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科研快讯 藏南日喀则弧前盆地的PETM记录及其水循环响应

发布日期: 2021-01-13 阅读次数:
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蒋璟鑫

上期《沉积之声》介绍了藏南特提斯喜马拉雅地区碳酸盐台地环境下古新世-始新世极热事件(简称PETM)期间的海平面、生物及碳循环变化,本期我们继续聚焦PETM,将目光移至活动大陆边缘环境下的日喀则弧前盆地浅海地区,并重点关注PETM与水循环变化之间千丝万缕的关系。

 

1  水循环示意图(图片来源http://diagramcenter.org/standards-and-practices/content-model.html,有修改

水循环及其内涵

水循环是指自然界的水在水圈、大气圈、生物圈和岩石圈四个圈层中通过各个环节连续运动的过程,其中蒸发和降雨是水循环过程的主要环节,而温度是影响水循环的关键因素(图1)。水循环不仅是地球上重要的物质循环之一,而且联系着海陆两大系统,塑造着地表形态,制约着地球生态环境的平衡和协调,因此,水循环对于地球表层结构的演变和人类的可持续发展都具有重大意义。20198月政府间气候变化专业委员会(IPCC)发布的综合报告显示,过去一个世纪,全球关于极端降雨事件的报道层出不穷,仅1981年至2010期间,全球极端降雨事件的数量相比正常期望值显著增加了12%。这些极端降雨对人类的生命和财产造成了巨大的损失,引起了社会大众和科学家的广泛关注。为什么会出现极端降雨事件呢?科学家将其归因于人类活动释放的大量温室气体导致的全球变暖,因为变暖会导致大气中饱含更多的水蒸气,进而使水循环加剧和极端降雨增加。如果保持当前气候状态持续发展,是否会导致更严重的气候事件?如果会,这些变化又会对生态和环境造成多大程度的影响?全球变暖带来的压力迫切需要对未来气候变化趋势有更深入的认识。由于气候模拟存在对气候系统认识不够全面以及较强的主观性,因此研究地质历史时期类似的快速变暖事件,是认识当前全球变暖趋势及其水循环变化的最佳选择。

前一期《沉积之声已经了解到PETM事件作为距今最近的一次全球性极热事件(~5600万年前,图2),是我们研究和认识当前全球变暖最好的实例那么PETM时期的水循环是如何变化的呢?它对地球环境产生了怎样的影响?又能给未来环境变化提供怎样的启示?

 

2  晚古生代以来的温室、冰室气候转变和极热事件(图片修改自“Understanding Earth's Deep Past: Lessons for Our Climate Future”2011

 

PETM水循环的研究现状

近年来,由于全球极端降雨事件的频发,越来越多的科学家开始关注PETM时期的水循环。这些研究表明,PETM期间水循环加强,需要注意的是这里的水循环加强指的是低纬度向高纬度的水汽输送增加,而不是全球降雨的增加。整体上,PETM期间中高纬度的降雨增加,中低纬度则由于更高的温度导致干旱强度增加,极端降雨事件增强Bowen et al., 2004; Winguth et al., 2010; Carmichael et al., 2017, 2018PETM期间水循环的加强导致了一系列的环境响应:

边缘海陆源沉积通量增加。水循环的加强增加源区的侵蚀作用和大陆径流,进而导致边缘海沉积更多的陆源物质。如在西班牙Pyrenees地区Campo盆地,PETM之前以灰岩为主,无碎屑物质沉积;PETM期间陆源碎屑通量大大增加,以砂岩沉积为主(Pujalte et al., 2016);同一地区水深较深的Zumaia盆地,PETM之前以泥灰岩和钙质泥岩的互层为主,PETM期间转变为大套的泥质岩,碎屑物质累计速率和沉积速率的分析均表明在PETM时期显著增加,指示陆地径流和沉积通量的增加(Jones et al., 2018)。

沉积环境发生突变。与沉积通量变化的机理相似,加强的水循环将导致大陆径流量和携带的粗碎屑物质增加,更强的河流侵蚀能力和水动力将导致决口扇的出现,进而拓宽河道;在浅海环境,输入的陆源碎屑物质将使碳酸盐物质的生产受限、海岸线后退,整体向碎屑沉积环境转变。如上述提到的Campo盆地,PETM之前为碳酸盐台地环境,PETM期间由于大量碎屑物质的输入转变为辫状河三角洲环境(Pujalte et al., 2016)。同处于Pyrenees地区的Tremp-Graus盆地,PETM之前为以古土壤为主的曲流河环境,PETM时期则转变为以大套砂砾岩为主的辫状河环境(Schmitz and Pujalte, 2007; Chen et al., 2018)。类似的环境变化也发生在美国Bighorn盆地(Foreman, 2012, 2014)。

大陆风化加强。水循环或降雨的加强将加速冲刷源区化学风化的产物,以维持化学离子欠饱和状态,从而促进风化的快速进行。大陆风化的变化可以利用OsSrLi等同位素来反映。如Dickson et al. (2015)年利用Os同位素研究了北冰洋地区PETM时期的大陆风化,结果表明PETM期间187Os/188Osδ13C呈反比,发生正漂,指示大陆风化的加强。

海洋生产力增加。水循环的加强可以增加河流中携带的陆源营养物质,通过向海洋输送进而增加海洋的初始生产力,生物的大量爆发进一步会导致海洋的缺氧和有机质埋藏的增加。如Stoll and Bains (2003)利用颗石藻的Sr/Ca比研究了Weddell海地区PETM时期生产力的变化,研究表明在PETM期间Sr/Ca比增加了40%,并与Os同位素的变化一致,指示PETM期间海洋生产力增加,并且与水循环变化引起的大陆风化加强相关。

3展示了当前开展PETM水循环研究的地区,主要集中在欧洲、美洲以及大洋钻探的站点,而在东特提斯地区目前还缺乏相关的报道。

 

3  PETM水循环研究点分布图(修改自Carmichael et al., 2017

 

西藏日喀则弧前盆地浅海PETM记录及其对水循环的响应

西藏南部日喀则弧前盆地错江顶地区,属于亚洲南缘,保存了连续的古近纪沉积(加拉孜组),是研究PETM事件潜在的有利地区(Hu et al., 2016)。加拉孜组整体可以分为三段,下段和上段以泥质岩夹碳酸盐和少量砂岩为主,碳酸盐中含丰富的底栖大有孔虫;中部以砂岩夹泥质岩为主,并出露多层凝灰岩(图4)。其中底栖大有孔虫和凝灰岩是限定地层时代的有力依据。

 

藏南日喀则弧前盆地古近纪加拉孜组下段、中段野外照片(Jiang et al., 2021

最近,我们课题组对日喀则弧前盆地古新世-始新世地层进行了详细的沉积学、生物地层学、地质年代学以及稳定同位素地层学研究。对加拉孜组碳酸盐岩开展了全岩碳同位素研究,发现在其中部出现一次碳同位素的强烈负偏移,结合有孔虫生物地层学、锆石U-Pb年代学发现,碳同位素的负漂对应底栖大有孔虫带SBZ5,凝灰岩锆石U-Pb年龄集中在55-56Ma,表明这次碳扰动对应PETM事件(图5)。进而利用沉积微相分析,我们得到在PETM之前错江顶地区整体为碳酸盐缓坡环境;PETM期间则突变为陆源碎屑沉积为主的三角洲前缘环境。通过定量分析我们得到PETM期间砂岩层和泥岩层的厚度较PETM之前均有所增加(图6),颗粒粒度变粗,表明PETM期间源区的侵蚀强度和水系的搬运能力增加。物源分析表明源区无明显变化,因此陆源碎屑通量的增加是PETM水循环加强、极端降雨爆发的结果(图7)。

类似日喀则弧前盆地的地质记录在全球其他地方也有出现。在埃及Galala碳酸盐岩台地上,晚古新世碳酸盐岩沉积转变为始新世碳酸盐岩-陆源碎屑岩混合沉积(Höntzsch et al., 2011);在西班牙碳酸盐岩台地上,晚古新世厚层块状灰岩,转变为早始新世含大量陆源碎屑的钙质泥灰岩沉积(Schmitz and Pujalte, 2003, 2007),均指示PETM事件期间水循环增强引起陆源碎屑输入急剧增加。

本次研究是东特提斯亚洲南缘首次关于PETM事件报道,为PETMPETM水循环研究提供了良好的对比实例;此外我们的研究表明弧前盆地保存了活动大陆边缘在极端气候事件下的沉积记录,对源区产生的变化更为敏感,能够很好的反映大陆水循环的变化。

 

5 藏南错江顶地区曲下B剖面微相、相对古水深、底栖大有孔虫分布、碳同位素地层以及凝灰岩锆石U-Pb年龄(Jiang et al., 2021

 

6 藏南错江顶地区PETM前后砂岩、泥岩厚度对比(Jiang et al., 2021

 

7  藏南错江顶地区PETM前后环境演化模式图(Jiang et al., 2021

 

人类社会在进步的同时也引发了大自然的消极反馈,尤其是在气候演化方面,存在更多的“Unknown”,地学家要做的是遵循地质学将今论古、以古鉴今的思想,充分研究和剖析地质历史时期类似的变暖事件,PETM事件,进而帮助我们认识和预测全球气候的变化趋势以及对人类生存和文明延续的潜在威胁,如水循环变化,以便采取及时的挽救措施

最后,借助丁仲礼院士的一句话:当前不是人类拯救地球的问题,而是人类拯救自己的问题。作为一个人类个体,我们需要从自身出发,在服务人类文明发展的同时,保持更加包容和善良的初心,珍爱当前的环境,珍爱我们的家园!

本文作者系南京大学地球科学与工程学院博士生。本文属作者认识,相关问题交流可通过邮箱jjxcug24@163.com与本人联系。欲知更多详情,请进一步阅读下列参考文献。


主要参考文献

[1] Carmichael, M.J., Inglis, G.N., Badger, M.P., Naafs, B.D.A., Behrooz, L., Remmelzwaal, S., Monteiro, F.M., Rohrssen, M., Farnsworth, A., Buss, H.L., 2017. Hydrological and associated biogeochemical consequences of rapid global warming during the Paleocene-Eocene thermal maximum. Glob. Plan. Chang. 157, 114-138.

[2] Chen, C., Guerit, L., Foreman, B.Z., Hassenruck-Gudipati, H.J., Adatte, T., Honegger, L., Perret, M., Sluijs, A., Castelltort, S., 2018. Estimating regional flood discharge during Palaeocene-Eocene global warming. Sci. Rep. 8, 1-8.

[3] Foster, G.L., Pincelli, H., Lunt, D.J., Zachos, J.C., 2018. Placing our current ‘hyperthermal’ in the context of rapid climate change in our geological past. Phil. Trans. R. Soc. A 376 (2130), 20170086.

[4] Höntzsch, S., Scheibner, C., Guasti, E., Kuss, J., Marzouk, A.M., Rasser, M.W., 2011. Increasing restriction of the Egyptian shelf during the Early Eocene? — New insights from a southern Tethyan carbonate platform. Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology. 302:349-366.

[5] Hu, X., Wang, J., BouDagher-Fadel, M., Garzanti, E., An, W., 2016. New insights into the timing of the India Asia collision from the Paleogene Quxia and Jialazi formations of the Xigaze forearc basin, South Tibet. Gondwana Res. 32, 76-92.

[6] Jiang, J.X., Hu, X.M., Li, J., BouDagher-Fadel, M., Garzanti, E., 2021. Discovery of the Paleocene-Eocene Thermal Maximum in shallow-marine sediments of the Xigaze forearc basin, Tibet: A record of enhanced extreme precipitation and siliciclastic sediment flux. Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 562, 110095.

[7] Pujalte, V., Robador, A., Payros, A., Sams o, J.M., 2016. A siliciclastic braid delta within a lower Paleogene carbonate platform (Ordesa-Monte Perdido National Park, southern Pyrenees, Spain): record of the Paleocene Eocene thermal maximum perturbation. Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 459, 453-470.

[8] Schmitz, B., Pujalte, V., 2003. Sea-level, humidity, and land-erosion records across the initial Eocene thermal maximum from a continental-marine transect in northern Spain. Geology 31, 689 692.  

[9] Schmitz, B., Pujalte, V., 2007. Abrupt increase in seasonal extreme precipitation at the Paleocene-Eocene boundary. Geology 35, 215 218.

[10] Stoll, H.M. and Bains, S., 2003. Coccolith Sr/Ca records of productivity during the Paleocene-Eocene thermal maximum from the Weddell Sea. Paleoceanography 2, 1049.


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