新生代重大古气候事件及其动力机制

新生代重大古气候事件及其动力机制中国科学院地质与地球物理研究所孙继敏E-mail:[e-mail]历史的回顾与问题的提出岩石圈水平运动的气候效应岩石圈垂直运动的气候效应CaseStudy-塔里木与准噶尔盆地干旱历史及其动力机制十九世纪：进化论二十世纪：板块学说廿一世纪：地球系统演变机理地球是一个整体的系统，牵一发而动全身•从地球系统角度出发•研究各圈层间的相互作用新生代全球气候发生怎样的变化？地球表明的71％被海洋占据，深度3000m以上海域占75％，深海沉积是气候事件的最佳档案库•世界上美、日、德、英、法、澳、加等二十余国和地区参加•年预算4500万美金•地球科学历时最长、规模最大的国际合作深海钻探计划（DSDP）DeepSeaDrillingProgram(1969~1983)大洋钻探计划（ODP）OceanDrillingProgram(1985~2003)ODP:OceanDrillingProject：1985－2003，650个地点JOIDES•船长143m•排水16900吨•钻塔高61m•1400m2七层实验室DSDP1968~1993:DSDP/ODP井位图三十年来世界各海洋钻井二千多口取得岩芯二十余万米深海氧同位素地球气候从中生代及新生代早期(古新世和始新世)的温室期(GreenHouse)，到晚新生代的冰室期(IceHouse)ModifiedZachosetal.,2001来自全球40余个DSDP和ODP钻孔的深海沉积底栖有孔虫壳体氧同位素记录新生代岩石圈发生怎样的变化？全球板块水平运动新生代板块垂直运动强烈单极有冰两极有冰两极无冰(温室期)深海氧同位素ModifiedZachosetal.,2001ChickenEgg?新生代构造强烈新生代气候巨变问题的提出：历史的回顾与问题的提出岩石圈垂直运动的气候效应CaseStudy-塔里木与准噶尔盆地干旱历史及其动力机制岩石圈水平运动的气候效应洋底的更新过程与大陆岩石圈的水平运动巴拿马地峡德雷克海峡塔斯马尼亚海峡直布罗陀海峡印度尼西亚海道岩石圈水平运动新生代以来由于板块水平运动所导致的海峡的开启与闭合TasmanianGateway约34百万年前岩石圈水平运动对新生代气候的影响澳洲、南美板块的北漂德雷克、塔斯马尼亚海道德开通环南极洋流的形成造成南极热隔离65MaagoCaseI:南极冰盖的形成相对于34Ma形成的南极冰盖而言,北极冰盖的出现要晚很多，真正意义上的北极冰盖的形成应当是第四纪之处的2.6Ma,这标志着第四纪冰期的来临，地球也从此开启了两极存在冰盖的历史。如此重大的气候变冷事件，因何产生？全球板块水平运动对气候的影响CaseII:巴拿马地峡关闭与北极冰盖形成DriscollandHaug1998,Science;Haugetal.,2001,Geology巴拿马地峡关闭南美北美全球板块水平运动对气候的影响CaseIII:印尼海道关闭与东非干旱气候形成3-5Ma印尼海道关闭改变流入印度洋的洋流路径印度洋海水表面温度降低印度洋海洋蒸发减少非洲东部干旱气候形成Cane&Molnar(2001)，NatureRamsteinetal.,1997;Fluteauetal.,1999全球板块水平运动对气候的影响CaseIV:特地斯海的消失减少了向东输送的水汽来源、增加了亚洲的大陆性，加剧了亚洲内陆干旱化气候变化大洋环流的变化海峡的开启与闭合板块水平运动大气圈水圈岩石圈历史的回顾与问题的提出CaseStudy-塔里木与准噶尔盆地干旱历史及其动力机制岩石圈水平运动的气候效应岩石圈垂直运动的气候效应Topoftheworld岩石圈垂直运动的气候效应硅酸盐的风化作用，消耗大气CO2CaSiO3+CO2→CaCO3+SiO2气候变冷消耗大气CO2风化作用加强高原隆升岩石圈垂直运动的气候效应(I)RaymoandRuddiman(1992)--加速硅酸盐化学风化作用一亿年来大气CO2浓度的下降McCauleyandDePaolo(1997)认为Himalaya只占全球硅酸盐风化的5％，并不足以产生全球变冷；他们指出有机炭的快速埋藏在类似孟加拉湾、阿拉伯海等三角洲和洪积扇的快速埋藏，才是其原因。岩石圈垂直运动的气候效应(II)--加速了有机质的埋藏，降低大气CO2浓度全球碳循环MNMBroccoliandManabe(1992)GCM模拟青藏高原存在时，亚洲内陆干旱区扩大山脉隆升的“雨影”效应--地形屏障与“雨影”效应岩石圈垂直运动的气候效应(III)冬季青藏高原不存在时，北半球中纬度大气纬向环流夏季青藏高原隆升后北半球中纬度冬、夏季大气环流Ruddiman(1997)、RuddimanandPrell(1997)--改变大气环流岩石圈垂直运动的气候效应(IV)岩石圈垂直运动的气候效应(III)高原的“冷热源”作用“放大”的东亚的季风环流--加强了东亚季风环流岩石圈构造作用对新生代气候的影响是非常复杂的，事实上高原隆升导致的辐射平衡变化、硅酸盐风化、有机质快速埋藏、大气环流变化以及板块运动导致的洋流改变可共同参与在新生代气候的变冷进程之中，不可孤立看问题MolnarandEngland,1990,Nature新生代气候变化是否影响到构造运动？气候控制高原隆升的争议?Montgomery,1994通过模式计算发现美国内华达山脉和青藏高原由于剥蚀作用导致的均衡反弹只占山脉隆升高度的5－10％，即便在喜马拉雅山脉，均衡反弹的量也只能占到20－30％Age(Ma)北极冰盖形成于2.6Ma,标志第四纪冰期气候来临北极冰盖形成2.6MaIcerafteddeposits(IRD)JOIDESIceberg如果承认气候控制了构造隆升，那么全球最剧烈的山脉抬升应当发生在第四纪冰期来临之后??历史的回顾与问题的提出岩石圈水平运动的气候效应岩石圈垂直运动的气候效应CaseStudy-塔里木与准噶尔盆地干旱历史及其动力机制塔里木盆地新生代干旱气候的形成塔克拉玛干沙漠的流动沙丘桑珠剖面--来自沙漠南缘的证据昆仑山山前的西域砾岩(Q1)昆仑山山前上新世阿图什组桑珠剖面中上部地层晚中新世Pakabuluke组研究区的地层概况J.M.Sun,T.S.Liu,2006,Science•剖面的底界年龄为6.5Ma•风成沉积的起始年龄为5.3Ma•塔克拉玛干沙漠至少在5.3百万年前形成沉积物易溶盐含量自5.3Ma以来突然增大了数百至数万倍指示了塔里木盆地的干旱气候自5.3Ma加剧5.3Ma塔里木盆地新生代干旱气候的形成--来自沙漠腹地的证据SunJ.M.etal.,Geology,accepted•剖面的底界年龄为10Ma•风成沙丘最早出现于7Ma•塔克拉玛干沙漠至少在7百万年前已经形成5－7Ma以来，塔里木盆地气候干旱、塔克拉玛干沙漠形成的动力机制是什么？研究区处于昆仑山前的拟冲、褶皱带，受印度洋板块向北俯冲的影响，构造运动十分活跃牛之俊等(2005)前陆盆地沉积相变化的原因？侵蚀加剧坡降加大构造隆升寒冻风化冰川研磨新生代全球变冷沉积相与堆积速率变化如何在前陆盆地的沉积中，获得山脉构造隆升的证据？同构造(Syntectonic)沉积生长前地层生长地层ThrustFaultSun研究区同构造沉积--生长地层，自5.3Ma左右开始发育，表明昆仑山在5-6Ma有一次构造隆升,此次隆升应当是昆仑山新生代多次隆升事件中非常重要的一幕，为什么？SunJ.M.,etal.,2008,QuaternaryScienceReviews昆仑山在5-6百万前的隆升，很可能在高度上更为有效的阻挡了印度洋水汽的北上，可能是塔里木盆地干旱气候的形成和塔克拉玛干沙漠出现的原因之一高原隆升的“雨影”效应塔克拉玛干沙漠形成的动力机制地中海盐度危机（5-6Ma）也可能是其另一动力驱动因素地中海黑海大西洋地中海直布罗陀海峡准噶尔盆地南缘新生代气候变化与新构造运动天山造山带在新生代受印度板块向北俯冲的远程效应的影响，新生代地层发生构造变形，地壳缩短100-200km牛之俊等(2005)北天山南天山新生代地壳缩短100－200km塔西河剖面地层产状及划分研究区的地层概况天山北麓自2600万年前－早更新世孢粉记录的新生代气候变化？中中新世气候增暖事件是不争的事实，是全球尺度的气候事件，但晚渐新世增温事件很可能不像Zachos(2001)所宣称的那样显著准噶尔盆地气候干旱的动力机制是什么？天山北麓前陆盆地自6Ma以来发育生长地层，指示天山中段地壳缩短、构造活动加剧，同时国内外同行也报道了东昆仑、祈连山、六盘山等6Ma左右的新构造事件，是否意味着天山北麓6Ma以来的变干事件与此次构造运动有关？6Ma以来C4植物扩张，北半球干旱化程度加剧（Cerlingetal.,1993,Nature)北大西洋深海沉积也记录了6Ma以来冰筏沉积（IRD）开始出现，预示了北半球全球气候变冷的开始Age(Ma)6Ma冰筏沉积开始出现新生代构造与气候，“鸡”与“蛋”问题仍将继续争论下去，我们要走的路依然很长！Thankyou