<trans-title>Early Permian Mudrock Deposits and Deep-time Land Surface Temperature Reconstruction, Southern North China

YANG JiangHai; WANGYuan; LIU Jia; MA Rui; DU YuanSheng; LIU Chao; YU WenChao

doi:10.14027/j.issn.1000-0550.2020.092

Volume 39 Issue 3

Jun. 2021

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YANG JiangHai, WANGYuan, LIU Jia, MA Rui, DU YuanSheng, LIU Chao, YU WenChao. Early Permian Mudrock Deposits and Deep-time Land Surface Temperature Reconstruction, Southern North China[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2021, 39(3): 540-549. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.092

Citation:

YANG JiangHai, WANGYuan, LIU Jia, MA Rui, DU YuanSheng, LIU Chao, YU WenChao. Early Permian Mudrock Deposits and Deep-time Land Surface Temperature Reconstruction, Southern North China[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2021, 39(3): 540-549. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.092

Early Permian Mudrock Deposits and Deep-time Land Surface Temperature Reconstruction, Southern North China

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.092

YANG JiangHai^{1, 2
,},
WANGYuan²,
LIU Jia²,
MA Rui²,
DU YuanSheng^{1, 2},
LIU Chao¹,
YU WenChao²

1.
State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China
2.
School of Earth Sciences, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China

Funds:

National Natural Science Foundation of China 41572078, 41872106

National Key Experimental Project of Biogeography and Environmental Geology GKZ18Y660, GPMR201609

Received Date: 2020-06-16
Rev Recd Date: 2020-10-10
Publish Date: 2021-06-10

Abstract

Earth has experienced multiple greenhouse and icehouse periods and their inter-transformations， and extreme climatic events （e.g.， ‘snowball’ Earth， hyperthermal hothouse） in its geological past. The Permian was a critical period for the evolution from the late Paleozoic ice age to the Mesozoic greenhouse. One of the main challenges to understanding climate evolution in the Permian has been the acquisition of high-precision age-constrained quantitative data regarding successive paleoclimate changes. This work reviews geochronological and geochemical weathering data reported in recent studies of Permo-Carboniferous coal-bearing successions in southern North China. From this data， a high-precision chronostratigraphic framework is established for strata from the Benxi Formation through to the Taiyuan and Shanxi to Xiashihezi Formations， tracking chemical weathering trends in mudrock-source regions in southern North China. The weathering trends correlate very well with the glacial-deglacial sequence in high-latitude Gondwana continents. The proposed land surface MAT （mean temperature） - τ_Na （sodium depletion index） transfer function reconstructs the MAT variations for southern North China in the time interval ~300-286 Ma. The MAT curve reflects climate warming during the earliest Asselian and late Sakmarian deglaciations， and indicates climate cooling with the initiation of the Asselian and subsequent Artinskian glaciations.
- southern North China,
- deep-time paleoclimate,
- mudrock,
- weathering geochemistry,
- land surface paleotemperature

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

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沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

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0 引言

气候是影响人类生存发展的重要自然因素，与社会经济生活息息相关。人类与气候的关系经历了从早期的忍耐抗争，到后来的顺应利用，再到现在的保护维系，而未来社会的发展与气候变化的联系将更加紧密。为准确预测未来气候变化，迫切需要对地球过去的气候历史，包括变化事件及其控制机制进行更为系统的理解和认识^[1-3]。美国国家研究理事会在2011年发布了名为“Understanding Earth′s deep past: lessons for our climate future”的调研报告^[4]，美国国家自然科学基金委在2017年启动了“Paleo Perspectives on Climate Change （P2C2）”研究计划，并在2020年发布了地球科学未来十年的战略报告，提出了12个优先科学问题，其中第8个问题即为“地球的过去揭示了什么样的气候系统和动力机制”。我国学者也较早注意到深时研究的重要性^[2,5-6]，2016年由中国科学院地学部和国家自然科学基金委联合资助的“中国沉积学发展战略”调研将“深时气候学”列为10个调研主题之一。2019年启动的深时数字地球（DDE）国际大科学计划也将深时古气候演化作为主要的研究目标。

地球自新元古代以来经历了大幅度的气候变化，发生了多次的冰室—温室气候转换和极端气候事件^[2-4]，后者包括晚新元古代的雪球地球^[7]、晚白垩世的温室最暖期^[8]、古新世—始新世极热期^[9-10]等等，前者包括古新世—渐新世从温室到冰室的转变^[11-12]、二叠纪从冰室到温室的转变^[13]等等。二叠纪是晚古生代冰期到中生代温室转变的关键时期，高纬冈瓦纳地区出现阶段性冰川活动且冰川规模和强度减弱，气候整体变暖，大气CO₂浓度从约300 mL/m³上升到大于1 000 mL/m³，代表了地球有陆地植被以来唯一一次冰室—温室气候转换^[1,14-15]，是认识地球大幅度气候变化、理解气候—冰川—大气CO₂—火山活动相互联系的重要窗口^[16-19]。通过二叠纪中—高纬地区冰川沉积记录，前人确定了早二叠世早期的大规模冰川活动和随后东澳大利亚的三次区域/山岳型冰川活动^{[14-15,20-24]}（早二叠世晚期、中二叠世中期和晚二叠世早期四次冰川活动），通过海相生物壳氧同位素组成重建了中—低纬地区的海水古温度变化趋势^[25-31]，但是对陆地古气候的定量研究较少^[32]，对气候冷暖演变的机制及其与火山活动、化学风化和构造运动的内在联系还存在较大争议^[17,19,33]。我们对华北南部晚石炭—早二叠世的泥岩沉积序列开展了详细的年代地层学和沉积风化地球化学研究，提出了定量估算陆地古温度的新方法，识别出早二叠世Asselian早期和Sakmarian晚期的两次变暖事件^[34-37]。本文将华北南缘石炭纪末—早二叠世地层的年龄和组成数据进行总结，定量重建了华北南部约300 Ma至286 Ma间的陆地古温度变化曲线。

5 结论

本文系统总结了华北南部从本溪组、太原组、山西组到下石盒子组的同位素时代和泥岩风化地球化学数据，建立了石炭纪末—早二叠世（~302~286 Ma）的高精度年代地层格架，揭示了这一时期华北南缘陆地表层的化学风化趋势。华北南部石炭纪末—早二叠世滨海泥岩记录的陆地化学风化趋势与高纬冈瓦纳冰川型沉积序列具有很好的对比关系，即化学风化强度的升高和降低分别对应于冰川的消融和扩张。利用前人提出的MAT（陆地表层温度）-τ_Na（化学风化强度）转换方程，我们定量重建了华北南部在约300~286 Ma的陆地表层温度变化曲线，揭示早二叠世低纬地区陆地古温度对两次冰川消融和冰川扩张事件的响应。

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Early Permian Mudrock Deposits and Deep-time Land Surface Temperature Reconstruction, Southern North China

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.092

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

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doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.092

1. State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China

2. School of Earth Sciences, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China

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1. State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China 2. School of Earth Sciences, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China

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