高远，陈积权，王成善
近百年来，全球平均温度升高了约1°C，两极冰川的冰量持续减少，海平面上升。整个地球气候系统显著变暖，很可能是人类向大气排放过量温室气体造成的——今天大气中二氧化碳浓度已达417ppmv，比工业革命之前高出50%。人类文明的发展迫切要求对全球气候变暖的发展趋势及其环境和资源效应有更加深入的了解。
古人云：“以史为鉴，可知兴替”。研究地球演化的历史，特别是温室气候时期，能够为当前全球气候变化提供借鉴（图1，Tienery et al., 2020）。白垩纪（距今约1.45亿年至6600万年前）是“深时”（指第四纪之前的地质历史）典型的温室气候时期，古气候学家提出未来地球可能会重返白垩纪温室气候。
图1 过去一亿年地球气候演化历史与未来两百年气候变化预测，红色方框标记白垩纪末至古近纪初（修改自Tierney et al., 2020）。
一、白垩纪末期至古近纪初期温室地球的气候扰动
白垩纪末期至古近纪初期（Campanian晚期至Danian早期，~75-65Ma）地球总体处于两极无冰的温室气候状态。当时表层海水温度比今天高5-10℃，低纬和高纬之间的温度梯度比今天要小，大气二氧化碳浓度和海平面比今天高（图1）。这段时间地球的气候也是非常不稳定的，发生了多次百万年尺度上的变冷和变暖事件。
Maastrichtian早期（~70Ma）地球上发生了一次显著的变冷事件，以深海底栖有孔虫氧同位素~1‰正偏为特征，本文称为EME事件（Early Maastrichtian Event）（图1）。结合同时期海平面降低的数据，地质学家曾认为南极可能短暂发育冰盖；但是这一观点受到质疑，古海洋学家提出高纬度冷的深层海水灌入低纬海洋才是导致气候变冷的原因（Jung et al., 2013）。
变冷趋势被Maastrichtian中期变暖（MME事件，Mid-Maastrichtian Event，~69Ma）终结，深海氧同位素负偏显示海洋升温约2-4℃，陆地气候记录也显示升温约3-5℃。印度洋东经九十度海岭火山活动可能是导致变暖的重要原因（Jung et al., 2013; Keller et al., 2016）。
Maastrichtian晚期（~66.4-66.1Ma），有孔虫氧同位素和镁钙比、有机生标TEX86等多个指标均证明海洋升温~4℃，被称为LME事件（Late Maastrichtian Event，图2E；Hull et al., 2020）。这次变暖事件正好发生在白垩纪-古近纪界线（K-Pg界线）生物大灭绝之前（Schulte et al., 2010），其成因和对生态系统的影响受到广泛关注和讨论，但仍未达成共识。传统的观点认为德干大火成岩省喷发出大量温室气体是导致变暖的重要原因，对德干玄武岩火山灰的高精度锆石U-Pb定年进一步支持了这一观点，发现德干大火成岩省喷发分四幕，K-Pg界线之前的第一幕导致了LME变暖事件，第二幕与小行星撞击共同导致了生物灭绝（图2B，Schoene et al., 2019）。然而，高精度Ar-Ar定年却认为德干大火成岩省喷发主要发生在K-Pg界线之后，因此不太可能导致LME变暖（图2C，Sprain et al., 2019）。后续气候模拟和火山岩包裹体成分研究认为德干大火成岩省早期喷发更富含挥发性温室气体，是LME变暖的主要原因（图2D，Hull et al., 2020）。
从前文可以看出，白垩纪末期至古近纪初期温室地球气候剧变的研究主要集中在海洋环境下或者德干玄武岩地区，陆地环境下气候变化及其与重大地质事件的联系仍然认识不清，其中最主要的原因是缺少连续的陆相地质记录。
图2 K-Pg界线附近重要地质-生物-气候事件综合图。
（A）生物灭绝复苏与铱元素异常，动植物区系A、B、C分别代表白垩纪灭绝种、机会种、古近纪新生种（Schulte et al., 2010）；（B）基于U-Pb定年的德干玄武岩喷发模式（Schoene et al., 2019）；（C）基于Ar-Ar定年的德干玄武岩喷发模式，不同颜色代表不同的组（Sprain et al., 2019）；（D）基于模拟结果的德干玄武岩排气模式（Hull et al., 2020）；（E）深海氧同位素曲线指示气候变化（Hull et al., 2020）。
二、松辽盆地大陆科学钻探获得白垩纪连续陆相地质记录
松辽盆地大陆科学钻探工程是全球第一口钻穿白垩纪陆相地层的大陆科学钻探井，也是国际大陆科学钻探计划（ICDP）框架下唯一以整个陆相白垩系为钻探取心目的层的大陆科学钻探项目（Wang et al., 2013；Gao et al., 2019）。松辽盆地大陆科学钻探工程包括“松科1井”、“松科2井”和“松科3井”三个阶段，实现“三井四孔、八千米连续取心”（图3）。“松科1井”于2007年完钻，分南北两个钻孔，共获取2486米上白垩统连续岩心，取心收获率96.46%。
图3 松辽盆地大陆科学钻探“三井四孔”纵剖面图
松辽盆地大陆科学钻探工程项目钻探的“松科1井”获取了晚白垩世晚期至古新世早期近乎连续的陆相地层——四方台组和明水组，为研究白垩纪末期至古近纪初期陆地气候环境变化提供了绝佳材料（Wang et al., 2013）。前人研究中采用生物地层学、磁性地层学和旋回地层学方法，将四方台组-明水组年龄限定于Campanian晚期至早丹麦期。通过介形类、孢粉和轮藻的研究分别将K-Pg界线限定在335.09-317m、360.6-233.9m、329.06-328.77m之间。磁性地层学研究建立起3个正极性带、3个负极性带和1个混合极性带，并分别对应于GPTS的C33n-C29r带。旋回地层学研究基于Th元素测井数据，识别出405kyr长偏心率周期，并以C29r-C30n交界317m处（66.3Ma）为绝对年龄锚点，获得了四方台组和明水组的绝对年龄为~76.1-65.1Ma。
三、松科1井白垩纪末期至古近纪初期多指标古气候记录
本文对松科1井白垩纪末期至古近纪初期四方台组-明水组岩心开展了沉积学、粘土矿物学、元素地球化学和稳定同位素地球化学研究，分析了不同指标之间的相关性，建立起白垩纪末期至古近纪初松辽盆地多指标古气候记录。
基于对岩相组合与接触界面、沉积构造和化石特征的综合分析，重建四方台组-明水组沉积环境演化。四方台组-明水组总体以粉砂岩和泥岩为主，砂岩和砾岩厚度占比约五分之一，可以划分为五个沉积单元，每个单元自下而上由河流相、三角洲相和湖泊相构成，沉积单元之间以不整合面接触（图4）。
图4 松科1井四方台组和明水组岩性柱状图和沉积相分布图
古土壤指标。根据植物根迹、钙质结核、氧化还原色斑（mottling）和似滑擦面（slikensides）等特征，可以将古土壤划分为干旱土（Aridisol）、始成土（Inceptisol）、变性土（Vertisol）和淋溶土（Alfisol）四种类型。干旱土一般形成于干旱-半干旱气候，发育大量钙质结核；始成土出现在各种气候环境中，为不成熟的古土壤，有原始沉积构造（如层理）残留；变性土通常出现在半干旱-半湿润气候中，似滑擦面显著发育；淋溶土形成于较湿润气候中，发育氧化还原色斑，少量钙质结核在古土壤剖面中深度较深（>1m）（图5）。松科1井四方台组-明水组古土壤类型的变化具有周期性，如~850-800m、~550-450m和~350~300m深度区间，淋溶土显著发育；~1000-850m和~700-550m深度区间，变性土和干旱土出现更多（图6B）。
图5 松科1井四方台组和明水组典型古土壤剖面图
黏土矿物指标，黏土矿物是粒径小于2μm的层状硅酸盐矿物。当气候温暖湿润时，水循环和化学风化作用加强，蒙脱石相比于伊利石更容易形成，伊利石晶格中镁铁淋滤散失而铝富集，从而使伊利石化学指数（illite chemistry index）升高。在松科1井四方台组与明水组中，~850-800m、~550-450m和~350-230m深度区间内，蒙脱石/伊利石含量比值较高，伊利石化学指数值较高；相反，~1000-850m、~650-600m和~450-350m深度区间内，两个指标数值均较低（图6D）。
化学蚀变指数（CIA）指标，常用于评估化学风化作用强度，因为Ca、K和Na等碱性阳离子在化学风化过程中不断从长石中析出，而较难迁移的Al离子保留下来。四方台组-明水组泥岩CIA值在~750-650m、~550-450m、~350-320m深度区间升高，指示化学风化作用增强；在~650-600m、~450-400m、~320-315m深度区间降低，指示化学风化作用减弱（图6C）。
土壤碳酸盐氧同位素指标可以反映温度变化和大气降水来源变化，碳同位素则记录了大气二氧化碳和土壤呼吸作用产生二氧化碳的混合信号。松科1井~600m深度处古土壤碳酸盐δ18O负偏约3‰，受温度降低与西风水汽增强共同控制；~500m和~330m古土壤碳酸盐δ18O正偏同时δ13C负偏，指示温度升高、东亚季风水汽增强和土壤生产力增加（图6EF；Gao et al., 2015）。
团簇同位素指标可用于重建古温度，之前研究发现四方台组-明水组土壤碳酸盐形成温度范围15-42°C，~400-330m深度区间出现一次显著升温（图6G；Zhang et al., 2018），综合已发表的所有氧同位素数据，恢复土壤水δ18Ow范围-4.8～-12.7‰。
图6 松科1井四方台组和明水组多指标综合图。
（A）沉积相；（B）古土壤类型；（C）化学蚀变指数（CIA）；（D）伊利石化学指数；（E）古土壤碳酸盐（黑点）和介形虫壳体（灰点）δ18O；（F）古土壤碳酸盐（黑点）和介形虫壳体（灰点）δ13C；（G）Δ47-温度，灰点表示基质较粗的古土壤。
多指标相互印证的地质记录是准确重建深时古气候古环境的重要基础。本文对松科1井四方台组-明水组进行了多指标相关性分析，验证了指标之间的一致性和古气候古环境重建的可靠性（图7）。例如，从变性土到淋溶土，土壤碳酸盐δ18O、Δ47-温度和CIA值升高而δ13C降低，共同指示变暖、变湿、风化加强的气候环境。CIA与伊利石化学指数、土壤碳酸盐δ18O、土壤水δ18Ow呈显著正相关关系，表明风化作用与降水关系密切；CIA与Δ47-温度没有显著的相关性，可能反映了风化作用与温度无关或者部分土壤碳酸盐形成季节的变化。
图7 松科1井四方台组-明水组多指标相关性分析图
四、白垩纪末期至K-Pg界线前后松辽盆地气候环境演变
Campanian晚期和Maastrichtian期底栖有孔虫氧同位素记录表明全球气候总体处于降温过程，但仍然存在百万年尺度的气候波动（图1，图8）。在Campanian晚期~76Ma-74Ma期间，松辽盆地土壤碳酸盐δ13C、δ18O和土壤水δ18Ow记录表明气候较温暖干旱，可能是松辽盆地东部存在海岸山脉阻隔了太平洋水汽，导致盆地位于“雨影”区。在~74-72Ma期间，底栖有孔虫δ18O负偏指示一次海水升温事件。松辽盆地河流环境向湖泊环境转化，淋溶土更发育，化学风化作用增强，推测是海岸山脉风化剥蚀、海拔降低和全球气候变暖共同导致（图8）。
在Maastrichtian早期发生了EME变冷事件（~70Ma），松辽盆地河流环境广泛出现，变性土更发育，土壤碳酸盐δ18O负偏，δ13C正偏，土壤水δ18Ow正偏，化学风化作用减弱。这是全球仅有的中纬度陆地对MME事件的响应记录。研究发现，全球降温导致东亚中纬度陆地西风加强、季风减弱，欧亚大陆内部来源的水汽相对增多、太平洋来源的水汽相对减少，最终造成松辽盆地降水减少、土壤呼吸作用强度下降、风化作用减弱（图8）。
在Maastrichtian中期发生了MME变暖事件（~69.5Ma-68.5Ma），松辽盆地河流环境向湖泊和三角洲环境转化，淋溶土在古土壤类型中的占比增加，土壤碳酸盐δ18O正偏、δ13C负偏、土壤水δ18Ow正偏，化学风化作用增强。全球火山活动加强（如东经九十度海岭）释放温室气体，导致东亚中纬度陆地升温和西风带北移，来自太平洋水汽相对增加。此外，陆地温度相比于海洋温度升高较大，陆地出现低压异常，从而引起松辽盆地夏季降雨增加和水循环活动增强。
MME事件后温度回冷，持续时间可能长达200万年。松辽盆地以河流环境为主，变性土和干旱土更发育，土壤碳酸盐δ18O负偏，δ13C正偏，土壤水δ18Ow值负偏，化学风化作用减弱，共同指示较干冷的气候（图8）。~68.5Ma时全球火山活动减弱和风化作用增强可能是这次降温事件的原因。
图8 松辽盆地晚白垩世晚期至古新世早期陆地气候暖湿（粉色条带）、冷干（蓝色条带）和干热（黄色条带）事件及其与海相记录的对比。
A）沉积相；B）古土壤类型；C）古土壤碳酸盐δ13C；D）古土壤粘土矿物和碳酸盐δ18O；E）Δ47-温度和粘土矿物形成温度，灰点表示基质较粗的古土壤；F）土壤水δ18Ow；G）伊利石化学指数；H）化学蚀变指数（CIA）；I）深海碳酸盐和底栖有孔虫δ18O。
K-Pg界线生物大灭绝包括了非鸟恐龙在内的多门类生物灭绝，是地质历史时期五次生物大灭绝事件之一。海相记录表明K-Pg界线附近地球气候波动显著，表现为若干次变冷和变暖事件，影响了生物灭绝与复苏。但是，人们对同时期陆地气候环境变化及其与重大地质-生物事件的联系仍然认识不清。本文对东亚中纬度陆地气候环境和大陆风化记录与海相记录进行对比，评估东亚中纬度陆地对全球气候变化敏感响应过程与机理。
LME事件期间，德干玄武岩释放大量CO2可能导致气候升温（Hull et al., 2020）。在松辽盆地，Δ47-温度升高，土壤碳酸盐δ13C负偏，淋溶土更发育，指示更加温暖湿润的气候（图9）。与MME事件类似，LME全球变暖期间东亚中纬度地区海陆温差增大、西风带北移，导致水循环活动增强，松辽盆地降雨增加。
LME事件之后到K-Pg界线之前，全球出现约10万年的降温，温度恢复到LME事件前的水平（图9）。降温的机制目前仍然存在争议，部分学者支持“风化致冷”假说，即德干玄武岩风化作用的增强消耗了大量的CO2，从而使气温降低。在松辽盆地，Δ47-温度记录了相似的降温事件（~66.1Ma），风化指标与温度的相关性（风化强度在降温初期达到峰值）支持了“风化致冷”假说（图9）。
K-Pg界线之后，地球在古近纪最初的50万年里持续升温（Hull et al., 2020），与松辽盆地的升温、变湿、风化加强变化趋势一致，可能与德干玄武岩持续排放CO2有关。
图9 K-Pg界线附近松辽盆地气候环境和大陆风化记录及其与海相记录的对比。
从左到右：A）磁性地层柱；B）旋回地层柱（基于Th元素）；C）古土壤类型；D）古土壤碳酸盐δ13C；E）古土壤碳酸盐δ18O；F）Δ47-温度，灰点表示基质较粗的古土壤；G）土壤水δ18Ow；H）伊利石化学指数；I）化学蚀变指数（CIA）；J）深海底栖有孔虫δ18O。
五、白垩纪末期至K-Pg界线前后气候变化对生物演化的影响
气候变化如何影响K-Pg界线附近生物灭绝与复苏依然存在争议。海相有孔虫化石记录表明，MME事件促进了生物多样性的增加，而LME事件导致了生态压力和有孔虫的小型化，可能直接影响了生物灭绝（Keller et al., 2016）。陆地上相关研究报道很少。
基于松科1井的古生态研究及东亚地区的对比表明，EME变冷事件导致东亚地区轮藻等微体生物多样性降低，而MME和LME变暖事件对应着生物多样性增加（Li et al., 2021）。LME变暖事件期间，轮藻的化石个体减小，可能与德干玄武岩喷发导致的生态压力有关（Li et al., 2021）。K-Pg界线附近陆相化石与气候对比研究的结果初步证明了陆地气候对生物演化有影响，与海洋环境有相似也有不同，但是仍需要更多后续数据和资料的支撑。
本文第一作者系中国地质大学（北京）副教授，第二作者为中国地质大学（北京）硕士研究生，第三作者为中国地质大学（北京）教授。本文主要观点来自Gao et al. (2021a) Earth-Science Reviews和Gao et al. (2021b) Cretaceous Research两篇论文，向所有合作作者致谢，同时感谢李玉寅和毋正轩两位同学在文字和图件上的帮助。本文属作者认识，相关问题交流可通过邮箱yuangao@cugb.edu.cn与本人联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。
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