中國(guó)東北依蘭盆地始新世氣候演化及濕度降低對(duì)冷卻事件的指示

張新榮，劉曉奇，方石，平帥飛，張世鋒，王曉楊

1.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130061；2.自然資源部東北亞礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130061；3.吉林省油頁(yè)巖與共生能源礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130061；4.天津市寧河區(qū)板橋鎮(zhèn)人民政府，天津 301574；5.黑龍江龍煤地質(zhì)勘探有限公司，黑龍江 佳木斯 154000；6.大慶油田 第六采油廠，黑龍江 大慶 163000

0 引言

了解和預(yù)測(cè)未來(lái)全球氣候變化趨勢(shì)是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基本任務(wù)[1]。其中將古論今是最基本的研究方法，搞清楚地質(zhì)歷史時(shí)期氣候變化規(guī)律，為預(yù)測(cè)全球氣候變化提供模型和依據(jù)[2]。始新世(56～33.9 Ma)全球氣候先升溫后降溫，由溫室過(guò)渡為冰室[3-4]，期間存在極熱事件(PETM)[5-6]、氣候適宜期(EECO)[7]等一系列極端氣候事件和典型氣候類型?，F(xiàn)今人類處于全球變暖、極端氣候增多的氣候演化階段，與始新世可類比性強(qiáng)，對(duì)始新世氣候演化的研究將為現(xiàn)今溫室氣體增加的全球氣候變化提供研究類型[8-9]。

始新世的氣候變化信息主要賦存于沉積地層中[10]。目前多是從古植被組合、沉積物組分等角度間接提取古溫度及古濕度的變化，常用指標(biāo)包括植物化石[11]、孢粉[12]、植硅體[13]、生物標(biāo)記化合物[14]、磁化率[15]、TOC[16]、礦物含量[17]、無(wú)機(jī)元素[18]和燒失量[19]等。

中國(guó)東北地區(qū)始新世的古氣候研究有了一定的積累。劉牧靈和賀超興先后認(rèn)為東北地區(qū)始新世為溫?zé)岫嘤甑谋眮啛釒夂?降水較多的暖溫帶的氣候特征[20-21]。Quan et al.對(duì)東北地區(qū)始新世的古溫度做了較全面的恢復(fù)，認(rèn)為季風(fēng)對(duì)本區(qū)溫度和濕度的影響很大[22]。孟慶濤等則計(jì)算出樺甸盆地中-晚始新世平均氣溫為16.15℃，屬北亞熱帶溫暖濕潤(rùn)氣候[23]?？芟阌竦日J(rèn)為中晚始新世的年均溫為14.6℃，屬北亞熱帶氣候[24]。韋一認(rèn)為中始新世中期年均溫為5.7～20.9℃，晚始新世初期年均溫為8.5～22.6℃，氣候處于亞熱帶、亞熱帶-溫帶濕潤(rùn)性氣候向溫帶半濕潤(rùn)性氣候轉(zhuǎn)變的狀態(tài)[25]。以上研究基本建立了較詳細(xì)的始新世的古溫度及其變化范圍，但濕度的研究結(jié)果相對(duì)粗略，且對(duì)于溫濕度之間的耦合關(guān)系缺乏足夠認(rèn)識(shí)。

同一沉積物樣品在不同溫度條件下(550℃、1 000℃)加熱，其燒失量(loss on ignition，LOI)可反映有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽含量[26-28]，其中有機(jī)質(zhì)的含量反映溫度和濕度的變化[29-30]。Nesje et al.研究挪威南部、張佳華研究北京房山東甘池?zé)Я繒r(shí)顯示，有機(jī)質(zhì)高對(duì)應(yīng)氣候濕熱、低對(duì)應(yīng)氣候干冷[31-32]。碳酸鹽的含量則反映區(qū)域有效濕度的變化[33-34]。李新新研究伊犁地區(qū)碳酸鹽含量顯示，高值反映氣候偏干，低值反映氣候偏濕[35]。

眾多學(xué)者還發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽之間具有密切聯(lián)系[36-40]，總體上分為正相關(guān)和負(fù)相關(guān)兩大類。其中負(fù)相關(guān)時(shí)對(duì)于氣候的指示較為簡(jiǎn)單，有機(jī)質(zhì)含量的變化趨勢(shì)與溫度濕度變化趨勢(shì)之間是正相關(guān)，碳酸鹽含量的變化趨勢(shì)與濕度變化趨勢(shì)之間是反相關(guān)[41-42]。劉子亭等揭示黃旗海湖區(qū)全新世早期有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽負(fù)相關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量高時(shí)反映氣候濕熱，低時(shí)反映氣候干冷[43]；陳忠利等在尕海地區(qū)中全新世也發(fā)現(xiàn)相似特征[44]。

有機(jī)質(zhì)含量與碳酸鹽含量變化趨勢(shì)之間呈正相關(guān)時(shí)，其對(duì)氣候的指示變得復(fù)雜[41-42, 45]。Wang et al.對(duì)青藏高原東北部，Zhao et al.在中國(guó)西北干旱地區(qū)開(kāi)展燒失量研究時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量低時(shí)指示氣候干冷[46-47]。吳世迎等研究沖繩海中段巖芯燒失量時(shí)，有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽含量正相關(guān)，碳酸鹽高值反映氣候偏干，低值反映氣候偏濕[48]。Munroe et al.研究美國(guó)猶他州東北部烏恩塔山脈燒失量時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量超過(guò)10%時(shí)氣候暖濕[49]。Ali et al.研究印度喜馬拉雅西北部沉積物燒失量時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量低于1%時(shí)對(duì)應(yīng)氣候干冷[50]；張麗莎等對(duì)黃旗海沉積巖芯燒失量測(cè)定也具有同樣的特征[51]?？梢?jiàn)沉積物中有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽能從不同的維度反映古環(huán)境的溫度和濕度，這對(duì)于古氣候研究具有深度挖掘的價(jià)值。

中國(guó)東北依蘭地區(qū)始新世地層較為完整，本文通過(guò)依蘭盆地達(dá)連河組768.45 m連續(xù)巖芯系統(tǒng)高精度取樣，進(jìn)行了550℃和1 000℃燒失量測(cè)定，得到沉積物中有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽含量垂向上的變化。通過(guò)對(duì)有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽變化的時(shí)序分析和皮爾遜相關(guān)分析等數(shù)據(jù)分析手段，系統(tǒng)的討論了始新世達(dá)連河組古氣候溫度與濕度的連續(xù)變化特征，劃分氣候類型，并與前人東北地區(qū)始新世古氣候演化以及全球始新世氣溫變化進(jìn)行了橫向?qū)Ρ?，這為預(yù)測(cè)現(xiàn)今氣候變化趨勢(shì)提供重要的地質(zhì)學(xué)依據(jù)[52-53]。

1 研究背景

1.1 研究區(qū)位置

依蘭盆地位于中國(guó)黑龍江省南部，地處于129°11′50″～130°11′40″E，45°51′40″～46°39′20″N之間。為溫帶濕潤(rùn)氣候，四季分明[20]。區(qū)內(nèi)發(fā)育松花江、牡丹江、倭肯河、巴蘭河和勃利河等水系(圖1a)。

1.2 地層特征

依蘭盆地是郯廬斷裂帶北延分支依蘭-伊通斷裂帶內(nèi)的一個(gè)新生代小型盆地[54-56]。該地區(qū)始新統(tǒng)為達(dá)連河組，發(fā)育一套含煤、油頁(yè)巖沉積地層[57]。該組地層與第四系角度不整合接觸，上覆全新統(tǒng)黑色腐殖土、黏土層(圖1b)。鉆孔巖性特征如圖1c所示。

a.地理位置圖；b.研究區(qū)地質(zhì)圖(據(jù)1∶20萬(wàn)依蘭縣地質(zhì)圖繪制)；c.巖性柱狀圖。圖1 研究區(qū)地理地質(zhì)信息圖Fig.1 Geographic and geological information map of study area

899.2～708.2 m含煤油頁(yè)巖砂礫巖段，由細(xì)礫巖、煤和油頁(yè)巖互層(Ed1)組成。底部為厚度40 m細(xì)礫巖，礫石成分以長(zhǎng)石斑晶和花崗質(zhì)巖屑為主；下部為黑色泥頁(yè)巖夾灰色細(xì)砂巖與薄層灰黑色細(xì)砂巖；上部為油頁(yè)巖、粉砂巖和粗砂巖互層。

708.2～590.3 m油頁(yè)巖段，由油頁(yè)巖組成(Ed2)。下部為黑色泥頁(yè)巖夾灰色細(xì)砂巖與薄層灰黑色細(xì)砂巖；上部為油頁(yè)巖、粉砂巖和粗砂巖互層。

590.3～132.0 m砂頁(yè)巖段，為砂巖、粉砂巖和泥巖互層(Ed3)。下部灰色含礫粗砂巖，偶見(jiàn)粉砂巖層；中部灰色、深灰色細(xì)砂巖夾薄層中砂巖，發(fā)育小型交錯(cuò)層理、波狀層理；上部灰色粉砂質(zhì)泥巖夾薄褐煤層和薄粉砂層，可見(jiàn)植物殘?bào)w。

1.3 時(shí)代歸屬

中國(guó)地層表(1976年)把吉林省的新安村組和黑龍江省的達(dá)連河組確定為始新世—漸新世地層。1990年，劉牧靈等將依蘭煤田的煤、粉砂巖互層-砂泥巖夾油頁(yè)巖-粉砂夾泥這套地層定為始新世[20]；1997年，賀超興等將依蘭煤礦煤層夾砂頁(yè)巖-油頁(yè)巖夾泥巖定為始新世地層[58]；2004年楊建國(guó)等對(duì)湯原斷陷的地層研究認(rèn)為達(dá)連河組同位素年齡為47～34 Ma[59]；2014年，萬(wàn)傳彪等認(rèn)為方正斷陷和湯原斷陷的新安村組、達(dá)連河組(泥巖、砂礫巖夾煤層-泥巖夾油頁(yè)巖-砂巖夾煤層)與建組剖面的達(dá)連河組相當(dāng)，將新安村組廢棄，把達(dá)連河組底界年齡定為(55.8±0.2)Ma，頂界年齡定為36 Ma[60]。本文鉆孔底部為細(xì)礫巖、煤油頁(yè)巖互層，中部為油頁(yè)巖和部分重力流沉積，上段為砂巖、粉砂質(zhì)泥巖互層，與前人(表1)描述的巖性變化基本一致。此外，李金國(guó)等在依蘭盆地達(dá)連河組剖面開(kāi)展了古地磁測(cè)年工作，該剖面與鉆孔直線距離在2 km±。其測(cè)試結(jié)果：下部含煤油頁(yè)巖砂礫巖段年齡為56.0～47.8 Ma，中部油頁(yè)巖段為47.8～41.2 Ma，上部砂頁(yè)年齡為41.2～37.8 Ma[61]。綜合分析可知，本文鉆孔地層為始新世達(dá)連河組，下部含煤段為伊普利斯階(55.8～47.8 Ma)，中部油頁(yè)巖段為盧泰特階(47.8～41.2 Ma)，上部砂頁(yè)巖段為巴頓階(41.2～37.8 Ma)(表1)。

表1 達(dá)連河組時(shí)代劃分

2 樣品采集、實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)結(jié)果

2.1 樣品采集與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

550℃燒失量(LOI550)反映樣品中有機(jī)質(zhì)的含量[62-65]。1 000℃燒失量(LOI1000)反映樣品中碳酸鹽的含量[66]。

本文針對(duì)達(dá)連河組巖芯沉積物(899.2～132.0 m) 以5 cm間距采集樣品，共分析649個(gè)樣品。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)定550℃的燒失量作為灼燒有機(jī)質(zhì)的溫度。為保證灼燒徹底，以550℃恒溫持續(xù)灼燒5 h、10 h、12 h直至24 h，至重量達(dá)到恒定為止。然后同一樣品在1 000℃下恒溫持續(xù)灼燒2 h、5 h、10 h和12 h， 直到重量達(dá)到恒定。 具體實(shí)驗(yàn)流程如下：

燒失量測(cè)定均在吉林大學(xué)古植被古環(huán)境分析評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室完成，燒失量采用Lindberg/Blue M 1100箱式馬弗爐測(cè)定。

2.2 數(shù)據(jù)結(jié)果

剖面上，LOI550和LOI1000從下至上呈鋸齒狀變化，整體均值分別為4.497%和1.13%。其中，LOI550下部呈明顯高值，LOI1000在中下部750～550 m的值在剖面上表現(xiàn)較高。初步發(fā)現(xiàn)其變化特征劃分為3個(gè)階段(圖2)，與前人在本區(qū)的巖性劃分階段有強(qiáng)的一致性。

圖2 燒失量曲線圖Fig.2 LOI curves

階段Ⅰ(899.2～708.2 m)LOI550開(kāi)始變化平穩(wěn)，中期波動(dòng)劇烈，后期波動(dòng)幅度降低，LOI1000出現(xiàn)3次高值，據(jù)此將之分成3個(gè)次級(jí)階段，其中Ⅰ1(899.2～859.0 m)，LOI550變化范圍為0.31%～5.67%，平均值1.30%，底部899.2～875.5 m在剖面上明顯最小。LOI1000變化范圍為0.13%～6.29%，平均值為1.24%。Ⅰ2(859.0 ～772.1 m)，LOI550變化范圍為1.15%～44.27%，平均值為7.71%。其中下部變化幅度最大，從3.06%快速上升44.27%又下降至2.65%，809.5 m上升至全段最大峰值44.27%。LOI1000變化范圍為0.12%～8.31%，平均值為1.61%。Ⅰ3(772.1～708.2 m)，LOI550變化范圍為1.46%～23.05%，平均值為9.76%，LOI1000變化范圍為0.04%～13.6%，平均值為1.73%。

階段Ⅱ(708.2～590.3 m)LOI550與LOI1000前期變化平穩(wěn)，后期急劇降低后又緩慢升高，據(jù)此將之分成兩個(gè)次級(jí)階段，其中Ⅱ1(708.2～644.7 m)，LOI550變化范圍為4.25%～15.30%，平均值為9.97%，大部分在10%附近小幅度波動(dòng)，LOI1000變化范圍為0.10%～2.93%，平均值為2.08%。Ⅱ2(644.7 ～581.0 m)，LOI550變化范圍為0.31%～8.06%，平均值為2.16%，其中647.0 m為谷值2.39%。LOI1000變化范圍為0.10%～9.37%，平均值為1.04%，谷值0.08%，峰值9.37%。

階段Ⅲ(590.3～132.0 m)LOI550整體波動(dòng)幅度較小，LOI1000前期有大段降低趨勢(shì)，接著小段上升，隨后波動(dòng)幅度變大至后期波動(dòng)幅度變小，據(jù)此將之分成4個(gè)次級(jí)階段。其中Ⅲ1(590.3 ～411.8 m)，LOI550變化范圍為0.11%～17.44%，平均值為3.23%，453.0 m附近出現(xiàn)一個(gè)小峰值，最高點(diǎn)為17.44%，LOI1000<10%，平均值為1.04%。Ⅲ2(411.8 ～371.5 m)，LOI550<5%，平均值為1.26%。LOI1000變化范圍為0.01%～4.66%，平均值為0.57%，是剖面上一個(gè)顯著低值階段。Ⅲ3(371.5～219 m)，LOI550平均值為3.67%，下部371.5 ～299.5 m LOI550小于上部，本次級(jí)階段峰值為299.5 m處的11.56%。LOI1000平均值為0.80%，相比Ⅲ2較小，最大峰值8.54%。Ⅲ4(219 ～132 m)LOI550變化范圍為0.94%～12.60%，平均值為5.21%，波動(dòng)間隔較大。LOI1000變化范圍為0.25%～7.28%，平均值為1.43%，為剖面上明顯低值段。

3 數(shù)據(jù)分析

利用Matlab軟件的小波變換對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，在小波變換中，尺度a大顯示低頻部分的特征，尺度a小則顯示高頻部分的特征。在LOI550與LOI1000小波變換的尺度a達(dá)到1 000的時(shí)候，可以從LOI550與LOI1000頻譜的鏡像關(guān)系中看出，尺度a在450～1 000之間的頻譜圖基本是對(duì)稱的，也就是說(shuō)中低頻(450～1 000)部分頻譜變化基本一致，代表了大尺度下，影響有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽含量變化的控制因素是一致的(圖3)。但中高頻(0～450)部分雖然依然可以看見(jiàn)相似的規(guī)律，但對(duì)應(yīng)性開(kāi)始存在差異，特別是尺度a在150的附近存在一個(gè)明顯的突變，<150部分的頻譜對(duì)應(yīng)關(guān)系變得更加復(fù)雜，這表明在中高頻部分LOI550與LOI1000的控制因素存在明顯差異[67-68]，推斷LOI550代表的有機(jī)質(zhì)受溫度影響明顯，而LOI1000代表碳酸鹽受濕度影響更明顯。在兩組信號(hào)譜圖的對(duì)比中，發(fā)生變化的尺度值是比較關(guān)鍵的點(diǎn)。

圖3 LOI時(shí)頻分析Fig.3 LOI wavelet analysis

大于尺度450的頻譜圖基本是一致的，小于尺度150的頻譜對(duì)應(yīng)變化的復(fù)雜度上有一個(gè)明顯躍升。因此在對(duì)比過(guò)程中尺度450和尺度150譜值的對(duì)比劃分是這兩組信號(hào)的關(guān)鍵點(diǎn)。利用時(shí)頻分析的頻譜圖劃分旋回，可以根據(jù)譜圖上過(guò)某一尺度譜值的變化劃分，彩色譜圖多用顏色的變化界限或者某一顏色的最大值點(diǎn)/最小值作為界限。綜合劃分同一時(shí)段兩組信號(hào)的頻譜，當(dāng)在同一尺度上的譜值，其中一個(gè)處在同一種顏色中，可用另一個(gè)的顏色變化來(lái)印證劃分。

LOI550和LOI1000在尺度450的譜值根據(jù)顏色的變化可以識(shí)別出3個(gè)部分，其中第一部分對(duì)應(yīng)的是伊普利斯階，第二、第三部分對(duì)應(yīng)的是巴頓階。

LOI550在尺度150的譜值根據(jù)顏色的變化可以識(shí)別出1、5、6、7、8、9這6個(gè)明確的段，LOI1000在尺度150的譜值根據(jù)顏色的變化可以識(shí)別出2、3、4、5、6、7、8、11這8個(gè)明確的段(圖4)。其中2、3、4段在LOI550尺度150的譜值均處于黃色，在LOI550上無(wú)法區(qū)分，只在LOI1000上可以區(qū)分。第6段底界，在LOI550上為黃到藍(lán)的分界處非常清晰，在LOI1000上則是黃到綠的分界處不是非常清晰，但可以識(shí)別(圖4)。第10段的頂界在LOI1000上是黃到藍(lán)的分界，其底界在LOI550上為藍(lán)到黃的分界。整體上在尺度150的譜值上可綜合識(shí)別出為11個(gè)段(圖4)。1～4段對(duì)應(yīng)的是伊普利斯階，5段對(duì)應(yīng)的是盧泰特階，6～11段對(duì)應(yīng)的是巴頓階。

圖4 LOI時(shí)頻分析與聚類分析綜合分段Fig.4 LOI subsection and CONISS integrated segmentation

使用Savitzky-Golay法以相鄰50點(diǎn)為窗口對(duì)LOI原始數(shù)據(jù)除噪濾波去除高頻部分，獲取到LOI550和LOI1000的中低頻變化趨勢(shì)線[69]。對(duì)LOI550和LOI1000原始數(shù)據(jù)使用CONISS函數(shù)進(jìn)行時(shí)序聚類分析[70-72]，以聚類水平34將取樣井段細(xì)分為19個(gè)階段(圖4)。結(jié)合中低頻變化趨勢(shì)，由干燥寒冷變?yōu)闇嘏睗駷樯仙胄?，由溫暖潮濕變?yōu)楦稍锖錇橄陆蛋胄?，?9個(gè)階段劃分為不同的短期半旋回(圖4)。當(dāng)聚類水平<34時(shí)，時(shí)序分析劃分的界限包含在時(shí)頻分析尺度a=150時(shí)劃分的界限中。19個(gè)短期旋回是時(shí)頻分析11個(gè)階段的進(jìn)一步細(xì)分(圖4)。

在此基礎(chǔ)上對(duì)LOI550和LOI1000原始數(shù)據(jù)平均得到總平均值，同時(shí)分別針對(duì)19個(gè)短期旋回的LOI550和LOI1000原始數(shù)據(jù)進(jìn)行階段平均以及皮爾遜相關(guān)分析。皮爾遜相關(guān)系數(shù)在0與1之間，表明LOI550(有機(jī)質(zhì)含量)與LOI1000(碳酸鹽含量)呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在-1與0之間，二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

以LOI550與LOI1000皮爾遜相關(guān)系數(shù)、各階段平均值與總平均值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為基準(zhǔn)評(píng)定有機(jī)質(zhì)及碳酸鹽的相對(duì)變化，湖盆中有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽的變化存有負(fù)相關(guān)與正相關(guān)兩種情況：①當(dāng)有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽含量呈負(fù)相關(guān)：有機(jī)質(zhì)高于平均值時(shí)指示氣候濕熱[32]；有機(jī)質(zhì)低于平均值時(shí)指示氣候干冷[31, 46]。②當(dāng)有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽含量呈正相關(guān)：有機(jī)質(zhì)含量高于平均值指示古溫度較熱，低于平均值指示古溫度較冷[35, 48]；碳酸鹽含量高于平均值指示古濕度半干，低于平均值指示古濕度半濕[35, 48, 50]；有機(jī)質(zhì)含量>10%且碳酸鹽高于平均值時(shí)，指示氣候濕熱[49]；有機(jī)質(zhì)含量<1%且碳酸鹽低于平均值時(shí)，主要受長(zhǎng)期冰封影響指示氣候干冷[50, 51]。

根據(jù)LOI550與LOI1000氣候識(shí)別原則將19個(gè)短期旋回氣候類型及其變化特征識(shí)別如下(圖5)：

伊普利斯階含煤油頁(yè)巖砂礫巖段(Ⅰ：899.2～708.2 m)，有機(jī)質(zhì)含量前期升高顯著，中后期含量高于平均值，碳酸鹽前5段都與有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)，趨勢(shì)升高。旋回(1)有機(jī)質(zhì)及碳酸鹽呈正相關(guān)，有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽含量都低于1%，反映氣候以干冷為主；旋回(2)有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽呈正相關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量低于平均值，碳酸鹽含量高于平均值，反映氣候半干較冷；旋回(3)有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽呈正相關(guān)、二者含量都高于平均值，反映氣候半干較熱；旋回(4)有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽呈正相關(guān)、趨勢(shì)降低，有機(jī)質(zhì)含量接近平均值，碳酸鹽含量低于平均值，氣候半濕較熱的特征；旋回(5)有機(jī)質(zhì)含量上升趨勢(shì)明顯，與碳酸鹽呈正相關(guān)，二者含量都高于平均值，反映氣候半干較熱為主；旋回(6)有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽呈負(fù)相關(guān)，碳酸鹽含量降低，有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)高于平均值，反映氣候最濕熱。

盧泰特階油頁(yè)巖段(Ⅱ：708.2～581.0 m)，有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽呈正相關(guān)。旋回(7)整段有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽正相關(guān)，趨勢(shì)降低，有機(jī)質(zhì)含量高于10%，碳酸鹽高于平均值，反映氣候濕熱為主；旋回(8)有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽正相關(guān)，都呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，總含量都低于平均值，氣候以半濕較冷為主；旋回(9)有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽正相關(guān)，趨勢(shì)升高，二者均高于平均值，反映該時(shí)期氣候半干較冷。

巴頓階砂頁(yè)巖段(Ⅲ：590.3～132 m)，有機(jī)質(zhì)含量多低于平均值，初期碳酸含量高時(shí)與有機(jī)質(zhì)呈負(fù)相關(guān)。旋回(10)有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽負(fù)相關(guān)，趨勢(shì)降低，有機(jī)質(zhì)含量低于平均值，碳酸鹽含量高于平均值，氣候以干冷為主；旋回(11)有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽正相關(guān)，且都接近于平均值，氣候半干較冷；旋回(12)有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽正相關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量及碳酸鹽含量高于平均值，氣候向半濕較冷轉(zhuǎn)變；旋回(13)有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽正相關(guān)，碳酸鹽總含量低于平均值，氣候以半濕較冷為主；旋回(14)有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽正相關(guān)，但有機(jī)質(zhì)含量低于平均值，碳酸鹽總含量低于平均值，氣候以半濕較冷為主；旋回(15)有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽呈正相關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量略高于平均值，碳酸鹽總含量低于平均值，氣候較半濕較熱；旋回(16)有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽負(fù)相關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量低于平均值，碳酸鹽含量高于平均值，氣候半干較冷；旋回(17)有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽正相關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量低于1%，碳酸鹽含量低于平均值，反映該時(shí)期氣候干冷；旋回(18)有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽正相關(guān)，碳酸鹽含量低于平均值，氣候以半濕較冷為主；旋回(19)有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽正相關(guān)，有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽含量略低于平均值，氣候以半干較冷為主。

始新世中長(zhǎng)期的氣候變化特征與時(shí)頻分析尺度a=450階段劃分結(jié)果一致(圖4、5)，整體分為3個(gè)部分6個(gè)中期半旋回：第一個(gè)部分為伊普利斯階-盧泰特階，初始?xì)夂驗(yàn)楦衫?，溫度和濕度連續(xù)兩次上升至濕熱，之后是整體下降半干較冷，可分為上升中期半旋回1(包括短期旋回(1)、(2)、(3)、(4))+上升中期半旋回2(包括短期旋回(5)、(6))+下降中期半旋回3(包括短期旋回(7)、(8)、(9))；第二部分為巴頓階早期，初始?xì)夂驗(yàn)楦衫?，?jīng)過(guò)溫度濕度持續(xù)升高至半濕較冷，只有一個(gè)上升中期半旋回4(包括短期旋回(10)、(11)、(12)、(13)、(14))；第三部分為巴頓階晚期，初始?xì)夂驗(yàn)榘霛褫^熱，溫度濕度降低之后升高至半干較冷，可分為下降中期半旋回5(包括短期旋回(15)、(16))+上升中期半旋回6(包括短期旋回(17)、(18)、(19))。對(duì)溫度和濕度曲線進(jìn)行平滑濾波后得到溫度濕度趨勢(shì)線。對(duì)兩條趨勢(shì)線進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析，其皮爾遜相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.99，完全正相關(guān)。這說(shuō)明溫度升高濕度變大，溫度和濕度在中-長(zhǎng)期旋回的角度上是一致變化的，這與時(shí)頻分析在中低頻頻譜上的一致性是吻合的(圖3、5)。

綜合溫度和濕度的整體變化(圖5)，始新世的長(zhǎng)期氣候變化特征是逐漸上升，在始新世早中期達(dá)到頂點(diǎn)，之后逐漸下降，可解釋為長(zhǎng)期上升半旋回(包括短期旋回(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6))+長(zhǎng)期下降半旋回(包括短期旋回(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)、(13)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)、(19))，其半旋回分界線也是伊普利斯階和盧泰特階的分界線。

圖5 LOI相關(guān)性分析與氣候定性分析Fig.5 LOI correlation analysis and qualitative analysis of climate

根據(jù)李金國(guó)等人的年齡數(shù)據(jù)，可以粗略判斷短期半旋回處在2.0～1.0 Ma的時(shí)間尺度上，中期半旋回處于5.0～2.0 Ma的時(shí)間尺度上，長(zhǎng)期半旋回處于20.0～10.0 Ma的時(shí)間尺度上。

4 討論

4.1 依蘭盆地始新世古氣候過(guò)程

本文使用燒失量揭示的氣候變化特征是定性到半定量的，將依蘭盆地始新世的古氣候分成濕熱、半濕較熱、半干較熱、干冷、半干較冷和半濕較冷6種氣候類型，并揭示連續(xù)的溫度濕度變化(圖5)。這6種氣候類型的對(duì)比基點(diǎn)來(lái)自于始新世內(nèi)部，是一種依蘭盆地始新世內(nèi)部自洽的氣候類型劃分方案。也就是說(shuō)，這里劃分的類型和其他時(shí)期其他地區(qū)的相同類型未必是相同的溫度濕度，這6種類型是對(duì)依蘭盆地始新世氣候類型的細(xì)分。本文揭示的溫度和濕度變化是依蘭盆地始新世內(nèi)的相對(duì)變化。

前人通過(guò)植物化石或者孢粉等研究手段，認(rèn)為依蘭地區(qū)始新世為常綠闊葉落葉混交林與針葉林植被，整體上為亞熱帶-溫帶氣候[20]。伊普利斯階孢粉以櫟粉-杵粉(Quercoidires-Pistillipolenites)組合為主，盧泰特階以櫟粉-杉粉(Quercoidires-Taxodiaceaepollenites)組合為主，巴頓階以栗粉-櫟粉(Cupuliferoipollenites-Quercaidires)組合為主，伊普利斯階到盧泰特階溫度和濕度先升高后降低，巴頓階氣溫和濕度比伊普利斯階-盧泰特階最大值低[47]。

本文揭示的依蘭地區(qū)長(zhǎng)期、中期氣候旋回，整體上和前人認(rèn)識(shí)可以相互佐證。伊普利斯階是長(zhǎng)期上升半旋回，盧泰特階-巴頓階是長(zhǎng)期下降半旋回。中期旋回分為3個(gè)階段，第一階段為伊普利斯階，第二、第三階段為巴頓階。伊普利斯階-盧泰特階溫度和濕度的中低頻趨勢(shì)是先升高后降低，巴頓階整體的溫度和濕度中低頻趨勢(shì)的變化幅度整體小于伊普利斯階-盧泰特，這種中-長(zhǎng)周期尺度的認(rèn)識(shí)與前人的認(rèn)識(shí)總體一致，但在短周期尺度上，燒失量的數(shù)據(jù)能夠反映更多的細(xì)節(jié)(圖5)。溫度和濕度的耦合變化過(guò)程中可總體分成兩種狀態(tài)，一種是溫度和濕度處于相同程度-同步平衡態(tài)，另一種是溫度和濕度處于不同程度-非同步平衡態(tài)。

伊普利斯階溫度和濕度連續(xù)上升，由兩個(gè)中期上升半旋回組成。中期上升半旋回1：短期旋回(1)～(2)(溫度和濕度從一個(gè)較低的水平同步上升，溫度和濕度處于同步平衡態(tài))→短期旋回(3)(溫度和濕度變化不同步，溫度持續(xù)上升，濕度保持不變)→短期旋回(4)(溫度和濕度變化不同步，溫度保持不變，濕度上升，溫度和濕度再次處于同步平衡態(tài))。中期上升半旋回2：短期旋回(5)(溫度和濕度變化不同步，溫度保持不變，濕度下降)→短期旋回(6)(溫度和濕度變化不同步，溫度上升，濕度急速上升，溫度和濕度再次處于同步平衡態(tài))。在短期旋回(6)中溫度和濕度達(dá)到始新世最高狀態(tài)。

盧泰特階溫度和濕度連續(xù)下降，由一個(gè)中期下降半旋回組成。中期下降半旋回3：短期旋回(7)(溫度和濕度保持不變，溫度和濕度處于同步平衡態(tài))→短期旋回(8)(溫度和濕度變化不同步，溫度急速下降，濕度下降)→短期旋回(9)(溫度和濕度變化不同步，溫度保持不變，濕度下降，溫度和濕度再次處于同步平衡態(tài))。在短期旋回(7)中溫度和濕度與短期旋回(6)相似，處于始新世最高狀態(tài)。

巴頓階分為早期和晚期兩個(gè)階段。巴頓階早期溫度和濕度連續(xù)上升，由一個(gè)中期上升半旋回組成。中期上升半旋回4：短期旋回(10)(溫度和濕度同步降低到一個(gè)相對(duì)低點(diǎn)，與短期旋回(1)相似，溫度和濕度處于同步平衡態(tài))→短期旋回(11)(溫度和濕度同步上升，溫度和濕度處于同步平衡態(tài))→短期旋回(12)(溫度和濕度變化不同步，溫度保持不變，濕度上升)→短期旋回(13)(溫度和濕度保持不變)→短期旋回(14)(溫度和濕度保持不變)。短期旋回(12)～(14)濕度處于巴頓階最高狀態(tài)，小于伊普利斯階的最高濕度。

巴頓階晚期溫度和濕度先下降后上升，由一個(gè)中期下降半旋回和一個(gè)中期上升半旋回組成。中期上升半旋回5：短期旋回(15)(溫度和濕度變化不同步，溫度上升，濕度保持不變，溫度和濕度處于同步平衡態(tài))→短期旋回(16)(溫度和濕度變化不同步，溫度保持不變，濕度下降)。中期上升半旋回6：短期旋回(17)(溫度和濕度變化不同步，溫度急速下降，濕度下降，溫度濕度與短期旋回(1)、(10)相似，溫度和濕度處于同步平衡態(tài))→短期旋回(18)(溫度和濕度不同步，溫度上升，濕度急速上升)→短期旋回(19)(溫度和濕度變化不同步，溫度保持不變，濕度下降，溫度和濕度處于同步平衡態(tài))。短期旋回(5)濕度和濕度均處于巴頓階最高狀態(tài)，小于伊普利斯階-盧泰特階的最高溫度和濕度。

普遍認(rèn)為溫度和濕度的變化是正相關(guān)的[73-75]，也就是同步平衡態(tài)，在中長(zhǎng)期尺度上，依蘭始新世溫度濕度的一致性變化基本上證實(shí)了這個(gè)觀點(diǎn)，但在短期尺度上，依蘭始新世的溫度濕度耦合變化時(shí)常處在非同步平衡態(tài)(圖5)。在同步平衡態(tài)和非同步平衡態(tài)的調(diào)整中，有一個(gè)規(guī)律性的變化與氣候冷卻密切相關(guān)。首先溫度和濕度相對(duì)較高，處于同步平衡態(tài)，之后進(jìn)入非同步平衡態(tài)，這期間存在溫度保持不變，濕度持續(xù)下降的階段，最后進(jìn)入同步平衡態(tài)，溫度和濕度處于相對(duì)較低，溫度由高變低完成冷卻。這一規(guī)律在短期旋回(6)～(10)和(15)～(17)中有完整的體現(xiàn)。其濕度的持續(xù)下降成為冷卻即將出現(xiàn)的重要標(biāo)志。

4.2 始新世古氣候?qū)Ρ?/h3>

本文長(zhǎng)期氣候旋回分析顯示伊普利斯階到盧泰特階溫度升高，盧泰特階到巴頓階溫度降低，與東北地區(qū)及全球溫度變化總趨勢(shì)一致(圖6)。深海同位素揭示的古溫度從始新世開(kāi)始一直增加，大約到51 Ma±達(dá)到最高溫，之后持續(xù)降溫，在41.8 Ma±有一個(gè)升溫波動(dòng)，在始新世結(jié)束時(shí)溫度達(dá)到最低。Quan et al.[22]報(bào)道的東北地區(qū)始新世的溫度變化，在始新世開(kāi)始升溫，在50 Ma±達(dá)到最高溫，之后降溫，在44 Ma±達(dá)到最低溫，之后小幅升溫。本文揭示的依蘭地區(qū)始新世溫度在始新世開(kāi)始一直升溫，大約在50～44 Ma溫度達(dá)到最高，之后持續(xù)降溫在40 Ma±達(dá)到最低溫，之后小幅升溫，在38 Ma附近存在一起降溫波動(dòng)。

東北地區(qū)年平均溫度據(jù)文獻(xiàn)[22]；深海氧同位素?fù)?jù)文獻(xiàn)[3]。圖6 依蘭盆地與全球氣候指標(biāo)對(duì)比Fig.6 Comparison between Yilan Basin and global climate indicators

在考慮測(cè)年和不同研究方法的誤差基礎(chǔ)上，本文中長(zhǎng)期氣候變化規(guī)律與Quan et al.[22]的報(bào)道結(jié)果基本一致，均是升溫之后降溫，之后再小幅升溫。與深海同位素的對(duì)比結(jié)果可以看出依蘭盆地以及東北地區(qū)的古溫度整體上滯后于深海同位素揭示的古溫度變化。

5 結(jié)論

(1)本鉆孔燒失量數(shù)據(jù)表明，依蘭盆地在始新世可能存在濕熱、半濕較熱、半干較熱、干冷、半干較冷和半濕較冷的6種氣候特征。

(2)依蘭盆地始新世溫度和濕度的中長(zhǎng)期變化趨勢(shì)是先升高，伊普利斯階末期溫度濕度達(dá)到整個(gè)始新世最高，之后逐漸降低，在巴頓階早期達(dá)到最低，之后回升，又小幅下降。

(3)在短期氣候變化過(guò)程中，溫度濕度從同步平衡態(tài)向下一個(gè)同步平衡態(tài)過(guò)渡的過(guò)程中，溫度保持不變，濕度的持續(xù)下降，是冷卻即將出現(xiàn)的重要標(biāo)志。

(4)依蘭盆地始新世中長(zhǎng)期溫度變化規(guī)律與東北地區(qū)一致，滯后于深海同位素揭示溫度變化。