古生代-中生代之交的水循环演变及驱动机制_宋汉宸.pdf

古生代-中生代之交的水循环演变及驱动机制宋汉宸1,宋海军1*,张仲石2,吴玉样1,楚道亮1,舒文超11.中国地质大学(武汉)地球科学学院,生物地质与环境地质国家重点实验室,武汉 430074;2.中国地质大学(武汉)环境学院,生物地质与环境地质国家重点实验室,武汉 430074*联系人,E-mail:2022-08-30 收稿,2022-12-08 修回,2022-12-08 接受,2022-12-13 网络版发表国家自然科学基金(92155201,41821001)和中国科学院战略性先导科技专项(XDB26000000)资助摘要水循环是连接大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的重要物质循环过程.本文根据地质记录和深时气候模拟等数据总结了古生代-中生代之交的水循环演变.结果表明,水循环在晚古生代、早中生代发生了重大变化:(1)地质记录恢复的气候带显示,当时全球的干旱带发生了明显扩张,蒸发岩面积从中-晚二叠世开始扩张,到早三叠世达到顶峰,中三叠世恢复至中-晚二叠世的水平,晚三叠-早侏罗世继续收缩;(2)全球年平均降水量在晚石炭、早侏罗世较高,中-晚二叠世和早三叠世较低,呈现为“V”字形变化,显示出一次重大的波动;(3)全球大陆的聚合可能导致泛大陆巨型陆面风和特提斯区域跨赤道风的形成,进而构成全球性的超级季风;(4)热带辐合带摆动的纬度位置在志留纪-石炭纪以及侏罗纪-现代较低,在二叠纪-三叠纪时期向高纬度大幅度漂移.根据事件发生的时间,这些水循环的重大变化与泛大陆的聚合、华力西造山、晚古生代冰期的结束以及大量碳释放和升温事件吻合,这些因素与当时的大气环流和水循环的变化存在密切联系:泛大陆的聚合改变了当时水储量的空间分布,同时改变了大气环流和“季风”,进而导致中-晚二叠世干旱带开始扩张,降水量减少;晚古生代末期华力西造山运动的减弱增强了热带辐合带的摆动,促进了超级季风的发展;碳释放驱动的升温事件改变了能量传输,影响了大气环流;同时植物面貌的转变影响了碳释放,进而影响水循环.由此可见,古生代-中生代之交水循环的强烈波动可能是该重大地质历史转折期岩石圈(地球深部过程)、大气圈(大气过程)、水圈(水循环)及生物圈(生命活动)相互作用的重要体现.关键词热带辐合带,降水,超级季风,泛大陆聚合,干旱带扩张自然界中地球表层水的体积为13.86108km3,其中大约97%储存在海洋中.大气圈中的水含量虽只占0.001%,但平均滞留时间只有9 d,在各圈层中周转速度最快1.因此,大气圈对水在各圈层中的循环有着重要影响.存储在海洋中的水通过蒸发和降水在大气和海洋中进行循环,只有一部分通过大气环流运输到陆地.同样,陆地上的水汽也通过蒸发和降水过程进行陆-气的循环,液态水则可以通过径流流向海洋,最终形成了水在地球表层的物质循环2(图1).水循环是地球上重要的物质循环过程之一,贯穿大气圈、水圈、岩石圈和生物圈等地球系统的各个圈层,并在各个圈层间相互作用和气候系统中扮演着重要的角色.气候变化的本质其实是能量的转移和物质的传输,水在地球上三相共存的特性使得水循环在气候变化中起到了重要的作用.水在气态和液态转换中的能量转移是固态和液态的7倍之多,前者又多发生在低纬度地区1.因此,低纬度的水循环过程,如热带辐合带(inter-tropical convergence zone,ITCZ)的摆动、大洋暖池的变化以及赤道附近海陆格局的变化,是影响气候变化的重要驱动因素1.地质历史时期,发生过若干重大气引用格式:宋汉宸,宋海军,张仲石,等.古生代-中生代之交的水循环演变及驱动机制.科学通报,2023,68:15011516Song H C,Song H J,Zhang Z S,et al.Evolution and driving mechanisms of water circulation during the late Paleozoic to early Mesozoic(in Chinese).ChinSci Bull,2023,68:15011516,doi:10.1360/TB-2022-0896 2022中国科学杂志社2023 年第 68 卷第 12 期:1501 1516水循环的地质演变专辑评 述候事件,这些气候事件必然受水循环演变的影响,然而,具体的过程尚不清楚.晚古生代-早中生代是构造运动、火山活动、气候变化剧烈的时期.古生代-中生代之交是泛大陆聚合的高峰期,南方的冈瓦纳大陆和北方的劳亚大陆于晚古生代汇聚成横贯南北半球的超级大陆潘吉亚3,并且由于瑞克(Rheic)洋的关闭形成华力西造山带4.华力西造山带在晚石炭世达到顶峰,随后开始降低,并可能通过影响风化作用控制了晚古生代冰期的终结5.该时期也是古特提斯洋关闭和新特提斯洋打开的重要时期,主要体现为基梅里陆块逐渐向北漂移的过程,并使古特提斯洋在三叠纪晚期完全闭合6.该时期的火山活动也尤为剧烈,如中二叠世末期峨眉山大火成岩省7,8和二叠纪-三叠纪之交西伯利亚大火成岩省9的规模在显生宙以来的各大火成岩省中均排在前列.此外,古特提斯洋周边的火山也非常活跃,并在时间上与二叠纪-三叠纪之交生物大灭绝接近1012.这一系列重大地质事件必然对当时的水循环有着重要的影响,如晚古生代发生的显生宙规模最大的冰室期(360260 Ma)13,除了与该时期的森林繁盛有关14,还可能与华力西造山导致的风化固碳作用加强有关5.晚古生代冰室期的结束以及二叠纪-三叠纪之交的极热事件1517,可能与峨眉山和西伯利亚大火成岩省有关.然而,以往的研究重点关注冷、暖变化,但缺乏对干、湿变化的研究.关于古、中生代的若干重大地质事件,水循环演变的研究要远比温度变化的研究少,也远不及温度变化清晰.因此,目前关于古生代-中生代之交水循环的演变及其驱动机制尚不清楚.1古生代-中生代之交水循环古生代-中生代之交不仅发生了重大的气候波动事件,也发生了重大的水循环变化.一些气候敏感的地质记录和气候模式的模拟实验可以恢复当时的气候带、全球降水量的变化,探讨超级季风的形成和发展以及热带辐合带位置的变化.1.1气候带变化由于蒸发和降水过程的变化可以直接影响气候敏感性沉积物的性质,因此地质历史时期的气候带可以通过气候敏感性沉积物的分布模式来恢复.显生宙气候敏感性沉积物大数据为我们研究深时古气候变化提供了条件18.例如,蒸发岩是一种指示干旱气候特征的图 1(网络版彩色)水循环示意图.储量和通量数据来源于文献1.“陆地”“海洋”“大气”旁边的数字为储量,单位为103km3;“蒸发”“降水”“河流”旁边的数字为通量,单位为106m3/sFigure 1(Color online)The process of water circulation.Data of stage and flux are from Ref.1.Numbers next to the words“land”,“ocean”and“atmosphere”represent storages,and the unit is 103km3;numbers next to the words“evaporation”,“precipitation”and“river”represent fluxes,and theunit is 106m3/s2023 年 4 月第 68 卷第 12 期1502气候敏感性沉积物,其分布面积可反映干旱带范围;钙质壳一般分布在半干旱地区;红土、铝土矿和高岭石等则可以代表湿热气候带;冰碛岩指示冰川发育的寒冷气候带;煤沉积则指示凉寒至温暖且植被繁盛的潮湿气候带.然而,目前的气候带划分依靠研究者的主观经验,缺少统一的标准,难以准确反映气候带的面积等参数.空间算法的应用则可以客观地划分气候带,如泰森多边形法.该方法最早由美国气象学家Thiessen19提出,并利用站点观测的降水量恢复区域降水,即通过距离最近的资料点连成三角形的垂直平分线构成多边形,多边形区域的属性由资料点控制20.因此,本文抽取了文献18中古生代-中生代之交(晚石炭世至中侏罗世)气候敏感性沉积物的分布数据,对数据点的时代进行了一定的修正,排除了不确定性较大的数据,包括时代错误的数据以及时代无法精确到统级分辨率的数据.利用QGIS软件,基于古生代-中生代之交各资料点,划分了资料点对应的泰森多边形.根据顶点(即顶点处资料点)的属性,恢复出泰森多边形范围内的气候带.最后通过投影转换,计算出各气候带泰森多边形的面积.在晚石炭世-早二叠世,低纬度地区的华力西造山带附近主要为煤和铝土矿或高岭石的沉积,反映湿润气候,这种气候带向东延伸到华南和华北的大部分地区.被湿润气候带分隔的南、北半球中纬度地区则形成两块干旱气候区,以沉积蒸发岩相和钙质壳为主.高纬度地区存在冰碛岩,也是晚古生代冰期的记录.中-晚二叠世开始,低纬度指示湿润气候沉积物在潘吉亚的内陆地区消失,仅局限于西特提斯洋附近的部分地区、基梅里和华南-华北地区.高纬度的冰碛岩沉积消失,而湿润气候带变化不明显.早三叠世干旱带扩张达到顶峰,干旱带扩张导致低纬度的湿润气候区消失,同时向高纬度扩张,出现贯通南北的“超级干旱区”;全球的煤沉积消失,湿润气候带局限在冈瓦纳大陆东部、劳亚大陆东部和基梅里地区;此时的气候格局呈现出经向东西分布,与其他时期的纬向南北分布格局截然不同.随后,干旱带开始收缩,中三叠世低纬度的湿润区重新出现,高纬度的干旱带也有所回退.并在晚三叠世到早-中侏罗世继续收缩,局限在中纬度和低纬度的部分地区(图2).图2的结果与Boucot等人18的气候带划分相比,虽然整体上的变化是一致的,但前人的成图并未体现出早三叠世气候带的经向东西分布.这是因为前人的成图受现代气候带纬向南北分布理论的影响,而现代的纬向气候分带模式并不完全适用于古生代-中生代之交.从气候带的演变来看,古生代-中生代之交的干湿变化表现为全球性的极端干旱事件.古生代-中生代之交的蒸发岩面积从晚石炭世到早二叠世有所收缩,在早二叠世达到最低值,蒸发岩面积为3543.9104km2,占比仅为20.9%.随后开始急剧扩张,到早三叠世达到顶峰,面积最大扩张至8628.8104km2,占当时陆地与浅海面积总和的46.3%.之后开始收缩,到中三叠世恢复至中-晚二叠世的水平,晚三叠-早侏罗世继续收缩,至早侏罗世收缩为5175.9104km2(图3).一般来说,由于受哈德雷环流(Hadley Cells)的控制,干旱带主要分布在中纬度的亚热带地区,被降水丰富的热带湿润气候带分隔开21,22.现代的蒸发岩也相应地分布在以南北纬30为中心的干旱地带23,24.然而,沉积记录表明,在古生代-中生代之交,干旱气候带则表现为一次显著的扩张,在晚石炭-早二叠世,干旱带主要分布于南、北两半球的中纬度地区,中-晚二叠世开始扩张,直至早三叠世,两干旱带合二为一,并且扩张至高纬度地区.随后,中三叠世一直到早-中侏罗世,干旱带逐渐收缩,低纬度地区再次出现低纬度潮湿气候带.1.2全球年平均降水量变化定量估计地质历史时期的降水是一项具有挑战性的工作.由于地质记录的不完备性,即便有沉积以及化石记录作为支持,全球的平均降水也难以被估计.借助计算机工具和数值模拟的手段,气候模式或地球系统模式的发展给地质历史时期的降水量恢复提供了一种有效途径.气候模式的数据可反映一定的趋势,以及降水量随边界条件的敏感性变化,具有一定的参考意义.本文汇总了气候模式模拟的降水数据(图4).结果表明,全球年平均降水在晚石炭、早侏罗世较高,中-晚二叠世和早三叠世较低,呈现为“V”字形,与蒸发岩面积的变化趋势相反.最低点位于早三叠世,降水量约为1000 mm/a,沉积记录所对应的蒸发岩面积则处于古生代-中生代之交的最高点,为8628.8104km2(图2).FOAM模式(the fast ocean atmosphere model)模拟的径流量变化与降水量变化存在一定的相关性:二叠纪-三叠纪之交地表径流量较低,随后逐渐上升25,与当时的降水量基本一致(图4).气候模拟实验得出的