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科研快讯 恐龙时代完整的白垩纪气候记录

发布日期: 2021-07-16 阅读次数:
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王成善,高远,Daniel E. Ibarra,吴怀春,王璞珺

编 者 按

【2021年5月17日,美国地球物理联合会Eos刊物发表了题为“An unbroken record of climate during the age of dinosaurs”的文章,以王成善院士为首的松辽盆地大陆科学钻探研究团队向全球介绍并评述“松辽盆地国际大陆科学钻探工程——松科三井”最新进展。本文将Eos文章以中文形式呈现,以飨读者。】

一项来自中国的科学钻探工程获取了地球最近一次“温室”时期的连续气候历史,这项成果将对了解未来气候特征有重要的借鉴意义。

 

图1 中国松辽盆地的松科三井平台,该钻探计划获取的沉积岩心样品提供了整个白垩纪陆地气候的完整记录(照片来源:郑彦威)

 

在距今一亿年左右(持续了数千万年)白垩纪时期的地球与我们现在看到的可以说是大不相同。各种开花的草木才刚刚进化到与松柏类、蕨类、苏铁和其他植物共存,而控制陆地的大型动物主要是各种各样的恐龙,那个时候的蜻蜓等昆虫可长到数米大小,现今随处可见的哺乳动物在那个时代则像老鼠一样躲在角落里瑟瑟发抖。这些动植物生活时期的地球气候与现今相比也有很大不同,白垩纪时期的地球更加温暖,更加潮湿,南北两极处于几乎没有冰的状态。

现今,地球的温度明显低于白垩纪,冰盖和冰川仍然覆盖着两极的大部分地区。然而现在的气候环境正在发生着变化,由于人为排放温室气体(例如CO2),全球气温比工业革命之前升高了大约1℃;为了预防气候灾变的出现,许多国家的政府正在做各种努力,使得相对工业革命之前的全球升温幅度小于2℃,进而争取升温不超过1.5℃的目标(IPCC,2018)。

与此同时,地球科学家正在认真评估辐射强迫(指地球吸收的太阳辐射与反射回宇宙的太阳辐射之差)导致升温超出上述目标的可能性和后果。科学家关心的问题是,大气中的二氧化碳含量(pCO2)在工业时代之前约为280 ppmv,现在超过415 ppmv,如果在2100年达到800-1300 ppmv,全球平均气温将上升5℃,那么地球会发生什么(IPCC,2018)?随之而来的气候剧变将导致海平面上升,并可能导致水循环的剧烈变化,干旱、洪水、火灾和极端高温等灾害频发,所有这些都可能严重影响世界各地的生态系统和人类生存。

为了预测未来的气候状况,研究地质历史中pCO2和温度高于今天的时期是十分重要的,因为这是给未来提供参考的最好的天然实验室记录(Tierney et al., 2020)。其中一个值得关注的时期是白垩纪(145.5 Ma到66 Ma),因为当时的地球大气条件造就了强烈的“温室”气候。

2006年,松辽盆地白垩纪大陆科学钻探工程的科研人员发起了一项宏伟的陆地古气候和古环境研究计划。他们开始在盆地的岩石中进行钻探,以获得白垩纪陆地古气候的第一个完整记录(图1)。该项目在国际大陆科学钻探计划(ICDP)的框架下进行(Wang et al., 2013a, 2013b;Gao et al., 2019)。前两个钻探阶段已经获得了一些重要的科学发现。随着钻探的最后阶段——松科三井——的完成,预计新的研究将带来更多关于过去和未来气候变化的启示。

 

2 松辽盆地大陆科学钻探工程岩心库

 

识读白垩纪古气候的陆相“金柱子”

研究表明,白垩纪是温室气候的典型范例,当时大气pCO2最高约为2000 ppmv,平均温度大约比现在高5-10℃,海平面比现在高50-100 m(O’Brien et al., 2017;Tierney et al., 2020)。这些情况类似于IPCC预测的本世纪末可能出现的最极端气候状态,即大气pCO2超过1200 ppmv,全球温度比现在高大约4℃(IPCC,2018)。

白垩纪代表了恐龙在地球生态系统中占统治地位的最后阶段;此外,这也是哺乳动物、鸟类和被子植物(开花植物)快速更替和进化的时期。几十年来,科学界一直致力于了解白垩纪的气候,特别是Chicxulub小行星撞击和德干高原火山喷发等事件是如何影响非鸟类恐龙和其他生物群落的进化以及灭绝的(Hull et al., 2020)。尽管科学家们对此很有兴趣,但仍然缺乏长期和连续的白垩纪陆相地质记录。

在中国东北地区,松辽盆地占据了约26万平方千米的面积,沉积了巨厚的泥岩、粉砂岩和其它地层,蕴藏了丰富的油气资源,支撑着中国乃至世界上最大的油田之一——大庆油田(Wang et al., 2013a,2013b)。松辽盆地也是我国最大的陆相沉积盆地之一,最大深度超过一万米,保存着连续且完整的白垩纪陆相记录(Wang et al., 2013a)。

松辽盆地白垩纪大陆科学钻探计划有三个主要的科学目标。第一个目标是基于岩心建立白垩纪陆相地层“金柱子”——一个新的高分辨率的地层标准,用于对白垩纪陆相和海相地层进行对比和定年,以及识别关键的地层界线。这些界线包括侏罗纪-白垩纪界线、白垩纪-古近纪(K-Pg)界线,以及海洋中氧含量急剧下降的白垩纪大洋缺氧事件(OAEs);第二个目标是研究白垩纪东亚地区陆地气候变化及其与生物进化和灭绝的关系,这有助于帮助我们了解北半球中纬度陆地气候带如何响应温室效应引发的变化;第三个目标是了解有机质在这个巨大而长寿的湖盆中大量堆积的过程和机制,这将有助于我们加深对大庆油田油气资源的认识。

 

三井四孔

松辽盆地白垩纪大陆科学钻探工程的钻探部分包括三个阶段(图3)。第一阶段即松科一井,共实施了两个钻孔,于2006—2007年在黑龙江省大庆市附近完成。这一阶段获取了从晚白垩世到古近纪早期的岩心共2486m,包括66 Ma代表了最后一次大规模生物灭绝和恐龙灭绝的K-Pg界线(Wang et al., 2013a;Gao et al., 2015, 2019)。

图3 松辽盆地西北—东南方向的剖面,展示了盆地内的沉积岩层和松辽盆地科学钻探三个阶段的钻探取心方案

 

第二阶段为松科二井,2014—2018年在黑龙江省绥化市安达县完成。松科二井钻探深度达到7018m,是ICDP项目中最深的钻井,取心总长4134m。所取岩心包括由二叠纪-三叠纪的基岩到早白垩世的沉积物(Gao et al., 2019)。

第三阶段为松科三井,于2020年9月在吉林省长春市农安县开钻,截至2021年1月下旬,获取白垩纪中期陆相沉积岩心近1600m。白垩纪中期是过去1.5亿年中地球最为温暖的时期,包含了约94 Ma的OAE2大洋缺氧事件,这一事件被认为是地质历史中对全球碳循环最大的扰动之一,由于这一时期海洋中氧含量下降而导致大量有机质在海底堆积埋藏。

2021年2月,松辽盆地白垩纪大陆科学钻探工程完成了所有钻探和取心。总体来看,三个阶段已经获取了厚度约8200m、时代跨越整个白垩纪的陆相沉积记录。

 

解读地层中的故事

自2006年以来,对松科一井和松科二井岩心的研究已经取得了大量的科学成果。利用松科一井岩心已经建立了十万年精度的年代地层格架——即沉积岩层的时间轴。研究人员使用了多种研究方法来构建这个时间轴:放射性同位素测年(分析不同放射性同位素的衰变率)、磁性地层学(追踪岩层中剩余磁性的方向)、生物地层学(比较不同岩层中特定年代的化石)、旋回地层学(追踪沉积物中记录的天文轨道驱动的气候变化周期)(Wu et al., 2014)。由此得出的年代框架可以将松辽盆地的地质记录与白垩纪其他地区的沉积记录进行直接对比。

松辽盆地介形类(小型湖栖甲壳类动物)化石中保存的稳定碳同位素和氧同位素信号记录了晚白垩世的整体变冷趋势和湖盆演化的信息(Chamberlain et al., 2013)。同时,对湖泊和古土壤沉积物中的沉积构造、矿物组成和稳定同位素的研究表明,在恐龙灭绝之前的1000万年中,陆地温度、湿度和水汽来源发生了大幅波动(Gao et al., 2015)。这些在恐龙灭绝之前气候发生了显著变化的重要发现,助燃了气候变化、火山活动、Chicxulub陨石撞击和生物大灭绝之间关系的持续争论(例如Hull et al., 2020)。

基于松辽盆地科学钻探岩心的研究发现也引发了对松辽古湖泊发生过海侵事件的讨论,其证据来自于在岩心中发现的海洋有孔虫化石和其他海洋有机生物标志物(Wang et al., 2013b;Xi et al., 2016)。尽管岩心记录表明晚白垩世松辽盆地总体为湖泊环境,但间歇性的快速海侵可能改变了湖水的化学组成,促进了缺氧条件下有机物的保存。

从海洋有机碳埋藏的记录来看,白垩纪OAEs代表了地球碳循环的几次大规模扰动。然而,国际上仍然缺乏证据来揭示这些海相记录与同期陆地有机碳埋藏之间的联系。最近研究人员分析了松科一井岩心大约88 Ma的OAE3大洋缺氧事件——白垩纪最后一次OAE——在陆地的地球化学记录,发现与北美西部内陆海道(在晚白垩世覆盖了现在北美大部分地区的浅海)的记录一致,证明碳循环扰动确实影响了陆地和海洋(Jones et al., 2018)。

 

即将开展的新研究

对最近获取的松科三井岩心开展研究将探索白垩纪中期,即过去1.5亿年来最温暖的时期,东亚陆地气候演变的科学问题(O' Brien et al., 2017;Tierney et al., 2020)。这些研究将帮助我们了解白垩纪当时陆地有多热,以及未来北半球中纬度陆地——全球40%以上人口生活的地区的气温可能会有多高。

这次钻探也将提供一个新的陆相OAE2记录,用以揭示海洋盆地中广泛分布的黑色页岩和全球碳循环扰动对陆地有何影响。松辽盆地科学钻探的白垩纪陆相岩心将与北美西部内陆海道的海相记录进一步对比,以更全面地了解地球表面的陆海联系,例如当时的湖泊是否像海洋一样缺氧(Wang et al., 2013b)。

松辽盆地白垩纪大陆科学钻探研究团队诚挚地邀请全球的地球科学家来合作,共同研究侏罗纪晚期到古近纪早期的岩心。参照国际大洋钻探计划的经验,松辽盆地大陆科学钻探岩心长期保存在北京,并对世界各地的地球科学家开放,欢迎大家前来申请样品与合作研究。

我们期待通过各研究领域专家的共同努力,松辽盆地8000多米的岩心将阐明在过去1.5亿年中地球温室效应最强烈的恐龙时代的气候系统、生物圈和岩石圈相互作用的过程和机制。

 

 

作者简介:王成善,中国地质大学(北京)教授,中国科学院院士,松辽盆地国际大陆科学钻探工程首席科学家;高远,中国地质大学(北京)副教授;Daniel E. Ibarra,美国布朗大学助理教授;吴怀春,中国地质大学(北京)教授;王璞珺,吉林大学教授。感谢研究生李玉寅和曹永强在图片和文字上的帮助。

英文原文参见Wang, C., Y. Gao, D. E. Ibarra, H. Wu, and P. Wang (2021), An unbroken record of climate during the age of dinosaurs, Eos, 102, https://doi.org/10.1029/2021EO158455。本文相关问题交流可通过邮箱yuangao@cugb.edu.cn与作者联系。

 

主要参考文献

[1] Chamberlain, C. P., et al. 2013. Stable isotopic evidence for climate and basin evolution of the Late Cretaceous Songliao basin, China. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 385, 106-124.

[2] Gao, Y., et al. 2015. Mid-latitude terrestrial climate of East Asia linked to global climate in the Late Cretaceous. Geology 43, 287-290.

[3] Gao, Y., et al. 2019. Progress on Continental Scientific Drilling Project of Cretaceous Songliao Basin (SK-1 and SK-2). Science Bulletin 64, 73-75.

[4] Hull, P. M., et al. 2020. On impact and volcanism across the Cretaceous-Paleogene boundary. Science 367, 266-272.

[5] Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 2018. Summary for policymakers, in Global Warming of 1.5°C: An IPCC Special Report on the Impacts of Global Warming of 1.5°C Above Pre-industrial Levels and Related Global Greenhouse Gas Emission Pathways, in the Context of Strengthening the Global Response to the Threat of Climate Change, Sustainable Development, and Efforts to Eradicate Poverty, edited by V. Masson-Delmotte et al., 32 pp., World Meteorol. Organ., Geneva, Switzerland.

[6 ]Jones, M. M., et al. 2018. Evaluating Late Cretaceous OAEs and the influence of marine incursions on organic carbon burial in an expansive East Asian paleo-lake. Earth and Planetary Science Letters 484, 41-52.

[7] O’Brien, C. L., et al. 2017. Cretaceous sea-surface temperature evolution: Constraints from TEX86 and planktonic foraminiferal oxygen isotopes. Earth-Science Reviews 172, 224-247.

[8] Tierney, J. E., et al. 2020. Past climates inform our future. Science 370, eaay3701.

[9] Wang, C., et al. 2013a. Cretaceous paleogeography and paleoclimate and the setting of SKI borehole sites in Songliao Basin, northeast China. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 385, 17-30.

[10]Wang, C., et al. 2013b. Late Cretaceous climate changes recorded in eastern Asian lacustrine deposits and North American Epeiric sea strata. Earth-Science Reviews 126, 275-299.

[11]Wu, H., et al. 2014. Cyclostratigraphy and orbital tuning of the terrestrial upper Santonian–lower Danian in Songliao Basin, northeastern China. Earth and Planetary Science Letters 407, 82-95.

[12]Xi, D., et al. 2016. Late Cretaceous marine fossils and seawater incursion events in the Songliao Basin, NE China. Cretaceous Research 62, 172-182.

 

 



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