發(fā)布時間：2017-12-09 02:12

  本文關鍵詞：華南早—中三疊世天文年代學與古環(huán)境變化的天文驅動力

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【摘要】：地球-太陽的相對位置深刻影響了地層中記錄的萬年到百萬年尺度的氣候變化,這就是廣為接受的米蘭科維奇理論。分析并解讀沉積巖石中的古氣候替代性指標及其所蘊含的天文信號,對校準天文地質年代和理解地球過去的古氣候記錄,以及預測未來全球氣候變化都具有非常重要的科學意義。本文利用天文旋回理論,以中國南方的基礎地層學研究工作扎實、作為國際對比的主要參考標準的海相中-下三疊統(tǒng)地層為材料,探索了16種古氣候替代性指標的內在聯(lián)系與優(yōu)劣,建立浮動天文年代標尺,并輔以磁性地層學研究,結合生物地層學和同位素絕對測年等的最新成果,建立起中-下三疊統(tǒng)高精度的連續(xù)的絕對天文年代標尺,為早-中三疊世國際地質年代表的天文校準提供重要的科學依據(jù)；在此基礎上探索了三疊紀早期全球氣候、環(huán)境變化的天文驅動因素。獲得了如下幾點創(chuàng)新性研究成果：1.首次建立了16種古氣候替代性指標的內在聯(lián)系的分支樹綜合運用沉積記錄中的多種古氣候替代性指標,以增加人們對古氣候與古環(huán)境變化特征的認識。但是,這些指標對氣候變化的敏感性、對地球軌道變化驅動的氣候波動的響應、各古氣候替代指標之間的內在聯(lián)系等方面都是亟待解決的科學問題。為了解讀多種古氣候指標的相互關系,并分析單個指標的氣候變化敏感性,本文提出兩個評判多指標數(shù)據(jù)的優(yōu)劣的標準：(1)對于那些受到相似氣候過程驅動的指標,其在時間軸上的波動變化的特征應該是相似的；(2)對地外氣候驅動力(如米蘭科維奇旋回的天文驅動力)更敏感的指標要優(yōu)于那些不甚敏感的指標。為此,本文引入了2個方法來評判這些標準：(1)層級聚類分析(HCA)用來探索多指標的數(shù)據(jù)的波動(能譜)形態(tài),來判斷氣候指標的內在相似度；(2)能量分解分析(PDA),這一方法用來分析指標波動中的能量組成,并提取出時間域上歲差,斜率與偏心率周期的能量之和在總波動中的占比,來判斷該指標對外部天文驅動力的敏感度。為此,利用本文建立了高精度時間標尺的中國華南湖北宜昌峽口鎮(zhèn)大峽口剖面,采集了高分辨率的16種氣候替代指標的物理氣候參數(shù)數(shù)據(jù),并分析了這系列氣候指標的內在關系,以及氣候指標的天文驅動的波動能量占比來分析其敏感性。這16個指標分別是總自然伽馬能譜,鉀,釷,鈾,釷鈾比,釷鉀比,顏色指標中的亮度(L*),紅度(a*),藍度(b*),磁化率,非磁滯性剩磁(ARM),巖相序列,簡化巖相序列,非碳酸鹽巖比率,碳酸鹽巖單層厚度,泥灰?guī)r單層厚度。層級聚類分析(HCA)表明聚類到同一分支的指標可能受控于類似的氣候過程。得出早三疊世大峽口剖面的ARM與釷鈾比反映了陸地內部風化過程,自然伽馬,鉀,鈾,釷,磁化率和非碳酸鹽巖比率指標反映了海相沉積物中陸源碎屑物質的輸入。亮度L*,紅度a*以及巖相序列分別反映了生產(chǎn)力,氧化還原環(huán)境以及相對海平面的波動。在弄清氣候替代指標的氣候意義的基礎上,我們利用自然伽馬能譜以及磁化率指標進行了本文的主要數(shù)據(jù)采集工作。本文建立了迄今為止第一個多氣候替代指標的內在關系的分支樹。2.建立了下三疊統(tǒng)的高精度綜合地質年代標尺2億5千萬年前,地球發(fā)生了最為慘烈的二疊紀末生物大滅絕,隨后又經(jīng)歷了的長達500萬年的漫長而艱難的早三疊世生物復蘇。這一系列重大的地質事件,深刻地影響了地球的氣候與生態(tài)環(huán)境。然而,國際上對這一系列過程發(fā)生的時間的認識存在很大的爭議,導致了國際地層委員會與國際地質年代表編寫團隊在早三疊世的國際年代表上存在重大分歧。例如,印度階的持續(xù)時間問題上,國際地層委員會推薦的時間是1個百萬年；而國際地質年代表編寫團隊將印度階的持續(xù)時間修訂為2.2個百萬年。本文采用天文旋回與磁極性地層學方法,并結合生物地層等綜合手段,對華南的煤山,巢湖,大峽口和關刀四條早三疊世剖面(包括金釘子及其候選剖面和早三疊世重要剖面),在野外獲取大量高分辨率的古氣候數(shù)據(jù),識別出氣候變化的40萬年長偏心率軌道周期。由此校準了早三疊世印度階與奧倫尼克階的地質時限分為2百萬年和3.1百萬年；這一結果同時得到了德國陸相三疊系盆地的天文-磁極性結果的驗證。文章將天文年代標尺上的二疊-三疊紀界線年齡錨定在251.902±0.024 Ma,由此得到早三疊世的重要界線年齡：如Dienerian亞階底界年齡為250.5±0.1 Ma,Smithian亞階底界(即奧倫尼克階底界)年齡為249.9±0.1 Ma,Spathian亞階底界年齡為248.2±0.1 Ma,安尼階底界(早-中三疊世界線)年齡為246.8±0.1 Ma。這一高精度年代標尺的校準,對二疊紀生物大滅絕與早三疊世氣候變化與生物演化的認識具有重要意義。文章還同時計算出二疊紀大滅絕,斯密斯亞階與斯帕斯亞階過渡期的極熱事件分別持續(xù)了4萬年和5萬年。并得出以安徽巢湖的海生爬行動物為代表的生物初步復蘇事件發(fā)生在二疊紀大滅絕的470萬年之后。該項研究的成果發(fā)表后,早三疊世的校準結果部分被2016年6月出版的《Concise Geological Time Scale 2016》一書中多次引用。3.建立了中三疊統(tǒng)安尼階的高精度天文年代標尺中三疊統(tǒng)安尼階的持續(xù)時間一直存在爭議,而且缺乏可靠的高分辨率的天文校準。本文對華南貴州關刀剖面進行了高分辨率的的數(shù)據(jù)采集,獲得了大量自然伽馬和磁化率數(shù)據(jù)。對系列數(shù)據(jù)的能譜分析,揭示了米蘭科維奇驅動的長、短偏心率周期,斜率周期和歲差周期的存在。在此基礎上,本文完成了對伽馬和磁化率的天文調諧工作,獲得了安尼階的浮動天文年代標尺。安尼階的持續(xù)時間為5.6+0.2百萬年。若安尼階底部年齡被錨定在本文計算的246.8+0.1 Ma,那么安尼階與拉丁階的界限年齡為241.2±0.2 Ma。這一結果較國際地層委員會推薦的～242 Ma在精度上有了較大的提高。這一年代標尺為安尼階發(fā)生的一系列地質事件,這為全球海平面變化,碳同位素曲線,生物化石帶以及磁極性年代表提供了高分辨率的年代標尺。以上高分辨率年代標尺工作,較大程度上改寫了早-中三疊世系列地質事件發(fā)生的時間認識,為系列重大地質事件發(fā)生的成因機理的全新認識打下了基礎。4.探討了三疊紀早期的全球環(huán)境變化與生物復蘇過程的天文驅動因素中生代之初,地球在二疊紀末生物大滅絕之后,經(jīng)歷了大致5百萬年的地球系統(tǒng)的動蕩,包括不穩(wěn)定的生物復蘇,重復出現(xiàn)的全球變暖甚至極端高溫,大洋多次缺氧,全球碳循環(huán)的多次擾動。這多次重復出現(xiàn)的地質事件間歇,氣候環(huán)境相對適宜,生物短暫復蘇。這一系列引人注目的事件在過去很長一段事件多被歸結到西伯利亞的大火山巖省的巨量且重復的噴發(fā)。過去報道的測年資料似乎證實了這一假說；然而,最近的麻省理工學院的大量高精度鋯石U-Pb測年工作表明,西伯利亞火山噴發(fā)主體開始于大滅絕之前的30萬年,在50萬年之后趨于沉寂。若如此,相對短暫(小于1百萬年)的西伯利亞火山活動,可能未必是造成早三疊世5百萬年重復性極端事件的原因。利用本文建立的巢湖與大峽口剖面的高分辨率的天文年代標尺和古氣候數(shù)據(jù),來分析早三疊世古氣候變化中的天文驅動力及其與古氣候變化的關系。古氣候指標數(shù)據(jù)主要采用自然伽馬數(shù)據(jù)來探討陸地風化過程中的天文驅動。結果顯示,自然伽馬數(shù)據(jù)顯示了地球斜率周期為32.8千年,并在百萬年時間尺度上具有重復增強減弱的現(xiàn)象,這一重復增強的斜率信號對應到天文學家Laskar預測的1.2百萬年周期。32.8千年的周期揭示了早三疊世的每天的時間長度(日長)為22小時。而1.2百萬年的斜率調制周期則是迄今報導的可對比到理論預測曲線的最古老的地質記錄的周期,這反映了地球與火星軌道的在百萬年尺度上的相互影響,引起了地球氣候的長周期變化。更為有趣的是,將華南剖面檢測到的1.2百萬年周期與早三疊世重復出現(xiàn)的地質事件的對比發(fā)現(xiàn),早三疊世的全球海平面變化、溫度波動、大洋氧化還原環(huán)境的變化與生物演化的重復性變化等事件與長周期的斜率周期具有較好的對應關系,因此推斷這些事件的變化可能是受到1.2百萬年長斜率周期的驅動。提出斜率對氣候環(huán)境的驅動機制可能是地球的斜率驅動了水循環(huán)和熱量的全球緯向分布。在斜率1.2百萬年周期的振幅極大值處,相對較強的全球水文循環(huán),將海洋的水帶到陸地。由于陸地的含水層的儲水、排水過程可以導致高達300米的海平面變化(這一假說近年來得到越來的關注和支持)。斜率周期由此可以驅動海平面的百萬年尺度的變化和三級層序,和全球熱量的再均衡。由于極端高溫和大洋缺氧被認為是早三疊世生物不穩(wěn)定復蘇的決定因素,百萬年尺度的斜率周期通過控制水熱的海陸和緯向分布,影響海平面變化,進而對大洋環(huán)流的強度和氧化還原環(huán)境,乃至生物的復蘇與蕭條造成重要的影響。因此,在最新測年資料不支持西伯利亞火山活動作為早三疊世全球氣候動蕩原因的情況下,本文提出1.2百萬年的地球斜率調制周期可能控制了早三疊世的全球氣候變化。5.提出了計算海平面變化曲線的環(huán)境噪音動態(tài)波動模型過去海平面的變化不僅深刻影響了氣候,環(huán)境與生物,同時也影響了對現(xiàn)在進行的海平面上升這一全球問題的認識。在冰期,短暫(小于百萬年)而劇烈(高達200m)的全球海平面波動與大陸冰川的增生與消融密切相關。溫室時期的海平面變化規(guī)模相對很微弱,三疊紀被認為是過去6億年地球上最溫暖的時期之一,沒有冰川活動。然而,Haq及其合作者建立的三疊紀的全球海平面變化曲線指出三疊紀存在著重復性出現(xiàn)的0.5-3百萬年尺度的變化,并對應于三級層序。這些三級層序對應的海平面變化規(guī)�？蛇_數(shù)十米。這些三級層序,若能在時間尺度上高精度對比,將會對現(xiàn)有的海平面變化機制造成重大挑戰(zhàn)。本文提出了一個新的確定海平面變化時間的手段,稱之為"dynamic noise in sea-level"或者"dynamic non-Milankovitch signal in sea-level"((簡稱DNS),描述了海平面升降相關的環(huán)境噪音的動態(tài)波動模型。在本文建立的早三疊世的高精度的年代標尺基礎上,應用了這一模型,利用華南早三疊世剖面獲得了一個高分辨率的海平面變化曲線。這一曲線顯示那些記錄在歐洲特提斯地區(qū)的海平面大規(guī)模下降事件,同樣在華南地區(qū)同步記錄著,證實了這些海平面下降事件是全球性事件。在無冰川的早三疊世,大陸含水層的巨量儲水和排水,可能是最好的解釋。大陸含水層的儲水排水可能深刻影響了整個顯生宙的全球海平面變化；而本文提出的全新的海平面變化的DNS模型有望應用到整個地質歷史時期,建立高分辨率的新的全球海平面變化曲線。
【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P532
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本文編號：1268693