早始新世气候适宜期形成机制探讨

罗 增，聂军胜,

1.兰州大学 资源环境学院 西部环境教育部重点实验室，兰州 730000

2.中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心，北京 100101

自工业革命以来，由于人类对化石燃料需求的增加，导致大气中CO2等温室气体含量逐渐升高，全球气候持续变暖。人类活动导致的全球变暖对大气环流、海洋环流、降水强度和模式以及大陆冰盖的稳定性等自然环境状况产生了深远的影响，这些自然状况的变化将会引发一系列社会问题（Zachos et al，2008；唐自华，2011；IPCC，2013）。因此，全球变暖问题受到各国科学家的广泛关注（Zachos et al，2008；陈祚伶和丁仲礼，2011；唐自华，2011；IPCC，2013）。然而，在未来全球持续变暖的背景下，气候对温室气体持续升高的响应还不是十分清楚（Zachos et al，2008；唐自华，2011；IPCC，2013）。为了加深对未来气候变化的认识，研究地质历史时期几段显著温暖时期及多个温暖事件的成因尤为必要。新生代以来全球气候从古—始新世两极无冰的“温室”状态逐渐过渡到始新世晚期南极存在非永久性冰盖阶段，再到渐新世早期南极地区存在永久性冰盖和中新世晚期北极地区存在非永久性冰盖，最后演化到第四纪以来的两极均存在永久性冰盖的“冰室”状态（Zachos et al，2008）。值得注意的是，地质历史时期中三段显著温暖时期和多个温暖事件是叠加在新生代气候逐渐变冷的趋势上（图1）。三段显著温暖时期分别是早始新世气候适宜期（Early Eocene Climate Optimum，简写为EECO）、中中新世气候适宜期（Middle Miocene Climatic Optimum，简写为MMCO）和上新世气候适宜期（Pliocene Climatic Optimum，简写为PCO）（Zachos et al，2008；唐自华，2011）。而主要温暖事件包括PETM（Palaeocene — Eocene Thermal Maximum）、EM2（Eocene Thermal Maximum 2）、EM3（Eocene Thermal Maximum 3）等（Zachos et al，2008；Sexton et al，2011；DeConto et al，2012）。其中，早始新世气候适宜期是地球在经历PETM等温暖事件之后形成的一段稳定的温暖期，相较于中中新世和上新世气候适宜期更加温暖（Zachos et al，2008；宋博文，2013）。

目前国内外地学界生成的高分辨率、定量的早始新世气候适宜期气候变化记录较少，如CO2记录（图1），尽管如此，初步的研究结果表明早始新世气候适宜期CO2浓度的变化范围约 为600 — 2000 μmol · mol-1，高 于 现 今 浓 度 水平（Cerling，1992；Freeman and Hayes，1992；Covey et al，1996；Sloan and Rea，1996；Zachos et al，2001；Lowenstein and Demicco，2006；Smith et al，2010；唐自华，2011；Beerling and Royer，2011）。然而，部分研究也认为此时期CO2浓度应超过2000 μmol · mol-1（Yapp，2004）。早始新世气候适宜期全球平均温度比现在高约(13 ± 2.6)℃（Caballero and Huber，2013；Burke et al，2018），北极地区和南太平洋塔斯马尼亚地区年均温度则分别达到13 — 15℃和34℃（Bijl et al，2009；Greenwood et al，2010），导致南北半球高低纬之间温度梯度显著减小（Shackleton and Boersma，1981；唐自华，2011）。同时，全球年平均降雨量远高于现今水平，北极地区因云量大幅度增加使得空气中的水汽含量约是现在的2倍（Sloan and Rea，1996；Jahren and Sternberg，2003）。降雨量显著的增大和高低纬温度梯度的减小使得此时期植被广泛分布于全球各个纬度，南极和北极地区曾一度发育大片的森林（Taggart and Cross，2009；Morley，2011）。例如：落羽杉、水杉曾广泛分布于北极埃尔斯米尔岛地区，指示该地区当时气候比较温暖湿润（Mckenna，1980；Basinger et al，1994；Williams et al，2009；Greenwood et al，2010）。此外，来自现今干旱区的记录也表明早始新世气候适宜期受温暖湿润的气候条件控制。如位于中国西部干旱区的柴达木盆地在该时期广泛发育湖相地层，指示该地区在早始新世气候适宜期显著湿润（Wang et al，2011）。与此同时，北美地区绿河盆地的古土壤则记录了该区域在早始新世气候适宜期的降水量比现今高750 mm，显著不同于该区域现今干旱少雨的气候特征（Hyland and Sheldon，2013）。

图1 全球深海底栖有孔虫氧同位素记录的温暖时期和主要温暖事件（据Zachos et al（2008）修改）及各指标重建的新生代CO2浓度（据Beerling and Royer（2011）修改）Fig. 1 The warm intervals and main warm events from the record of deep-sea benthic oxygen isotope (modified form Zachos et al (2008)), and Cenozoic CO2 history reconstructed by a variety of proxies (modified form Beerling and Royer (2011))

由于人类活动在未来时期可能导致大气CO2浓度超过1000 μmol · mol-1，造成类似于早始新世气候适宜期的极端温暖气候出现（Zachos et al，2008；Burke et al，2018）。因此，研究地质历史时期中早始新世气候适宜期的形成机制对于理解未来地球气候系统如何变化至关重要。然而，过去对新生代温暖时期驱动机制的研究主要集中于温暖事件（如PETM）的成因研究，很少涉及气候长期温暖时间段（如EECO）的驱动机制问题，从而导致至今在回答以下问题时仍有比较大的不确定性：温室气体的释放是否是造成早始新世气候适宜期形成的主要原因？假如温室气体是早始新世气候适宜期形成的主要原因，又是什么因素促使其释放？因此，确定早始新世气候适宜期的形成机制俨然已成为目前亟待解决的问题。

1 早始新世气候适宜期的时间标尺

确定早始新世气候适宜期的发生时间是研究该时期驱动机制的必要前提。早期Zachos et al（2001）通过总结深海钻探计划（DSDP）、大洋钻探计划（ODP）40多个站位点的深海底栖有孔虫氧同位素（δ18O）数据，并根据深海底栖有孔虫δ18O偏负达到极大值的阶段，确定早始新世气候适宜期的发生时间为52 — 50 Ma，而后Zachos et al（2008）在综合更多高分辨率深海底栖有孔虫δ18O记录的基础上（如ODP1051站点），更新了深海δ18O曲线，并将这一时期整体往前推移了一个百万年，确定为53 — 51 Ma。继Zachos et al （2001）、Zachos et al（2008）的研究后，Wang et al（2011）通过对柴达木盆地北缘锡铁山剖面沉积物中黏土矿物进行分析，发现在53.3 — 49.7 Ma，高岭石和蒙脱石的含量显著高于伊利石和绿泥石的含量，认为这一时期为早始新世气候适宜期。此外，来自新西兰Clarence河谷地区岩性和碳同位素的记录表明，以蒙脱石为主的泥灰岩主导了53.4 — 51.6 Ma时期的岩性变化且碳同位素呈现显著的负漂现象（Slotnick et al，2015），支持更新后的深海氧同位素及柴达木盆地记录的早始新世气候适宜期发生在53 Ma左右。然而，也有学者通过对地层记录的分析发现早始新世气候适宜期应发生在52.4 Ma之后，并且该时期的极度温暖期应发生在51 Ma左右（宋博文，2013）。

综上所述，虽然各陆地记录的早始新世气候适宜期的发生时间大致与深海δ18O确定的53 — 51 Ma相近，但对于其准确的发生时间仍存在以下问题：一是目前仍缺乏连续且更高分辨率的深海记录。二是陆地上对于早始新世气候适宜时期的记录仍比较缺乏，单从几个陆地沉积记录无法确定该时期准确的发生时间。三是缺乏高分辨率的深海和陆地记录的对比，进而使得早始新世气候适宜期准确的发生时间仍不明确。

2 早始新世气候适宜期古地理格局

早始新世古地理格局与现今地理格局存在较大差异（图2）。早始新世时期，大西洋面积远不及现今宽广，南北美洲与欧亚大陆及非洲大陆距离较近（Torsvik and Cocks，2017）。在南半球，南极大陆已处在南极位置，澳大利亚大陆逐渐与之分离，并向北移动，但澳大利亚大陆和南极大陆之间依然有浅海相连（拓守延和刘志飞，2003；Torsvik and Cocks，2017）。此 外，非 洲大陆和南极大陆之间、南美洲和南极大陆之间的海域此时已较为宽阔。而澳大利亚大陆此时与南极大陆距离较近，与现代格局显著不同（Covey et al，1996）。在北半球，非洲大陆和印度半岛仍与亚欧大陆相距较远，导致此时期特提斯洋面积 较 大（Covey et al，1996；Torsvik and Cocks，2017）。此外，南美洲此时离北美洲较远，南北美洲之间尚未有地峡相连（图2）。

图2 早始新世古地理格局（据Zachos et al（2001）修改）Fig. 2 Paleographic setting for the early Eocene (modified from Zachos et al (2001))

早始新世之后，大西洋面积继续扩大，南北美洲与欧亚大陆及非洲大陆逐渐分开。南极大陆与澳大利亚大陆最终分离，导致南极大陆与澳大利亚大陆之间的塔斯曼尼亚海道形成（Torsvik and Cocks，2017）。非洲大陆和印度半岛向欧亚大陆靠近，特提斯洋面积逐渐减小（拓守延和刘志飞，2003；宋春青等，2005；Torsvik and Cocks，2017）。南美洲逐渐靠近北美洲，世界古地理格局越来越接近现代地理面貌（宋春青等，2005）。

3 早始新世气候适宜期的驱动机制

目前地学界对于早始新世气候适宜期驱动机制研究相对较少。因此，通过回顾过去提出的针对构造尺度气候变化的假设来探讨早始新世气候适宜期可能的形成原因，能为今后的研究提供借鉴。构造时间尺度气候变化的假设可以分为两类：（1）温室气体变化学说和（2）星际暗物质影响地球温度学说。其中温室气体变化学说又可细分为隆升侵蚀学说、海底扩张学说及甲烷水合物分解学说。

3.1 温室气体变化学说

3.1.1 隆升侵蚀学说

隆升侵蚀学说认为大气中CO2浓度主要是由山脉和高原隆升引起的陆地硅酸盐化学风化作用控制的。构造隆升作用将加速岩石的机械破碎和增加岩石与空气的接触面积，加强硅酸盐风化。同时，隆升地区往往伴随降雨量增加和地震活动性增强，使得风化产物能及时得到搬运，造成新鲜岩石不断暴露于地表持续接受风化，从而使得大气CO2浓度降低，造成全球气候变冷。相反，在构造隆升较弱的情况下，陆地风化作用减弱，使得大气CO2浓度相对较高，气候则相对较温暖（Raymo and Ruddiman，1992）。然而，该学说的一个缺陷是缺乏有效的负反馈机制，以避免大气CO2在几百万年内被化学风化全部消耗掉。近来的研究为完善这一学说提供了新的思路。研究人员认为随着山脉的隆升，不但化学风化增强，而且岩石中的硫化物得到暴露并被氧化，氧化后的硫酸能够溶解岩石中的碳酸盐从而把CO2返回到大气中，提供了一种有效的负反馈机制（Torres et al，2014）。此外，Fang et al（2019）通过对比分析柴达木盆地和西宁盆地的化学风化强度及与全球深海δ18O和CO2记录的相关性，提出全球变冷可作为一种有效的负反馈机制，认为全球变冷通过抑制非构造隆升地区的化学风化强度，可以有效地缓解构造隆升地区因增强的化学风化作用导致的大气CO2浓度下降，进而减缓全球大气CO2的下降速度。

根据隆升侵蚀学说，由于早新生代时期青藏高原并未隆起，陆地风化减弱，从而使得大气CO2浓度相对较高，造成早新生代温暖期的形成（Raymo and Ruddiman，1992；Riebe et al，2001；Ruddiman，2007）。而自始新世中晚期开始，青藏高原经历阶段性抬升（Molnar and Tapponnier，1975；钟大赉和丁林，1996；Dupont-Nivet et al，2008；Yuan et al，2013），加强了陆地风化作用，从而引起大气CO2浓度降低，造成了新生代自始新世暖期后气候逐渐变冷（Raymo and Ruddiman，1992）。然而，该学说无法解释在山脉和高原没有大幅度隆升的情况下古新世时期的气候不如早始新世温暖的现象，因此该学说不能有效解释早始新世气候适宜期的成因（表1）。

表1 早始新世气候适宜期形成机制检验Tab. 1 A test of forcing mechanisms of the Early Eocene Climatic Optimum (EECO)

3.1.2 海底扩张学说

海底扩张学说又称BLAG假说，是以Robert Berner、Antonio Lasaga和Robert Garrels三位作者姓氏首字母缩写命名。该学说强调在海底扩张速率加快时期，洋中脊和俯冲带地区岩浆大量上涌、火山活动加强，导致CO2被大量排放到大气中，造成气候变暖。相反，在海底扩张速率减缓时期，由洋中脊和俯冲带地区产生的CO2相应减少，导致气候变冷（Berner et al，1983）。与隆升侵蚀学说把化学风化作为大气CO2变化的主要驱动力不同的是，该学说把化学风化作为负反馈机制。当大气中CO2浓度较高时，化学风化速率较大，避免CO2无限制升高，而当海底扩张速率较慢时，大气CO2浓度较低，导致化学风化速率较低，从而避免气候持续变冷。

180 Ma以来的全球洋壳制造速率显示，海底扩张速率自侏罗纪以来呈加快趋势，期间在早始新世气候适宜期海底扩张速率有个明显的高值（Conrad and Lithgow-Bertelloni，2007）（图3），可以解释早始新世气候温暖（表1）。然而，海底扩张速率自40 Ma以来增加的趋势却与大陆冰盖显著增长趋势相悖，因此，虽然该学说可以解释早始新世气候适宜期的形成，但在解释新生代气候后期变冷的趋势方面存在明显的缺陷，可能需要结合隆升侵蚀假说才能完全解释新生代气候变化的特征。尽管如此，近期的研究结果表明在千万年和更长时间尺度上该学说可以有效解释地球气候的冷暖变化。由于海底的快速扩张会导致大陆解体和大量火山弧存在，而火山弧形成时期大量同时代的锆石会形成，因此这些锆石年代的富集期就对应海底快速扩张时期（McKenzie et al，2016）。McKenzie et al（2016）收集了120000个碎屑锆石U-Pb年龄整理出了全球锆石U-Pb年龄分布，并发现寒冷的成冰纪、志留纪、二叠纪和新生代中晚期火山弧同时代的年轻锆石丰度相对较低，揭示大陆火山弧分布减少，海底扩张速率较低（图4）；相反，温暖的寒武纪，侏罗纪 — 白垩纪和早新生代时期火山弧同时代的年轻锆石丰度相对较高，指示大陆火山弧广泛分布，海底扩张速率较高（图4），从而在千万年和更长的时间尺度上支持海底扩张学说。

图3 全球洋壳制造速率（据Conrad and Lithgow-Bertelloni（2007））Fig. 3 Global seafloor production rates (after Conrad and Lithgow-Bertelloni (2007))

图4 年轻锆石颗粒累积频率比与大陆运动状态、CO2浓度和冰室 — 温室时期对比图（据Mckenzie et al（2016）修改）Fig. 4 Cumulative frequency of young zircon grains compared to the configuration of continents, modeled Phanerozoic CO2 levels, and icehouse — greenhouse intervals (modified from Mckenzie et al (2016))

3.1.3 甲烷水合物分解学说

甲烷水合物是以甲烷为主的类冰状结晶物质，其稳定状况取决于海底温度和压力，当温度升高或者压力减小时，甲烷水合物容易分解（Kvenvolden，1993；Dickens et al，1995）。基于这一观点，研究者们认为众多的温暖事件和温暖期的形成很可能是由于海洋深层水温度的不断升高，致使大量的甲烷水合物分解，进而导致大量的甲烷气体进入大气中所导致（Dickens et al，1995；Jahren et al，2001；Zachos et al，2001；Sluijs et al，2007；陈祚伶和丁仲礼，2011；江湉等，2012）。然而甲烷水合物分解假说成立需要先假定全球逐渐变暖（Dickens et al，1995；Thomas et al，2002）。因此该假说只是提供了一个较为有效的正反馈机制，但并不能从根本上解决早始新世气候适宜期形成的最终驱动机制。值得注意的是，海底扩张速率在始新世时期的增加，可以作为该正反馈机制的驱动因素。因此，本文认为海底扩张速率可能是触发因素，引发了海底甲烷的溶解，导致该时期气候持续温暖。然而，海底是否有足够的甲烷水合物来维持早始新世适宜期的极端温暖气候，目前没有系统的研究（表1）。

3.2 星际暗物质的影响

最近的一些研究表明宇宙中可能存在大量暗物质（Ashman，1992），这些物质能够对深部地球起到加热作用，从而能够对火山活动、地球磁场、大气环境产生重要的影响。目前物理学家正在改进仪器来捕捉或者确认暗物质是否存在。尽管如此，最近Chen et al（2015）通过对新生代时期地磁倒转速率、板块俯冲速率及深海δ18O记录的分析，指出新生代时期存在一个因太阳系银河轨道面发生变化而形成的13 Ma周期，并认为该周期的存在使地球核部更容易获得处在银河系的暗物质，进而使地球核部温度明显升高（图5）。而在地球核部温度不断升高的情况下，地磁倒转频率加快，从而使得地磁场强度变弱，加快了氧离子的逃逸速度，引起大气氧离子水平下降。在低氧和低密度的大气条件下，大气中的云层和空气分子对太阳辐射散射作用减弱，导致太阳辐射迅速增强、大气中水汽含量的增加以及温室效益的加强（Poulsen et al，2015），最终推动全球平均温度升高，形成包括早始新世气候适宜期在内的温暖时期（Chen et al，2015）（表1）。由于早始新世气候适宜期对应较高的地球磁场倒转频率且深海δ18O记录存在明显的13 Ma 周期（Chen et al，2015），因此这些观察似乎支持该假说（图5）。

图5 地磁倒转频率曲线及小波分析图（据 Chen et al（2015）修改）Fig. 5 The variation curve and wavelet analysis of geomagnetic reversal frequency (modified from Chen et al (2015))

4 结论与展望

与中中新世气候适宜期和上新世气候适宜期相比，早始新世气候适宜期是新生代期间气候最为温暖的一段时期。本文对该时期气候温暖的驱动机制进行了初步探讨。结果表明：早始新世气候适宜期可能与当时海底扩张速率较快有密切关系。较快的海底扩张速率不但引发了大量的CO2从洋中脊中释放出来，而且导致大陆边缘俯冲带生成了大量的火山，造成大陆壳和海洋沉积物中的碳酸盐释放CO2到大气中。这一过程可能进一步引发了海底甲烷的释放，导致更显著的温室效应，形成了早始新世气候温暖期。

如果未来研究确认暗物质的存在，上述过程的最终驱动力可用早始新世期间更多的星际暗物质到达地球导致地核加热所解释。因为地核变热会加快板块运动和地磁场的倒转，从而对地球气候产生深远的影响。然而目前关于暗物质的研究还处于初级阶段，今后地球物理学界可能需要与物理学和天文学更加紧密结合，进一步加强该方向的研究。而古气候学界则需要生成更多高分辨率的、涵盖早始新世气候适宜期的可靠气候记录，为气候模拟提供基础数据。目前涵盖早始新世气候适宜期的大陆古气候记录分辨率不足以解决轨道尺度和更短时间尺度气候变化信息，未来尤其需要加强从大陆盆地沉积速率高的地区生成千年—万年分辨率的古温度、古降水和古大气CO2记录并与深海记录进行对比，并通过海陆整合和古气候记录与模拟整合的策略加深对这一新生代持续极端温暖时期气候变化规律和驱动机制的认识。