纪开宣，童金南，Paul B. Wignall, Jeff Peakall, 楚道亮，Sara B. Pruss

导读

近年来极端高温天气在全球各地的频发和大范围出现，引起了人们对地球温室效应的热烈讨论。全球升温是近年来人们最关心的气候问题之一，因为地球升温会“牵一发而动全身”影响到整个地球系统，促使暴雨、干旱、超级热浪和强台风等极端天气的频繁发生，给生产、生活带来巨大影响，同时也危及到濒危物种的生存，破坏生态系的稳定。早三叠世(距今约2.5亿年前)是最典型的地球极热期之一。该时期海水表面平均温度可以达到40℃（Sun et al., 2012），比现今海洋表面年均温度超过21-23℃。经过二叠纪—三叠纪界线时期的极热事件，超过80%以上的海洋生物种灭绝，海洋生态系全面崩溃。同时，在大陆地区，生态系统也遭受重创，地质学家普遍认为陆地生态系的崩溃也与温室效应密切相关。长期以来，由于早三叠世陆相研究相对匮乏，对该时期的陆地高温及其气候效应仍不清楚。

本研究找到了华北大陆早三叠世高温的沉积学证据，通过还原沉积结构和沉积时的原始条件，揭开了2.5亿年前华北地区极端动荡的天气状况和恶劣的生存环境，恢复了由全球高温引起的在华北内陆的“超级风暴”。这项研究对于理解早三叠世地球极热事件在华北盆地的影响具有重要意义。通过探究古地球极端气候事件的过程和机制，可以增进我们对当前全球变暖的理解。

什么是“风暴岩”？

通俗来讲，风暴路径水面，会在水底沉积物中留“痕迹”，这些“痕迹”组成的岩石序列就是“风暴岩”。这些“痕迹”在沉积学中最常见的就是沉积构造。与风暴岩相关的沉积构造有很多，最典型的鉴定标志是扁平（竹叶状）砾石、侵蚀面和渠模、丘状/洼状交错层理和加积波痕等。这些沉积构造是风暴涡流、震荡流和牵引流综合作用的产物。随着风暴引起的水体动荡程度的减弱，风暴岩常表现出沉积物粒度从下往上逐渐变细的序列层。在水深不同的区域，风暴序列层极其层内保存的沉积构造均有差异，这也是反推风暴岩发育位置的重要依据。

华北内陆早三叠世超级风暴岩

本研究包含三个研究区域（图）的五个主要剖面：河南宜阳大雨淋，登封苏沟；禹州云头岭；陕西铜川石川河和山西柳林。剖面自下而上发育晚二叠世至早三叠世地层，包括孙家沟组，刘家沟组和和尚沟组。目前研究认为二叠系—三叠系界线大约位于孙家沟中部。本研究关注早三叠世刘家沟组地层。刘家沟组在A河南区域沉积较薄，约110 m；在B鄂尔多斯盆地南缘的沉积厚度次之，约150 m; 在C鄂尔多斯盆地东北部沉积厚度最大，约340 m。华北盆地早三叠世刘家沟组主要是以砂岩沉积为主的滨浅湖—三角洲和辫状河沉积环境 （Ji et al., 2023）。

图1 早三叠世华北地区古地理图与研究区

A 河南洛阳-登封-禹州一带；B 陕西铜川；C山西柳林； 1 河南西部地区，包含有多个小盆地；2 山西盆地；3 静乐盆地。底图修改自Liu et al., 2015.

在华北盆地刘家沟组中，我们识别出了丰富的、保存完好的风暴成因沉积构造和序列层，接下来主要以图片展示的形式进行讲述：

首先，最重要的风暴鉴定标志性沉积构造之一是具有渠模的侵蚀面（图2，3），其特点：渠模是侵蚀面的一部分，在垂向表现出V型、U型等。在底面上可观察到其常沿一个方向并排，通俗来讲是多个很长的“凹槽”。渠模上部往往堆积的是混乱的、分选差（砾石大小悬殊）的、具放射状排列的扁平砾石，也是风暴岩的典型结构（详情见图5）。

图2 本研究中的渠模

来自于山西柳林剖面刘家沟上段。2A中白色箭头指示的大型泥砾（长轴长约15cm）暗示砾岩是原地沉积的，并未经过远距离搬运，否则，泥砾会破碎消失。

图3 拓展介绍：平面观察的渠模

黄色虚线框出了后期充填灰岩实体，白色虚线是渠模的凹槽部分。表面生长的白色现代海洋生物是藤壶。纪开宣摄于英格兰西北约克郡侏罗系海相地层。

其次，丘状交错层理（hummocky cross-stratification, HCS）和洼状交错层理(Swaley cross-stratification, SCS）也是风暴成因的标志性沉积构造，它主要形成于正常浪基面和风暴浪基面之间的沉积环境中。其层系之间表现为“纺锤状”的外形，内部纹层向两侧收敛状延伸后又发散，形成一股多个连续的“纺锤”形态；最重要的是，内部纹层间不会交错和截断。其规模常常较大，一个“丘”或“洼”长度可大于1m。图4展示了风暴风暴发生到变强到消失的过程，依此产生了波动较弱的纹层—波动较大的纹层—加积波痕—洼状层理—粉砂岩/泥岩沉积的序列。上部的洼状交错层理是另外一期风暴作用产物。

图4 图4A为研究剖面节选，从下往上依此发育了波动状层理，显示水体开始动荡；往上层理波动加强，越加错乱，层理侧向截断明显，主要是受到了生物扰动的影响—虚线轮廓是古生物潜穴遗迹；之上为加积波痕（图C）及丘状/洼状交错层理（图4B，左侧沉积柱状图的SCS：swaley cross-stratifications, 是风暴岩中最典型、最特有的沉积构造之一）。

图5  本研究中的砂质扁平砾石

图5A中扁平砾石长度可达8cm,无粒序，排布混乱，砾石基质支撑至半颗粒支撑，砾石空隙多填充有亮晶的方解石胶结。图5B和C是对砾石的拓印图，可清晰看出砾石的高角度保存和放射状/菊花状的排列状态。

扁平砾石是本文的第三类风暴成因典型标志。扁平砾石是由风暴涡流、震荡流等搅动水体，把半固结-固结的水底沉积物打碎，搅动起来，然后又在原地沉积成岩形成的。沉积学上将原地成因的砾岩称为“内生砾岩”，扁平砾石只是内生砾岩的一种，本研究中的泥砾和后文提到的“砂球CLC”也属于内生砾岩范畴。本研究砾岩层特征如下：内部的长棒状的砾石多排列混乱，分选很差（不受牵引流的长期搬运而对砾石大小的分级作用），砾石高角度“站立”（图5A，B，6B），或多个砾石排成放射状、菊花状（图5C）、倒“小”字状，这些形态都是“不稳定态”，只有风暴涡流才能造成如此特殊的沉积特征。

但本次研究中的内生砾岩并未如此简单，它还有以下几个特征：（1）砾岩层最底部往往发育鳞栉状/叠瓦状排列的砾石组合(图6C)，这是单向牵引流侧向流动的标志；（2）大型的棱角状砾石块体（图7A：拓印图中黄色涂色的砾石）分布在砾岩层中部，而不遵循重力大的先沉降原则，这也说明砾石受到了向上牵引的力，也是涡流的良好证据；（3）砾石之间除了充填沙质沉积物，还经常充填的是方解石胶结物（图5A, 6B, 7A中的白色亮晶），显微镜下观察方解石多为大颗粒亮晶块状胶结，并常见嵌晶结构（图5B, C，图6A），这种特征常表明水体的钙离子浓度高，蒸发量大，是可以快速结晶成碳酸钙的环境。（4）显微镜下常见各种侵蚀结构（图8，红色箭头处），进一步证明水体动荡。

图6 A为砂质内生砾岩层序远景图，含多个叠覆砾岩层，层间有侵蚀面，层内砾石无粒序变化。B扁平砾石的高角度-近直立保存形态；C砾石层下部叠瓦状/鳞栉状排列形态。

图7 该图主要展示较大的复合砾石（大型砾石中包含小砾石，是多期作用形成的）不遵循重力大的颗粒优先沉积在底部的原则，而是多保存在砾岩层中部，说明砾石受到了较大的向上的牵引力作用。

图8 砾岩层内方解石胶结及显微镜下观察，A单片光镜下，B正交偏光镜下；红色箭头指示侵蚀结构。等厚状（isopachous）和‘狗牙状（dogtooth）’方解石胶结速度较慢，而亮晶方解石块状（blocky）胶结是早期成岩阶段快速胶结的特征。

以上是风暴岩中最典型的、具有野外鉴定意义的沉积构造。其它沉积构造还有波痕、交错层理、软沉积变形等，但这些沉积构造也可以在其它沉积环境中生成，并不是关键鉴定标志, 在此不赘述。 

还有更异常、更有趣的地质现象吗？有！

在扁平砾岩层中还发现了一种从未报道过的陆相同心环状钙砂质结核，我们常称它“砂球”（图7）(英文concentrically-laminated concretions, CLC)，它既是一种结核，也是一种砾石。它有以下几个特征：（1）奇形怪状，各式各样，有时候可见一个内核，有时候又见多个内核被包在一起，内核颜色深浅不一，但基本为砂质；（2）虽然形状奇怪，但都有同心环状“生长纹”，少数还有放射状纹路；（3）大部分经历了搅动的再作用过程，但也存在原位保存的；（4）侵蚀构造常见；（5）显微镜和扫描电镜观察后显示微生物作用少；（6）对比浅海环境中的鲕粒（多毫米级别）和（似）核形石（多厘米级），“砂球”体积异常大。

图9 ”内生砾岩层中的“砂球”

A 较大野外砾石露头，白色实线圈出了一个大型砂岩砾石，长轴约30cm，罕见，暗示了强大的水动能作用；白色箭头和虚线指向“砂球”；B，C“砂球”特写。

我们不禁要问：是什么环境和过程才能形成这样形态的“砂球”呢？通过观察归纳，我们提出了“砂球”的“生长”模型（图10），它是经历了“埋藏胶结—扰动暴露”的多次过程。我们后续分析认为强风暴天气可能是将其暴露出地表的“元凶”。

图10 “砂球”的“生长过程”还原

A 先全部埋藏，后部分埋藏所形成的结核；B 先全部埋藏，后部分埋藏，最后又全部埋藏所形成的结核；C 先全部埋藏，后多次部分埋藏，且埋藏部分不同所形成的结核。

综合所有沉积构造的发育特征，保存位置，成因过程和环境，我们建立了4个水动力模型示意图（图9），分别是—风暴前（A）的结核埋藏生长期，风暴作用早期（B）的强搅动和侵蚀期；风暴作用中期（C）的涡流、震荡流和侧向牵引流共同作用时期，该时期砾石开始逐渐沉降；风暴作用后期（D）细粒物质开始沉降，并填充砾石间的空隙。

图11 内生砾岩沉积过程的水动力模型，B-D是风暴作用水动能由强变弱的过程。 

讨论

通过野外调查，我们发现最大的复合砂质砾石可以是直径约30cm的大型块体，风暴能级需要多大才能引起如此强的水动能，以至于侵蚀并搬运起如此大型的砾石？这种现象在地质历史时期（尤其是陆相环境）的记录是很少的。按照目前的气象观察，风暴登陆以后几天内就会因为潜热能供给不足而快速消散，路径也只能影响沿海区域，很少有风暴能直接入侵内陆地区并带来破坏（此处不考虑强降雨）。根据华北板块在早三叠世所处的地理位置，起源于古特提斯洋的风暴要北上逾千公里才能到达研究区的河南一带。除了洋面高温导致生成的风暴能级足够大外，还有其他可能的因素支持风暴深入内陆吗？首先考虑到华北板块与扬子板块在早三叠世还并未大规模碰撞造山，华北板块南缘海拔可能仍较低，利于古特提斯洋生成的风暴无障碍北上登陆。其次，据复原的华北盆地古环境（Ji et al., 2023）推测，华北盆地早三叠世广布的浅水湖泊受全球温室效应影响而升温，温暖的湖面能给路经的风暴继续提供其所需要的潜热能，支持其深入内陆而非快速消散，并在湖泊河流中留下水体极度动荡的沉积学证据。风暴的能级定量化研究还需要进一步的探索。 

小结

本次研究通过对华北盆地下三叠统（2.5亿年前）地层大区域野外调查发现了刘家沟组中广泛保存完好的陆相风暴岩，结合沉积环境分析，利用观察法和归纳法复原了异常砾石的生长过程和水动力作用机制，认为其成因直接受控于长期、多次的高能级风暴，是高温效应在陆相环境中保存的证据。

本研究受国家自然科学基金重点项目（42030513、41530104）和中英合作项目（41661134047）资助。作者介绍：纪开宣现为北京大学地球与空间科学学院博士后/助理研究员，童金南教授和楚道亮副教授任职于中国地质大学（武汉）地球科学学院，Paul B. Wignall教授和Jeff Peakall教授任职于英国利兹大学，Sara B Pruss 教授任职于美国史密斯学院。更多交流可邮箱联系纪开宣：k.ji@pku.edu.cn; jikaixuan_cug@163.com 和通讯作者童金南教授：jntong@cug.edu.cn

参考文献：

[1]  Liu, Y., Kuang, H., Peng, N., Xu, H., Zhang, P., Wang, N., An, W., Wang, Y., Liu, M. and Hu, X., 2015. Mesozoic basins and associated palaeogeographic evolution in North China. Journal of Palaeogeography, 4, 189-202.

[2]  Ji, K., Wignall, P.B., Peakall, J., Tong, J., Chu, D. and Pruss, S.B., 2021. Unusual intraclast conglomerates in a stormy, hot‐house lake: The Early Triassic North China Basin. Sedimentology, 68(7), pp.3385-3404.

[3]  Ji, K., Wignall, P.B., Tong, J., Yu, Y., Guo, W., Shu, W. and Chu, D., 2023. Sedimentology of the latest Permian to Early Triassic in the terrestrial settings of the North China Basin: Low-latitude climate change during a warming-driven crisis. GSA Bulletin, 135(1-2), pp.481-503.

[4]  Sobel A.H., Camargo S.J., Hall T.M., Lee C.Y., Tippett M.K., Wing A.A., Human influence on tropical cyclone intensity. Science. 2016 Jul 15;353(6296):242-6.

5[]  Sun, Y., Joachimski, M.M., Wignall, P.B., Yan, C., Chen, Y., Jiang, H., Wang, L. and Lai, X., 2012. Lethally hot temperatures during the Early Triassic greenhouse. Science, 338(6105), pp.366-370.