科研快讯高分辨率天文年代学视角下的古新世始新世极热事件

　　李明松1. 古新世-始新世极热事件：当今全球变化的参考案例
　　5600万年前，地球上发生了自恐龙大灭绝以来最为醒目的变暖和生态灾难事件，称为古新世-始新世极热事件（PETM， 图1）。事件期间，全球平均温度快速地升高了5.6℃ (Tierney et al., 2022)，标志着地球气候系统从暖室状态向热室状态的根本性转变(Westerhold et al., 2020)。这次事件持续了约20万年，期间还发生了一系列重大环境和生物事件，如碳循环扰动、大洋酸化(Zachos et al., 2005)、海洋脱氧(Yao et al., 2018)、底栖有孔虫灭绝(Gibbs et al., 2006)、陆地上哺乳动物快速演化和普遍侏儒化(Bowen et al., 2002)。PETM事件作为当今全球变暖的参考案例之一，一直是国际学术界的关注焦点(Cui et al., 2011; Kennett and Stott, 1991)。关于这次事件的成因，最广为接受的机制是巨量的碳排放(Gutjahr et al., 2017)。然而，到底是什么因素引发了碳排放，依然是个未解之谜。
　　图1 古新世-始新世极热事件复原图(Kump, 2011)
　　2.高可靠性的天文标尺，限定古新世-始新世极热事件启动时间为6000年
　　若要查明PETM事件的驱动机制和时空演化规律，高分辨率的年代地层框架必不可少。一些研究依据放射性同位素定年和天文年代学等方法，将此次事件的绝对年龄限定为~5600万年前（即~56.0 Ma） (Charles et al., 2011; Westerhold et al., 2018)或者55.6 Ma (Meyers, 2015)。然而，PETM事件的精细年代架构仍然存在争议。一般认为PETM事件的启动（Onset） 时间至少持续了数千年，从4000年到2.3万年不等(胡修棉等，2020)，然而，美国学者Wright和Schaller根据大西洋中部平原上获取的钻孔资料，认为PETM启动期跨越了13个沉积薄层，推断PETM的启动时间仅仅持续了13年(Wright and Schaller, 2013)，但是这些薄层被其他学者认为是钻探扰动的结果，而非原始沉积的年纹层(Pearson and Nicholas, 2014)。
　　对于相对快速地质事件的精细年代研究来说，基于天文轨道分析的旋回地层学是为数不多的可靠地质定年手段之一。地球绕太阳运行的轨道主要由三个参数来描述：偏心率、斜率和岁差。三个参数的韵律性变化控制了地球气候万年到十万年的周期性波动，这一理论在解释冰河世纪的成因方面取得了巨大的成功，被称为米兰科维奇理论。旋回地层学通过识别沉积地层记录的天文轨道周期信号，建立地层深度与天文参数曲线之间的关联，从而获得连续的高分辨率地质年代格架。
　　然而，已有的旋回地层研究遇到了一些挑战：缺乏优良的研究材料和客观的天文年代学分析手段。具体说来，已有的天文年代学研究往往依赖深海钻探资料，沉积速率较低、且容易受到沉积扰动的影响，如大洋酸化导致的沉积物溶解和生物扰动等；分析手段方面则主要依赖传统的旋回地层分析方法，主观性较强。
　　图2 美国马里兰沿海平原霍华德道(Howards Tract, HT)钻孔古新世-始新世极热事件的沉积记录及碳氧同位素记录。在全球，PETM事件前（中下部，绿黑色砂质粘土岩）和开始启动后（上部，黄灰色粉砂质粘土岩）的沉积记录截然不同，反映了地球表层系统状态的重大突变。
　　Li et al. (2022) 最近发表的一项关于PETM天文年代学的研究工作（图2）克服了上述两个困难。首先，其选择的研究区美国马里兰沿海平原（图3），为浅海沉积环境，PETM事件的地层沉积较厚，可达5-15米，沉积速率是深海沉积的十倍以上。该研究对获得的霍华德道(Howards Tract, HT)钻孔百余米岩心进行了高分辨率的元素和岩石物理性质扫描，获得了采样分辨率高达5毫米的古气候替代指标，如钙含量、磁化率等。其中，在宾州州立大学开展元素扫描获得的钙含量数据与在加州大学圣克鲁斯分校实验室分析获得的碳酸钙含量数据可以很好地对比，表明岩心扫描获得的高分辨率数据具有较高的可靠性。
　　图3 美国马里兰沿海平原HT钻孔位置图（红色五角星所示）。红线代表古海岸带。
　　其次，该研究采用近年来在天文旋回领域涌现的客观统计调谐方法，如威斯康辛大学Stephen Meyers教授开发的ASM(Meyers and Sageman, 2007)和timeOpt方法(Meyers, 2015)、北京大学李明松开发的COCO方法(Li et al., 2018)。统计调谐方法的优势是可以实现沉积速率的可视化，有效地利用统计方法开展零假设（即没有天文信号）检验，结果不仅能够提供最优的沉积速率，还能检验＂沉积地层中存在天文信号＂的可信度。根据沉积速率可视化的结果，利用获得的最优沉积速率，可以实现从地层深度到地质时间的转换，获得高可靠性的天文年代标尺。
　　图4 古新世-始新世极热事件的天文年代标尺(Li et al., 2022)。（a-c）调谐后的碳氧同位素和钙含量。红色滤波曲线标注的P0和P1代表两个完整的2万年岁差周期。（d）大西洋中部平原区MCBR钻孔的碳同位素表明该地区全岩碳同位素受成岩作用干扰。但是，全岩碳同位素数据结合化石资料等，依然可以提供PETM启动期的地层位置信息（红色区域）。
　　美国马里兰沿海平原HT钻孔研究结果表明，这次极热事件的启动期耗时不到6000年（图4）。这一结果与传统旋回地层分析和模拟推算结果一致。例如，意大利半深海相Forada剖面和西班牙浅海相Zumaia剖面的旋回地层学研究认为， PETM启动期耗时约5000年；基于地球系统模型cGENIE和LOSCAR以及沉积混合模型的模拟推算，PETM启动期持续了3000-5000年。
　　以往广为接受的碳排放研究假定这次极热事件启动期耗时2万年，据此估算的碳排放速率为每年6亿吨碳(Gutjahr et al., 2017)。在新的可靠天文年代格架下， PETM碳排放速率估计值可以达到每年10亿吨碳。尽管如此，其速率也仅仅为当下人为碳排放速率（每年约100亿吨碳）(Friedlingstein et al., 2020)的十分之一。因此，人类活动导致的碳排放规模空前，若不加控制的话，其对环境和生态的影响可能更甚于PETM事件(Zeebe et al., 2016)。3. 古新世-始新世极热事件触发机制
　　Li et al. (2022)获得的PETM事件启动年龄可以帮助我们进一步解读这次极热事件的触发机制。
　　前人提出的PETM的触发因素包括北大西洋大火成岩省有关的火山活动(Svensen et al., 2004)、天然气水合物的碳释放(Dickens et al., 1995)、轨道变化控制的碳埋藏和碳排放(Lourens et al., 2005)、小行星撞击(Schaller et al., 2016)等。这一研究获得的年代结果与小行星撞击说并不相容，因为后者发生的时间很短，以年为单位计算。相反，天文年代分析数据和地球系统模型均表明，这次极热事件发生在地球轨道偏心率的最大值时期，表明天文驱动力在触发该事件中也发挥了重要的作用。这一结论与同时发表的一项来自意大利伯爵夫人路剖面的旋回地层研究结果不谋而合(Piedrahita et al., 2022)。
　　在PETM事件之后，在相似的天文背景下还发生了多次相似的极热事件，它们往往与地球轨道偏心率周期的峰值存在时间上的相关性(Kirtland Turner et al., 2014; Zachos et al., 2010)。古气候模拟表明，偏心率驱动的大洋环流和温度变化能够导致天然气水合物的失稳(Lunt et al., 2011)，这可以解释在始新世早期极热事件发生的频率变大和幅度降低的现象。一些学者认为，10万年短偏心率周期，40万年长偏心率周期和百万年尺度的偏心率周期的综合作用，共同促进了还原性碳库，包括天然气水合物、海洋溶解有机碳、富有机质冻土等的增大和减小(Lourens et al., 2005; Sexton et al., 2011)。
　　图5 2022年9月26日，北溪天然气管道被人为破坏，导致了巨量的甲烷释放，相当于丹麦年排放量的32%，甲烷吸收红外线的能力远大于二氧化碳，其温室效应要比二氧化碳高出25倍。  4. 对古新世-始新世极热事件古气候与古环境研究的启示
　　这一研究还为PETM事件中的一些科学问题提供了思路。
　　首先，高温环境被认为更容易触发强降雨和强剥蚀，这一过程与强烈的硅酸盐化学风化和有机碳的快速埋藏共同驱动了PETM事件的恢复(John et al., 2008)。这一假说的支撑证据之一，就是以研究区为代表的沉积盆地的沉积速率在事件前后的倍数增长 (John et al., 2008)。然而，本次研究中沉积速率可视化的结果（图6）表明，大西洋中部沿海平原上的沉积速率变化并不显著。因此，全球变暖导致的古水文变化比预期的要更为复杂(Carmichael et al., 2017)。
　　图6 钙含量的演化快速傅里叶变换。红色虚线限定的区域为识别出的岁差信号，自下而上（由老到新），沉积频率缓慢变小，代表沉积周期缓慢变大。其中PETM的底部位于约200.4 m处。
　　其次，这项研究开展了地球系统瞬变模拟实验（图7），重现了沉积物中钙含量数据的天文周期信号，其中研究区碳酸钙的年输出量与沉积物中记录的钙含量在万年至十万年的天文尺度上可以对比。这种模拟结果与实际沉积记录的可对比性，为开展深时气候变化的天文驱动研究提供了思路。
　　图7 地球系统模拟与数据对比表明天文驱动力在触发古新世-始新世极热事件中发挥了作用。地球系统模拟的碳酸钙（上图）与实测数据的钙含量（下图）（灰线）、2万年岁差周期（红线）及其振幅调制曲线携带的10万年偏心率周期（黑线）可以对比。
　　第三，PETM时期全球发生了明显的大洋酸化事件。本次研究涉及的浅海沉积记录表明，钙含量在PETM事件之初降低，在PETM恢复期升高（图8），支持了PETM初期的全球海洋酸化波及到了浅海陆架地区(Bralower et al., 2018)，以及在PETM事件的恢复期出现碳酸盐过饱和的系列现象(Penman et al., 2016)。
　　图8 HT钻孔古新世-始新世极热事件的碳同位素记录与钙含量数据。其中钙含量在PETM事件之初降低，在恢复期升高，反映了大洋酸化后的碳酸盐过饱和现象。
　　本文作者为北京大学地球与空间科学学院研究员，本文系作者本人认知，相关问题交流可通过邮箱msli@pku.edu.cn联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。
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