华南早—中三叠世天文年代学与古环境变化的天文驱动力

发布时间：2017-12-09 02:12

  本文关键词：华南早—中三叠世天文年代学与古环境变化的天文驱动力

  更多相关文章： 华南 早-中三叠世 天文年代学 天文驱动 地质年代 生物演化 海平面变化 斜率周期

【摘要】：地球-太阳的相对位置深刻影响了地层中记录的万年到百万年尺度的气候变化,这就是广为接受的米兰科维奇理论。分析并解读沉积岩石中的古气候替代性指标及其所蕴含的天文信号,对校准天文地质年代和理解地球过去的古气候记录,以及预测未来全球气候变化都具有非常重要的科学意义。本文利用天文旋回理论,以中国南方的基础地层学研究工作扎实、作为国际对比的主要参考标准的海相中-下三叠统地层为材料,探索了16种古气候替代性指标的内在联系与优劣,建立浮动天文年代标尺,并辅以磁性地层学研究,结合生物地层学和同位素绝对测年等的最新成果,建立起中-下三叠统高精度的连续的绝对天文年代标尺,为早-中三叠世国际地质年代表的天文校准提供重要的科学依据；在此基础上探索了三叠纪早期全球气候、环境变化的天文驱动因素。获得了如下几点创新性研究成果：1.首次建立了16种古气候替代性指标的内在联系的分支树综合运用沉积记录中的多种古气候替代性指标,以增加人们对古气候与古环境变化特征的认识。但是,这些指标对气候变化的敏感性、对地球轨道变化驱动的气候波动的响应、各古气候替代指标之间的内在联系等方面都是亟待解决的科学问题。为了解读多种古气候指标的相互关系,并分析单个指标的气候变化敏感性,本文提出两个评判多指标数据的优劣的标准：(1)对于那些受到相似气候过程驱动的指标,其在时间轴上的波动变化的特征应该是相似的；(2)对地外气候驱动力(如米兰科维奇旋回的天文驱动力)更敏感的指标要优于那些不甚敏感的指标。为此,本文引入了2个方法来评判这些标准：(1)层级聚类分析(HCA)用来探索多指标的数据的波动(能谱)形态,来判断气候指标的内在相似度；(2)能量分解分析(PDA),这一方法用来分析指标波动中的能量组成,并提取出时间域上岁差,斜率与偏心率周期的能量之和在总波动中的占比,来判断该指标对外部天文驱动力的敏感度。为此,利用本文建立了高精度时间标尺的中国华南湖北宜昌峡口镇大峡口剖面,采集了高分辨率的16种气候替代指标的物理气候参数数据,并分析了这系列气候指标的内在关系,以及气候指标的天文驱动的波动能量占比来分析其敏感性。这16个指标分别是总自然伽马能谱,钾,钍,铀,钍铀比,钍钾比,颜色指标中的亮度(L*),红度(a*),蓝度(b*),磁化率,非磁滞性剩磁(ARM),岩相序列,简化岩相序列,非碳酸盐岩比率,碳酸盐岩单层厚度,泥灰岩单层厚度。层级聚类分析(HCA)表明聚类到同一分支的指标可能受控于类似的气候过程。得出早三叠世大峡口剖面的ARM与钍铀比反映了陆地内部风化过程,自然伽马,钾,铀,钍,磁化率和非碳酸盐岩比率指标反映了海相沉积物中陆源碎屑物质的输入。亮度L*,红度a*以及岩相序列分别反映了生产力,氧化还原环境以及相对海平面的波动。在弄清气候替代指标的气候意义的基础上,我们利用自然伽马能谱以及磁化率指标进行了本文的主要数据采集工作。本文建立了迄今为止第一个多气候替代指标的内在关系的分支树。2.建立了下三叠统的高精度综合地质年代标尺2亿5千万年前,地球发生了最为惨烈的二叠纪末生物大灭绝,随后又经历了的长达500万年的漫长而艰难的早三叠世生物复苏。这一系列重大的地质事件,深刻地影响了地球的气候与生态环境。然而,国际上对这一系列过程发生的时间的认识存在很大的争议,导致了国际地层委员会与国际地质年代表编写团队在早三叠世的国际年代表上存在重大分歧。例如,印度阶的持续时间问题上,国际地层委员会推荐的时间是1个百万年；而国际地质年代表编写团队将印度阶的持续时间修订为2.2个百万年。本文采用天文旋回与磁极性地层学方法,并结合生物地层等综合手段,对华南的煤山,巢湖,大峡口和关刀四条早三叠世剖面(包括金钉子及其候选剖面和早三叠世重要剖面),在野外获取大量高分辨率的古气候数据,识别出气候变化的40万年长偏心率轨道周期。由此校准了早三叠世印度阶与奥伦尼克阶的地质时限分为2百万年和3.1百万年；这一结果同时得到了德国陆相三叠系盆地的天文-磁极性结果的验证。文章将天文年代标尺上的二叠-三叠纪界线年龄锚定在251.902±0.024 Ma,由此得到早三叠世的重要界线年龄：如Dienerian亚阶底界年龄为250.5±0.1 Ma,Smithian亚阶底界(即奥伦尼克阶底界)年龄为249.9±0.1 Ma,Spathian亚阶底界年龄为248.2±0.1 Ma,安尼阶底界(早-中三叠世界线)年龄为246.8±0.1 Ma。这一高精度年代标尺的校准,对二叠纪生物大灭绝与早三叠世气候变化与生物演化的认识具有重要意义。文章还同时计算出二叠纪大灭绝,斯密斯亚阶与斯帕斯亚阶过渡期的极热事件分别持续了4万年和5万年。并得出以安徽巢湖的海生爬行动物为代表的生物初步复苏事件发生在二叠纪大灭绝的470万年之后。该项研究的成果发表后,早三叠世的校准结果部分被2016年6月出版的《Concise Geological Time Scale 2016》一书中多次引用。3.建立了中三叠统安尼阶的高精度天文年代标尺中三叠统安尼阶的持续时间一直存在争议,而且缺乏可靠的高分辨率的天文校准。本文对华南贵州关刀剖面进行了高分辨率的的数据采集,获得了大量自然伽马和磁化率数据。对系列数据的能谱分析,揭示了米兰科维奇驱动的长、短偏心率周期,斜率周期和岁差周期的存在。在此基础上,本文完成了对伽马和磁化率的天文调谐工作,获得了安尼阶的浮动天文年代标尺。安尼阶的持续时间为5.6+0.2百万年。若安尼阶底部年龄被锚定在本文计算的246.8+0.1 Ma,那么安尼阶与拉丁阶的界限年龄为241.2±0.2 Ma。这一结果较国际地层委员会推荐的～242 Ma在精度上有了较大的提高。这一年代标尺为安尼阶发生的一系列地质事件,这为全球海平面变化,碳同位素曲线,生物化石带以及磁极性年代表提供了高分辨率的年代标尺。以上高分辨率年代标尺工作,较大程度上改写了早-中三叠世系列地质事件发生的时间认识,为系列重大地质事件发生的成因机理的全新认识打下了基础。4.探讨了三叠纪早期的全球环境变化与生物复苏过程的天文驱动因素中生代之初,地球在二叠纪末生物大灭绝之后,经历了大致5百万年的地球系统的动荡,包括不稳定的生物复苏,重复出现的全球变暖甚至极端高温,大洋多次缺氧,全球碳循环的多次扰动。这多次重复出现的地质事件间歇,气候环境相对适宜,生物短暂复苏。这一系列引人注目的事件在过去很长一段事件多被归结到西伯利亚的大火山岩省的巨量且重复的喷发。过去报道的测年资料似乎证实了这一假说；然而,最近的麻省理工学院的大量高精度锆石U-Pb测年工作表明,西伯利亚火山喷发主体开始于大灭绝之前的30万年,在50万年之后趋于沉寂。若如此,相对短暂(小于1百万年)的西伯利亚火山活动,可能未必是造成早三叠世5百万年重复性极端事件的原因。利用本文建立的巢湖与大峡口剖面的高分辨率的天文年代标尺和古气候数据,来分析早三叠世古气候变化中的天文驱动力及其与古气候变化的关系。古气候指标数据主要采用自然伽马数据来探讨陆地风化过程中的天文驱动。结果显示,自然伽马数据显示了地球斜率周期为32.8千年,并在百万年时间尺度上具有重复增强减弱的现象,这一重复增强的斜率信号对应到天文学家Laskar预测的1.2百万年周期。32.8千年的周期揭示了早三叠世的每天的时间长度(日长)为22小时。而1.2百万年的斜率调制周期则是迄今报导的可对比到理论预测曲线的最古老的地质记录的周期,这反映了地球与火星轨道的在百万年尺度上的相互影响,引起了地球气候的长周期变化。更为有趣的是,将华南剖面检测到的1.2百万年周期与早三叠世重复出现的地质事件的对比发现,早三叠世的全球海平面变化、温度波动、大洋氧化还原环境的变化与生物演化的重复性变化等事件与长周期的斜率周期具有较好的对应关系,因此推断这些事件的变化可能是受到1.2百万年长斜率周期的驱动。提出斜率对气候环境的驱动机制可能是地球的斜率驱动了水循环和热量的全球纬向分布。在斜率1.2百万年周期的振幅极大值处,相对较强的全球水文循环,将海洋的水带到陆地。由于陆地的含水层的储水、排水过程可以导致高达300米的海平面变化(这一假说近年来得到越来的关注和支持)。斜率周期由此可以驱动海平面的百万年尺度的变化和三级层序,和全球热量的再均衡。由于极端高温和大洋缺氧被认为是早三叠世生物不稳定复苏的决定因素,百万年尺度的斜率周期通过控制水热的海陆和纬向分布,影响海平面变化,进而对大洋环流的强度和氧化还原环境,乃至生物的复苏与萧条造成重要的影响。因此,在最新测年资料不支持西伯利亚火山活动作为早三叠世全球气候动荡原因的情况下,本文提出1.2百万年的地球斜率调制周期可能控制了早三叠世的全球气候变化。5.提出了计算海平面变化曲线的环境噪音动态波动模型过去海平面的变化不仅深刻影响了气候,环境与生物,同时也影响了对现在进行的海平面上升这一全球问题的认识。在冰期,短暂(小于百万年)而剧烈(高达200m)的全球海平面波动与大陆冰川的增生与消融密切相关。温室时期的海平面变化规模相对很微弱,三叠纪被认为是过去6亿年地球上最温暖的时期之一,没有冰川活动。然而,Haq及其合作者建立的三叠纪的全球海平面变化曲线指出三叠纪存在着重复性出现的0.5-3百万年尺度的变化,并对应于三级层序。这些三级层序对应的海平面变化规模可达数十米。这些三级层序,若能在时间尺度上高精度对比,将会对现有的海平面变化机制造成重大挑战。本文提出了一个新的确定海平面变化时间的手段,称之为"dynamic noise in sea-level"或者"dynamic non-Milankovitch signal in sea-level"((简称DNS),描述了海平面升降相关的环境噪音的动态波动模型。在本文建立的早三叠世的高精度的年代标尺基础上,应用了这一模型,利用华南早三叠世剖面获得了一个高分辨率的海平面变化曲线。这一曲线显示那些记录在欧洲特提斯地区的海平面大规模下降事件,同样在华南地区同步记录着,证实了这些海平面下降事件是全球性事件。在无冰川的早三叠世,大陆含水层的巨量储水和排水,可能是最好的解释。大陆含水层的储水排水可能深刻影响了整个显生宙的全球海平面变化；而本文提出的全新的海平面变化的DNS模型有望应用到整个地质历史时期,建立高分辨率的新的全球海平面变化曲线。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P532
，

本文编号：1268693