张治锋，黄永建
1. 温室时期海平面变化研究的必要性
当今地球处于晚新生代以来的冰室气候状态。工业革命以来，大量的CO2排放导致全球气温急速增加，并即将超过巴黎协议设定的1.5℃的温控目标。当全球温度升高超过这一目标值，全球多个关键气候带将会进入到气候转折点（Climate tipping point, CTPs；图1），在一系列正反馈作用下，整个地球气候很可能从当前的冰室气候状态转变到温室气候状态，并且这种转变是不可逆的（Armstrong McKay et al., 2022）。持续的升温导致两极冰盖融化，造成海平面升高，这将重塑地表形态并影响到地球的宜居性。
图1 全球关键气候带发生气候转折点的温度阈值评估
全球变暖程度越剧烈，将会导致更多的关键气候带发生气候转折（参考文献？Armstrong et al., 2022）
气候因素主要引起短期海平面变化（<106 years），在当前冰室气候条件下，短期海平面变化主要被归结为冰川假说（Glacio-eustasy；Miller et al., 2005），即认为两极冰盖的增生和消融，会引起大洋盆地海水总量发生变化，从而导致海平面升降。但是在全球变暖背景下，地球可能进入两极无冰的温室气候状态，科学家和人类社会不得不思考：在这种背景下，全球水循环是怎样的？既然当今的地球南北两极储存了陆地淡水的绝大部分，那么在两极无冰的状态下，陆地淡水又将储存在哪里？其与将来的海平面变化又是怎样的一种演化关系？
2. 白垩纪短期海平面变化之谜
白垩纪是地球历史上典型的温室气候时期，期间海平面变化存在明显的短期（三级层序级别，0.5~3myr）波动，其波动幅度和持续时间上都显示比较大的变化（Miller，2005；Haq，2014；Ray et al.,2019）。因此，通过研究白垩纪短期海平面变化，可为上述问题的解答提供重要的参照。
目前围绕白垩纪短期海平面变化的机制包括 “冰川假说”和“含水层假说”。尽管在早白垩世和晚白垩世最晚期存在少量季节性冰川或者山岳冰川活动的痕迹，但是不存在大规模的冰盖，特别是中晚白垩世。因此目前许多研究人员对冰川假说持极大的怀疑态度（Wagreich et al.,2014; Sames et al.,2020）。
含水层假说（Aquifer-eustasy）可以作为冰川-海平面假说的补充和替代。Hay和Leslie（1990）指出，当今陆地地下含水层(各大陆平均海拔1公里内的含水层孔隙空间)孔隙空间体积为25×106 km3（全球沉积物中孔隙空间总量为116×106 km3），大约与当今的冰量（约25×106 km3）相当，可以产生50米的海平面变化（经过重力均衡校准）（图2）。在地球历史中，由于不同的海陆分布，以及地形和气候状态的变化等，都会影响到陆地沉积物的孔隙空间规模。例如在白垩纪中期由于不存在高纬度的冻土带和冰层，陆地沉积物孔隙中储存的地下水规模可以达到今天的两倍，也就是50×106 km3，可以造成100米的海平面变化（Hay and Leslie，1990）。因此通过气候驱动的陆地含水层中水量的变化，可以很好的解释白垩纪的海平面变化（Sames et al.,2020）。
图2 当今地球各表层子系统含水量及对应海平面变化当量（Sames et al.，2020）
尽管含水层假说从理论上似乎可以很好地解释白垩纪温室气候时期全球短期海平面变化。但是其仍然面临许多挑战：（1）如前所述，白垩纪时期高纬度地区存在少量变冷地质证据，冰川假说仍然得到一定的支持（Miller, 2005； Ray et al., 2019）；（2）对于含水层的储水能力能否造成几十米-上百米的高强度海平面波动持有怀疑态度（Ray et al.，2019）；（3）地下含水层充注-排泄具体过程未知，即造成这种陆地-海洋之间大规模的水交换的外在驱动因素还没有统一说法；（4）由于缺乏具有高精度年代学约束的高分辨率地质记录，造成支持含水层假说的地质证据的稀缺，而已有的较为可靠的证据也主要集中在三叠纪极热室时期，质疑了含水层假说的普适性。
3. 松辽盆地验证含水层假说
通常情况下，陆地含水层储量的变化主要体现为地下水位的升降；湖泊作为地下水位与地表的交点，湖平面的波动为地下水储量的变化提供了很好的替代指标（Jacobs and Sahagian，1993）。因此，通过研究白垩纪陆相湖盆的湖平面波动，能够部分反映当时陆地系统中地下水储量的变化，然后将其与同时期的海平面对比，如果二者存在镜像（反相关）关系，那么就可以证明地下水储量变化的确驱动了海平面的变化，其原理在于：在气候变暖的情况下海水蒸发，更潮湿的条件使湖泊和地下水库的储存量增加，湖泊水位升高，使得海平面降低；反之，在温度降低的情况下，海水蒸发减少，干旱的条件导致湖泊水位低，地下水库储存量减少，从而使海平面上升（Wagreich et al.,2014; Li et al., 2018）。
松辽盆地大陆科学钻探所获取的连续完整的白垩纪湖相地层记录为重建白垩纪陆相湖平面变化提供了宝贵的机会（图3），从而使得验证含水层假说成为可能。笔者以三口大陆科学钻探井（SK1S,SK1N,SK2）中所获取到的嫩江组一、二段地层（late Santonian–early Campanian）为研究材料，首先利用测井GR和Th数据，结合已有的放射性年代学数据（更多参考文献见Zhang et al.,2022），通过旋回地层学分析，建立晚白垩世嫩江组一、二段地层高精度天文年代标尺；然后，利用天文调谐的钻井数据，借助由Li et al.(2018)提出的沉积噪音模型方法，定量重建松辽盆地嫩江组一、二段沉积时期的湖平面。该方法原理是：当沉积水体较深时，沉积物沉积时所受到的外界噪音，如生物扰动、风暴作用等就会很少；反之，则容易受到噪音的干扰（图4）。重建的噪音模型与层序地层格架、湖泊缺氧事件层、TOC含量曲线以及介形虫氧同位素交叉对比以验证说明，重建的噪音模型能够反映湖平面变化情况。
图3 A. 白垩纪中期（94Ma）古地理及松辽盆地古地理位置；B. 白垩纪大陆科学钻探井（SK1S, SK1N，SK2）井位分布；C. 松辽盆地地层分布
图4 沉积噪音模型恢复湖平面原理（Li et al., 2018）
a.在高湖/海平面时期，观察点（红星）受到更少的“水深相关噪音”影响；b.在低湖/海平面时期，观察点受到更多的“水深相关噪音”影响；其中红色虚线表述浪基面，旋转箭头表示噪音
如图5所示，重建的湖平面曲线（图5B, C, E, F, I, J）与同期矫正之后的海平面曲线（图5G; Haq, 2014）呈现很好的反相关系，这种跷跷板相位关系表明，在晚白垩世温室时期，全球海洋与陆地之间存在大量的水交换过程，即验证了含水层假说。
图5 晚白垩世温室时期斜率驱动的含水层假说（Zhang et al., 2022）
A,D,K,测井GR/Th数据及其1.2Myr滤波曲线； B,C,基于SK1N井GR获取到的DYNOT和ρ0值（湖平面；E,F, 基于SK2井GR获取到的DYNOT和ρ0值;I,J, 基于SK1S井Th获取到的DYNOT和ρ0值；G.GTS2020年代框架矫正之后的全球海平面曲线（Haq，2014）；H. 天文轨道斜率数值解及其振幅调制的~1.2Myr滤波；L.介形虫氧同位素；M. 总有机碳含量；N. 三级和四级层序地层；O.甾烷类生物标志化合物；P.湖泊缺氧事件层（具体参考文献见Zhang et al., 2022）
此外，所恢复的湖平面主要波动趋势与斜率调制曲线（图5H）存在很好的相位关系，即湖平面高时，斜率调制信号处于高值，这表明斜率信号对湖平面变化存在调制关系。热量和水汽的经向运移受控于斜率驱动的辐射梯度（Raymo and Nisancioglu, 2003; Davis and Brewer, 2009）。斜率主要控制热量的经向分布，在斜率大时，中高纬度地区收到的太阳辐射增加，温度升高，辐射梯度和温度梯度降低，全球水循环增强，更多水汽被带到中高纬度地区（Li et al., 2016），并通过降雨的形式使得湿润区扩张，充注地下含水层，升高内陆湖平面；反之在斜率最小时，则经向输送的水和热减少，湖平面降低。由于松辽盆地古纬度位置较高（~45°N），斜率增大，会导致湖平面升高，反之亦然。在高湖平面期间，介形虫氧同位素负漂（图5L），表明湖平面升高确实是由降雨增加导致。因此，可以认为是斜率信号驱动了湖泊-海洋之间的水交换。值得一提的是，斜率对第四纪南北两极冰盖的发育也存在深远影响，并且导致在冰川型海平面机制下，斜率和同期海平面呈现同相关系（Lourens and Hilgen,1997; Wendler et al., 2014），这与温室气候时期含水层型海平面变化情况刚刚相反。
最后，尽管松辽盆地可能存在海侵事件，但是我们恢复的湖平面结果表明，在之前认为的湖泊海侵层位，其对应时期的海平面却很低（图5O），这对松辽盆地的“海侵假说”提出质疑。更多参考文献见Zhang et al.,2022。
结束语
“含水层假说”理论似乎可以很好地解释温室气候状态下短期海平面波动，但是放眼整个地质历史时期，有效可靠的证据仍然很少，除却松辽盆地湖平面记录提供了很好的地质证据以外，其他有利的证据主要集中在三叠纪极热时期（Li et al., 2018），以及白垩纪中期的部分时段（Wagreich et al.,2014; Wendler et al.,2016），因此仍然需要更多的可靠证据为该理论提供支撑。此外，目前已有的关于含水层假说的驱动机制，大多将其归咎于长斜率（~1.2 Myr）（Li et al., 2018; Zhang et al., 2022），但是从恢复的中生代海平面曲线来看，更多时间段内，尤其是白垩纪中早期，海平面却呈现出超长偏心率（~2.4Myr）尺度的变化（Haq, 2014），因此还需要进一步探索其驱动机制。此外，无论是长斜率和超长偏心率在原始的天文轨道信号里面所占权重都是很低的，其又如何能造成海平面发生同时间尺度的大规模升降呢？以上都是目前短期海平面波动尤其是含水层假说所面临的问题，因此还需要从表现形式、水循环过程、到外在驱动机制上面进行更加深入的探讨和研究。
本文第一作者系中国地质大学（北京）在读博士研究生，通讯作者为中国地质大学（北京）地球科学与资源学院副教授。本文属作者个人认识，如有问题请通过邮箱zzf@cugb.edu.cn或huangyj@cugb.edu.cn联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。
知识BOX
DYNOT（Dynamic noise after orbital tuning）模型重建古水深：该方法是Li et al (2018)提出的一种利用轨道调谐之后的古气候指标，半定量恢复沉积地层（观测点）沉积时所受到的非轨道信号的扰动强度，这里称之为“噪音”。基本原理在于，沉积地层在沉积时，会受到各种信号的扰动。其中包括“水深相关的噪音”，如生物扰动、潮汐作用、风暴等；以及“水深无关的噪音”，如区域构造活动、地层沉积时的差异压实、以及数据获取时人为引入噪音（如取样密度、选择样品的新鲜与否、仪器测试误差等因素）。“水深相关的噪音”的大小则与古水深（海平面/湖平面）密切相关，一般认为沉积水体越深，所受到的“水深相关的噪音”则越小，因此古水深与“水深相关的噪音”呈反相关系。值得注意的是，由于影响地层沉积的因素很多，那些与“水深无关的噪音”则需要排除在外。因此，利用DYNOT所恢复的噪音结果，并不能被立马当作水深的替代指标，还需要将“水深无关的噪音”进行讨论排除，因此也限制了该方法主要是适用于构造稳定、古水域面积大、成岩作用弱的地区，最好是能够将NYNOT结果与其他反应水深的指标（如盐度、层序地层等）配合使用，这将增大其可信度。尽管如此，该方法目前已经被广泛应用于早寒武世、泥盆纪、石炭纪、二叠-三叠纪、白垩纪、古近纪的湖-海平面重建中（Li et al., 2018; Huang et al., 2020; Wang et al., 2020; Huang et al., 2021; Wang et al., 2022; Liu et al., 2021; Zhang Z. et al., 2022; Zhang T. et al., 2022）。
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