王友伟
1 什么是古新世—始新世极热事件（PETM）？
古新世—始新世极热事件（Paleocene–Eocene Thermal Maximum；PETM），或称为“第一次始新世极热事件”（Eocene Thermal Maximum 1；ETM1），发生在古新世与始新世的界线（距今约5550万年），持续时间约为10-20万年。在这一时期，大量的碳被排放到大气中，造成全球平均温度上升5-8℃，是新生代以来最大规模的一次极热事件（McInerney and Wing, 2011）。此次事件对地球的生态、气候和环境系统产生了巨大的影响。从生态层面上来讲，海洋中的底栖有孔虫大规模灭绝，浮游有孔虫和钙质超微化石更替明显；在陆地上，短时间内出现大量新型的哺乳动物（包括人类的祖先灵长目），已有的哺乳动物（如马科）体型减小，趋于侏儒化（图1，D’Ambrosia et al., 2017）。从气候层面上来讲，极端天气频发（例如洪涝和干旱），降雨的季节性分布差异增强。从环境层面上来讲，大量陆源沉积物从物源区或陆相盆地被搬运到大陆架及深水盆地，但其成因机制仍有争议，这也是本文关注的核心问题。
图1 在PETM期间，哺乳动物的体型平均减小30%（D’Ambrosia et al., 2017），在PETM之后，其体型又恢复到之前的正常水平。人类在当今全球变暖的趋势下，是否也会表现出这样的变化呢？图片修改自网络
2 PETM对沉积物通量以及河流建造的影响
大量替代指标研究显示，PETM期间降雨的季节性变化增强。然而，总降雨量以及物源区风化强度是否增加，仍存在分歧。西班牙北部发育的大规模Claret砾岩以及奥地利海相沉积中发现的大量硅质碎屑，均指示PETM期间降水和物源区风化程度的加强（Egger et al., 2005；Schmitz & Pujalte 2007；Pujalte et al., 2014, 2021）；巴黎盆地古土壤中的硅同位素显示物源区风化加强，但总降雨量并没有显著增加 (Rad et al., 2009)；美国Bighorn盆地的古土壤层则指示了较弱的化学风化和更干燥的古气候条件（Kraus & Riggins 2007）。气候模型指示在PETM期间，全球的总降水量有10%-20%的提升，但是降水量的变化更多地体现为季节性差异和更加极端的气候事件，而不是产生整体上更加潮湿的环境（McInerney and Wing, 2011）。那么PETM期间，物源区的沉积物供给量到底是增加了还是保持不变？这两种情形会对河流沉积产生什么样的影响？
已有地质证据显示，在PETM期间，大量陆源沉积物被搬运到大陆边缘，甚至以浊流的形式抵达大洋深处。如上述提到的西班牙比利牛斯发育的Claret砾岩，是物源区沉积物供给快速增加的产物，虽然有学者提出这种信号的传递可能经历了相当长时间的延迟（Duller et al., 2019）。位于美国Bighorn盆地的PETM巨厚砂岩，也被称作“PETM边界砂岩”（PETM boundary sandstone; Foreman, 2014）（图2），被认为是一次“系统清除”（system-clearing event）的结果，即物源区发生高强度剥蚀，造成大量沉积物进入河流系统，河流上游因搬运能力不足而滞留的沉积物，也被洪水裹挟，并最终运抵盆地边缘（如Foreman et al., 2012; Pujalte et al., 2021)。PETM还造成了大量的悬浮沉积物在陆架边缘和海相环境中的富集，如西班牙Tremp–Graus盆地和Biscay湾的粘土矿物含量在PETM期间分别增加了6倍和9倍（Chen et al., 2018)，这被认为与更加潮湿的气候造成的风化强度增加有关（Kemp et al., 2016）。
对于河流沉积而言，如果沉积物通量在短时间内快速增加，一般会对应着径流量上升或河流剖面斜率增加。因此，寻找河流剖面的变化，也就成为验证PETM期间沉积物通量变化的关键。
图2 美国怀俄明盆地Sand Coulee地区出露良好的PETM边界砂岩，下部为由岁差控制的泛滥平原加积旋回。红色圆圈内的人群可作为比例尺。图片来自于笔者在荷兰读博期间的导师Hemmo Abels教授 (2017)
3 PETM期间的源区沉积物总量有无大幅增加？
针对这一问题，美国莱斯大学的Barefoot等学者于2021年在Geology期刊上发文讨论。他们以美国Pceance盆地为例，通过测量144个保存完整的河道砂坝和河道充填来估算古水流深度，进而对河流剖面的变化进行研究。研究发现，在PETM期间，河道砂坝改造明显，粗粒沉积物在河流改道期间被大量搬运到泛滥平原上，而细粒沉积物得以更多地被保存在河流系统中（详见下述）。这一研究为大陆架大量积累的细粒沉积物提供了新的成因解释，即这些细粒沉积物的富集不以物源区沉积物和径流量的大幅增加为必要条件。而在这之前，这一现象一般被解释为物源区强烈的风化剥蚀或大规模的系统清除事件。这两种解释都需要径流量的大幅提高来搬运相应的沉积物。水槽实验研究也表明，即使没有沉积物通量的大幅变化，径流量的波动也会显著影响河流的沉积水动力和沉积物保存（图3；Esposito et al., 2018) ，具体表现为：高径流量波动（如PETM期间）会造成厚且宽但数量较少的河道砂岩，而低径流量波动（如PETM之前和之后）则会产生相对薄且窄但数量众多的河道砂岩。
图3 PETM之前和之后，低波动的沉积物供给对应着相对侧向随机但又垂向有规律（即补偿式沉积）的河流沉积样式，在此期间河流相砂体相对彼此孤立，连通性和砂泥比都较低。PETM期间，在具有大幅沉积物通量波动的情形下，河道侧向移动能力加强，河道加宽，地层侧向连续性增强，形成有利的各类流体资源储层（图源：Esposito et al., 2018，图片有调整，注释为笔者自行理解所添加）
Barefoot等（2021）认为河流相砂体与下伏地层的接触方式可以反映河流改道的性质（图4），并将其分为两个大类：没有决口扇的突变式改道和有决口扇的渐变式改道，并且进一步提出，河道砂坝的保存完好程度也可以用来估计河道沉积物被改造的程度。研究表明，PETM期间有决口扇的渐变式的河流改道样式明显增加，河道砂坝的保存程度较差；而PETM之前和之后的地层中，突变式的河流改道样式占主导地位，河道砂坝的保存程度完好。这些现象都表明，PETM期间，河道的侧向移动能力增强，河流改道更有可能是通过决口扇的前积和河道拔高来实现的，而不是通过下切泛滥平原来实现的。在这种情况下，细粒沉积物被优先搬运到下游，而粗粒沉积物被更好地保存在了河道和泛滥平原中。因此Barefoot等提出，在Pceance盆地中，PETM期间的河道剖面并没有明显变陡，来自于物源区的沉积物总量也没有大幅增加。
图4美国科罗拉多州Piceance盆地的露头剖面。PETM期间河道砂坝保存程度低，且以发育决口扇的渐变式改道特征为主。与此形成对比的是，PETM之前和之后的地层河道砂坝保存程度高，以不发育决口扇的突变式改道特征为主（图源：Barefoot et al., 2021）
Knowledge box
· 什么是决口扇？
当河堤溃决后，河流携带的大量泥砂，在决口处因坡度减缓、水流面积增大，流速急遽减弱，泥砂砾快速沉积而形成的扇状地形，称决口扇。
· 什么是有决口扇的渐变式改道？
并不是所有的决口扇最终都会造成改道。
情形一：决口扇形成后，可能会由于泛滥平原的加积、坡度的变缓以及流量的降低，造成决口扇的“愈合”（healing）（图5a-b-c）。
情形二：决口扇形成后，可能会由于植被的匮乏和泛滥平原沉积物的易侵蚀性，造成决口扇进一步演化为河流改道（图5a-b-d）。这个过程被称作渐变式改道。
· 什么是无决口扇的突变式改道？
当垂直于初始河道方向的坡度优势或者径流量达到某一临界值时，原来的河道会被直接废弃，新的河道形成。这个过程被称作突变式改道（图5a-e）。
图5 有决口扇的渐变式改道（d）和无决口扇的突变式改道（e）示意图。图5d中的露头1所在位置，可与图4中PETM期间的岩性柱状图做对应联系；图5e中的露头2所在位置，可与图4中PETM之前或之后的岩性柱状图做对应联系
4 沉积物供应模式对河流地层的影响
关于PETM期间沉积物通量变化的研究，究竟孰对孰错？笔者认为，在全球范围内，有可能存在多种源区响应机制，这可能与物源区的风化剥蚀是否触发某一（些）临界条件有关。因此，在不同纬度、不同气候、不同母岩条件下的不同沉积盆地，可能具有不同的河流沉积特征。
基于此次导读的科研论文和前人的研究，我们使用Karssenberg & Bridge (2008)数值模型，来探索不同的沉积物供应模式对河流地层的影响。该模型中主要的边界条件包括河流上游的沉积物供给（Qs）和水量供应（Qw）以及河流下游的基准面变化。在模拟的沉积盆地内部，河流的改道受控于径流量和垂直水流方向的坡度优势。边界条件的控制和随机过程的存在，使得模拟盆地自营力（autogenic forcing）和外营力（allogenic forcing）的互动成为可能。关于模型的原理和具体参数，请见Karssenberg & Bridge (2008)和Wang et al. (2021)。
（1）数值模拟场景1
在匀速的沉积物供给场景下，河流地层表现出侧向随机但垂向相对有序的沉积特征（图6）。随机性沉积和补偿式沉积（compensational stacking）在该场景下都被观察到。关于此场景的具体解析，可参考笔者最近发表的数值模拟论文（Wang et al., 2021）。
（2）数值模拟场景2
当沉积物供给为一次长时间尺度的事件时，沉积物供给的快速增加造成垂向加积速率的快速提高（图7），可容空间被迅速充填，随之而来的则是PETM之后由于可容空间不足所对应的长时间尺度的沉积间断或剥蚀。
（3）数值模拟场景3
前人研究认为，在PETM期间有一次“系统清除”的过程，即物源区发生高强度剥蚀，且上游堆积的沉积物被大量搬运进入河流系统，并最终运抵盆地边缘。并且，大量研究认为PETM处于长偏心率极大值所对应的时期，对应的岁差信号被调制加强。笔者据此设计了总沉积物供给增加、伴随高波动的数值模拟场景。在该场景下，以快速沉积为主的洪泛相和以沉积间断或剥蚀为主的堤岸相交替出现（图8）。整体与场景2类似，但表现出明显的河道加宽但厚度并未显著增加，这与现有的很多露头工作具有可比性，比如Foreman et al.（2012）、Columbera et al. (2017)、以及本次导读的Barefoot et al. (2021)。
（4）数值模拟场景4
根据此次导读的论文（即Barefoot et al., 2021），PETM期间物源区的沉积物供给并不一定有大幅增加，但是由于岁差调控下的季节性降水差异，造成径流量的年际和季节性分布不均。笔者据此设计了总沉积物供给不变、伴随高波动的数值模拟场景。在此场景下，河道宽度和厚度都大幅增加，甚至在某种意义上表现出深度下切的限制性特征（图9）。这些特征据笔者所知，尚未得到露头方面的广泛证实，但与Pujalte et al. (2015)发现的河流平衡剖面显著变化具有一定可比性。
图6 数值模拟场景1：（1）恒定的沉积物通量（Qs），粉色区域（10-30 kyr）指示PETM时期沉积物通量的变化；（2）模型时间-河流地层高程曲线，曲线越陡，说明沉积速率越快；（3）维勒图（Wheeler diagram）或时间-空间-沉积图，点的颜色代表了沉积速率的快慢，白色部分表示沉积间断或剥蚀；（4）垂直于水流方向的地层剖面，蓝色方块代表河道带的位置，但不指示河道带的深度；黑色曲线为等时线，等时线越稀疏，表明沉积速率越快，当大量等时线浓缩在一起时，对应剥蚀或沉积间断（图源：Wang et al., in prep.）
图7 数值模拟场景2：图像含义及解释同图6。注意PETM期间的巨厚沉积物和PETM之后由于可容空间不足造成的盆地整体上的沉积间断或剥蚀
图8 数值模拟场景3：图像含义及解释同图6。注意PETM期间河道带明显加宽但厚度未明显增加的现象
图9 数值模拟场景4:图像含义及解释同图6。注意PETM期间深切且受限的河道带
5 写在最后
前人在分析野外露头的基础上，得出了不同的关于PETM期间沉积物通量变化的结论。笔者据此开展的不同场景下河流沉积的数值模拟，亦表现出不同的河流沉积地层特征。由此可见，总沉积物供给保持不变或增加及其波动性大小，对最终的河流地层产物影响巨大。但是，这其中涉及到很多其他复杂的问题，暂未考虑。比如，在物源区分析中经常使用两大类模型（即detachment-limited model和transport-limited model），在这两类模型中，进入河流系统的沉积物分别受控于风化剥蚀强度和水流搬运能力的限制。简而言之，在水流搬运能力足够强的情况下，物源区的风化和剥蚀强度决定了进入河流系统中的沉积物通量。与之对比的是，在沉积物供给充足的情况下，水流搬运能力决定了河流系统中的沉积物通量。另外，有研究显示，PETM期间的河流样式表现出曲流河向辫状河转变的现象（如Pujalte et al., 2015; Barefoot et al., 2021），这些河流样式的变化也会影响河道中的沉积物与泛滥平原中的沉积物之间的物质交换。
另外，PETM期间海平面的变化，也是一个悬而未决的科学问题。大幅度的海平面变化会对河流平衡剖面产生巨大影响，进而加强或者减弱物源区沉积物通量变化对河流沉积的影响。大量研究认为PETM期间海平面处于快速上升阶段（Sluijs et al., 2008，2014；Pujalte et al., 2021），这可能与极地高山冰盖融化和海水升温体积膨胀有关。与此相对应的一面是，沉积物通量的大幅增加倾向于在大陆架处造成被动海退，这使得全球海平面上升背景下的局部海平面重建异常困难。因此，在分析PETM影响下的河流沉积特征的过程中，应该具有源-汇分析的动态思考方式，综合考虑河流上下游的边界条件变化对其沉积特征的影响。此外，浊积物和深海细粒沉积的研究也可以为重建PETM期间的古气候和古环境响应提供约束条件。因此，未来研究的方向，应该是将不同沉积环境下的不同替代物指标与源-汇分析相结合，从而得出具有更强地质条件约束的结论，以进一步揭示极热事件的起源及影响。
本文涉及的研究成果为作者在荷兰代尔夫特理工大学期间的工作。作者目前系美国弗吉尼亚大学博士后，主要开展河流沉积相关的水槽实验和数值模拟研究，相关问题交流可通过邮箱youweiwang@virginia.edu联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。
主要参考文献
[1] Barefoot, E.A., Nittrouer, J.A., Foreman, B.Z., Hajek, E.A., Dickens, G.R., Baisden, T. and Toms, L. (2021) Evidence for enhanced fluvial channel mobility and fine sediment export due to precipitation seasonality during the Paleocene-Eocene thermal maximum. Geology. doi: 10.1130/G49149.1
[2] Esposito, C.R., Di Leonardo, D., Harlan, M. and Straub, K.M. (2018) Sediment Storage Partitioning in Alluvial Stratigraphy: The Influence of Discharge Variability. J. Sediment. Res., 88, 717-726.
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[7] Sluijs, A., van Roij, L., Harrington, G.J., Schouten, S., Sessa, J.A., LeVay, L.J., Reichart, G.-J. and Slomp, C.P. (2014) Warming, euxinia and sea level rise during the Paleocene–Eocene Thermal Maximum on the Gulf Coastal Plain: implications for ocean oxygenation and nutrient cycling. Clim. Past, 10, 1421-1439.
[8] Wang, Y., Storms, J.E.A., Martinius, A.W., Karssenberg, D. and Abels, H.A. (2021) Evaluating alluvial stratigraphic response to cyclic and non-cyclic upstream forcing through process-based alluvial architecture modelling. Basin Research, 33, 48-65.
[9] Wang, Y., Martinius, A.W., and Abels, H.A. (in prep.) Impact of extreme greenhouse warming during the Paleocene-Eocene transition on alluvial stratigraphy: a review and a case study in the Rosebank area, North Sea.
