古新世—始新世極熱事件(PETM)的陸相記錄:現(xiàn)狀與展望

羅星宇,王平,羅才蓉,呂苗,李善營,魏曉椿

1)南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,南京,210023;2)江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心,南京,210023;3)中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所,南京,210008;4)中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島,266580;5)浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,杭州,310063

內(nèi)容提要:古新世—始新世極熱事件(Paleocene—Eocene thermal maximum, PETM)是發(fā)生在古新世與始新世界線附近的一次全球快速增溫事件。研究顯示,PETM期間全球大氣CO2濃度增加,溫度上升,陸地水循環(huán)加強(qiáng),在陸地和海洋中產(chǎn)生了一系列生物—環(huán)境響應(yīng)。目前,PETM研究主要集中在海相地層中,而針對(duì)陸相地層的相關(guān)報(bào)道并不多見。陸相沉積速率較快,沉積地層厚度大,并且保存有豐富的哺乳動(dòng)物化石和植物孢粉,也適合開展高分辨率古氣候研究。本文對(duì)北美、歐洲西部和我國典型陸相盆地的PETM研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)性綜述,對(duì)比分析結(jié)果表明,PETM期間陸相地層中的碳同位素偏移過程可以分為快速負(fù)偏、保持低值和緩慢恢復(fù)三個(gè)階段。陸地植物和哺乳動(dòng)物在PETM期間并未經(jīng)歷大規(guī)模滅絕,反而通過進(jìn)化、擴(kuò)散和局部滅絕適應(yīng)了快速變化的環(huán)境。基于最新的研究方法,包括碳酸鹽巖U-Pb定年、汞同位素以及團(tuán)簇同位素,對(duì)我國未來的PETM陸相記錄研究提出了展望。

古新世—始新世極熱事件(Paleocene—Eocene Thermal Maximum, PETM)是巨量碳注入到地球表層系統(tǒng)所導(dǎo)致的一次快速增溫事件(Kennett and Stott,1991;Zachos et al., 2001, 2008;Zeebe and Zachos,2013)。PETM事件最早報(bào)道于大洋鉆探ODP 690B,由于其升溫的幅度大,持續(xù)時(shí)間短,升溫速度快,特別是與現(xiàn)今由于溫室氣體排放引發(fā)的全球變暖的趨勢(shì)非常相似,已經(jīng)成為研究未來氣候變化趨勢(shì)的重要線索,一經(jīng)提出便得到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注(Kennett and Stott,1991;Dickens et al., 1995)。Westerhold等(2009)利用DSDP 550鉆孔Ash-17層的火山灰40Ar/39Ar年齡,結(jié)合天文軌道調(diào)諧,估算出PETM的起始時(shí)間為56.011 Ma到56.293 Ma之間,這與加勒比海Riecito Mache剖面火山凝灰?guī)r中的鋯石年齡(56.09±0.03 Ma)基本一致(Jaramillo et al., 2010),可以限定PETM的起始時(shí)間為～56 Ma。然而,關(guān)于PETM事件的持續(xù)時(shí)間一直未有定論,根據(jù)ODP 690B和ODP 1015鉆孔的碳同位素記錄,Norris and R?hl(1999)發(fā)現(xiàn)從δ13C開始負(fù)偏到恢復(fù)到PETM開始之前水平,持續(xù)時(shí)間約為150～220 ka,而Farley and Eltgroth(2003)根據(jù)宇生核素3He的測(cè)量結(jié)果,推算出PETM的持續(xù)時(shí)間約為120 ka。Aziz等(2008)對(duì)北美Bighorn盆地的陸相地層進(jìn)行天文軌道調(diào)諧分析,認(rèn)為PETM的核心期經(jīng)歷了115 ka,恢復(fù)期時(shí)長(zhǎng)約為42 ka。

當(dāng)前,PETM事件的識(shí)別和研究主要基于地層沉積記錄。由于來自地球內(nèi)部的碳注入到大氣中,使得表層沉積系統(tǒng)中的碳同位素(包括無機(jī)碳δ13C或有機(jī)碳δ13Corg)發(fā)生顯著負(fù)漂現(xiàn)象(Carbon Isotope Excursion, CIE),因此CIE事件是識(shí)別判斷PETM的標(biāo)志之一。過去的十余年,借助碳同位素地層學(xué)和生物地層學(xué),地質(zhì)學(xué)家在超過一百個(gè)大洋鉆孔以及海相地層露頭剖面中都發(fā)現(xiàn)了PETM的記錄(R?hl et al., 2003;McInerney and Wing,2011)。例如,西班牙淺海相Zumaia剖面(Schmitz et al., 1997)、北美東海岸Millville鉆孔(Pearson and Nicholas,2014)、北海盆地(Kemp et al., 2016;Kender et al., 2021)等。在我國塔里木盆地齊姆根剖面(席黨鵬等,2020;李偉等,2021)和西藏南部的定日地區(qū)13ZS剖面(Zhang Qinghai et al., 2020)的濱淺海相地層中也報(bào)道了PETM的記錄。

相比海相地層已經(jīng)取得的大量研究成果,PETM在陸相地層中的報(bào)道并不多見,這主要是由于陸相沉積的連續(xù)性差、年代限定不夠精確等因素造成的。然而,陸相沉積往往厚度巨大,生物記錄豐富,便于開展古溫度、碳同位素和生物演化的多指標(biāo)分析,對(duì)于研究PETM時(shí)期的陸地水循環(huán)過程,季節(jié)性變化,陸地生物響應(yīng)等具有重要的意義。另外,考慮我國地質(zhì)條件的實(shí)際情況,新生代的陸相盆地廣泛分布,也為開展PETM研究提供了重要素材。歐美國家自20世紀(jì)90年代開始,在新生代陸相盆地開展了大量的PETM研究工作,相繼取得了很多重要進(jìn)展,不僅揭示了陸地PETM的環(huán)境效應(yīng),還建立了基于代用指標(biāo),如孢粉組合、葉緣分析(Leaf Margin Analysis, LMA)、年平均降水量(Mean Annual Precipitation, MAP)和古土壤形態(tài)特征等,形成了一整套陸相記錄古環(huán)境、古氣候研究方法(Wing et al., 2005;Kraus and Riggins,2007)。目前,陸相PETM研究最為關(guān)鍵的問題之一就是確定陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)PETM事件的響應(yīng),包括沉積環(huán)境的改變、陸地生物群落的演變、氣候反饋及碳循環(huán)等。為此,本文著重分析了北美、歐洲和我國PETM陸相記錄的特點(diǎn),并對(duì)研究方法和結(jié)果進(jìn)行了綜述,以期為后續(xù)深入開展陸相PETM記錄研究提供借鑒。

1 美國西部PETM陸相記錄

美國西部是迄今發(fā)現(xiàn)的PETM陸相記錄保存最為完好,研究最為深入的地區(qū)。研究區(qū)包括了位于懷俄明州、康涅狄格州等一系列伴隨拉爾米(Laramide)造山運(yùn)動(dòng)同期形成的晚白堊世—古近紀(jì)盆地。其中的Bighorn、Powder River、Piceance Creek等盆地等都保存了完整的PETM的地層沉積序列。從20世紀(jì)80年代開始,研究人員通過豐富的哺乳動(dòng)物化石、磁性地層學(xué)和火山灰同位素年代學(xué)等,建立了詳細(xì)的年代地層框架,為PETM陸相記錄研究奠定了基礎(chǔ)。2011年,在美國自然基金委員會(huì)項(xiàng)目資助下,由多個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家聯(lián)合,在Bighorn盆地Polecat Bench和Basin Substation實(shí)施了專門針對(duì)PETM的鉆探,總計(jì)獲取了650 m的巖芯,研究并發(fā)表了系列成果,為深入認(rèn)識(shí)PETM氣候變化、生物演化等研究提供了關(guān)鍵材料(Sutherland,2021)。

1.1 典型盆地與地層剖面

1.1.1Bighorn盆地

懷俄明州的Bighorn盆地PETM陸相記錄由古新世Fort Union組和始新世Willwood組構(gòu)成,其中Fort Union組地層厚度約1150 m,以灰褐色泥巖為主,含黃灰色—灰橙色、中細(xì)粒砂巖與碳質(zhì)頁巖互層;Willwood組厚度約1100 m,以多層片狀砂巖為主,發(fā)育紅色古土壤層,是典型的河流沖積沉積地層(Secord et al., 2006;Kraus et al., 2013;Clyde et al., 2013)。磁性地層學(xué)結(jié)果表明,Bighorn盆地PETM陸相剖面中,Fort Union組的頂部與Willwood組下部落在C24r反向極性時(shí)(57.1～54 Ma)之內(nèi)(Butler et al., 1981;Clyde et al., 1994)。根據(jù)火山灰同位素年代學(xué)結(jié)果,Bighorn盆地古新世中上部地層火山灰40Ar/39Ar年齡為59±0.30 Ma,Willwood組頂部凝灰?guī)r40Ar/39Ar年齡為52.8±0.16 Ma(Wing et al., 1991;Secord et al., 2006)。因此可以限定整個(gè)PETM地層跨越了Fort Union組和Willwood組兩套地層單元。同時(shí),借助地層學(xué)方法,Secord等(2006)詳細(xì)對(duì)比了Polecat Bench剖面的生物帶與磁極性帶分布,將碳同位素首次負(fù)偏的位置標(biāo)定為Bighorn盆地PETM的開始時(shí)間,約為55.8 Ma。

通過對(duì)不同地區(qū)的典型剖面進(jìn)行研究,基本確定了Bighorn盆地PETM階段地層的沉積學(xué)特征。例如,Wing等(2009)對(duì)Bighorn盆地東南的Honeycombs剖面進(jìn)行詳細(xì)的沉積相分析,進(jìn)一步將該地層序列劃分為四個(gè)巖相,從下到上依次是河道邊緣過渡相、早期漫灘古土壤、河道充填相和晚期漫灘古土壤。河道邊緣過渡相層位于Fort Union組地層最上部,厚度約為10～20 m,包括古土壤、透鏡狀砂巖和碳質(zhì)頁巖,代表了排水條件較好的漫灘沉積環(huán)境。其上為厚度約為3～5 m的Willwood組漫灘相古土壤層,以連續(xù)出現(xiàn)的紅色古土壤為特征,鈣結(jié)核十分發(fā)育,δ13C值具有明顯負(fù)偏特征(圖1b),很可能對(duì)應(yīng)了CIE事件開始。CIE主體部分持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),厚度約為36 m。在CIE前有也存在小幅度負(fù)偏事件,δ13C值(VPDB)負(fù)偏幅度為-3.7‰。剖面向上,古土壤逐漸不再連續(xù),而是出現(xiàn)了透鏡狀的砂—粉砂巖,代表了廢棄河道充填沉積。剖面最上部再次出現(xiàn)漫灘相的古土壤層,以厚層狀、磚紅色或紫色的古土壤為標(biāo)志,δ13C值表現(xiàn)出緩慢正向偏移的特征,代表了PETM事件碳同位素的“恢復(fù)期”,這表明了Bighorn盆地在PETM后期季節(jié)性降水豐富的環(huán)境(Yans et al., 2006)。

在Bighorn盆地北部的另一處典型剖面Polecat Bench,古土壤厚度超過80m,提供了高分辨率的地層記錄(Kraus et al., 2015)(圖1a)。該剖面的PETM地層以出露Willwood組為主,是典型的河流相沉積,主要表現(xiàn)為古土壤發(fā)育較好的泥巖序列,并與帶狀、片狀砂巖互層。剖面中—上部層位中出現(xiàn)了較薄的煤層(圖1a)。Polecat Bench剖面擁有現(xiàn)今保存最完整的PETM高分辨率陸相記錄,Koch等(1992)最早報(bào)道了Polecat Bench剖面鈣結(jié)核與哺乳動(dòng)物牙齒化石的δ13C的負(fù)偏現(xiàn)象, 在剖面下部δ13C均大于-10‰,在20 m左右快速降低至-16‰,且向上持續(xù)約40 m,在60 m左右開始恢復(fù)。溶解有機(jī)碳同位素δ13Corg結(jié)果與δ13C結(jié)果有類似的特征,即在剖面下部,碳同位素值較重,約為-25‰,而在23 m處達(dá)到最輕-28‰,在61 m的位置開始正偏并緩慢恢復(fù)到負(fù)偏之前的水平。但是,可以發(fā)現(xiàn)δ13C開始負(fù)偏的位置高出δ13Corg發(fā)生負(fù)偏的位置3～5 m,造成偏差的原因可能是溫度升高、二氧化碳分壓升高的環(huán)境下,地下成巖作用使大氣CO2向下擴(kuò)散增強(qiáng),導(dǎo)致有機(jī)碳的混合和溶解時(shí)間延長(zhǎng)(Magioncalda et al., 2004)。

Bighorn盆地Honeycombs和Polecat Bench兩處典型剖面中CIE的位置與Willwood組20～40 m厚的紅色古土壤序列相吻合,δ13C曲線在負(fù)偏階段呈現(xiàn)階梯式下降,這與ODP 690與西藏定日高分辨率海洋記錄所顯示的結(jié)果一致(Kennett and Stott,1991;Zhang et al., 2017, 2020)。Koch等(1995)將其解釋為同時(shí)期的內(nèi)生碳注入表生碳庫中,導(dǎo)致同期大氣中CO2濃度上升,引發(fā)溫室效應(yīng)并導(dǎo)致升溫,而逐步負(fù)偏的δ13C值是可能與多次甲烷釋放有關(guān)。然而,Bighorn盆地古土壤結(jié)核所記錄的CIE大小(～-8‰)相比海洋記錄至少要高出3.5‰,這有可能是由于深海碳庫對(duì)于“輕碳”的稀釋和溶解造成的海洋記錄的缺失,或者是由于土壤性質(zhì)發(fā)生了改變,導(dǎo)致δ13C值在土壤碳酸鹽中發(fā)生了偏移(Zachos et al., 2005;Zhang Qinghai et al., 2017, 2020)。

1.1.2PowderRiver盆地

Powder River盆地位于懷俄明州Bighorn盆地以東,古新世晚期—始新世早期地層由Fort Union組和Wasatch組構(gòu)成。典型剖面Chalk Butte位于盆地西南,剖面下部的Fort Union組以河流相砂巖和灰褐色泥巖—碳質(zhì)頁巖為主,向上轉(zhuǎn)變?yōu)殡s色古土壤(圖1c)。Wasatch組以灰褐色厚層碳質(zhì)頁巖夾薄褐煤層為主。古土壤鈣結(jié)核δ13C分析顯示,CIE發(fā)生之前Chalk Butte剖面δ13C值相對(duì)于Bighorn盆地Polecat Bench剖面明顯偏負(fù),一種可能性是晚期的成巖作用或同位素較輕的碳源使δ13C負(fù)偏加劇(Koch et al., 1992;Wing et al., 2003)。然而,埋藏成巖往往也同時(shí)會(huì)使相應(yīng)樣品的δ18O值降低,但這與結(jié)果中δ18O和δ13C呈反比的事實(shí)不符(Wing et al., 2003)。另外一種可能性是由于富含有機(jī)質(zhì)的沉積物產(chǎn)生同位素較輕的生物甲烷向上遷移和氧化而導(dǎo)致(Bowen and Bloch,2002)。然而,另一些研究也發(fā)現(xiàn),Chalk Butte剖面中哺乳動(dòng)物Phenacodus牙齒化石的牙釉質(zhì)δ13C值約為-16‰,與Bighorn盆地Phenacodus的δ13C值(～-12‰)相比偏低說明偏輕碳同位素可能來源于哺乳動(dòng)物食用的植物,而不是來自地下的甲烷(Wing et al., 2003)。

1.1.3PiceanceCreek盆地

Piceance Creek盆地位于懷俄明州南部的康涅狄格州,距離Bighorn和Powder River盆地較遠(yuǎn)。古新世晚期—始新世早期的沉積地層以Wasatch組為代表,自下而上被分為Atwell Gulch段與Molina段(圖1d)。Atwell Gulch段以紫色、橙色和紅色的泥巖為主,夾薄的透鏡狀河道砂體。上覆Molina段以紫色和棕色古土壤為特征,但也廣泛分布著席狀砂體,與Atwell Gulch段的砂體相比,這些砂體更厚,且側(cè)向延展更遠(yuǎn),代表了漫灘環(huán)境下的決口扇沉積(Foreman et al., 2012;Denis et al., 2021)。古土壤鈣結(jié)核總有機(jī)碳同位素值(δ13CTOC)結(jié)果顯示,CIE開始的時(shí)間與Molina段開始沉積的時(shí)間大致相當(dāng)。在出現(xiàn)碳同位素負(fù)偏之前,地層巖性以泥巖為主,而在CIE期間,地層以細(xì)粒到中粒砂巖為主,表明Piceance Creek盆地在PETM期間的降水量增加,水文循環(huán)加劇,河流流量和沉積物通量增加(Foreman et al., 2012;Denis et al., 2021)。Molina段中紫色的古土壤層表明排水條件不佳,大量的決口扇砂體說明在當(dāng)時(shí)洪水與河道決口事件頻發(fā)。不僅如此,相比于Bighorn盆地的剖面,Piceance Creek盆地Wasatch組古土壤層中鈣結(jié)核總體上發(fā)育不好,很可能代表了較為濕潤的環(huán)境。

1.2 陸生生態(tài)系統(tǒng)演替

由于PETM期間的氣溫快速升高,不僅使得環(huán)境發(fā)生巨變,也導(dǎo)致陸生生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)快速的演替,在Bighorn盆地典型表現(xiàn)為哺乳動(dòng)物群和植物群的演替。

1.2.1哺乳動(dòng)物群演替

Bighorn盆地的哺乳動(dòng)物化石保存豐富(圖2)。古新統(tǒng)Fort Union組產(chǎn)出Clarkforkian期哺乳動(dòng)物化石,如Plesiadapis、Ectocionosbornianus、Haplomylussimpsoni等,始新統(tǒng)Willwood組的哺乳動(dòng)物化石具有Wasatchian期的時(shí)代特征(Wing,1984)。在Polecat Bench剖面,古生物學(xué)家建立了早始新世Wasatchian期(55～50 Ma)最完整的哺乳動(dòng)物化石序列之一,并發(fā)現(xiàn)了北美最古老的奇蹄目(如Hyracotheriumsandrae)、偶蹄目(如Diacodexisilicis)和真靈長(zhǎng)目(Cantiustorresi)動(dòng)物化石,并將Wasatchian早期劃分為Wa-0、Wa-1和Wa-2三個(gè)哺乳動(dòng)物群(Gingerich,1989;Clyde et al., 1994)。Wa-0動(dòng)物群跨越了Fort Union組上部和Willwood組地層的底部,在時(shí)間上與CIE事件高度重合,包括了Hyracotheriumsandrae、EctocionParvus、Cantiustorresi等,Wa-1動(dòng)物群包括了Cardiolophusradinskyi、Haplomylusspeirianus、Cnatiusralstoni等,Wa-2動(dòng)物群包括了Arfiashoshoniensis、Hyracotheriumgranger、Cantiusmckennai等。另外,Honeycombs剖面CIE主體部分也包含有早始新世Wa-0動(dòng)物群的特征哺乳動(dòng)物,如Cantiustorresi和Copeciondavisii等。

圖2 北美Bighorn盆地PETM時(shí)期前后哺乳動(dòng)物及植物多樣性(Clyde et al., 1994;Gingerich,2003;Wing et al., 2009)Fig.2 Mammal and plant diversity around PETM in Bighorn Basin, North America

哺乳動(dòng)物類群從古新世Clarkforkian期到早始新世Wasatchian期,Bighorn盆地在PETM階段總體表現(xiàn)為動(dòng)物群的遷徙或重組,包括較老的Clarkforkian期動(dòng)物種群(如Champsosaurus、Plesiadapis、Probathyopsis和Aletodon等)的消失,以及Wasatchian期新的哺乳動(dòng)物種群的大量出現(xiàn),如現(xiàn)代哺乳動(dòng)物目:偶蹄動(dòng)物(Artiodactyla)、奇蹄目動(dòng)物(Perissodactyla)、靈長(zhǎng)目動(dòng)物(Primates)(Gingerich,2003)。Koch等(1995)認(rèn)為這些哺乳動(dòng)物的首次出現(xiàn)可能是在氣候變暖期間跨越高緯度陸橋所致。例如,鬣齒獸(Hyaenodontidae)就可能是從亞洲在晚古新世到早始新世期間遷徙到北美洲(Bowen et al., 2002)。此外,對(duì)Bighorn盆地動(dòng)物化石的詳細(xì)研究結(jié)果還顯示,Wa-0哺乳動(dòng)物牙齒化石尺寸與Cf-3和Wa-1的牙齒相比,存在明顯減小的現(xiàn)象,表明這些哺乳動(dòng)物的身體尺寸在PETM事件期間急劇減小,被稱為“矮化”現(xiàn)象。Gingerich(2003)認(rèn)為這種哺乳動(dòng)物的快速“矮化”與PETM時(shí)期升高的溫度相關(guān),或者是由于CO2水平較高的大氣條件下,其食物來源中的植物蛋白質(zhì)含量的下降所導(dǎo)致(Gingerich,1989)。

1.2.2植物群演替

除了哺乳動(dòng)物群的演替,在Bighorn盆地,PETM事件期間與事件前、后的植物群也存在著明顯差別(圖2)。例如,古植物的葉片化石研究表明,在事件前、后以落葉—常綠闊葉植物(如樺樹、桂樹、核桃、和榆樹等)和柏科針葉植物的混合群落為主(Wing et al., 1991);而事件期間則缺乏針葉植物,取而代之的是熱帶或亞熱帶地區(qū)占優(yōu)勢(shì)的豆科植物(Wing et al., 2005;Smith et al., 2007),指示了PETM事件期間溫度—緯度梯度的降低,具體表現(xiàn)為植物群落由低緯度向高緯度輻散的現(xiàn)象。Currano等(2008)對(duì)古植物葉片化石研究發(fā)現(xiàn),PETM事件期間的葉片遭受蟲害的比例明顯高于事件前、后的葉片,這可能是因?yàn)闇囟鹊纳邔?dǎo)致昆蟲數(shù)量和代謝速率的增加,加之較高的大氣CO2水平下葉片中植物蛋白質(zhì)含量的減少,從而導(dǎo)致昆蟲更高的攝食率所造成。

孢粉化石反映的PETM前后的植物群變化則更為顯著。Wing等(2009)在Bighorn盆地的研究發(fā)現(xiàn),在短短數(shù)萬年中原有的漫灘環(huán)境孢粉種屬快速消失,而從其他地區(qū)遷移進(jìn)入Bighorn盆地的種屬則迅速擴(kuò)散開來。例如,Wing等(2005)研究表明,Bighorn盆地PETM期間出現(xiàn)了四種未有過記錄的孢粉種類,如來自于海灣沿岸平原的Lanagiopollis, cf.、Tricolpiteshians和Platycaryaswasticoides以及來自東邊Powder River盆地的Triporopollenitesgranulatus和Cycadopitesscabratus等。在Powder River盆地的Chalk Butte剖面,孢粉相對(duì)豐度的變化也揭示了當(dāng)?shù)刂参飳?duì)PETM的響應(yīng)(Korasidis et al., 2022)。古新世以高豐度的擬榛粉屬(Momipites)和山核桃粉屬(Caryapollenites)代表的溫帶氣候型孢粉組合為特點(diǎn),而PETM時(shí)期的孢粉組合則以高豐度的榿木粉屬(Alnipollenites)、樺木科(Betulaceae)、楊梅科(Myricaceae)和榆粉屬(Ulmipollenites)等喜熱孢粉組合為特點(diǎn)。這種孢粉組合的差異表明,許多溫帶植物由于PETM期間溫度的快速上升而經(jīng)歷過短暫的消失,在PETM結(jié)束后又重新出現(xiàn)(Wing et al., 2003)。

1.3 河流沉積系統(tǒng)響應(yīng)

大量研究結(jié)果表明,在PETM期間,氣溫快速上升,極端氣候頻發(fā)(如干旱和洪澇等),降雨的季節(jié)性變化增強(qiáng),總降水量的地區(qū)分異增強(qiáng),從而引起河流沉積建造發(fā)生改變。在Bighorn盆地,Kraus(1980)發(fā)現(xiàn)Willwood組中存在一套異常厚的,且側(cè)向延伸極廣的河流砂體,恰好位于Clarkforkian和Wasatchian哺乳動(dòng)物群的界限處,作者將其稱為“Clark Fork席狀砂巖”,后也被稱作“PETM邊界砂巖”(圖3)。Kraus(1980)將這套砂巖解釋為曲流河沉積,是由于河道邊緣的粉砂、泥巖在曲流遷移的過程中被截?cái)嗪颓治g,逐漸累積而成的復(fù)合砂體。一些學(xué)者則認(rèn)為河流沉積系統(tǒng)在氣候干旱時(shí),受限于運(yùn)移通量的減小,會(huì)在上游儲(chǔ)存大量的沉積物。當(dāng)在氣候從干旱轉(zhuǎn)變?yōu)闈駶檿r(shí),這些沉積物將從河流上游被快速轉(zhuǎn)移并堆積到沉積盆地之中,形成了PETM邊界砂巖(Hooke,2000;Simpson and Castelltort,2012)。Foreman等(2012)則認(rèn)為PETM邊界砂巖是氣候快速變化導(dǎo)致的一次“系統(tǒng)清除事件”(system-clearing event)的結(jié)果。即氣候變化導(dǎo)致物源區(qū)發(fā)生高強(qiáng)度剝蝕,造成大量沉積物進(jìn)入河流系統(tǒng),河流上游因搬運(yùn)能力不足而滯留的沉積物,在河流流量變大時(shí),上游的沉積物被季節(jié)性洪水?dāng)y帶,并最終運(yùn)抵盆地邊緣沉積而成。

圖3 Bighorn盆地(左)和Piceance Creek盆地(右)的PETM邊界砂巖剖面及碳同位素曲線(Bowen et al., 2001;Foreman et al., 2012;Foreman,2014),陰影部分代表了推測(cè)的PETM期間碳同位素負(fù)偏階段Fig.3 Sandstone section and carbon isotope curve at PETM boundary of the Bighorn (left) and Piceance Creek Basins (right), the grey boxes indicate inferred CIEs associated with the PETM

雖然PETM全球總降水量有增加的趨勢(shì),但降水量的變化更多地體現(xiàn)在季節(jié)性和區(qū)域性的變化,而不是全球性的潮濕環(huán)境(McInerney and Wing,2011)。在Piceance Creek盆地,Barefoot等(2021)測(cè)量了144個(gè)保存完整的河道砂體用以估算古水流深度,研究發(fā)現(xiàn),在PETM期間,河道砂壩被改造現(xiàn)象明顯,粗粒的河道沉積物在河流改道期間被大量搬運(yùn)到泛濫平原上,而細(xì)粒沉積物得以更多地被保存在河流漫灘上,但無論是物源區(qū)強(qiáng)烈的風(fēng)化剝蝕或大規(guī)模的系統(tǒng)清除事件(Foreman et al., 2012),都需要很高的徑流量才能搬運(yùn)巨量的沉積物。水槽實(shí)驗(yàn)研究也表明,即使沉積物通量不變,徑流量的波動(dòng)也會(huì)顯著影響河流的沉積水動(dòng)力和沉積物保存(Esposito et al., 2018),具體表現(xiàn)為:徑流量波動(dòng)大時(shí)(如PETM期間),河道砂體的層厚大、側(cè)向延伸遠(yuǎn)、但數(shù)量較少;而徑流量波動(dòng)小時(shí)(如PETM之前和之后),河道砂體的層厚薄,側(cè)向窄,但數(shù)量眾多的河道砂體。

最近的孢粉研究也從側(cè)面證明了PETM期間風(fēng)化剝蝕的增強(qiáng)。Korasidis等(2022)對(duì)Bighorn盆地PETM階段地層中的孢粉進(jìn)行了δ13C研究,發(fā)現(xiàn)喜溫植物Caryapollenitesveripites和Caryapolleniteshiatipites的δ13C值僅僅存在輕微的負(fù)偏,而喜熱植物如Arecipitestenuiexinous的δ13C值則經(jīng)歷了約4‰的負(fù)偏,與在正構(gòu)烷烴中觀察到的CIE的幅度一致(Secord et al., 2012;Baczynski et al., 2016;Korasidis et al., 2022)。顯然,這些喜溫植物的δ13C值代表的是PETM之前而并非是PETM期間的大氣的碳同位素組成,也就是說它們來自PETM之前的古新世沉積地層。類似的,在PETM階段的孢粉樣品中同樣也發(fā)現(xiàn)了屬于白堊紀(jì)的孢粉組合,如Aequitriraditesornatus、Classopollisclassoides等。結(jié)合孢粉的形態(tài)分析,認(rèn)定這些喜溫植物的孢粉是古新世晚期巖石受風(fēng)化剝蝕后孢粉再沉積的結(jié)果(Korasidis et al., 2022)。

2 歐洲西部PETM陸相記錄

歐洲的PETM陸相記錄主要集中在西班牙比利牛斯山脈中南部的Tremp—Graus盆地,通過生物地層學(xué)、磁性地層學(xué)和碳同位素同位素地層學(xué)研究,地質(zhì)學(xué)家在很多剖面中都識(shí)別出了可能的PETM事件,典型的剖面包括Claret和Tendrui(圖4)。兩處剖面的地層歸屬于古新統(tǒng)—始新統(tǒng)的Tremp—Graus組,其底部與下伏上白堊統(tǒng)的Aren組砂巖整合接觸,上覆地層為始新世早期海侵沉積的Alveolina組灰?guī)r和泥灰?guī)r地層(Pujalte et al., 2003;Schmitz and Pujalte,2007;Domingo et al., 2009)。

圖4 歐洲西部Tremp—Graus盆地陸相PETM剖面及有機(jī)碳同位素曲線(Domingo et al., 2009),陰影部分代表了推測(cè)的PETM期間碳同位素負(fù)偏階段Fig.4 PETM continental section and organic carbon isotope curve of Tremp—Graus Basin in Western Europe, the grey boxes indicate inferred CIEs associated with the PETM

Tremp—Graus組的巖相特征包括了雜色(黃色、紅色和灰色)泥巖、礫巖以及石膏,其中位于古新世—始新世界限的標(biāo)志層是一套巨厚的、廣泛分布的(超過500 km2)礫巖,在Claret剖面中厚度超過6 m,又被稱為Claret礫巖。礫巖層位與上述北美Bighorn盆地的PETM邊界砂巖具有一定的相似性。在Claret礫巖之上覆蓋了淺黃色的泥巖,厚度達(dá)到20～30 m,頂部為厚度約為4 m的石膏層(Schmitz and Pujalte,2003)。Schmitz和Pujalte(2007)將Claret礫巖解釋為巨型沖積扇的扇端部分,由側(cè)向加積和頻繁決口引起的辮狀河道沉積形成。Domingo等(2009)在Claret和Tendruy剖面進(jìn)行了有機(jī)碳同位素研究分析,δ13CTOC值在Claret礫巖層下方約1.4 m處快速負(fù)偏3.2‰,并在礫巖層和其上的黏土中持續(xù)保持較輕的δ13CTOC值,最后在剖面頂部的石膏層中開始恢復(fù),CIE幅度達(dá)到3.8‰,與美國西部Bighorn盆地記錄的δ13CTOC負(fù)偏幅度(3.7‰)大致相當(dāng)(Magioncalda et al., 2004;Domingo et al., 2009);而在Tendrui剖面,CIE的起點(diǎn)位于礫巖基底以下約3 m處,δ13CTOC在礫巖層結(jié)束后達(dá)到峰值,負(fù)偏幅度約為2‰(圖4)。

通過與美國西部Bighorn盆地的對(duì)比表明,Tremp—Graus盆地記錄了PETM期間全球升溫導(dǎo)致的環(huán)境效應(yīng)。例如,在Claret剖面和Tendrui剖面中發(fā)現(xiàn)的古新世晚期的踝節(jié)目哺乳動(dòng)物化石(如Paschatherium)(Manners et al., 2013),與北美Bighorn盆地PETM期間踝節(jié)目動(dòng)物化石(如Meniscotherium)有著類似的高豐度的特征,代表了發(fā)生在PETM邊界附近的哺乳動(dòng)物擴(kuò)散事件(Domingo et al., 2009)。與Bighorn盆地“PETM邊界砂巖”成因類似,Claret礫巖代表的巨型扇可能是由氣候突變?cè)斐傻膹?qiáng)烈季節(jié)性降水所導(dǎo)致。

然而,歐洲西部的陸相記錄與美國西部的記錄也存在差異。例如,美國西部的Bighorn盆地,Polecat Bench剖面上部表現(xiàn)為排水條件較差的紫色泥巖沉積,古土壤不發(fā)育,指示了PETM末期顯著的潮濕氣候(Kraus and Riggins,2007)。然而,在Tremp—Graus盆地的Claret和Tendruy剖面,剖面上部泥巖層呈紅棕色,土壤鈣結(jié)核較大,表明此時(shí)該地區(qū)為半干旱氣候(Schmitz and Pujalte,2003)。另外,Tremp—Graus盆地古土壤鈣結(jié)核δ13C的負(fù)偏幅度也小于Bighorn盆地的負(fù)偏幅度(Bowen et al., 2001;Schmitz and Pujalte,2007)。由于土壤鈣結(jié)核的發(fā)育受植被影響較大,這種差異可能是由于兩個(gè)盆地植被類型不同所導(dǎo)致的。研究表明被子植物比針葉樹表現(xiàn)出更輕的δ13C值(Schouten et al., 2007),因此PETM時(shí)期被子植物在Bighorn盆地的擴(kuò)張可能是該地區(qū)土壤鈣結(jié)核中δ13C負(fù)偏幅度較大的原因(Smith et al., 2007)。

3 我國典型盆地的PETM陸相記錄

雖然我國的PETM記錄研究起步較晚,然而我國卻擁有數(shù)量十分可觀的古近紀(jì)盆地,從東部到西部,從陸地到邊緣海區(qū),都廣泛發(fā)育古新世晚期—始新世早期陸相地層(圖4),其中很多都是我國油氣資源的重要產(chǎn)區(qū),積累了大量的地層學(xué)和古生物學(xué)的基礎(chǔ)工作(趙傳本等,1994),為開展PETM陸相記錄研究提供了豐富的基礎(chǔ)材料。當(dāng)前對(duì)于PETM的陸相研究主要集中在衡陽盆地(童永生等,2006)、南陽盆地(朱敏等,2010)、撫順盆地(Chen Zuoling et al., 2014)和江漢盆地等(Teng Xiaohua et al., 2021),在塔里木盆地(李偉等,2021)、藏南定日地區(qū)(Zhang Qinghai et al., 2020)還保存了少量的PETM海相記錄。

3.1 衡陽盆地

衡陽盆地位于華南中部,是晚白堊世—古近紀(jì)發(fā)育的伸展斷陷盆地,在盆地東部的嶺茶地區(qū)古新統(tǒng)—始新統(tǒng)界限(PETM)地層出露較為完整,包括了古新統(tǒng)栗木坪組和始新統(tǒng)嶺茶組(童永生等,2006)。栗木坪組地層出露厚度超過300 m,上部以紫紅色粉砂質(zhì)泥巖為主,并夾有灰紫色、灰白色泥質(zhì)粉砂巖以及砂巖和泥質(zhì)白云巖,哺乳動(dòng)物化石以古新世晚期亞洲特有的古脊齒獸(Archaeolambdasp.)為代表(童永生等,2006),介形類表現(xiàn)Cyprishenanensis—Cyproisreniformis—Limnocytherehonggangensis的組合形式(張顯球和李茜,2010)。嶺茶組出露厚度大于50 m,以紅色粉砂質(zhì)泥巖為主,夾灰紫色、灰黃色粉砂質(zhì)砂巖和砂巖,并且在紅色粉砂質(zhì)泥巖中發(fā)育有古土壤鈣結(jié)核,且在靠近下部與栗木坪茶組界限附近出露一套厚約6 m且側(cè)向延伸超過3 km的灰黃色粗砂巖。嶺茶組蘊(yùn)含了豐富的哺乳動(dòng)物化石,已經(jīng)報(bào)道的哺乳動(dòng)物達(dá)到13種,尤其以首次出現(xiàn)的奇蹄類(衡東東方脊貘Orientolophushengdongeneiss、衡陽原厚脊齒馬Propachynolophushengyangensis)和真靈長(zhǎng)目(亞洲德氏猴Teilhardinaasiatica)(Ni Xijun et al., 2004;童永生等,2013)為特征,是早始新世(嶺茶階)動(dòng)物群的典型代表。

衡陽盆地也是國內(nèi)最早開展PETM碳同位素研究的地區(qū)。Bowen等(2002)在Science報(bào)道了中美科學(xué)家聯(lián)合對(duì)甫魁堂—嶺茶剖面和添枝墳—集賢灣兩個(gè)剖面32件土壤鈣結(jié)核樣品獲得的δ13C結(jié)果,栗木坪組的δ13C值為-7‰～-8‰,在嶺茶組下降到-12.5‰,向上又恢復(fù)至約-10‰的水平,整個(gè)CIE階段的地層厚度約40 m,δ13C負(fù)偏幅度為5‰～6‰(Ting Suyin et al., 2003)。CIE負(fù)漂的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)于嶺茶組底部巨厚層砂巖出現(xiàn)的位置(圖5a),而向下約150 m還對(duì)應(yīng)于栗木坪組中磁性地層反轉(zhuǎn)的位置(C25n/C24r)。

圖5 中國陸相PETM剖面及碳同位素記錄:(a)衡陽盆地土壤鈣結(jié)核碳同位素曲線(童永生等,2006);(b)南陽盆地玉皇頂剖面湖相碳酸鹽巖碳同位素曲線(朱敏等,2010);(c)撫順盆地西露天剖面有機(jī)碳同位素曲線(Chen Zuoling et al., 2014);(d)江漢盆地申鉀1井鉆孔及碳同位素曲線(滕曉華等,2022)Fig.5 PETM profile and carbon isotope records of continental facies in China: (a) carbon isotope curve of soil calcium nodules in Hengyang Basin; (b) carbon isotope curve of lacustrine carbonate rocks in Yuhuangding Section, Nanyang Basin; (c) organic carbon isotope curve of west open profile of Fushun Basin; (d) carbon isotope curve of SKD1 core, Jianghan Basin

3.2 南陽盆地

南陽盆地是位于華北南緣、大別山以北的斷陷盆地,自晚白堊紀(jì)以來到晚始新世持續(xù)發(fā)育了一套巨厚的沖積—湖相沉積地層,從老至新將地層劃分為胡崗組、白營組和玉皇頂組。胡崗組和白營組紅色砂巖層顆粒以細(xì)碎屑為主,為淺湖相沉積,而玉皇頂組以灰粉色泥灰?guī)r與淡紅色粉砂巖、灰質(zhì)泥巖互層為特征,表明湖水逐漸變深(Chen Zuoling et al., 2016)。白營組地層中已發(fā)現(xiàn)有古新世曉鼠(Hanomysmalcolmi)化石(Huang Xueshi et al., 2004),玉皇頂組中也賦含大量的哺乳動(dòng)物及奇蹄類,哺乳動(dòng)物包括亞洲冠齒獸(Asiocoryphodon)和異冠齒獸(Heterocoryphodon)、吐魯番菱臼獸(Rhombomyluscf.turpanensis)、湖北陌生鼠(Advenimushubeiensis),賦含化石表明玉皇頂組時(shí)代為早始新世到中始新世(馬安成和程捷,1991)。

南陽盆地PETM的碳同位素記錄來自丹江口市玉皇頂剖面的湖相碳酸鹽巖。朱敏等(2010)報(bào)道了玉皇頂剖面(210 m厚)的高分辨率碳同位素研究結(jié)果,包括了白營組和玉皇頂組共534件樣品,δ13C值在剖面182 m處開始負(fù)偏,整個(gè)CIE大致分為快速負(fù)偏、繼續(xù)緩慢負(fù)偏和逐漸回返3個(gè)階段,在182～188 m,從-3.2‰快速降低至-6‰,在188～195 m,從-6‰逐漸緩慢負(fù)偏至-9.3‰,在195～200 m逐漸回返至-6‰,表明南陽盆地玉皇頂組剖面的湖相沉積記錄了PETM事件(圖5b)。Chen Zuoling等(2014)又報(bào)道了玉皇頂剖面PETM階段(50 m厚)高分辨率碳同位素結(jié)果,其中CIE跨越約為20 m,δ13CTOC和δ13CBC變化趨勢(shì)與δ13C基本相同,δ13CTOC和δ13CBC在剖面的中部從-22‰快速下降到-28‰,最后緩慢恢復(fù)并穩(wěn)定在-24‰。值得注意的是,剖面中δ13CTOC和δ13CBC在CIE期間分別有2.3‰和3.4‰的正偏,這被認(rèn)為是PETM事件之前巖石被風(fēng)化和PETM期間本地碳固定產(chǎn)生的混合物注入所導(dǎo)致的。

此外,通過黏土礦物和地球化學(xué)元素分析發(fā)現(xiàn),南陽盆地在PETM期間化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)和Sr/Ca明顯上升,并且黏土礦物中高嶺石含量顯著提高而蒙脫石含量相對(duì)下降,表明南陽盆地從古新世晚期相對(duì)干旱或干濕交替的氣候條件向古新世始新世以來整體濕潤的氣候條件轉(zhuǎn)變(Chen Zuoling et al., 2016)。

3.3 撫順盆地

撫順盆地是沿著郯廬斷裂北延分支撫順—密山斷裂帶發(fā)育的斷陷盆地,古近系地層保存完整,自下而上為古新統(tǒng)老虎臺(tái)組和栗子溝組、始新統(tǒng)古城子組、計(jì)軍屯組和西露天組。老虎臺(tái)組為橄欖玄武巖并夾少量凝灰?guī)r和煤層,早期的K-Ar法同位素定年獲得下部年齡為66.2±2 Ma(王東方,1986),近期又在中部獲得了61±0.4 Ma的鋯石U-Pb年齡(Quan Cheng et al., 2011)。栗子溝組以灰白色、雜色凝灰?guī)r、砂巖,夾灰色凝灰質(zhì)砂巖和薄層煤,平均厚度約30 m。已有的定年結(jié)果顯示,凝灰?guī)r鋯石U-Pb同位素年齡為58±0.3 Ma(Quan Cheng et al., 2011)和54.7±0.2 Ma(Li Yuanji et al., 2022),透長(zhǎng)石Ar-Ar年齡為55.07±1.18 Ma(Chen Zuoling et al., 2014)。始新統(tǒng)則以有機(jī)質(zhì)含量很高的煤層、油頁巖為特征,地層的時(shí)代主要根據(jù)趙傳本等(1994)的古地磁年代結(jié)果限定。其中,古城子組為特厚或復(fù)合煤層,夾有炭質(zhì)頁巖,灰褐色泥巖,灰白色泥質(zhì)粉砂巖,平均厚度超過50 m,夾碳質(zhì)頁巖。計(jì)軍屯組發(fā)育特厚的褐色油頁巖層,水平層理發(fā)育,平均厚度近200 m。西露天組上覆一套厚綠泥巖,以綠色塊狀泥巖為主,夾薄層褐色泥質(zhì)頁巖、砂巖、油頁巖和中層淺綠色泥灰?guī)r,平均厚度超過400 m。

撫順盆地古近系蘊(yùn)含豐富的孢粉化石,是國內(nèi)較早開展該時(shí)段古氣候研究的地區(qū)之一。宋之琛和曹流(1976)報(bào)道了古新統(tǒng)玄武巖中所夾煤層的孢粉組合,其中由樺科、楊梅科、胡桃科、楊柳科、無患子科或桃金娘科、金縷梅科等為主的被子植物占到70%～95%,少量松柏類的竹柏科及松科占到5%～15%,反映了暖溫帶的氣候特征。而始新統(tǒng)的孢粉組合情況類似,仍以被子植物花粉占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),但是也包括了山核桃科、棕櫚科、楓香科、漆樹科和蕓香科等熱帶—亞熱帶的植物組合特征(洪友崇等,1974;史冀忠等,2008)?；谏鲜鲦叻劢Y(jié)果,采用共存分析法與現(xiàn)生種群進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),PETM之前的古新世(老虎臺(tái)組和栗子溝組)年平均溫度為15.85℃,而到了始新世(計(jì)軍屯組)年均溫升高到了17.05℃,指示了撫順盆地PETM時(shí)期溫暖濕潤,并存在總體升溫的趨勢(shì),但是在始新世早期卻存在一次小規(guī)模降溫到14.45℃(古城子組)(史冀忠等,2008;全成和劉裕生,2009)。最近,Xie Yulong等(2022b) 又進(jìn)行更為詳細(xì)的孢粉學(xué)研究,發(fā)現(xiàn)晚古新世時(shí)期廣泛存在由喜溫暖濕潤的杉科植物(水杉、落羽杉、水松和紅杉)和蕨類植物組成的沼澤濕地林,沼澤生態(tài)系統(tǒng)在PETM時(shí)期被喜炎熱潮濕氣候的小刺鷹粉(Aquilapollenitesspinulosus)和松科植物為主的植物群落所取代,而在PETM結(jié)束后又恢復(fù)到之前的植被群落樣式。

撫順盆地報(bào)道的碳同位素僅見于西露天剖面的早始新世地層。Chen Zuoling等(2014)通過對(duì)古城子組特厚煤層的高分辨率δ13CTOC分析,發(fā)現(xiàn)了4處可能的碳同位素負(fù)偏事件,對(duì)應(yīng)于4次熱事件,其中靠近剖面中部的CIE事件偏移幅度最大,達(dá)到-7‰,作者將其解釋為PETM事件(圖5c),然而其層位仍顯著高于根據(jù)巖相和Ar年齡標(biāo)定的古新統(tǒng)和始新統(tǒng)(栗子溝組和古城子組)界限。

3.4 江漢盆地

江漢盆地位于大別山以南,是由一系列地塹、半地塹組成的晚白堊世—新生代伸展斷陷盆地,盆地中部的地層埋深厚度大于5000 m,古近系包括了古新統(tǒng)沙市組、始新統(tǒng)新溝咀組、荊沙組、潛江組,漸新統(tǒng)荊河鎮(zhèn)組,以湖相泥巖、鹽巖為主,并夾多層玄武巖(戴世昭,1997)。玄武巖K-Ar同位素定年顯示古新統(tǒng)—始新統(tǒng)界限位于沙市組和新溝咀組界線附近(徐論勛等,1995)。盆地西緣的古近紀(jì)地層出露較好,包括古新統(tǒng)龔家沖組、始新統(tǒng)洋溪組、車陽河組、牌樓口組(雷奕振等,1987),龔家沖組和洋溪組為湖相沉積,以薄層—中層狀互層泥質(zhì)粉砂巖、灰?guī)r為主,車陽河組和牌樓口組則為典型的河流沉積(Wang Ping et al., 2014)。張師本等(1992)根據(jù)磁性地層學(xué)研究,將古新統(tǒng)—始新統(tǒng)界線約束在龔家沖組與洋溪組界限附近。

江漢盆地古近紀(jì)地層的古生物類型豐富。早期的石油地質(zhì)勘探在盆地中部獲得了大量的微體化石(孢粉、輪藻)資料??,雷奕振等(1987)又對(duì)江漢盆地西緣的新生代生物地層進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和總結(jié),使其能夠與盆地中部的地層較好地進(jìn)行對(duì)比。在盆地西緣洋溪組下部的黑色頁巖中,以黑垱口剖面為代表,陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了大量的魚類、鳥類和哺乳動(dòng)物化石。例如松滋鳥科(Songzidae fam. nov.)(侯連海,1990;Wang Min et al., 2012)、江漢魚(湖北省地質(zhì)科學(xué)研究所,1977;Chang Meemann et al., 2001;Liu Juan et al., 2015)以及世界上發(fā)現(xiàn)的最古老的靈長(zhǎng)目——阿喀琉斯基猴(Archicebusachilles)(Ni Xijun et al., 2013)。近年,汪嘯風(fēng)(2015)還報(bào)道了新發(fā)現(xiàn)的爬行綱和昆蟲綱,如松滋蜥蜴(Songzisaurusgen. et sp. nov.)、松滋蜘蛛(Songzilarachnegen. et sp. nov.)和松滋古蟬(Songzicosusgen. et sp. nov.)等。因此,洋溪組的黑色頁巖堪稱不可多得的化石特異埋藏庫,并有可能與古新世—始新世之交的PETM事件有關(guān)。最近的孢粉學(xué)結(jié)果還顯示,洋溪組化石埋藏時(shí)期的植物以熱帶、亞熱帶類型的闊葉樹為主,代表了PETM之后存在一個(gè)短暫的、繁茂的熱帶森林景觀,同時(shí)伴隨湖泊富營養(yǎng)化加劇(Xie Yulong et al., 2022a)。

江漢盆地PETM的碳同位素研究主要基于盆地中部的申鉀1井(SKD1)鉆孔(圖5d)。該鉆孔取自江陵凹陷,長(zhǎng)度達(dá)2346.5 m,取芯部分(下部的1540 m)涵蓋了從上白堊統(tǒng)漁陽組、古新統(tǒng)沙市組和始新統(tǒng)新溝咀組。Teng Xiaohua等(2021)對(duì)沙市組和新溝咀組界線附近(1450～1250 m)的巖芯進(jìn)行了碳同位素分析,結(jié)果顯示,δ13C值在沙市組為-2‰～-3‰,而在新溝咀組下部(1376 m)開始快速負(fù)偏至-7‰～-8‰,負(fù)偏持續(xù)了約60 m,最大負(fù)偏幅度達(dá)到10‰,作者將其標(biāo)定為PETM事件。另外,礦物組成和氧同位素分析結(jié)果表明,PETM事件發(fā)生之前δ18O值較高,并且碳酸鹽礦物以白云石為主,指示了當(dāng)時(shí)降水較少,氣候較干旱的特征;而在PETM期間δ18O值也存在顯著偏負(fù),碳酸鹽礦物以方解石為主,說明區(qū)域降水量增加,氣候變得濕潤,與江漢盆地洋溪組的孢粉學(xué)所反映的結(jié)果相一致,指示了PETM造成了中緯度地區(qū)的降水增加(Teng Xiaohua et al., 2021;滕曉華等,2022)。

4 討論與展望

4.1 PETM陸相記錄的全球?qū)Ρ?/h3>

大量的海相沉積記錄已經(jīng)證明,PETM是一次顯著的全球性氣候事件(見Kennett and Stott,1991;Schmitz et al., 1997;Kemp et al., 2016;Li Mingsong et al., 2022)。但是對(duì)于陸相記錄而言,不同盆地的成因、沉積環(huán)境、巖相等的差異仍然較大,為全球性對(duì)比增加了難度。例如,美國西部和歐洲西部的盆地都是造山同期的擠壓型盆地,而我國的多數(shù)盆地,如南陽盆地、衡陽盆地等,都是后造山期的伸展斷陷盆地?？傮w上,斷陷盆地的沉降速率較大,物源供給相對(duì)不足,表現(xiàn)為欠充填狀態(tài)。例如南陽盆地,沉積物以細(xì)粒的湖相泥巖、泥灰?guī)r,灰?guī)r為主,在PETM氣候突變前后巖相的響應(yīng)并不顯著。而擠壓前陸盆地的沉降速率相對(duì)較小,物源供給相對(duì)充足,以河流相的砂巖、礫巖為主,且古土壤普遍發(fā)育。它們?cè)赑ETM氣候突變過程中,甚至表現(xiàn)為過充填狀態(tài),例如美國西部Piceance Creek盆地出現(xiàn)的邊界砂巖(Kraus and Gingerich,1980;Foreman et al., 2012)和歐洲西部Tremp—Graus盆地出現(xiàn)的Claret礫巖(Schmitz and Pujalte,2007)。

碳同位素負(fù)偏(CIE)被認(rèn)為是PETM全球?qū)Ρ鹊臉?biāo)志性特征,在海相盆地的典型記錄中,以意大利的海相Foroda剖面為例(圖6),碳同位素在負(fù)偏發(fā)生后迅速下降了約-3.2‰,又快速正偏至-1‰并維持了3 m(Giusberti et al., 2007)。前人將CIE與碳的釋放,如火山爆發(fā)、天然氣水合物的釋放等聯(lián)系起來,為PETM的成因的研究提供了重要的線索(Kennett and Stott,1991;Kender et al., 2021)。然而,在很多陸相盆地,雖然也都發(fā)現(xiàn)了CIE,但是碳同位素曲線卻呈現(xiàn)出樣式、幅度的差異,給PETM發(fā)生的機(jī)制的解釋增加了不確定性。以美國西部Bighorn盆地的Polecat Bench、歐洲西部Tremp—Graus盆地的Claret和我國南陽盆地玉皇頂三處典型剖面為例(圖6),它們的CIE大體都包含了三個(gè)階段,即快速負(fù)偏、保持低值和緩慢恢復(fù)階段,并且在快速負(fù)偏之前都存在一次較小的負(fù)偏事件(δ13C負(fù)偏幅度約為2‰)。PETM事件之前全球溫度普遍升高(Sluijs et al., 2007),溫度的升高引起海洋和陸地碳庫(如天然氣水合物、凍土等)中碳的釋放,從而觸發(fā)碳釋放—升溫的正反饋機(jī)制并可能導(dǎo)致碳同位素負(fù)偏,因此這次早期事件很有可能是誘發(fā)PETM事件的重要因素。然而,3處剖面的CIE特征也存在一定的差異,例如Polecat Bench剖面的碳同位素在經(jīng)歷2次迅速的負(fù)偏后保持了長(zhǎng)時(shí)間的低值狀態(tài)(Bains et al., 2003),而玉皇頂剖面碳同位素則表現(xiàn)為先快速負(fù)偏,后逐漸負(fù)偏的樣式,但負(fù)偏幅度總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。Chen Zuoling等(2014)解釋為正反饋?zhàn)饔?即當(dāng)大量輕碳注入外生碳庫中,引起全球范圍內(nèi)的溫度迅速升高,溫度的上升又導(dǎo)致海洋大陸坡存儲(chǔ)的大量天然氣水合物失穩(wěn)分解釋放出大量的甲烷氣體,這些甲烷在海洋中被氧化為二氧化碳釋放到外生碳庫中。事實(shí)上,導(dǎo)致CIE差異的原因還存在多種解釋,如沉積環(huán)境的差異。在陸相或淺海記錄中,大氣圈和淺海碳庫較小,且交換速率快,“輕碳”的大量釋放會(huì)產(chǎn)生較大的CIE幅度(如Polecat Bench,～-7‰),,而深海碳庫非常巨大,這些“輕碳”通過大洋環(huán)流進(jìn)而影響深海時(shí),它們的效果會(huì)被稀釋掉,則產(chǎn)生較小的CIE幅度(-2‰～-4‰)(Zhang Qinghai et al., 2017)。此外,由于在始新世早期存在3次造成CIE的熱事件(PETM,ETM2, ETM3),如何準(zhǔn)確標(biāo)定PETM也是陸相地層對(duì)比中需要解決的問題。

圖6 PETM碳同位素記錄對(duì)比: (a)美國 Bighorn盆地Polecat Bench剖面(Bowen et al., 2001); (b) 西班牙Tremp—Graus盆地Claret剖面(Domingo et al., 2009); (c)意大利Forada剖面(Giusberti et al., 2007); (d) 中國南陽盆地玉皇頂剖面(朱敏等,2010)Fig.6 Comparison of carbon isotope records during PETM: (a) Polecat Bench of Bighorn Basin, America; (b) Claret of Tremp—Graus Basin, Spain; (c) Yuhuangding section of Nanyang Basin,China; (d) Forada section of Italy

相比海相記錄,PETM的陸相記錄仍然存在地層時(shí)代、對(duì)比關(guān)聯(lián)方面的諸多問題,但通過全球性的對(duì)比,獲得更廣泛的PETM陸相記錄的信息,其現(xiàn)實(shí)意義十分重大。顯而易見,人類的主要生存環(huán)境位于陸地之上,是現(xiàn)今陸地生態(tài)系統(tǒng)的主宰者。因此,研究PETM的陸相記錄,揭示地質(zhì)歷史時(shí)期的陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候突變的響應(yīng)規(guī)律,對(duì)于現(xiàn)階段人類應(yīng)對(duì)氣候突變的意義非凡。例如,PETM事件導(dǎo)致喜熱哺乳動(dòng)物種群增多、體型減小、同時(shí)期一些種屬滅絕而新的種屬出現(xiàn),如新出現(xiàn)的奇蹄目、偶蹄目和靈長(zhǎng)目等動(dòng)物(Gingerich,1989;童永生等,2006)。另外,PETM事件還推動(dòng)了不同地區(qū)之間哺乳動(dòng)物的大遷徙。通過對(duì)湖南衡陽盆地和內(nèi)蒙古二連盆地的PETM事件前后哺乳動(dòng)物化石進(jìn)行研究,并與北美西部的古近紀(jì)哺乳動(dòng)物化石進(jìn)行對(duì)比,Bowen等(2002)發(fā)現(xiàn)奇蹄目、偶蹄目和靈長(zhǎng)目在亞洲的首次出現(xiàn)時(shí)間早于北美洲,正是在氣候突變的影響下,哺乳動(dòng)物從亞洲遷徙到北美洲(Koch et al., 1995)。

近年來,隨著研究的不斷深入,PETM時(shí)期陸地古氣候也逐漸明朗,表現(xiàn)出溫度升高導(dǎo)致了季節(jié)性水循環(huán)增強(qiáng)的普遍特征,并在全球范圍內(nèi)得到了較好的印證(Kraus and Riggins,2007;Pujalte and Schmitz,2014;Chen Zuoling et al., 2016)。例如,美國Bighorn盆地Polecat Bench剖面的下段紅色古土壤層及豐富的鈣結(jié)核指示了較為干旱的氣候條件,而上段的古土壤則表現(xiàn)出排水條件較差的沉積環(huán)境,暗示了PETM后期降水的增加(Kraus and Riggins,2007)。我國南陽盆地玉皇頂剖面中高嶺石的百分含量異常增加與蒙脫石的含量降低,表明PETM期間氣候由干轉(zhuǎn)濕導(dǎo)致的化學(xué)風(fēng)化作用的增強(qiáng)(Chen Zuoling et al., 2016)。因此PETM全球總降水量有增加的趨勢(shì),但降水量的變化更多地體現(xiàn)在季節(jié)性和區(qū)域性的變化,而不是全球性的變?yōu)楦映睗竦沫h(huán)境。Chen Zuoling等(2020)對(duì)我國南陽、撫順盆地PETM期間古降水量進(jìn)行模擬估算,并與北美地區(qū)的降水模式相對(duì)比,結(jié)果反映了豐水帶的向高緯地區(qū)轉(zhuǎn)移的普遍趨勢(shì),與植物向北擴(kuò)散表現(xiàn)出很強(qiáng)的一致性(Wing et al., 2005)。

4.2 我國PETM陸相記錄研究的問題和展望

已有的研究成果顯示出PETM陸相記錄研究的重要價(jià)值,特別是在我國古近紀(jì)地層廣泛發(fā)育,更給相關(guān)研究帶來了機(jī)遇。雖然已經(jīng)在衡陽盆地、南陽盆地、撫順盆地、江漢盆地等取得進(jìn)展,但相比美國西部的盆地的陸相記錄研究仍然存在差距,具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:

(1)缺少可靠的PETM年齡約束。由于PETM時(shí)間跨度較小,現(xiàn)有剖面能夠滿足火山灰的同位素絕對(duì)定年的條件很少,在已經(jīng)發(fā)表的衡陽盆地、南陽盆地的CIE記錄較好的剖面,都缺乏有效的同位素年代學(xué)的約束。雖然在撫順盆地西露天剖面獲得了同位素年齡約束,但是與CIE事件卻難以構(gòu)成較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(Chen Zuoling et al., 2014)。采用磁性地層學(xué)可能是解決年齡問題的突破口,但是現(xiàn)有的熱退磁技術(shù)應(yīng)用在紅層的效果較好,而南陽盆地和撫順盆地以灰?guī)r和煤為主體的剖面尚不具備良好的測(cè)試條件。衡陽盆地雖然也開展了古地磁年代學(xué),但是由于剖面采樣精度較低,無法精確限定年代(Bowen et al., 2002;Ting Suyin et al., 2003)。近期,在四川盆地西南緣的始陽剖面獲得了高分辨率的磁性地層,然而CIE的特征卻不顯著(楊會(huì)會(huì)等,2018)。此外,由于PETM持續(xù)僅短短十幾萬年,但其所處的C24r極性時(shí)卻持續(xù)3 Ma,單純依靠磁性地層也很難限定PETM的準(zhǔn)確時(shí)間。因此,采用生物地層學(xué)和磁性地層學(xué)相結(jié)合的方法是比較理想的方式,在目前已知的陸相剖面中,能夠同時(shí)滿足磁性地層和生物地層研究條件仍然較少,雖然衡陽盆地嶺茶剖面具備類似的條件,但是也存在分辨率較低的問題。

(2)陸地生態(tài)系統(tǒng)研究相對(duì)薄弱。陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)PETM事件的響應(yīng)是PETM事件研究中的一個(gè)重要問題,它涉及到陸地生物群落的變化、氣候反饋及碳循環(huán)等多個(gè)方面。我國PETM陸相研究對(duì)事件期間陸地生物群落演化的研究相對(duì)較少,尤其是缺乏對(duì)于一些關(guān)鍵物種的研究。當(dāng)前已經(jīng)發(fā)表的剖面中的哺乳動(dòng)物化石記錄僅在衡陽盆地為典型,其獲得的哺乳動(dòng)物甚至可以和北美西部的進(jìn)行對(duì)比。但是,在其他盆地的報(bào)道卻十分匱乏,在撫順盆地西露天剖面也只是找到了孢粉記錄,缺少動(dòng)物化石,而在CIE最為顯著的南陽盆地卻幾乎沒有化石記錄,這使得陸地生態(tài)系統(tǒng)的研究受到限制。江漢盆地雖然近期在動(dòng)物群方面獲得了很多重要突破,但是相關(guān)的PETM研究進(jìn)展較慢,尚未對(duì)生態(tài)系統(tǒng)研究構(gòu)成有力支持。

(3)陸相PETM地層難以進(jìn)行區(qū)域和全球?qū)Ρ?。目?我國已報(bào)道的PETM陸相地層還非常有限,不同地區(qū)的PETM陸相地層記錄由于不同地區(qū)的沉積環(huán)境和沉積物質(zhì)的差異存在差異。這些差異可能包括沉積物的類型、沉積速率、沉積深度、水文條件等。因此,不同地區(qū)的PETM陸相地層記錄可能會(huì)呈現(xiàn)出不同的巖性特征,如顏色、結(jié)構(gòu)、成分等,這也限制了對(duì)PETM事件的深入研究。此外,作為全球性的氣候事件,PETM陸相地層與海相地層之間的對(duì)比仍然存在挑戰(zhàn)。特別是近期海相PETM記錄在西藏和新疆地區(qū)的相繼發(fā)現(xiàn),建立我國PETM?！憛^(qū)域地層對(duì)比框架就顯得更為迫切。

為了解決上述問題,一方面,需要在現(xiàn)有剖面的基礎(chǔ)上繼續(xù)開展工作,深入挖掘,借鑒新的技術(shù)手段,取長(zhǎng)補(bǔ)短,確定年代和標(biāo)定氣候突變事件。這里的新技術(shù)主要包括碳酸鹽U-Pb定年、碳酸鹽團(tuán)簇同位素和汞同位素等。碳酸鹽U-Pb定年技術(shù)近年來發(fā)展很快,采用激光剝蝕技術(shù)進(jìn)行元素成像,選擇U含量高的區(qū)域進(jìn)行U-Pb同位素定年,精度也不斷提高,目前已經(jīng)廣泛用于洞穴沉積物形成時(shí)間、碳酸鹽巖地層成巖時(shí)代和油氣成藏過程、盆地流體演化等方面(高伊雪等,2022;張亮亮等,2023)。碳酸鹽團(tuán)簇同位素能夠獲得礦物的生長(zhǎng)溫度,能夠進(jìn)行古溫度重建(Huntington et al., 2011)。Snell等(2013)最早利用古土壤碳酸鹽巖團(tuán)簇同位素對(duì)Bighorn盆地夏季古溫度進(jìn)行了重建,得出的夏季溫度比分析葉片化石得出的年平均氣溫高18℃,說明冬季溫度接近冰點(diǎn),與Bighorn盆地早始新世高分辨率氣候模型輸出結(jié)果一致。汞同位素則是一種新興的用于指示極端事件的地球化學(xué)指標(biāo),由于其在機(jī)理上與火山活動(dòng)、陸地生態(tài)系統(tǒng)等密切相關(guān),已經(jīng)在P—T事件、K—T事件的研究中嶄露頭角。例如,Ma Mingming等(2022)對(duì)南雄盆地K—T界限沉積物中汞的濃度及同位素測(cè)試,發(fā)現(xiàn)在汞同位素的高異常值出現(xiàn)的層位,恐龍種類也同時(shí)開始減少,指示了火山活動(dòng)可能的導(dǎo)致了恐龍滅絕。近期,Hg同位素也被應(yīng)用到了PETM事件的研究中,例如,Jin Simin等(2023)對(duì)北大西洋的深海沉積物的汞同位素進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)Δ199Hg(汞同位素的非質(zhì)量分餾)在PETM事件開始階段突然升高,指示了與北大西洋巖漿活動(dòng)之間的因果關(guān)系。

另一方面,還需要下大力氣尋找更佳的PETM陸相記錄典型剖面。在前述的盆地中,其中江漢盆地西緣很有可能成為下一個(gè)PETM陸相記錄研究的有力靶區(qū)。①首先,江漢盆地西緣的古新統(tǒng)—始新統(tǒng)剖面出露較為完好,且有很好的生物地層和磁性地層研究基礎(chǔ)。近期,在江陵凹陷報(bào)道了60～55 Ma的玄武巖年齡(Wang Chunlian et al., 2022),覆蓋了PETM發(fā)生的時(shí)段。②其次,江漢盆地西緣的陸地生態(tài)系統(tǒng)的化石記錄十分豐富,其中的靈長(zhǎng)目、鳥綱和魚綱更是非常難得的特異埋藏。③再次,最近筆者等在江漢盆地西緣枝城剖面獲得了較為完整的龔家沖組—洋溪組剖面(Luo Xingyu et al., 2023),下部以紅色粉砂巖、砂巖和礫巖為主、上部為泥灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖夾煤線,通過土壤鈣結(jié)核和泥灰?guī)r的δ13C和δ13CTOC分析,結(jié)果顯示出的CIE特征十分明顯,幅度和樣式均可以與美國西部Bighorn盆地進(jìn)行較好的對(duì)比,目前相關(guān)的研究還在進(jìn)行之中。

5 結(jié)論

通過對(duì)世界范圍內(nèi)PETM典型陸相剖面的巖相、碳同位素、哺乳動(dòng)物以及植物孢粉等特征的總結(jié)和對(duì)比,得出如下結(jié)論:

(1)碳同位素負(fù)偏(CIE)幅度由于沉積環(huán)境不同、巖性差異、覆蓋植被不同等因素存在一些差異,但不同剖面表現(xiàn)出的負(fù)偏過程基本類似,可分為快速負(fù)偏、保持δ13C低值和緩慢恢復(fù)三個(gè)階段。并且在陸相河流沉積環(huán)境中PETM事件的碳同位素開始負(fù)偏的位置通常位于顆粒較粗的礫巖、砂巖體及古土壤下方,這說明在PETM期間大量碳的注入還導(dǎo)致了全球性降水的增加。

(2)哺乳動(dòng)物為了適應(yīng)快速變化的氣候環(huán)境,在早始新世發(fā)生大規(guī)模遷徙,并出現(xiàn)了許多新物種,如奇蹄目、偶蹄目和靈長(zhǎng)目等;植物群落也從晚古新世以針葉樹、榆樹和核桃等為主的暖溫帶混合林過渡到PETM期間以喜熱植物占優(yōu)勢(shì)的熱帶—亞熱帶植物群落。

(3)對(duì)比國際,我國的PETM陸相記錄研究已經(jīng)取得了一定成果,但仍存在不少問題,比如缺少準(zhǔn)確的年齡約束和系統(tǒng)的古生物化石研究等?；诖?對(duì)未來開展PETM研究提出了展望,即在原有剖面的基礎(chǔ)上推進(jìn)多種定年方法、多指標(biāo)記錄相結(jié)合的研究思路,并嘗試在江漢盆地等擁有研究潛力的地區(qū)尋找理想剖面開展系統(tǒng)性的工作。

致謝:張清海研究員等二位專家審閱文稿,并對(duì)本文提出了寶貴的修改意見和建議,作者在此對(duì)他們表示衷心的感謝。

注 釋Notes

? 江漢石油管理局情報(bào)處. 1976. 江漢石油技術(shù)情報(bào) 江漢盆地白堊—第三紀(jì)孢子花粉化石. 潛江:江漢石油管理局.

? 江漢石油管理局情報(bào)室. 1976. 江漢石油技術(shù)情報(bào) 江漢盆地中新生代輪藻化石. 潛江:江漢石油管理局.