新生代重大古气候事件及其动力机制
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J. M. Sun, T.S. Liu, 2006, Science
5.3 Ma
沉积物易溶盐含量自5.3Ma以来突然增大了数百至数万倍 指示了塔里木盆地的干旱气候自5.3Ma加剧
塔里木盆地新生代干旱气候的形成
--来自沙漠腹地的证据
• 剖面的底界年 龄为10 Ma • 风成沙丘最早 出现于 7 Ma • 塔克拉玛干沙 漠至少在7百万 年前已经形成
构造隆升
侵蚀加剧
坡降加大
沉积相与堆积速率变化
如何在前陆盆地的沉积中，获得山脉构造隆 升的证据？ 同构造(Syntectonic)沉积
生长地层
生长前地层 Thrust Fault
Sun
研究区同构造沉积--生长地层，自5.3Ma左右开 始发育，表明昆仑山在5-6 Ma有一次构造隆升, 此次隆升应当是昆仑山新生代多次隆升事件中非 常重要的一幕，为什么？
Ocean Drilling Program (1985~2003)
• 世界上美、日、德、英、法、 澳、加等二十余国和地区参加 • 年预算4500万美金 • 地球科学历时最长、规模最大 的国际合作
DSDP
JOIDES ODP: Ocean Drilling Project： 1985－2003， 650 个地点
塔西河剖面地层产状及划分
研究区的地层概况
天山北麓自 2600 万年前－早更新世孢粉记录 的新生代气候变化
？ 中中新世气候增暖事件是不争的事实，是全球尺度的 气候事件，但晚渐新世增温事件很可能不像
准噶尔盆地气候干旱的动力机制 是什么？
天山北麓前陆盆地自6Ma以来发育生长地层，指示 天山中段地壳缩短、构造活动加剧，同时国内外同 行也报道了东昆仑、祈连山、六盘山等6Ma 左右的 新构造事件，是否意味着天山北麓6Ma以来的变干 事件与此次构造运动有关？
如此重大的气候变冷 事件，因何产生？
全球板块水平运动对气候的影响
Case II: 巴拿马地峡关闭与北极冰盖形成
北美
巴拿马地峡 关闭
南美
Driscoll and Haug 1998, Science; Haug et al., 2001, Geology
全球板块水平运动对气候的影响
Case III: 印尼海道关闭与东非干旱气候形成
德雷克海峡
塔斯马尼亚海峡
新生代以来由于板块水平运动所导致的海峡的开启与闭合
岩石圈水平运动对新生代气候的影响
Case I: 南极冰盖的形成
Tasmanian Gateway
65 Ma ago 约34百万年前 澳洲、南美板块的北漂 环南极洋流的形成 德雷克、塔斯马尼亚海道德开通 造成南极热隔离
相对于34Ma形成的南 极冰盖而言, 北极冰盖 的出现要晚很多，真 正意义上的北极冰盖 的形成应当是第四纪 之处的2.6Ma,这标志 着第四纪冰期的来临， 地球也从此开启了两 极存在冰盖的历史。
Sun J.M., et al., 2008, Quaternary Science Reviews
高原隆升的“雨影”效应 昆仑山在5-6百万前的隆升，很可能在高度上更为有 效的阻挡了印度洋水汽的北上，可能是塔里木盆地 干旱气候的形成和塔克拉玛干沙漠出现的原因之一
塔克拉玛干沙漠形成的动力机制
直布罗陀海峡
硅酸盐的风化作用，消 耗大气CO2
CaSiO3+CO2→CaCO3+SiO2
高原隆升
风化作用加强
消耗大气CO2 气候变冷
Raymo and Ruddiman (1992)
一亿年来大气CO2浓度的下降
岩石圈垂直运动的气候效应 (II)
--加速了有机质的埋藏，降低大气CO2浓度
McCauley and DePaolo (1997)认为Himalaya只占全球硅酸盐风 化的5％，并不足以产生全球变冷；他们指出有机炭的快速埋藏 在类似孟加拉湾、阿拉伯海等三角洲和洪积扇的快速埋藏，才是 其原因。
Ice rafted deposits (IRD)
北极冰盖 形成于2.6 Ma, 标志第四纪冰期气候来临
Iceberg
Age (Ma) 2.6 Ma
北极冰盖形成
JOIDES
如果承认气候控制了构造隆升，那么全球最剧烈 的山脉抬升应当发生在第四纪冰期来临之后??
历史的回顾与问题的提出
岩石圈水平运动的气候效应 岩石圈垂直运动的气候效应
大西洋
地中海
黑海 地中海
地中海盐度危机（5-6 Ma）也可能是其另一动力驱 动因素
准噶尔盆地南缘新生代气候变化与新构造运动
天山造山带在新生代受印度板块向北俯冲的 远程效应的影响，新生代地层发生构造变形， 地壳缩短100-200 km 新生代地壳缩短100－200 km
北天山 南天山
牛之俊等(2005)
• • • •
船长 143m 排水 16900吨 钻塔高 61m 1400m2七层实验室
1968~1993: DSDP/ODP井位图
三十年来世界各海洋钻井二千多口 取得岩芯二十余万米
地球气候从中生代及新生代早期(古新世和始新世) 的 温室期(Green House)，到晚新生代的冰室期(Ice House)
全球碳循环
岩石圈垂直运动的气候效应 (III)
--地形屏障与“雨影”效应 GCM模拟青藏高原存在时， 亚洲内陆干旱区扩大
M
NM
山脉隆升的 “雨影”效应
Broccoli and Manabe (1992)
岩石圈垂直运动的气候效应 (IV)
--改变大气环流
青藏高原不存在 时，北半球中纬 度大气纬向环流 冬季 夏季
Case Study-塔里木与准噶尔盆地 干旱历史及其动力机制
塔里木盆地新生代干旱气候的形成
--来自沙漠南缘的证据
桑珠剖面
塔克拉玛干沙漠的流动沙丘
研究区的地层概况
晚中新世Pakabuluke组
昆仑山山前上新世阿图什组
昆仑山山前的西域砾岩(Q1)
桑珠剖面中上部地层
• 剖面的底界年龄 为6.5Ma • 风成沉积的起始 年龄为 5.3Ma • 塔克拉玛干沙漠 至少在5.3百万年 前形成
青藏高原隆升后北半球中纬度冬、夏季大气环流
Ruddiman (1997)、Ruddiman and Prell (1997)
岩石圈垂直运动的气候效应 (III)
--加强了东亚季风环流
高原的“冷热源”作用“放大”的东亚的季风 环流
岩石圈构造作用对新生代气候的影响是非常复杂 的，事实上高原隆升导致的辐射平衡变化、硅酸 盐风化、有机质快速埋藏、大气环流变化以及板 块运动导致的洋流改变可共同参与在新生代气候 的变冷进程之中，不可孤立看问题
6Ma以来C4植物扩张，北 半球干旱化程度加剧
（Cerling et al., 1993, Nature)
北大西洋深海沉积也 记录了6Ma以来冰筏 沉积（IRD）开始出 现，预示了北半球全 球气候变冷的开始
6Ma冰筏沉积开始出现
Age (Ma)
新生代构造与气候，“鸡”与“蛋” 问 题仍将继续争论下去，我们要走的路依 然很长！
新生代重大古气候事件及其动力机制
中国科学院地质与地球物理研究所 孙继敏
E-mail: jmsun@mail.igcas.ac.cn
历史的回顾与问题的提出
岩石圈水平运动的气候效应 岩石圈垂直运动的气候效应
Case Study-塔里木与准噶尔盆地 干旱历史及其动力机制
十九世纪：
进化论
二十世纪：
板块学说
3-5 Ma 印尼海道关闭 改变流入印度洋的洋流路径
印度洋海水表面温度降低
印度洋海洋蒸发减少
非洲东部干旱气候形成
Cane & Molnar (2001)，Nature
全球板块水平运动对气候的影响
Case IV: 特地斯海的消失减少了向东输送的水 汽来源、增加了亚洲的大陆性，加剧 了亚洲内陆干旱化
Ramstein et al., 1997; Fluteau et al., 1999
Sun J.M. et al., Geology, accepted
5－7 Ma以来，塔里木盆地气候干 旱、塔克拉玛干沙漠形成的动力机 制是什么？
研究区处于昆仑山前的拟冲、褶皱带，受印度 洋板块向北俯冲的影响，构造运动十分活跃
牛之俊等(2005)
前陆盆地沉积相变化的原因？
新生代 全球变冷
寒冻风化 冰川研磨
新生代气候变化是否影响到构造运动？
Molnar and England, 1990, Nature
气候控制高原隆升的争议?
Montgomery, 1994通过模式计算发现美国内华
达山脉和青藏高原由于剥蚀作用导致的均衡 反弹只占山脉隆升高度的5－10％，即便在喜 马拉雅山脉，均衡反弹的量也只能占到20－ 30％
Thank you
深海氧同位素
来自全球40余个 DSDP和ODP钻孔的 深海沉积底栖有孔虫 壳体氧同位素记录
Modified Zachos et al., 2001
新生代岩石圈发生怎样的变化？
全球板块水平运动
新生代板块垂直运动强烈
问题的提出： 新生代构造强烈
新生代气候巨变
深海氧同位素
两极有冰
单极有冰
两极无冰 (温室期)
Modified Zachos et al., 2001
Chicken
Egg?
历史的回顾与问题的提出
岩石圈水平运动的气候效应 岩石圈垂直运动的气候效应
Case Study-塔里木与准噶尔盆地干旱
历史及其动力机制
洋底的更新过程与大陆岩石圈的水平运动
岩石圈水平运动
直布罗陀海峡
巴拿马地峡
印度尼西亚海道
廿一世纪：
地球系统演变机理
地球是一个整体的系统，牵一发而动全身
• 从地球系统角度出发
• 研究各圈层间的相互作用
新生代全球气候发生怎样的变化？
地球表明的71％被海洋占据，深度3000m 以上海域占75％，深海沉积是气候事件 的最佳档案库
深海钻探计划（DSDP） 大洋钻探计划（ODP）
Deep Sea Drilling Program (1969~1983)
板块水平运动
岩石圈
海峡的开启与闭合
水圈
大洋环流的变化
气候变化
大气圈
历史ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ回顾与问题的提出
岩石圈水平运动的气候效应 岩石圈垂直运动的气候效应
Case Study-塔里木与准噶尔盆地干旱
历史及其动力机制
岩石圈垂直运动的气候效应
Top of the world
岩石圈垂直运动的气候效应 (I)
--加速硅酸盐化学风化作用
5.3 Ma
沉积物易溶盐含量自5.3Ma以来突然增大了数百至数万倍 指示了塔里木盆地的干旱气候自5.3Ma加剧
塔里木盆地新生代干旱气候的形成
--来自沙漠腹地的证据
• 剖面的底界年 龄为10 Ma • 风成沙丘最早 出现于 7 Ma • 塔克拉玛干沙 漠至少在7百万 年前已经形成
构造隆升
侵蚀加剧
坡降加大
沉积相与堆积速率变化
如何在前陆盆地的沉积中，获得山脉构造隆 升的证据？ 同构造(Syntectonic)沉积
生长地层
生长前地层 Thrust Fault
Sun
研究区同构造沉积--生长地层，自5.3Ma左右开 始发育，表明昆仑山在5-6 Ma有一次构造隆升, 此次隆升应当是昆仑山新生代多次隆升事件中非 常重要的一幕，为什么？
Ocean Drilling Program (1985~2003)
• 世界上美、日、德、英、法、 澳、加等二十余国和地区参加 • 年预算4500万美金 • 地球科学历时最长、规模最大 的国际合作
DSDP
JOIDES ODP: Ocean Drilling Project： 1985－2003， 650 个地点
塔西河剖面地层产状及划分
研究区的地层概况
天山北麓自 2600 万年前－早更新世孢粉记录 的新生代气候变化
？ 中中新世气候增暖事件是不争的事实，是全球尺度的 气候事件，但晚渐新世增温事件很可能不像
准噶尔盆地气候干旱的动力机制 是什么？
天山北麓前陆盆地自6Ma以来发育生长地层，指示 天山中段地壳缩短、构造活动加剧，同时国内外同 行也报道了东昆仑、祈连山、六盘山等6Ma 左右的 新构造事件，是否意味着天山北麓6Ma以来的变干 事件与此次构造运动有关？
如此重大的气候变冷 事件，因何产生？
全球板块水平运动对气候的影响
Case II: 巴拿马地峡关闭与北极冰盖形成
北美
巴拿马地峡 关闭
南美
Driscoll and Haug 1998, Science; Haug et al., 2001, Geology
全球板块水平运动对气候的影响
Case III: 印尼海道关闭与东非干旱气候形成
德雷克海峡
塔斯马尼亚海峡
新生代以来由于板块水平运动所导致的海峡的开启与闭合
岩石圈水平运动对新生代气候的影响
Case I: 南极冰盖的形成
Tasmanian Gateway
65 Ma ago 约34百万年前 澳洲、南美板块的北漂 环南极洋流的形成 德雷克、塔斯马尼亚海道德开通 造成南极热隔离
相对于34Ma形成的南 极冰盖而言, 北极冰盖 的出现要晚很多，真 正意义上的北极冰盖 的形成应当是第四纪 之处的2.6Ma,这标志 着第四纪冰期的来临， 地球也从此开启了两 极存在冰盖的历史。
Sun J.M., et al., 2008, Quaternary Science Reviews
高原隆升的“雨影”效应 昆仑山在5-6百万前的隆升，很可能在高度上更为有 效的阻挡了印度洋水汽的北上，可能是塔里木盆地 干旱气候的形成和塔克拉玛干沙漠出现的原因之一
塔克拉玛干沙漠形成的动力机制
直布罗陀海峡
硅酸盐的风化作用，消 耗大气CO2
CaSiO3+CO2→CaCO3+SiO2
高原隆升
风化作用加强
消耗大气CO2 气候变冷
Raymo and Ruddiman (1992)
一亿年来大气CO2浓度的下降
岩石圈垂直运动的气候效应 (II)
--加速了有机质的埋藏，降低大气CO2浓度
McCauley and DePaolo (1997)认为Himalaya只占全球硅酸盐风 化的5％，并不足以产生全球变冷；他们指出有机炭的快速埋藏 在类似孟加拉湾、阿拉伯海等三角洲和洪积扇的快速埋藏，才是 其原因。
Ice rafted deposits (IRD)
北极冰盖 形成于2.6 Ma, 标志第四纪冰期气候来临
Iceberg
Age (Ma) 2.6 Ma
北极冰盖形成
JOIDES
如果承认气候控制了构造隆升，那么全球最剧烈 的山脉抬升应当发生在第四纪冰期来临之后??
历史的回顾与问题的提出
岩石圈水平运动的气候效应 岩石圈垂直运动的气候效应
大西洋
地中海
黑海 地中海
地中海盐度危机（5-6 Ma）也可能是其另一动力驱 动因素
准噶尔盆地南缘新生代气候变化与新构造运动
天山造山带在新生代受印度板块向北俯冲的 远程效应的影响，新生代地层发生构造变形， 地壳缩短100-200 km 新生代地壳缩短100－200 km
北天山 南天山
牛之俊等(2005)
• • • •
船长 143m 排水 16900吨 钻塔高 61m 1400m2七层实验室
1968~1993: DSDP/ODP井位图
三十年来世界各海洋钻井二千多口 取得岩芯二十余万米
地球气候从中生代及新生代早期(古新世和始新世) 的 温室期(Green House)，到晚新生代的冰室期(Ice House)
全球碳循环
岩石圈垂直运动的气候效应 (III)
--地形屏障与“雨影”效应 GCM模拟青藏高原存在时， 亚洲内陆干旱区扩大
M
NM
山脉隆升的 “雨影”效应
Broccoli and Manabe (1992)
岩石圈垂直运动的气候效应 (IV)
--改变大气环流
青藏高原不存在 时，北半球中纬 度大气纬向环流 冬季 夏季
Case Study-塔里木与准噶尔盆地 干旱历史及其动力机制
塔里木盆地新生代干旱气候的形成
--来自沙漠南缘的证据
桑珠剖面
塔克拉玛干沙漠的流动沙丘
研究区的地层概况
晚中新世Pakabuluke组
昆仑山山前上新世阿图什组
昆仑山山前的西域砾岩(Q1)
桑珠剖面中上部地层
• 剖面的底界年龄 为6.5Ma • 风成沉积的起始 年龄为 5.3Ma • 塔克拉玛干沙漠 至少在5.3百万年 前形成
青藏高原隆升后北半球中纬度冬、夏季大气环流
Ruddiman (1997)、Ruddiman and Prell (1997)
岩石圈垂直运动的气候效应 (III)
--加强了东亚季风环流
高原的“冷热源”作用“放大”的东亚的季风 环流
岩石圈构造作用对新生代气候的影响是非常复杂 的，事实上高原隆升导致的辐射平衡变化、硅酸 盐风化、有机质快速埋藏、大气环流变化以及板 块运动导致的洋流改变可共同参与在新生代气候 的变冷进程之中，不可孤立看问题
6Ma以来C4植物扩张，北 半球干旱化程度加剧
（Cerling et al., 1993, Nature)
北大西洋深海沉积也 记录了6Ma以来冰筏 沉积（IRD）开始出 现，预示了北半球全 球气候变冷的开始
6Ma冰筏沉积开始出现
Age (Ma)
新生代构造与气候，“鸡”与“蛋” 问 题仍将继续争论下去，我们要走的路依 然很长！
新生代重大古气候事件及其动力机制
中国科学院地质与地球物理研究所 孙继敏
E-mail: jmsun@mail.igcas.ac.cn
历史的回顾与问题的提出
岩石圈水平运动的气候效应 岩石圈垂直运动的气候效应
Case Study-塔里木与准噶尔盆地 干旱历史及其动力机制
十九世纪：
进化论
二十世纪：
板块学说
3-5 Ma 印尼海道关闭 改变流入印度洋的洋流路径
印度洋海水表面温度降低
印度洋海洋蒸发减少
非洲东部干旱气候形成
Cane & Molnar (2001)，Nature
全球板块水平运动对气候的影响
Case IV: 特地斯海的消失减少了向东输送的水 汽来源、增加了亚洲的大陆性，加剧 了亚洲内陆干旱化
Ramstein et al., 1997; Fluteau et al., 1999
Sun J.M. et al., Geology, accepted
5－7 Ma以来，塔里木盆地气候干 旱、塔克拉玛干沙漠形成的动力机 制是什么？
研究区处于昆仑山前的拟冲、褶皱带，受印度 洋板块向北俯冲的影响，构造运动十分活跃
牛之俊等(2005)
前陆盆地沉积相变化的原因？
新生代 全球变冷
寒冻风化 冰川研磨
新生代气候变化是否影响到构造运动？
Molnar and England, 1990, Nature
气候控制高原隆升的争议?
Montgomery, 1994通过模式计算发现美国内华
达山脉和青藏高原由于剥蚀作用导致的均衡 反弹只占山脉隆升高度的5－10％，即便在喜 马拉雅山脉，均衡反弹的量也只能占到20－ 30％
Thank you
深海氧同位素
来自全球40余个 DSDP和ODP钻孔的 深海沉积底栖有孔虫 壳体氧同位素记录
Modified Zachos et al., 2001
新生代岩石圈发生怎样的变化？
全球板块水平运动
新生代板块垂直运动强烈
问题的提出： 新生代构造强烈
新生代气候巨变
深海氧同位素
两极有冰
单极有冰
两极无冰 (温室期)
Modified Zachos et al., 2001
Chicken
Egg?
历史的回顾与问题的提出
岩石圈水平运动的气候效应 岩石圈垂直运动的气候效应
Case Study-塔里木与准噶尔盆地干旱
历史及其动力机制
洋底的更新过程与大陆岩石圈的水平运动
岩石圈水平运动
直布罗陀海峡
巴拿马地峡
印度尼西亚海道
廿一世纪：
地球系统演变机理
地球是一个整体的系统，牵一发而动全身
• 从地球系统角度出发
• 研究各圈层间的相互作用
新生代全球气候发生怎样的变化？
地球表明的71％被海洋占据，深度3000m 以上海域占75％，深海沉积是气候事件 的最佳档案库
深海钻探计划（DSDP） 大洋钻探计划（ODP）
Deep Sea Drilling Program (1969~1983)
板块水平运动
岩石圈
海峡的开启与闭合
水圈
大洋环流的变化
气候变化
大气圈
历史ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ回顾与问题的提出
岩石圈水平运动的气候效应 岩石圈垂直运动的气候效应
Case Study-塔里木与准噶尔盆地干旱
历史及其动力机制
岩石圈垂直运动的气候效应
Top of the world
岩石圈垂直运动的气候效应 (I)
--加速硅酸盐化学风化作用