《地质论评》：始新世——渐新世气候转变研究进展（肖国桥、张仲石、姚政权）

第58卷第1期地质论评 GEOLOGICAL REVIEW Vol. 58 No, I 2012年1月 2012 始新世一渐新世气候转变研究进展 肖国桥·2,张仲石34),姚政权”) 1)中国地质大学生物地质与环境地质国家重点实验室,中国武汉,430074 2)中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室,中国西安,710075; 3)中国科学院大气物理研究所竺可桢-南森国际研究中心,中国北京,100029 4)挪威 Bjerknes气候研究中心,挪威卑尔根,N-5007; 5)国家海洋局第一海洋研究所,海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室,中国山东青岛,266061 内容提要:始新世一渐新世(E-0)气候转变(34Ma前后)是新生代气候演化过程中最显著的变冷事件之 标志着地球气候由“温室”进入“冰室”。这一转变伴随着地球环境的一系列重大变化,对于研究新生代气候变冷的 驱动机制、区域气候对全球重大气候事件的响应方式、重大气候事件对生态环境及生物演替的影响等具有重要意 义。近年来地质记录和气候模拟在E-0转变研究上取得了一系列重要进展:①不同纬度区的地质记录揭示出这 转变伴随着全球性的显著降温指示其触发因素是全球性的;②气候模拟研究揭示出大气CO2浓度降低及与之联系 的全球碳循环变化是导致这一转变的主因,否定了传统认为的环南极流形成导致E-O气候变冷的假说;③深海沉 积记录揭示出这一转变过程持续400-500ka,表现为全球降温和南极冰盖形成先后两阶段变化;④海一陆气候记录 的对比初步揭示出陆地区域的干旱化可能主要与全球降温(对应于E-0转变的第一阶段)相关。当前对E-0气 候转变的研究还存在地质记录分辨率不够高、模拟结果与地质记录不完全吻合、陆地记录相对较少等方面的不足。 更精确的大气CO2浓度和温度的重建、更多高分辨率海一陆气候记录的研究以及古气候数值模拟的改进有望进一步 揭示出E一0转变过程中气候系统各要素的变化特征和相互关系,为更深入认识这一转变的驱动机制提供依据。 关键词:始新世一渐新世气候转变;全球变冷;大气CO2;气候变化机制 白垩纪以来,地球气候由极端的“温室气候”逐2007; Pearson et al.,2008)。这一气候突变的研究 渐演化为现今两极均发育大冰盖的“冰室气候”。对于认识新生代长期气候变冷的驱动机制、区域气 在长期的气候变冷过程中,最引人注目的是始新候对全球重大气候事件的响应方式、重大气候突变 世一渐新世(E—0)之交(34Ma前后)的气候变冷对生态环境和生物演替的影响等具有重要意义,故 事件,它导致了南极大陆冰盖的出现,标志着地球气 直是古气候学和古生物学关注的焦点之一。 候从“温室”进入“冰室”( Miller et al.,1987,1991 自20世纪70年代在深海中发现这一变冷事件 Zachos et al.,2001,2008)。这一事件还伴随着全以来,不同研究者相继对E-O气候转变的过程、特 球海平面的大幅快速下降( Katz et al.,2008)、全球征及其对生物演替的影响等开展了多方面研究,并 范围的显著降温( Dupont- Nivet et al.,2007; zanazzi对其驱动机制提出了多种假说。最近10年来,随着 et al. 2007: Lear et al. 2008: Schouten et al 高分辨率地质记录的不断报道和古气候数值模拟的 2008; Liu et al.,2009)、大气CO2浓度的明显降低突破,对E—O气候转变的研究取得了一系列重要 ( Pagani et al.,2005; Pearson et al.,2009)、赤道太进展。本文依据近年来的研究进展对E-0气候转 平洋碳酸盐补偿深度近1000m的变深( Coxall et变的研究现状进行了初步总结。 a.,2005)、全球性的生物演替( Meng and1地球环境系统在始新世一渐新世 McKenna, 1998; Ivany et al., 2003; Hansen et al. 2004: Retallack et al. 2004: Coxall and Pearson 转变中的变化 注:本文为中国博士后科学基金(编号20110491234)、黄土与第四纪地质国家重点实验室开放基金(编号 SKLLQG10286)、中国地质调查 局项目(编号121201121261)和生物地质与环境地质国家重点实验室开放基金(编号BGEG1010)共同资助的成果 收稿日期:201107-15;改回日期:20110904;责任编辑:黄敏 作者简介:肖国桥,男,1980年生。博士,主要从事新生代古环境演化研究。 Email: xgqpaocug@gmai.con

第 ５８卷 第 １期 ２０ １ ２ 年 １ 月 地 质 论 评 ＧＥＯＬＯＧＩＣＡＬＲＥＶＩＥＷ Ｖｏｌ．５８ Ｎｏ．１ Ｊａｎ． ２０１２ 注：本文为中国博士后科学基金（编号 ２０１１０４９１２３４）、黄土与第四纪地质国家重点实验室开放基金（编号 ＳＫＬＬＱＧ１０２８６）、中国地质调查 局项目（编号 １２１２０１１１２１２６１）和生物地质与环境地质国家重点实验室开放基金（编号 ＢＧＥＧ１０１０）共同资助的成果。 收稿日期：２０１１０７１５；改回日期：２０１１０９０４；责任编辑：黄敏。 作者简介：肖国桥，男，１９８０年生。博士，主要从事新生代古环境演化研究。Ｅｍａｉｌ：ｘｇｑｉａｏｃｕｇ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ。 始新世—渐新世气候转变研究进展 肖国桥１，２） ，张仲石３，４） ，姚政权５） １）中国地质大学生物地质与环境地质国家重点实验室，中国武汉，４３００７４； ２）中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，中国西安，７１００７５； ３）中国科学院大气物理研究所竺可桢 －南森国际研究中心，中国北京，１０００２９； ４）挪威 Ｂｊｅｒｋｎｅｓ气候研究中心，挪威卑尔根，Ｎ－５００７； ５）国家海洋局第一海洋研究所，海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室，中国山东青岛，２６６０６１ 内容提要：始新世—渐新世（Ｅ—Ｏ）气候转变（３４Ｍａ前后）是新生代气候演化过程中最显著的变冷事件之一， 标志着地球气候由“温室”进入“冰室”。这一转变伴随着地球环境的一系列重大变化，对于研究新生代气候变冷的 驱动机制、区域气候对全球重大气候事件的响应方式、重大气候事件对生态环境及生物演替的影响等具有重要意 义。近年来地质记录和气候模拟在 Ｅ—Ｏ转变研究上取得了一系列重要进展：①不同纬度区的地质记录揭示出这一 转变伴随着全球性的显著降温，指示其触发因素是全球性的；②气候模拟研究揭示出大气 ＣＯ２浓度降低及与之联系 的全球碳循环变化是导致这一转变的主因，否定了传统认为的环南极流形成导致 Ｅ—Ｏ气候变冷的假说；③深海沉 积记录揭示出这一转变过程持续 ４００～５００ｋａ，表现为全球降温和南极冰盖形成先后两阶段变化；④海—陆气候记录 的对比初步揭示出陆地区域的干旱化可能主要与全球降温（对应于 Ｅ—Ｏ转变的第一阶段）相关。当前对 Ｅ—Ｏ气 候转变的研究还存在地质记录分辨率不够高、模拟结果与地质记录不完全吻合、陆地记录相对较少等方面的不足。 更精确的大气 ＣＯ２浓度和温度的重建、更多高分辨率海—陆气候记录的研究以及古气候数值模拟的改进有望进一步 揭示出 Ｅ—Ｏ转变过程中气候系统各要素的变化特征和相互关系，为更深入认识这一转变的驱动机制提供依据。 关键词：始新世—渐新世气候转变；全球变冷；大气 ＣＯ２；气候变化机制 白垩纪以来，地球气候由极端的“温室气候”逐 渐演化为现今两极均发育大冰盖的“冰室气候”。 在长期的气候变冷过程中，最引人注目的是始新 世—渐新世（Ｅ—Ｏ）之交（３４Ｍａ前后）的气候变冷 事件，它导致了南极大陆冰盖的出现，标志着地球气 候从“温室”进入“冰室”（Ｍｉｌｌｅｒｅｔａｌ．，１９８７，１９９１； Ｚａｃｈｏｓｅｔａｌ．，２００１，２００８）。这一事件还伴随着全 球海平面的大幅快速下降（Ｋａｔｚｅｔａｌ．，２００８）、全球 范围的显著降温（ＤｕｐｏｎｔＮｉｖｅｔｅｔａｌ．，２００７；Ｚａｎａｚｚｉ ｅｔａｌ．，２００７；Ｌｅａｒｅｔａｌ．，２００８；Ｓｃｈｏｕｔｅｎｅｔａｌ．， ２００８；Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）、大气 ＣＯ２浓度的明显降低 （Ｐａｇａｎｉｅｔａｌ．，２００５；Ｐｅａｒｓｏｎｅｔａｌ．，２００９）、赤道太 平洋碳酸盐补偿深度近 １０００ｍ的变深（Ｃｏｘａｌｌｅｔ ａｌ．，２００５）、全 球 性 的 生 物 演 替 （Ｍｅｎｇ ａｎｄ ＭｃＫｅｎｎａ，１９９８；Ｉｖａｎｙｅｔａｌ．，２００３；Ｈａｎｓｅｎｅｔａｌ．， ２００４；Ｒｅｔａｌｌａｃｋｅｔａｌ．，２００４；ＣｏｘａｌｌａｎｄＰｅａｒｓｏｎ， ２００７；Ｐｅａｒｓｏｎｅｔａｌ．，２００８）。这一气候突变的研究 对于认识新生代长期气候变冷的驱动机制、区域气 候对全球重大气候事件的响应方式、重大气候突变 对生态环境和生物演替的影响等具有重要意义，故 一直是古气候学和古生物学关注的焦点之一。 自 ２０世纪 ７０年代在深海中发现这一变冷事件 以来，不同研究者相继对 Ｅ—Ｏ气候转变的过程、特 征及其对生物演替的影响等开展了多方面研究，并 对其驱动机制提出了多种假说。最近 １０年来，随着 高分辨率地质记录的不断报道和古气候数值模拟的 突破，对 Ｅ—Ｏ气候转变的研究取得了一系列重要 进展。本文依据近年来的研究进展对 Ｅ—Ｏ气候转 变的研究现状进行了初步总结。 １ 地球环境系统在始新世—渐新世 转变中的变化

2012年 1.1全球性降温 于当时普遍认为中中新世之前地球上不存在冰盖, 对E—0转变过程中温度变化的重建始于深海因此氧同位素的这一变化被认为是由高纬地区降温 氧同位素的研究。20世纪70年代中期,一些研究引起的( Savin et al.,1975; Shackleton and Kennett, 揭示出深海有孔虫壳体的氧同位素在E-0之交存1975; Kennett and Shackleton,1976)。但随后对底 在明显正偏( Savin et al.,1975; Shackleton 栖一浮游有孔虫氧同位素、大陆边缘层序地层、冰筏 Kennett, 1975: Kennett and Shackleton, 1976) 沉积等的研究确认了南极冰盖正是在这一时期形成 O赵兴 运上122 >▲>◆+●o ●口■★☆ 30 ◆3 年代(Ma)

１．１ 全球性降温 对 Ｅ—Ｏ转变过程中温度变化的重建始于深海 氧同位素的研究。２０世纪 ７０年代中期，一些研究 揭示出深海有孔虫壳体的氧同位素在 Ｅ—Ｏ之交存 在明 显 正 偏 （Ｓａｖｉｎｅｔａｌ．，１９７５；Ｓｈａｃｋｌｅｔｏｎａｎｄ Ｋｅｎｎｅｔｔ，１９７５；ＫｅｎｎｅｔｔａｎｄＳｈａｃｋｌｅｔｏｎ，１９７６）。由 于当时普遍认为中中新世之前地球上不存在冰盖， 因此氧同位素的这一变化被认为是由高纬地区降温 引起的（Ｓａｖｉｎｅｔａｌ．，１９７５；ＳｈａｃｋｌｅｔｏｎａｎｄＫｅｎｎｅｔｔ， １９７５；ＫｅｎｎｅｔｔａｎｄＳｈａｃｋｌｅｔｏｎ，１９７６）。但随后对底 栖—浮游有孔虫氧同位素、大陆边缘层序地层、冰筏 沉积等的研究确认了南极冰盖正是在这一时期形成 ９２ 地 质 论 评 ２０１２年

第1期 肖国桥等:始新世一渐新世气候转变研究进展 图1始新世一渐新世转变时期全球不同地区的温度记录 ature records from different latitudes across the Eocene-oligocene climate transition 913孔格陵兰GDCT温度( Schouten et al.,2008);2-913孔U海表温度( Liu et al.,2009);3-913孔格陵兰孢粉温度( Eldrett et al. 2009;4-336孔U海表温度( Liu et al.,2009);5-阿拉巴马SQ剖面MgCa近海表温度( Katz et al.,2008);6-929孔TEXs海表温 度( Liu al.,200):7-925孔TEXs海表温度( Liu et al.,200);8-mDP孔Mg/Ca海表温度( Lear et al.,200):9-1090孔U海表温 度( Liu et al.,200);10-511孔海表温度(intl.,00:11-1孔TEx海表温度( Liu et al.,20012-27孔U海表温度 ( Liu et al.,2009);13-277孔TEXs海表温度( Liu et al.,2009);14-北美中部8o温度( Zanazzi et al.,2007) -GDGTs-based air temperature of Greenland from ODP Site 913( Schouten et al., 2008): 2--Um-based sea surface temperature from Ol 913( Liu et al., 2009): 3--pollen-based air temperature of Greenland from ODP Site 913( Eldrett et al., 2009):4-U2-based sea temperature from DSDP Site 336( Liu et al., 2009 ): 5-Mg/Ca-based temperature near the sea surface from Saint Stephens Quarry(ssQ) ma( Katz et al., 2008): 6-TEXs6-based sea surface temperature from ODP Site 929( Liu et al., 2009): 7-TEXs6-based sea surface temperature from ODP Site 925( Liu et al., 2009 ):8-Mg/ Ca-based sea surface temperature from TDP Site 12 and 17( Lear et al., 2008): 9- UM-based sea surface temperature from ODP Site 1090( Liu et al., 2009): 10-Um -based sea surface temperature from DSDP Site 511( Liu et al., 2009): 1l-TEXs-based sea surface temperature from DSDP Site 511 Liu et al., 2009): 12-U2-based sea surface temperature from DSDP Site 277( Liu et al., 2009): 13-TEXs6-based sea surface temperature from DSDP Site 277( Liu et al., 2009):14-8 0-based continental temperature from central North America( Zanazzi et al. 2007) 的( Matthews and Poore,1980; Keigwin and Keller,大程度上影响重建的结果( Weijers et al.,2006) 1984: Miller et al.. 1987. 1991: Zachos et al. 图1是依据近年来的研究进展( Zanazzi et al., 1992),这意味着氧同位素在E-0转变过程中的变2007; Katz et al.,2008; Lear et al.,2008; Schouten 化同时包含着降温和冰盖扩张的信息。因此,重建etal.,2008; Eldrett et al.,2009; Liu et al.,2009) 这一过程中的温度变化有赖于其他独立的古温度指总结的全球不同纬度区地质记录在E-0转变时期 标。 海表和陆地的温度变化情况。需要指出的是,虽然 近年来,随着高分辨率地质记录的不断获取和不同指标重建的古温度存在一定差别,但几乎所有 新的古温度指标的应用,对E0气候转变过程中的重建结果均显示E-0转变期间存在降温,并表 的温度变化研究取得了长足进展。深海温度重建的现出明显的区域差异(图1)。正如一些学者所指 指标包括底栖有孔虫壳体的Mg/Ca和Sr/Ca比值出,E-O转变是一次全球性的降温事件,导致了全 Lear et al.,2000; Katz et al.,2008; Pus et al.,球表面平均降温约4℃( Liu et al.,2009)。而对于 2011);海洋表面温度重建的指标包括浮游有孔虫深海温度,目前的研究仍然较少,从ODP265孔和 壳体的Mg/Ca和Sr/Ca比值( Lear et al.,2008)、长1090孔来看,底栖有孔虫Mg/Ca比值揭示出E-0 链烯酮不饱和度指标Un( Liu et al.,2009)、古菌产转变期间南大西洋深海温度降低约2℃( Pusz et 生的GDCT化合物指标TEX6( Liu et al.,2009);陆al.,2011)。 地表面温度重建的指标包括哺乳动物骨骼和牙齿化 根据图1的温度变化序列,我们计算了E-0 石的氧同位素( Zanazzi et al.,2007,2009)、土壤细转变前后不同地区表面温度的变化量(图2),其显 菌产生的支链GDCT化合物( Schouten et al.,示出如下空间特征:①高纬地区的降温量明显较低 2008);季节性温度变化重建的指标包括鱼耳石的纬地区大,致使全球温度梯度变大;②南、北半球的 氧同位素( Ivany et al.,20)和孢粉组合特征降温量不对称,南半球较北半球大;③北美中纬度地 ( Eldrett et al.,2009)等。需要说明的是,这些古温区陆地的降温量较同纬度的海洋大。 度指标都存在一定的不确定性,例如,利用Mg/Ca 在温度变化的季节性特征方面,一些研究也取 重建古温度时需假设海水的碳酸盐饱和状态得了突破。 Ivany等(2000)基于墨西哥湾沿岸海相 [△(CO3)],其值受碳酸盐补偿深度变化的影响沉积中的鱼耳石氧同位素研究发现,E—O转变导 而存在不确定性( Lear et al.,2008; Pusz et al.,致冬季温度降低3~4℃,而夏季降温不明显,因而 2011);利用TEX重建温度时需考虑陆源古菌输入加大了冬、夏季节反差。 Eldrett等(2009)利用生物 的影响(BT指数),但目前并不清楚陆源输人在多气候模型对格陵兰地区海洋沉积物中的孢粉组合所

图 １始新世—渐新世转变时期全球不同地区的温度记录 Ｆｉｇ．１ＰａｌｅｏｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｃｏｒｄｓｆｒｏｍｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｔｉｔｕｄｅｓａｃｒｏｓｓｔｈｅＥｏｃｅｎｅ—Ｏｌｉｇｏｃｅｎｅｃｌｉｍａｔｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ １—９１３孔格陵兰 ＧＤＧＴ温度（Ｓｃｈｏｕｔｅｎｅｔａｌ．，２００８）；２—９１３孔 ＵＫ’ ３７海表温度（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）；３—９１３孔格陵兰孢粉温度（Ｅｌｄｒｅｔｔｅｔａｌ．， ２００９）；４—３３６孔 ＵＫ’ ３７海表温度（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）；５—阿拉巴马 ＳＳＱ剖面 Ｍｇ／Ｃａ近海表温度（Ｋａｔｚｅｔａｌ．，２００８）；６—９２９孔 ＴＥＸ８６海表温 度（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）；７—９２５孔 ＴＥＸ８６海表温度（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）；８—ＴＤＰ孔 Ｍｇ／Ｃａ海表温度（Ｌｅａｒｅｔａｌ．，２００８）；９—１０９０孔 ＵＫ’ ３７海表温 度（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）；１０—５１１孔 ＵＫ’ ３７海表温度（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）；１１—５１１孔 ＴＥＸ８６海表温度（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）；１２—２７７孔 ＵＫ’ ３７海表温度 （Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）；１３—２７７孔 ＴＥＸ８６海表温度（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）；１４—北美中部 δ１８Ｏ温度（Ｚａｎａｚｚｉｅｔａｌ．，２００７） １—ＧＤＧＴｓｂａｓｅｄａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆＧｒｅｅｎｌａｎｄｆｒｏｍＯＤＰＳｉｔｅ９１３（Ｓｃｈｏｕｔｅｎｅｔａｌ．，２００８）；２—ＵＫ’ ３７ｂａｓｅｄｓｅａｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｒｏｍＯＤＰＳｉｔｅ ９１３（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）；３—ｐｏｌｌｅｎｂａｓｅｄａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆＧｒｅｅｎｌａｎｄｆｒｏｍＯＤＰＳｉｔｅ９１３（Ｅｌｄｒｅｔｔｅｔａｌ．，２００９）；４—ＵＫ’ ３７ｂａｓｅｄｓｅａｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｒｏｍＤＳＤＰＳｉｔｅ３３６（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）；５—Ｍｇ／Ｃａｂａｓｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｎｅａｒｔｈｅｓｅａｓｕｒｆａｃｅｆｒｏｍ ＳａｉｎｔＳｔｅｐｈｅｎｓＱｕａｒｒｙ（ＳＳＱ）， Ａｌａｂａｍａ（Ｋａｔｚｅｔａｌ．，２００８）；６—ＴＥＸ８６ｂａｓｅｄｓｅａｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｒｏｍＯＤＰＳｉｔｅ９２９（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）；７—ＴＥＸ８６ｂａｓｅｄｓｅａｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｒｏｍＯＤＰＳｉｔｅ９２５（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）；８—Ｍｇ／ＣａｂａｓｅｄｓｅａｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｒｏｍＴＤＰＳｉｔｅ１２ａｎｄ１７（Ｌｅａｒｅｔａｌ．，２００８）；９— ＵＫ’ ３７ｂａｓｅｄｓｅａｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｒｏｍＯＤＰＳｉｔｅ１０９０（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）；１０—ＵＫ’ ３７ｂａｓｅｄｓｅａｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｒｏｍＤＳＤＰＳｉｔｅ５１１（Ｌｉｕｅｔ ａｌ．，２００９）；１１—ＴＥＸ８６ｂａｓｅｄｓｅａｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｒｏｍＤＳＤＰＳｉｔｅ５１１（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）；１２—ＵＫ’ ３７ｂａｓｅｄｓｅａｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｒｏｍ ＤＳＤＰＳｉｔｅ２７７（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）；１３—ＴＥＸ８６ｂａｓｅｄｓｅａｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｒｏｍ ＤＳＤＰＳｉｔｅ２７７（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）；１４—δ１８Ｏｂａｓｅｄ ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｒｏｍｃｅｎｔｒａｌＮｏｒｔｈＡｍｅｒｉｃａ（Ｚａｎａｚｚｉｅｔａｌ．，２００７） 的（ＭａｔｔｈｅｗｓａｎｄＰｏｏｒｅ，１９８０；ＫｅｉｇｗｉｎａｎｄＫｅｌｌｅｒ， １９８４；Ｍｉｌｌｅｒｅｔａｌ．，１９８７，１９９１；Ｚａｃｈｏｓｅｔａｌ．， １９９２），这意味着氧同位素在 Ｅ—Ｏ转变过程中的变 化同时包含着降温和冰盖扩张的信息。因此，重建 这一过程中的温度变化有赖于其他独立的古温度指 标。 近年来，随着高分辨率地质记录的不断获取和 新的古温度指标的应用，对 Ｅ—Ｏ气候转变过程中 的温度变化研究取得了长足进展。深海温度重建的 指标包括底栖有孔虫壳体的 Ｍｇ／Ｃａ和 Ｓｒ／Ｃａ比值 （Ｌｅａｒｅｔａｌ．，２０００；Ｋａｔｚｅｔａｌ．，２００８；Ｐｕｓｚｅｔａｌ．， ２０１１）；海洋表面温度重建的指标包括浮游有孔虫 壳体的 Ｍｇ／Ｃａ和 Ｓｒ／Ｃａ比值（Ｌｅａｒｅｔａｌ．，２００８）、长 链烯酮不饱和度指标 ＵＫ’ ３７（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）、古菌产 生的 ＧＤＧＴ化合物指标 ＴＥＸ８６（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）；陆 地表面温度重建的指标包括哺乳动物骨骼和牙齿化 石的氧同位素（Ｚａｎａｚｚｉｅｔａｌ．，２００７，２００９）、土壤细 菌产 生 的 支 链 ＧＤＧＴ化 合 物 （Ｓｃｈｏｕｔｅｎｅｔａｌ．， ２００８）；季节性温度变化重建的指标包括鱼耳石的 氧同位素 （Ｉｖａｎｙｅｔａｌ．，２０００）和孢粉组合 特 征 （Ｅｌｄｒｅｔｔｅｔａｌ．，２００９）等。需要说明的是，这些古温 度指标都存在一定的不确定性，例如，利用 Ｍｇ／Ｃａ 重 建 古 温 度 时 需 假 设 海 水 的 碳 酸 盐 饱 和 状 态 ［△（ＣＯ２－ ３ ）］，其值受碳酸盐补偿深度变化的影响 而存在不确定性（Ｌｅａｒｅｔａｌ．，２００８；Ｐｕｓｚｅｔａｌ．， ２０１１）；利用 ＴＥＸ８６重建温度时需考虑陆源古菌输入 的影响（ＢＩＴ指数），但目前并不清楚陆源输入在多 大程度上影响重建的结果（Ｗｅｉｊｅｒｓｅｔａｌ．，２００６）。 图 １是依据近年来的研究进展（Ｚａｎａｚｚｉｅｔａｌ．， ２００７；Ｋａｔｚｅｔａｌ．，２００８；Ｌｅａｒｅｔａｌ．，２００８；Ｓｃｈｏｕｔｅｎ ｅｔａｌ．，２００８；Ｅｌｄｒｅｔｔｅｔａｌ．，２００９；Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９） 总结的全球不同纬度区地质记录在 Ｅ—Ｏ转变时期 海表和陆地的温度变化情况。需要指出的是，虽然 不同指标重建的古温度存在一定差别，但几乎所有 的重建结果均显示 Ｅ—Ｏ转变期间存在降温，并表 现出明显的区域差异（图 １）。正如一些学者所指 出，Ｅ—Ｏ转变是一次全球性的降温事件，导致了全 球表面平均降温约 ４℃（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００９）。而对于 深海温度，目前的研究仍然较少，从 ＯＤＰ１２６５孔和 １０９０孔来看，底栖有孔虫 Ｍｇ／Ｃａ比值揭示出 Ｅ—Ｏ 转变期间南大西洋深海温度降低约 ２℃（Ｐｕｓｚｅｔ ａｌ．，２０１１）。 根据图 １的温度变化序列，我们计算了 Ｅ—Ｏ 转变前后不同地区表面温度的变化量（图 ２），其显 示出如下空间特征：①高纬地区的降温量明显较低 纬地区大，致使全球温度梯度变大；②南、北半球的 降温量不对称，南半球较北半球大；③北美中纬度地 区陆地的降温量较同纬度的海洋大。 在温度变化的季节性特征方面，一些研究也取 得了突破。Ｉｖａｎｙ等（２０００）基于墨西哥湾沿岸海相 沉积中的鱼耳石氧同位素研究发现，Ｅ—Ｏ转变导 致冬季温度降低 ３～４℃，而夏季降温不明显，因而 加大了冬、夏季节反差。Ｅｌｄｒｅｔｔ等（２００９）利用生物 气候模型对格陵兰地区海洋沉积物中的孢粉组合所 第 １期 肖国桥等：始新世—渐新世气候转变研究进展 ９３

2012年 etal.,2011; Scher et al.,2011),同时,南极及其周 边海域出现了大量与冰川活动相关的沉积 -36-34Ma 温度(℃) Ehrmann and Mackensen, 1992; Zachos et al 1992: Ivany et al., 2006: Barker et al., 2007: Scher etal.,2011),这些证据共同指示着南极永久冰盖 的形成。这一事件是地球气候自约52Ma以来长期 变冷过程中最显著的气候突变之一,标志着地球气 候从“温室”进入“冰室”( Miller et al.,1991; Zachos et al.,2001)。近年来,一些研究由于未考 虑海水的碳酸盐饱和状态对Mg/Ca温标的影响而 未能重建出E—0转变期间的降温,因此将这一过 (a) 程中的氧同位素变化全部归因于冰量的扩张,一度 认为当时冰盖扩张的规模超过了现今的南极冰盖, (b) 温度变化量(℃) 10 并提出北极冰盖也在这一时期存在扩张( Lear et al., 2000, 2004; Billups and Schrag, 2003 Coxall et aL., 2005; Tripati et al., 2005)o 根据近年来报道的深海氧同位素研究结果 ( Zachos et al.,1996;刘志飞等,2004; Coxall al. 2005: Pearson et al 2008: Pusz et al. 2011 Scher et al.,2011),我们计算了不同纬度地质记录 的氧同位素在34.5~34Ma(E-0转变前)和33.5 33Ma(E-0转变后)两个时段的差值。从图3c 南半球 北节球 中可以看出,这一差值随纬度的增加而增大,低纬正 偏约0.8‰,高纬正偏约1.3%。由于冰量扩张导致 6090的海水氧同位素变化在全球一致,因此,这种氧同位 纬度(°) 素差值随纬度增加而增大的现象表明深海温度也发 图2始新世一渐新世转变前后全球表面温度的变化 生了降低,且高纬地区的降温要比低纬地区强烈,这 特征(数据来源同图1说明) 与全球海面温度的变化特征是一致的(图2b)。假 2 The changes of global surface temperature in the 定E—0转变时期形成的南极冰盖与现今规模差别 latest Eocene and earliest Oligocene( the data shown in Fig. 2 were from the same references as annotated in Fig. 1) 不大,则可使全球海平面下降55~60m,海水氧同 (a)-36~34Ma和33.5~31.5Ma期间的全球表层温度; 位素变重0.6%左右,而不同纬度区另外0.2%o (b)一E—0转变前后不同纬度的温度下降量 0.7%氧同位素的变重则反映了深海1~3.5℃的降 ( a)-Global surface temperature during 36 34 Ma and 33. 5 温(图3c)。但这一假设可能对当时南极冰盖的规 31.5 Ma: (b)-the changes of global surface temperature different latitudes across the Eocene-Oligocene transition 模估计过大,因为当时的大气CO2浓度(以体积计, 后同)在700×10-以上( Pagani et al.,2005; 反映的季节性温度特征进行了研究,也发现E—0 Pearson et al.,2009),气候应明显较现今温暖,冰盖 转变之后冬、夏季节反差明显加大 规模应较现今小,最近对南极区域气候的综合研究 1.2南极永久冰盖形成和全球海平面下降 也证实了这一点( Anderson et al.,2011)。这意味 全球不同纬度区的深海氧同位素研究显示,在着Pusz等(2011)依据Mg/Ca比值所重建的南半球 E—0之交,底栖有孔虫氧同位素存在0.9%~中纬度海洋2℃的深海降温可能偏小,而Katz等 1.5%的变化,热带地区浮游有孔虫氧同位素也存在(2008)和Mler等(2008)依据墨西哥湾北部阿拉 约1.1%的变化( Zachos et al.,1996,2001,2008;巴马地区海相沉积中有孔虫氧同位素、Mg/Ca比值 刘志飞等,2004; Coxall et al.,2005;拓守廷等,及层序地层一海面变化的综合研究所估算的67m 2006; Katz et al.,2008; Pearson et al.,2008;Pusz的全球海平面降低可能偏大。因此,对E-0转变

图 ２始新世—渐新世转变前后全球表面温度的变化 特征（数据来源同图 １说明） Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｇｌｏｂａｌｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｈｅ ｌａｔｅｓｔＥｏｃｅｎｅａｎｄｅａｒｌｉｅｓｔＯｌｉｇｏｃｅｎｅ（ｔｈｅｄａｔａｓｈｏｗｎｉｎＦｉｇ． ２ｗｅｒｅｆｒｏｍｔｈｅｓａｍｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓａｓａｎｎｏｔａｔｅｄｉｎＦｉｇ．１） （ａ）—３６～３４Ｍａ和 ３３５～３１５Ｍａ期间的全球表层温度； （ｂ）—Ｅ—Ｏ转变前后不同纬度的温度下降量 （ａ）—Ｇｌｏｂａｌｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｕｒｉｎｇ３６～３４Ｍａａｎｄ３３５～ ３１５Ｍａ；（ｂ）—ｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｇｌｏｂａｌｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｔｉｔｕｄｅｓａｃｒｏｓｓｔｈｅＥｏｃｅｎｅ—Ｏｌｉｇｏｃｅｎｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ 反映的季节性温度特征进行了研究，也发现 Ｅ—Ｏ 转变之后冬、夏季节反差明显加大。 １．２ 南极永久冰盖形成和全球海平面下降 全球不同纬度区的深海氧同位素研究显示，在 Ｅ—Ｏ之交，底栖有孔虫氧同位素存在 ０９‰ ～ １５‰的变化，热带地区浮游有孔虫氧同位素也存在 约 １１‰的变化（Ｚａｃｈｏｓｅｔａｌ．，１９９６，２００１，２００８； 刘志飞等，２００４；Ｃｏｘａｌｌｅｔａｌ．，２００５；拓守廷等， ２００６；Ｋａｔｚｅｔａｌ．，２００８；Ｐｅａｒｓｏｎｅｔａｌ．，２００８；Ｐｕｓｚ ｅｔａｌ．，２０１１；Ｓｃｈｅｒｅｔａｌ．，２０１１），同时，南极及其周 边海 域 出 现 了 大 量 与 冰 川 活 动 相 关 的 沉 积 （Ｅｈｒｍａｎｎ ａｎｄ Ｍａｃｋｅｎｓｅｎ，１９９２；Ｚａｃｈｏｓｅｔａｌ．， １９９２；Ｉｖａｎｙｅｔａｌ．，２００６；Ｂａｒｋｅｒｅｔａｌ．，２００７；Ｓｃｈｅｒ ｅｔａｌ．，２０１１），这些证据共同指示着南极永久冰盖 的形成。这一事件是地球气候自约 ５２Ｍａ以来长期 变冷过程中最显著的气候突变之一，标志着地球气 候从 “温 室”进 入 “冰 室”（Ｍｉｌｌｅｒｅｔａｌ．，１９９１； Ｚａｃｈｏｓｅｔａｌ．，２００１）。近年来，一些研究由于未考 虑海水的碳酸盐饱和状态对 Ｍｇ／Ｃａ温标的影响而 未能重建出 Ｅ—Ｏ转变期间的降温，因此将这一过 程中的氧同位素变化全部归因于冰量的扩张，一度 认为当时冰盖扩张的规模超过了现今的南极冰盖， 并提出北极冰盖也在这一时期存在扩张（Ｌｅａｒｅｔ ａｌ．，２０００，２００４；ＢｉｌｌｕｐｓａｎｄＳｃｈｒａｇ，２００３；Ｃｏｘａｌｌｅｔ ａｌ．，２００５；Ｔｒｉｐａｔｉｅｔａｌ．，２００５）。 根据近年来报道的深海氧同位素研究结果 （Ｚａｃｈｏｓｅｔａｌ．，１９９６；刘志飞等，２００４；Ｃｏｘａｌｌｅｔ ａｌ．，２００５；Ｐｅａｒｓｏｎｅｔａｌ．，２００８；Ｐｕｓｚｅｔａｌ．，２０１１； Ｓｃｈｅｒｅｔａｌ．，２０１１），我们计算了不同纬度地质记录 的氧同位素在 ３４５～３４Ｍａ（Ｅ—Ｏ转变前）和 ３３５ ～３３Ｍａ（Ｅ—Ｏ转变后）两个时段的差值。从图 ３ｃ 中可以看出，这一差值随纬度的增加而增大，低纬正 偏约 ０８‰，高纬正偏约 １３‰。由于冰量扩张导致 的海水氧同位素变化在全球一致，因此，这种氧同位 素差值随纬度增加而增大的现象表明深海温度也发 生了降低，且高纬地区的降温要比低纬地区强烈，这 与全球海面温度的变化特征是一致的（图 ２ｂ）。假 定 Ｅ—Ｏ转变时期形成的南极冰盖与现今规模差别 不大，则可使全球海平面下降 ５５～６０ｍ，海水氧同 位素变重 ０６‰左右，而不同纬度区另外 ０２‰ ～ ０７‰氧同位素的变重则反映了深海 １～３５℃的降 温（图 ３ｃ）。但这一假设可能对当时南极冰盖的规 模估计过大，因为当时的大气 ＣＯ２浓度（以体积计， 后同）在 ７００×１０－６以 上 （Ｐａｇａｎｉｅｔａｌ．，２００５； Ｐｅａｒｓｏｎｅｔａｌ．，２００９），气候应明显较现今温暖，冰盖 规模应较现今小，最近对南极区域气候的综合研究 也证实了这一点（Ａｎｄｅｒｓｏｎｅｔａｌ．，２０１１）。这意味 着 Ｐｕｓｚ等（２０１１）依据 Ｍｇ／Ｃａ比值所重建的南半球 中纬度海洋 ２℃的深海降温可能偏小，而 Ｋａｔｚ等 （２００８）和 Ｍｉｌｌｅｒ等（２００８）依据墨西哥湾北部阿拉 巴马地区海相沉积中有孔虫氧同位素、Ｍｇ／Ｃａ比值 及层序地层—海面变化的综合研究所估算的 ６７ｍ 的全球海平面降低可能偏大。因此，对 Ｅ—Ｏ转变 ９４ 地 质 论 评 ２０１２年

第1期 肖国桥等:始新世一渐新世气候转变研究进展 过程中的冰盖变化规模和全球海平面下降幅度仍需期演化的主要因素( Bemer,1990; Royer et al., 要更多深海温度及层序地层一海面变化等方面的研2004)。上个世纪80年代中期, Barron(1985)基于 究 气候模拟结果提出大气CO2浓度的降低可能是导致 1.3大气CO2浓度的变化 包括E-0转变在内的新生代长期气候变冷的主 大气CO2浓度的变化被认为是驱动地球气候长因,但当时缺乏可靠的大气CO2重建结果。最近10 1218孔氧同位素(‰) 1265孔氧同位素( 738孔氧同位素(‰) TDP12+17孔氧同位素(‰) 511.5 2.530.40.81.21.622.42.80.81.21.62242.83.2 6-3.2-2.8-2.4-2-1.6 33.5 年代Ma 0.40.81.21622.42.81.21.622.42.83.2 522孔氧同位素(‰ 1090孔氧同位素(%‰) 744孔氧同位素(%) 80-150-120-90-60-300306090120150180 度() 纬度(°) 图3始新世一渐新世转变时期全球不同地区的深海氧同位素变化特征 ig. 3 Characteristic of marine 80 change from different latitudes across the Eocene-Oligocene climate transition (a)-E0转变时期全球不同地区的深海氧同位素记录;(b)一高分辨率E-0气候记录的研究地点;(c)-E0转变前后不同纬度的 深海氧同位素变化量;1-ODP1218孔"0( Coxall et al.,2005);2-TDP12、17孔8o( Pearson et al.,2008);3-DSDP522孔8180( zachos etal.,1996);4-ODP1265孔。10(刘志飞等,2004; Pus et al.,2011);5ODP1090孔80( Pus et al.,2011);6-OD738孔80 ( Scher et al.,2011);7—OD44孔δ"3o( Zachos et al.,1996) (a)-Marine 80 records from different latitudes across the Eocene-Oligocene climate transition;(b)-the locations of high-resolution marine and terrestrial records referred in the text;(c)-the changes of marine 80 in different latitudes across the Eocene-Oligocene transition; I-the 80 of ODP1218( Coxall et al., 2005 ): 2-the 80 of TDP12 and 17( Pearson et al., 2008): 3--the80 of DSDP522(Zachos et al. 1996):4-the 0 of ODPl265( Liu et al., 2004; Pusz et al., 2011): 5-the80 of ODP1090( Pusz et al., 2011): 6-the 8s0 of ODP738 Scher et al., 2011): 7-the 80 of ODP744(Zachos et al., 1996)

过程中的冰盖变化规模和全球海平面下降幅度仍需 要更多深海温度及层序地层—海面变化等方面的研 究。 图 ３始新世—渐新世转变时期全球不同地区的深海氧同位素变化特征 Ｆｉｇ．３Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｍａｒｉｎｅδ １８ ＯｃｈａｎｇｅｆｒｏｍｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｔｉｔｕｄｅｓａｃｒｏｓｓｔｈｅＥｏｃｅｎｅ—Ｏｌｉｇｏｃｅｎｅｃｌｉｍａｔｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ （ａ）—Ｅ—Ｏ转变时期全球不同地区的深海氧同位素记录；（ｂ）—高分辨率 Ｅ—Ｏ气候记录的研究地点；（ｃ）—Ｅ—Ｏ转变前后不同纬度的 深海氧同位素变化量；１—ＯＤＰ１２１８孔 δ１８Ｏ（Ｃｏｘａｌｌｅｔａｌ．，２００５）；２—ＴＤＰ１２、１７孔 δ１８Ｏ（Ｐｅａｒｓｏｎｅｔａｌ．，２００８）；３—ＤＳＤＰ５２２孔 δ１８Ｏ（Ｚａｃｈｏｓ ｅｔａｌ．，１９９６）；４—ＯＤＰ１２６５孔 δ１８Ｏ（刘志飞等，２００４；Ｐｕｓｚｅｔａｌ．，２０１１）；５—ＯＤＰ１０９０孔 δ１８Ｏ（Ｐｕｓｚｅｔａｌ．，２０１１）；６—ＯＤＰ７３８孔 δ１８Ｏ （Ｓｃｈｅｒｅｔａｌ．，２０１１）；７—ＯＤＰ７４４孔 δ１８Ｏ（Ｚａｃｈｏｓｅｔａｌ．，１９９６） （ａ）—Ｍａｒｉｎｅδ１８ＯｒｅｃｏｒｄｓｆｒｏｍｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｔｉｔｕｄｅｓａｃｒｏｓｓｔｈｅＥｏｃｅｎｅ—Ｏｌｉｇｏｃｅｎｅｃｌｉｍａｔｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ；（ｂ）—ｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｓｏｆｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｍａｒｉｎｅ ａｎｄｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｒｅｃｏｒｄｓｒｅｆｅｒｒｅｄｉｎｔｈｅｔｅｘｔ；（ｃ）—ｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｍａｒｉｎｅδ１８ＯｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｔｉｔｕｄｅｓａｃｒｏｓｓｔｈｅＥｏｃｅｎｅ—Ｏｌｉｇｏｃｅｎｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ；１—ｔｈｅ δ１８ＯｏｆＯＤＰ１２１８（Ｃｏｘａｌｌｅｔａｌ．，２００５）；２—ｔｈｅδ１８ＯｏｆＴＤＰ１２ａｎｄ１７（Ｐｅａｒｓｏｎｅｔａｌ．，２００８）；３—ｔｈｅδ１８ＯｏｆＤＳＤＰ５２２（Ｚａｃｈｏｓｅｔａｌ．， １９９６）；４—ｔｈｅδ１８ＯｏｆＯＤＰ１２６５（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００４；Ｐｕｓｚｅｔａｌ．，２０１１）；５—ｔｈｅδ１８ＯｏｆＯＤＰ１０９０（Ｐｕｓｚｅｔａｌ．，２０１１）；６—ｔｈｅδ１８ＯｏｆＯＤＰ７３８ （Ｓｃｈｅｒｅｔａｌ．，２０１１）；７—ｔｈｅδ１８ＯｏｆＯＤＰ７４４（Ｚａｃｈｏｓｅｔａｌ．，１９９６） １．３ 大气 ＣＯ２浓度的变化 大气 ＣＯ２浓度的变化被认为是驱动地球气候长 期演化的主要因素 （Ｂｅｒｎｅｒ，１９９０；Ｒｏｙｅｒｅｔａｌ．， ２００４）。上个世纪 ８０年代中期，Ｂａｒｒｏｎ（１９８５）基于 气候模拟结果提出大气 ＣＯ２浓度的降低可能是导致 包括 Ｅ—Ｏ转变在内的新生代长期气候变冷的主 因，但当时缺乏可靠的大气 ＣＯ２重建结果。最近 １０ 第 １期 肖国桥等：始新世—渐新世气候转变研究进展 ９５