马义权 李明松 马超
1. 温室气候湖泊水文研究的必要性
现代湖泊的水文变化对陆地环境、生态系统、水资源利用、以及人类社会发展有着重要影响（Verpoorter et al., 2014）。在地质历史时期的极端气候条件下，湖泊可能在气候系统中发挥了重要作用，因为湖泊不仅是二氧化碳和甲烷的重要来源，而且也是陆地碳埋藏的关键组成部分（Bastviken et al., 2011; Raymond et al., 2013）。始新世是从古近纪温室到新近纪冰室的重要过渡期，该时期的湖泊水文变化是东亚气候演化和淡水资源分布的一个重要影响因素。研究该时期的湖泊水文变化及其驱动机制，对深入了解和评估地球暖室期陆地环境和生态响应具有重要意义。
2. 天文年代框架提供了始新世湖泊水文变化研究的基础
要深入地了解中-晚始新世的湖泊水文变化及其驱动机制，首先需要建立高分辨率的年代地层框架。近年来，虽然基于深海钻探资料的天文年代学研究建立了始新世高分辨率的时间标尺（Westerhold et al., 2020; Speijer et al., 2020），然而，在古磁极性倒转界面的天文年龄上仍存在较大的争论（图1A）。例如， Speijer et al.（2020）在《地质年代表2020》中报道的地磁极性带C18n.1r（39.666 Ma）和C18n.2n（40.073 Ma）的底界年龄分别比Westerhold et al. (2020) 提出的年龄年轻275 kyr和203 kyr，而Speijer et al.（2020）在《地质年代表2020》中C18r的持续时间却比Westerhold et al. （2020）中的持续时间长171 kyr。这些计算结果往往依赖深海的地质记录，沉积速率相对较小。因此，要解决上述争议，迫切需要对更多地区、不同沉积环境、具有较大沉积速率的始新世地层进行高分辨率年代学研究。
图1 东营凹陷FY1钻孔的磁性地层和古气候替代数据
(A) (a)来自Westerhold et al., (2020)，(b)来自《地质年代表2020》（Speijer et al., 2020）。(B)磁性地层序列（修改自Shi et al., 2019）、岩性、GR、黏土矿物和碳酸盐含量
针对上述争议，Ma et al.（2023）对渤海湾盆地东营凹陷中-晚始新世陆地沉积记录进行了高分辨率的天文年代学研究。首先，该研究选择的研究区渤海湾盆地东营凹陷（图2）为湖相沉积环境，它保存了中-晚始新世的连续沉积记录，沉积速率是深海沉积的五倍左右，更容易提供高时间分辨率的古气候记录。沉积学和地球化学研究表明，这些沉积物记录了湖泊水文的变化（Ma et al., 2017），受东亚季风活动的影响（Ma et al., 2019）。该研究利用多条高分辨率的古气候替代数据（如自然伽马、黏土矿物和碳酸盐含量）和岩心资料开展旋回地层学研究，相互验证（图1）。
图2 中-晚期始新世古地理重建，修改自Licht et al.(2014)和Meijer et al.(2019)
其次，该研究采用天文旋回领域近期涌现的客观统计调谐方法，如沉积速率可视化的相关系数法(Li et al., 2018a)，利用该方法实现沉积速率变化的定量估计，并有效地开展零假设（即没有天文信号）检验。根据该方法获得的最优沉积速率结合稳健的古地磁资料等（Shi et al., 2019），实现高分辨率古气候替代指标从深度到时间的转换，从而获得高可靠性的天文年代标尺。
FY1钻孔的研究结果表明，磁极性带C18n.1r和C18r的持续时间与Westerhold et al., (2020)的结果接近，而C18n.2n、C19n、C19r和C20n的持续时间与《地质年代表2020》的年龄模型更吻合。针对FY1钻孔，传统旋回地层学的研究结果与新的客观演化相关系数法分析结果更吻合（图3）。特别是C18n.1 r、C18r和C19r的沉积速率，与演化相关系数法的结果一致，零假设的显著性水平小于2%（图3），说明本研究获得的天文年代标尺有助于建立一个稳健的中始新世时间标尺。
图3磁性地层序列和地磁极性带（R1-N4）在不同年龄模型框架下的沉积速率变化与演化相关系数法结果的对比
3. 东亚湖泊水文变化及其驱动机制
在建立中-晚始新世高分辨率天文年代框架的基础上，Ma et al.（2023）利用FY1钻孔天文调谐的自然伽马序列，综合前人南襄盆地、江汉盆地以及抚顺盆地的旋回地层学结果（Xu et al., 2019; Huang and Hinnov, 2019; Li et al., 2022），基于古海、湖平面重建的沉积噪音模型（Li et al., 2018b; Wang et al., 2020），重建了东营凹陷和上述三个盆地百万年尺度的相对湖平面变化历史，并与海平面的变化开展了对比研究。研究发现，这些古湖平面的变化基本同步，同时受控于120万年斜率调制周期和240万年的地球轨道偏心率长周期，说明天文驱动力对中-晚始新世研究区的湖平面变化具有重要的控制作用（图4）。
图4 中晚始新世全球海平面和区域湖平面变化对比
(A)天文理论曲线La2010d的斜率周期及其120万年滤波；（B-E）东营凹陷、南襄盆地、江汉盆地以及抚顺盆地沉积噪音模型重建的湖平面曲线及其120万年滤波；（F）天文理论曲线La2010d的偏心率周期及其240万年滤波；（G-I）不同盆地湖平面曲线的240万年滤波；（J-L）全球海平面变化曲线。（图源及参考文件见Ma et al., 2023）
该研究将东营、南襄和抚顺盆地的古湖平面变化与全球海平面研究的三项重建结果进行比较（Kominz et al., 2008; Snedden and Liu, 2010; Miller et al., 2020），以厘清区域湖平面和海平面变化之间的关系（图4）。三条海平面重建曲线也具有相同的240万年周期，并且与东亚三个盆地湖平面曲线在240万年周期上呈现出基本同相的关系（图4J-L）。这表明在中-晚始新世，湖平面和海平面的变化都受到240万年偏心率长周期的控制。
这些变化的机制是什么？针对这一问题，该研究提出三种可能的机制来解释中-晚始新世湖平面与海平面在百万年周期上的同步变化。
第一种可能的机制是海侵。东亚地区在始新世是否存在海侵还存在较大的争议（Liu and Wang, 2013; Meng et al., 2014; Wei et al., 2018; Xia et al., 2019）。如存在，湖平面的升高可能归因于海平面上升，后者导致广泛的区域性海侵。
第二种可能的机制认为高湖平面与高海平面时期对应的降水增强有关。岩性数据和植物化石组合（Quan et al., 2012; Wang et al., 2013）、自生碳酸盐的稳定同位素组成（Ma et al., 2019）和气候模拟（Licht et al., 2014）都表明在中-晚始新世东亚季风导致的降水显著。在温室气候状态下，偏心率最大值可能会引起全球温度升高和海平面上升，气候季节性增强引起陆地上更强的季风活动（Boulila et al., 2011; Huang and Hinnov, 2019）。在中-晚始新世的偏心率最大值期间，季风和降水的增强可能导致海、湖平面的同步上升。
第三种机制将湖平面与海平面在百万年尺度上的同步变化归结为地下水的调节。湖平面是地下水位的陆表截面，其变化反映了地下水储量的波动（Wagreich et al., 2014; Sames et al., 2016; Li et al., 2018b）。海平面变化可能通过地下含水层直接调节近海盆地的地下水位。海平面对湖平面的调节可能需要大规模的断裂带作为连接湖泊和外海的地下通道（Öztürk et al., 2009）。太平洋板块在中-晚始新世的俯冲导致东亚地区出现了大规模的深部断裂带，并在深部地壳中形成了一系列断层和裂缝（Zhu et al., 2019），使得研究区的湖泊与海洋之间的连通成为可能。
4. 结束语
该研究发现在始新世暖室期东亚湖平面与全球海平面在百万年尺度上具有同相变化的特点，对这一同相变化的机制提供了三种可能的解释。未来需要开展气候模拟和构造分析等研究以检验这些假说，进一步查明海平面变化调节暖室气候条件下的湖平面变化的过程与机制。该研究结果表明，全球海平面变化与东亚水文气候的演变密切相关。
本文系作者认知，相关问题交流可通过邮箱mayiquan@cdut.edu.cn（马义权）和msli@pku.edu.cn（李明松）联系。欲知更多详情，请进一步阅读原文和下列参考文献。
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