甸园"生物地理学说充分解释了PETM时期哺乳动物群更替以及劳亚古陆哺乳动物地理分布格局的成因。

四川盆地西南缘PETM事件的环境磁学记录

四川盆地西南缘的前陆盆地中保存了巨厚的新生代沉积,是研究青藏高原东南缘地区气候和构造演化的重要地质记录.本文通过对四川盆地西南缘新生代沉积物进行年代学、环境磁学和碳同位素的综合研究,发现了在陆相沉积中报道甚少的古新世-始新世极热(Paleocene-Eocene Thermal Maximum,PETM)事件.多项高分辨率的环境磁学参数曲线可同已报道的海陆相碳同位素曲线进行良好对应,揭示了PETM事件详细的演化过程,表明环境磁学参数可以作为反映古近纪温暖气候事件的替代性指标.在机制上,PETM时期大气中CO_2含量剧增导致全球增温,局部中低纬度地区降水量增加.首先,降水量增加导致源区化学风化增强,加速了硅酸盐中Fe^(2+)的析出并转化成亚铁磁性矿物,使得PETM时期地层中亚铁磁性矿物富集.其次,降水量增加导致河流水动力增强,缩短了碎屑物质中亚铁磁性矿物的氧化时间,使其未完全风化至赤铁矿便被沉积,导致该时期地层中亚铁磁性矿物含量的增加以及多项环境磁学指标异常.通过环境磁学手段揭示的PETM事件,进一步丰富了该事件的全球陆相地质记录,为研究其演化过程和机制提供了新的视角.

古新统/始新统界线与特提斯大有孔虫生物带

21世纪初,古新统/始新统界线(简称P/E界线)被国际地层委员会正式定义为古新世-始新世极热事件(简称PETM)期间碳同位素负漂的开始。然而,P/E界线在特提斯大有孔虫生物带(简称SBZ)中的具体位置却一直争论不休。本文回顾了国内外学者近二十年来对P/E界线的研究成果,认为P/E界线应该位于SBZ5的内部,而非SBZ4和SBZ5的界线处。在P/E界线处,大有孔虫没有发生明显的组分上的变化。而在P/E界线后的5—12万年内,大有孔虫发生了一次绝灭。这个绝灭事件被称为大有孔虫的绝灭和新生(简称LFEO)。大有孔虫的绝灭和新生不同于传统上认为的大有孔虫更替事件(简称LFT)。前者可能是由PETM后期强烈的陆地风化剥蚀引起海水富营养化后所造成的一次灾变事件,而后者代表了大有孔虫在长期稳定的浅海环境中形成的演化上的成功。通过回顾P/E界线的研究历史,笔者认为绝大部分地层剖面在P/E界线处的不连续性/不完整性是产生这些争议的主要原因。