古近紀(jì)氣候變化在東海盆地內(nèi)的化石記錄

常吟善，趙洪，覃軍，李帥，張建培

中海石油(中國)有限公司上海分公司，上海 200335

0 引言

古近紀(jì)是被認(rèn)為最重要的氣候轉(zhuǎn)折期之一，白堊紀(jì)中期至古近紀(jì)早期是顯生宙典型的“溫室氣候”時(shí)期，古近紀(jì)中晚期開始，則轉(zhuǎn)變?yōu)椤皽貨鰵夂颉盵1-3]。大致可劃分為3個(gè)階段：古新世—始新世早期的升溫期，此時(shí)全球海平面基本穩(wěn)定不變，在始新世早期全球海平面快速上升[4-5]；始新世中期—始新世末期的穩(wěn)定降溫期，全球海平面緩慢下降；漸新世早期，南極冰蓋形成[6]，全球氣溫急劇下降，全球海平面快速下降。在此期間發(fā)生了三次顯著的氣候事件，分別是PETM極熱事件、Oi-L驟冷事件和Mi-L降溫事件[7-8](圖1)。

從沉積學(xué)的角度分析，古近紀(jì)時(shí)期全球氣候變化對(duì)東海陸架盆地內(nèi)古生物變化、沉積充填物都會(huì)有所影響。前人尚未開展古近紀(jì)全球氣候變化對(duì)東海陸架盆地沉積響應(yīng)的研究，本文通過對(duì)研究區(qū)古生物、巖性變化等資料，探索東海陸架盆地古近紀(jì)古氣候特征及演化規(guī)律，并與古近紀(jì)全球氣候進(jìn)行對(duì)比分析，厘清全球氣候變化在東海陸架盆地內(nèi)的響應(yīng)特征，對(duì)開展東海陸架盆地演化與全球氣候變化的關(guān)系研究具有重要的意義。

圖1 全球古近紀(jì)古氣候變化事件及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)事件(據(jù)Zachos et al.[3]修改)Fig.1 Global Paleogene paleoclimate and tectonic events (modified from Zachos et al.[3])

1 區(qū)域地質(zhì)概況

東海陸架盆地是由在中生代盆地之上疊置新生代盆地的多旋回構(gòu)造單元組成，新生代地層是東海陸架盆地的沉積主體，沉積厚度最大可達(dá)15 km。東海位于中國東部大陸邊緣，構(gòu)造單元上由“二盆三隆”：自西向東為閩浙隆起區(qū)、東海陸架盆地、釣魚島隆褶帶、沖繩海槽盆地和琉球隆起區(qū)五部分組成(圖2)。

東海陸架盆地的地質(zhì)演化是周邊區(qū)域構(gòu)造事件在東海海域的局部響應(yīng)，盆地古近系地層共經(jīng)歷了雁蕩運(yùn)動(dòng)(65 Ma)、甌江運(yùn)動(dòng)(56.5 Ma)、玉泉運(yùn)動(dòng)(32 Ma)以及花港運(yùn)動(dòng)(23.3 Ma)4次區(qū)域性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，在地震剖面上反映為4套典型的不整合面，分別為T100、T80、T30、T20?？v向上，東海陸架盆地可以劃分出發(fā)育齊全的新生界地層，從老到新分別為：古新統(tǒng)(T100～T80)月桂峰組、靈峰組、明月峰組，始新統(tǒng)(T80～T30)甌江組、溫州組、平湖組，漸新統(tǒng)(T30～T20)花港組，中新統(tǒng)(T20～T10)龍井組、玉泉組、柳浪組，上新統(tǒng)(T10～T0)三潭組和第四系東海群12套地層(圖3)。由于盆地“東斷西超”的箕狀結(jié)構(gòu)特征，導(dǎo)致地層沉積厚度自東向西減薄。西部坳陷帶新生代沉積厚度最大約9 000 m，主要沉積層為古近系，普遍缺失始新統(tǒng)上段、漸新統(tǒng)(僅在麗水—椒江凹陷局部地區(qū)有沉積)，新近系(較薄)不整合于古新統(tǒng)之上。中央隆起帶無古近系沉積，新近系厚度達(dá)2 000～4 000 m，直接不整合于基底之上。東部坳陷帶新生代最大沉積厚度15 000 m以上，以發(fā)育巨厚的始新統(tǒng)、漸新統(tǒng)及中新統(tǒng)為特征，始新統(tǒng)平湖組之上地層發(fā)育齊全。

圖2 東海陸架盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐?據(jù)上海分公司研究院)Fig.2 Tectonic unit division of the East China Sea Shelf Basin(according to the Research Institute of CNOOC Shanghai Branch)

2 全球氣候變化背景下古生物響應(yīng)

古氣候的變化必然會(huì)對(duì)生物圈內(nèi)各個(gè)門類生物造成影響[9]。本節(jié)主要通過孢粉以及有孔蟲含量的變化分析古近紀(jì)古氣候變化背景下東海陸架盆地內(nèi)古生物響應(yīng)特征。

2.1 孢粉含量變化

孢粉可用來反映古環(huán)境、古氣候，例如東海盆地中較常見的杉粉，常見于陸相湖泊、沼澤或者低洼地帶；粗肋孢，指示水體變淺的淡水環(huán)境；三瓣粉其母體植物為水生灌木植物；麻黃粉反映偏干旱氣候環(huán)境[10-11]等。

東海盆地孢粉資料豐富，根據(jù)孢粉母體植物對(duì)溫度的適應(yīng)性，分為喜熱組、喜溫組和廣溫組[12]。喜熱組其母體主要分布于熱帶至亞熱帶，少數(shù)可達(dá)溫帶；喜溫組母體植物主要分布于暖溫帶，少數(shù)可達(dá)亞熱帶或者寒溫帶；廣溫母體植物主要分布于熱帶至溫帶。根據(jù)孢粉母體植物所處的環(huán)境，分為旱生組、中生組、沼生組、水生組四種類型(表1)。本節(jié)利用東海陸架盆地內(nèi)孢粉含量結(jié)合公示(1)、(2)、(3)計(jì)算溫度綜合指數(shù)以及濕度綜合指數(shù)，分析東海盆地內(nèi)溫度、濕度的變化規(guī)律。

(1)

表1 各生態(tài)類型孢粉主要屬種一覽表(據(jù)姚益民等改，1994)Table 1 Main spore species of various ecological types (modified from Yao et al., 1994)

濕度綜合指數(shù)=2R旱生組+R中生組-R沼生組-2R水生組

(2)

分別選取麗水凹陷以及西湖凹陷L2井、P1井的孢粉資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并且恢復(fù)其溫濕度變化曲線。通過對(duì)麗水凹陷L2井(圖4)孢粉分析：1)蕨類植物主要以海金沙科為主；2)裸子植物花粉含量較高，以松科中的松粉(Pinuspollenites)和杉科中的杉粉(Taxodiaceaepollenites)為主，局部稀少。雛囊粉(Parcisporites)、羅漢松粉(Podocarpidites)、油杉粉(Keteleeriaepollenites)、鐵杉粉(Tsugaepollenites)稀少出現(xiàn)；3)被子植物花粉中最常見的是楊梅粉(Myricaceoipollenites)，較常見的有櫟粉(Quercoidites)、楓香粉(Liquidambarpollenites)、栗粉(Cupuliferoipollenites)，藜粉(Chenopodipollis)、樸粉(Celtispollenites)零星出現(xiàn)。

分析表明：靈峰組上段至溫州組代表干旱氣候的藜粉(Chenopodipollis)、樸粉(Celtispollenites)罕見，濕生花粉常見，表明該時(shí)期氣候濕潤；靈峰組上段至明月峰組下段，杉粉(Taxodiaceaepollenites)和松粉(Pinuspollenites)成交互式出現(xiàn)，反映當(dāng)時(shí)冷熱交替的氣候特征；明月峰組上段，以及甌江組的中下段適合在酸性土壤中生長楊梅粉(Myricaceoipollenites)大量產(chǎn)出，可能與此階段全球δ13C負(fù)偏移，二氧化碳含量急劇上升有關(guān)；自甌江組上段開始，松粉含量逐漸占主導(dǎo)，表明氣候有逐漸變冷的趨勢。整體濕度變化趨勢縱向上表現(xiàn)為從靈峰組上段的稍濕潤向溫州組半干旱半濕潤轉(zhuǎn)變。溫度變化趨勢整體表現(xiàn)為自靈峰組上段開始升溫，持續(xù)至甌江組的上段，之后溫度逐漸下降。

通過對(duì)西湖凹陷P1井孢粉(圖5)分析：1)蕨類植物孢粉主要以粗肋孢(Magnastriatites)和光面單縫孢(Polypodiaceaesporites)為主，瘤面單縫孢(Polypodiisporites)、鳳尾蕨(Pterisisporites)、紫琪孢(Osmundacidites)、海金砂(Lygodiumsporites)含量較少；2)裸子植物孢粉杉粉(Taxodiaceaepollenites)和松粉(Pinuspollenites)含量最高，云杉粉(Piceaepollenites)、雪松粉(Cedripites)以及麻黃粉(Ephedripites)含量較低；3)被子植物孢粉種類較多，但只有個(gè)別種屬含量較高，整體含量并不太高。其中以高含量的榿木粉(Alnipollenites)為代表，從平湖組至花港組連續(xù)產(chǎn)出，僅局部含量較低，其次櫟粉(Quercoidites)含量微高，在平湖組比較常見，至花港組陸續(xù)產(chǎn)出，含量較低，不太常見的被子植物孢粉主要有藜粉(Chenopodipollis)、榆粉(Ulmipollenites)、椴粉(tiliaepollenites)、胡桃粉(Juglanspollenites)、楓香粉(Liquidambarpollenites)、三瓣粉(Trilobapollis)等等。

對(duì)P1井孢粉含量的分析表明：孢粉中以濕生孢粉杉粉(Taxodiaceaepollenites)、榿木粉(Alnipollenites)為主，干旱孢粉麻黃粉(Ephedripites)、樸粉(Celtispollenites)， 藜粉含量極低，表明平湖組與花港組整體處于濕潤環(huán)境；縱向上，平湖組至花港組榿木粉(Alnipollenites)和杉粉(Taxodiaceaepollenites)含量逐漸降低，松粉(Pinuspollenites)含量逐漸升高，反映由常綠闊葉林向針葉林轉(zhuǎn)變，表明溫度降低；平湖組至花港組粗肋孢粉(Magnastriatites)等水生蕨類明顯增多，反映河流作用開始增強(qiáng)。因此推測平湖組時(shí)期應(yīng)是溫暖濕潤北亞熱帶氣候條件下海陸過渡環(huán)境，花港組處于溫涼濕潤北亞熱帶氣候下河湖沼澤—三角洲環(huán)境。整體上自平湖組至花港組溫度逐漸降低，濕度增大。

圖4 L2井溫、濕度敏感類型孢粉相對(duì)比值及相對(duì)溫度、相對(duì)濕度綜合變化曲線Fig.4 Relative sporopollen content and relative temperature, and the humidity curve of L2

圖5 P1井溫、濕度敏感類型孢粉相對(duì)比值及綜合曲線Fig.5 Relative sporopollen content and relative temperature, and the humidity curve of P1

2.2 有孔蟲豐度變化

絕大多數(shù)有孔蟲都是海生的，只有少數(shù)生活在潟湖、河口等半咸水的環(huán)境里，有孔蟲對(duì)環(huán)境的反應(yīng)特別敏感，需要適宜的溫度，因此可以根據(jù)有孔蟲的豐度來判別溫度變化。

東海陸架盆地內(nèi)麗水—椒江凹陷先接受沉積，古新統(tǒng)中晚期整體處于海相沉積環(huán)境，有孔蟲種類豐富，而西湖凹陷缺失下部地層，整體處于海退過程，有孔蟲種數(shù)較少，因此本節(jié)主要利用麗水—椒江凹陷有孔蟲資料來判斷全球古近紀(jì)古氣候的變化是否在東海盆地內(nèi)有相應(yīng)的化石記錄。

通過對(duì)麗水凹陷L1井、L2井、W1井、N1井四口井有孔蟲豐度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖6)，垂向上有孔蟲豐度在明月峰組頂部以及甌江組的底部，大約55 Ma(PETM事件)附近，有孔蟲豐度都出現(xiàn)了急劇降低至零的現(xiàn)象，之后有孔蟲開始復(fù)蘇，并呈增長態(tài)勢，這一變化事件的發(fā)生在中國西藏崗巴地區(qū)同樣有所記錄[13]。表明PETM期間的氣候異常對(duì)海洋生物演化產(chǎn)生了重要的影響，在古新世—始新世極熱事件中，由于海水溫度陡升導(dǎo)致了東海陸架盆地有孔蟲大量滅絕。

3 東海陸架盆地古近紀(jì)古植被與古氣候演化

孢粉作為一種古環(huán)境的代用標(biāo)志，在恢復(fù)古植被與古氣候方面起著不可替代的作用[14-16]。本節(jié)利用東海陸架盆地各個(gè)時(shí)期內(nèi)主要孢粉，或者特征孢粉組合與現(xiàn)代植被的特征關(guān)系，定性地恢復(fù)東盆地不同時(shí)期古植被格局以及古氣候(圖7)。

靈峰組上段—明月峰組底部：以含量較高的松粉—杉粉組合為特征，少量的櫟粉、水龍骨單縫孢、雪松粉、海金沙等等。古植被結(jié)構(gòu)：山地上生長著大量的松等常綠針葉林；山坡及谷底發(fā)育少量的櫟、榿木、栗等喜溫闊葉林、落葉林；沼澤濕地繁盛，生長著大量的杉等闊葉林植被，林下生長少量的水龍骨等蕨類植物。反映一種稍濕潤的氣候環(huán)境。

明月峰組中下段：主要以杉粉為主，較少松粉及楊梅粉，少量海金沙、栗粉、櫟粉。古植被結(jié)構(gòu)：山上生長較少松等常綠植物；山坡及谷地植被并不繁盛，稀疏的闊葉林；這一時(shí)期，沼澤濕地最為繁盛，杉科等闊葉林廣泛生長；林下蕨類植物也比較發(fā)育。整體表明當(dāng)時(shí)處于溫暖濕潤的氣候環(huán)境。

明月峰上段—甌江組中段：以杉粉—楊梅粉—海金沙屬為特征孢粉組合，松粉、櫟粉、水龍骨單縫孢粉、海金沙較常見。古植被結(jié)構(gòu)：山地松等常綠針葉林植被繼續(xù)衰退，山坡及谷地植被范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，主要以楊梅為主，沼澤濕地較為繁茂，林下水龍骨、海金沙等蕨類植物較發(fā)育。整體氣候背景為濕潤、炎熱氣候。

甌江組上段至溫州組：特征孢粉組合為松屬—光面水龍骨單縫孢屬，少量的樸粉、楓香粉、櫟粉。古植被結(jié)構(gòu)：山地上松等常綠針葉林植被開始復(fù)蘇，山坡及山谷植被種類繁多，但數(shù)量較少，以樸粉、楓香粉、櫟粉等為主；沼澤濕地萎縮，林下蕨類比較發(fā)育。整體屬于半干旱半濕潤，冷熱慢交替的氣候背景。

圖6 靈峰組至甌江組沉積時(shí)期有孔蟲垂向豐度圖Fig.6 Vertical abundance of foraminifera from the Lingfeng Formation to the Oujiang Formation

圖7 東海陸架盆地古植被恢復(fù)與氣候演變Fig.7 Restoration of ancient vegetation and climate change in the East China Sea Shelf Basin

平湖組：以發(fā)育含量較高的杉屬—榿木屬—櫟屬孢粉組合為特征，少量的松粉，榆粉、蕓香粉、水龍骨單縫孢等等。主要植被結(jié)構(gòu)為：山地生長著松等常綠針葉林植被；山坡以及谷地發(fā)育有櫟、榿木、榆、蕓香等暖溫到亞熱帶闊葉林、落葉林；沼澤濕地繁茂；林下蔓生水龍骨等蕨類植物。整體處于半干旱半濕潤、冷熱緩慢交替的氣候環(huán)境。

花港組：以松粉—粗肋孢—榿木粉—櫟粉為特征孢粉組合，同時(shí)杉粉也較常見，鳳尾蕨孢、榆粉、胡桃粉、蕓香粉、粗肋孢含量較少，樸粉、藜粉幾乎不存在。主要植被結(jié)構(gòu)：山地上松等常綠針葉林植被擴(kuò)張，山坡及谷地發(fā)育的榆、胡桃、蕓香等暖溫到亞熱帶闊葉林、落葉林基本保持不變；沼澤濕地略有減小，林下粗肋孢等水生蕨類開始大量產(chǎn)出?；ǜ劢M整體氣候特征屬于溫涼、濕潤。

整體上古植被演化由靈峰組上段至甌江組中段山地常綠針葉林植被逐步萎縮，山坡及谷地亞熱帶闊葉林、落葉林，沼澤濕地以及林下水生蕨類擴(kuò)張，局部存在衰退階段，表明溫度上升，濕度增大；甌江組上段至平湖組沉積時(shí)期，常綠針葉林開始復(fù)蘇，沼澤濕地發(fā)育，其規(guī)模稍有減小，表明溫度開始下降，濕度略有減??；花港組沉積時(shí)期山地松等常綠針葉林植被擴(kuò)張，水生蕨類繁盛，表明氣溫降低，濕度增大。

4 全球氣候變化與東海陸架盆地氣候?qū)Ρ?/h2>

根據(jù)孢粉組合對(duì)東海盆地古近紀(jì)古植被、古氣候演變的恢復(fù)，大致可以將東海陸架盆地古近紀(jì)劃分為3個(gè)氣候期次(圖8)。

氣候Ⅰ期：古新世晚期至始新世早期，相當(dāng)于靈峰組上段至甌江組中段，孢粉組合特征反映以喜溫?zé)岬纳肌蠲窞橹?，沼澤濕地發(fā)育，松等常綠針葉林面積逐漸縮小，表明溫度逐步升高，與全球溫度變化一致，同時(shí)盆地內(nèi)整體氣候濕潤，波動(dòng)頻繁，與此階段全球海平面較高，頻繁海侵海退具有一定的耦合性。

氣候Ⅱ期：始新世早期至始新世末期，相當(dāng)于甌江組頂部至平湖組頂部，孢粉組合特征顯示以闊葉林、沼澤濕地萎縮，針葉林?jǐn)U張，表明相對(duì)于氣候Ⅰ期溫度降低，與全球溫度變化趨勢也具有可對(duì)比性，盆地內(nèi)濕度與氣候Ⅰ期濕度相比略有減小，與此時(shí)全球海平面逐漸下降，海水逐步退出東海盆地吻合。

氣候Ⅲ期：漸新世時(shí)期，相當(dāng)于花港組沉積時(shí)期，孢粉組合特征顯示松等常綠針葉林植被擴(kuò)張，水生蕨類開始繁盛，表明溫度降低，與全球溫度在此階段急劇降低吻合，而該時(shí)期盆地內(nèi)整體氣候濕潤，與全球海平面是處于急劇下降階段呈矛盾關(guān)系。

5 探討

據(jù)孢粉資料研究表明漸新世花港組沉積時(shí)期氣候轉(zhuǎn)溫涼、濕潤，而此時(shí)全球海平面呈現(xiàn)急劇下降的現(xiàn)象。本節(jié)嘗試對(duì)花港組沉積時(shí)期氣候轉(zhuǎn)涼、潮濕的原因進(jìn)行探討分析。

前人研究表明[17]，漸新世初期我國東南部地區(qū)氣候格局發(fā)生顯著變化：東南部原來以石膏、膏鹽等沉積為特征的干旱氣候逐步濕潤化，黃河以南開始發(fā)育森林。種種變化標(biāo)志表明漸新世初期東南季風(fēng)初步形成。另外，從全球構(gòu)造事件角度分析，漸新世處于印度板塊與歐亞板塊全面碰撞時(shí)期，亞洲陸地面積增加[18]，導(dǎo)致海陸加熱反差增大，同時(shí)南極冰蓋的出現(xiàn)導(dǎo)致南北半球的不對(duì)稱性，因此假設(shè)原來的熱帶復(fù)合帶(ITCZ)位于赤道附近，南極冰蓋形成之后，熱帶復(fù)合帶則會(huì)向北半球深入，使南半球信風(fēng)進(jìn)入北半球低緯度地區(qū)成為季風(fēng)(圖9)，給陸地帶來海洋水汽。

結(jié)合漸新世初期季風(fēng)氣候初步形成的氣候背景，認(rèn)為漸新世時(shí)期雖然南極冰蓋形成，導(dǎo)致全球海平面急速下降，但是受太平洋季風(fēng)的影響，東海陸架盆地整體氣候溫涼、濕潤。同時(shí)頻繁降雨導(dǎo)致盆地內(nèi)水系發(fā)育，多期洪水事件造成花港組厚層河道砂體垂向疊置，粗礫砂巖廣泛發(fā)育的沉積特征。

圖8 東海陸架盆地氣候變化與全球氣候變化對(duì)比Fig.8 Comparison of East China Sea Shelf Basin and global climate change

圖9 漸新世全球構(gòu)造格局與季風(fēng)氣候的形成Fig.9 Oligocene global tectonic setting and monsoon climate formation

6 結(jié)論

(1) 全球古近紀(jì)古氣候是從“溫室氣候”向“溫涼氣候”轉(zhuǎn)變的過程，氣候變化直接導(dǎo)致了東海陸架盆地縱向上不同類型古生物相應(yīng)變化。

(2) 根據(jù)孢粉資料重建東海陸架盆地內(nèi)部古近紀(jì)古植被并且恢復(fù)古近紀(jì)古氣候，與全球氣候變化進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為全球氣候變化與東海盆地內(nèi)部氣候變化存在一定的耦合關(guān)系，可以說古近紀(jì)全球氣候變化是導(dǎo)致東海陸架盆地內(nèi)古生物、古植被、巖性等一系列沉積響應(yīng)的重要因素。

(3) 通過對(duì)漸新世全球季風(fēng)盛行的氣候背景分析，認(rèn)為漸新世時(shí)期盡管全球海平面急劇下降，但是受到太平洋季風(fēng)氣候的影響，頻繁降雨，導(dǎo)致花港組沉積時(shí)期整體表現(xiàn)為較濕潤沉積環(huán)境。