Gaia理论与地球系统科学

本文简要介绍了Gaia理论的提出背景、科学内涵,及其最初验证模型———雏菊世界。Gaia理论将地球与生物当作一个可以自我调节的整体,强调生物圈对全球环境的调节作用。在此基础上,文章着重分析Gaia理论在全球变化、地质事件、生物进化研究中的应用,指出在进行地球系统科学研究过程中,应以Gaia理论为指导,不能把生物仅仅作为环境的附属产品,而片面强调环境对生物进化的制约。同时也要认清生物在自身进化的同时,也积极地调节着全球环境,使之更有利于生物进化。生物圈是地球具有生命的直观体现,同时也是联系地球各圈层的关键环节。正确认识生物圈对于全球环境演化的调节作用,不仅帮助我们认识地球系统的全貌,更可以推动地学研究深入发展,对全面研究全球变化有积极意义。Gaia理论正处于发展期,理论需要进一步发展与完善,在实际应用中,应该对现有的学科进行更为广泛的综合。我国地学工作者应该抓住这一科学方向,为地球系统科学理论做出应有的贡献。     

地球早期碳循环与大氧化事件

碳是影响地球宜居性的重要元素,地表系统和地球深部之间的碳循环作用对于全球气候的变化具有非常重要的影响.现今地球主要通过俯冲作用和火山作用调节全球碳循环过程,然而地球早期的碳循环过程和现今地球存在显著的差异.本文结合前人的相关研究成果,综合探讨了地球原始碳的来源、地球早期碳循环过程及其与大氧化事件的联系等问题.地球是从太...     

从地球过程到人地和谐--关于地球系统研究科学战略的思考

较为详尽分析了地球系统科学的由来与发展、我国地球系统科学研究所面临的机遇与挑战,阐明了我国开展地球系统科学研究的基本思路,从而提出8个战略重点：区域气候环境系统变化与适应;水系统、水循环与水安全;生态系统与全球碳循环;人类活动与地球表层系统;地球内部动力学与地球系统演化;地球灾变事件与生命过程;地球观测系统与地球系统模拟以及耦合过程动力学、响应动力学、适应和预测理论。     

古新世-始新世极热事件研究进展

古新世-始新世极热事件(PETM事件)是发生在早新生代的一次极端碳循环扰动和全球变暖事件,主要表现为大气CO2浓度快速增加和全球增温.研究显示该时期全球地表温度增加了5～6℃,高低纬度间温度梯度减小,同时伴随有水循环加快及大规模生物灭绝、演替和迁徙现象.据估算,PETM时期从地层释放到表生系统的CO2总量同预期人类过去...     

典型水生植物对岩溶水生生态系统无机碳稳定性影响研究

碳循环研究是全球变化科学中的研究重点, 其平衡问题已成为全球变化与地球科学领域的研究前沿和热点。“遗失汇”是全球碳收支研究的重点, 寻找和揭示其存在机理对研究全球碳循环具有重要意义。在全球碳循环研究中, 仅考虑海洋碳库和陆地生态系统碳库对全球碳循环的贡献, 然并未对地球岩石圈中碳酸盐岩碳库作充分评估。以袁道先院士为首的研究团队, 利用石灰岩溶蚀试片法(Carbonate-rock-tablet-test method)、水化学法(Hydrogen-discharge method)和扩散边界法(Diffusion Boundary Layer Model, DBL)首次估算了全球每年因碳酸盐岩溶蚀作用产生的碳汇量其约占当前碳循环模型中“遗失汇”的约1/3。     

早古近纪陆相断陷型湖泊物质分异作用及其对“PETM”事件的响应:以济阳坳陷孔店组为例

古近纪早期,地球上发生了古新世-始新世极热气候(PETM)事件,严重影响全球碳循环过程和海陆生态环境系统.依据普通薄片、元素分析、碳同位素、TOC等实验结果.研究了渤海湾盆地济阳断陷湖盆古新世-始新世时期的湖泊环境时空波动变化及其对PETM事件的响应,发现济阳断陷湖盆早期经历了多旋回的演化过程,湖盆中碎屑物质和化学物质的分异作用同时发生,陆地风化作用和化学沉积物质分异指示了极热气候的变化过程;该时期湖水为逐渐咸化的盐湖环境,具有空间的分带性和时间的阶段演化性,湖水咸化是热气候事件发生的直接响应;湖泊的时空波动演化经历了古新世-始新世时期的极热气候(PETM)事件,该事件早期湖泊尚未完全咸化,浮游生物比较繁盛,早期浮游植物对12CO₂的吸收,会导致短暂的湖泊古生产力较高,但是随着湖盆逐渐咸化,生物的活动存活较难,主要以旱生植物为主,古生产力降到最低.由于过量的12C吸收沉淀,造成湖泊沉积记录中的δ13C明显负偏,最大可达5×10-3.由此证实全球PETM事件影响了古新世-始新世之交济阳断陷湖盆的时空演化和物质分异过程.      

天然气水合物与全球气候变化

天然气水合物作为21世纪的重要能源已受到广泛认可和高度关注。与此同时,作为一个重要的气候致变因素,在地质历史时期中天然气水合物在自然条件下的突然分解释放甲烷气体可能造成全球气候变暖、地质灾害和生物灭绝等负面影响仍不容忽视。本文通过分析天然气水合物的稳定性与分解释放甲烷气体、天然气水合物对气候的反馈机制以及天然气水合物的分解在地质历史时期中对全球气候变化的可能影响,如新元古代“雪球”地球的终结、古新世一始新世极热事件和第四纪冰期后气候快速变暖等,对天然气水合物在全球气候变化过程中的作用进行了探讨。     

全球变化科学中的碳循环研究进展与趋向

全球碳循环研究是全球变化科学中的研究重点之一,在过去的研究中已取得了长足的发展,但对碳源和汇的定量研究还是今后需要进一步加强的工作。综述了近年来全球碳库储量研究的主要进展,分析了岩石圈、陆地生态系统、海洋、大气以及人类社会等碳库的储量、在全球碳循环中的地位及其作用机制,针对与全球升温事件密切相关的人为碳排放问题专门作了论述,并结合最新的研究成果,对"未知汇"问题的新的研究方向作了阐述。碳循环研究已经进入一个新的发展时期,国际科学组织与各国政府对碳循环研究的关注与投入正逐步增加,但其关注的内容并不一致。分别以地球系统科学联盟的全球碳计划和美国的北美碳计划为例,介绍了国际碳循环研究的重点与趋势。最后提出了今后全球碳循环研究需要关注的一些领域：陆地碳循环机理与源汇定量研究;海洋大尺度碳循环及其机理研究;人类社会在碳循环中的作用研究等。     

海洋碳循环模式的研究进展

从最简单的三箱模式开始简要回顾了海洋碳循环模式的发展历史，讨论了不同发展时期各种模式的特点，并指出了海洋吸收大气CO2的能力。近年来全球海洋环流碳循环模式经常使用简单生化过程，而在过程模式和一维模式中较详尽探讨生态系统在海洋碳循环的作用。最新的全球环流碳循模式估计海洋在20世纪80年代每年吸收大气CO2为1.5~2.2 GtC。还讨论了模拟海洋碳循环的现状和存在的问题。使用含显式生态系统的碳循环模式是研究CO2生物地球循环及其对全球变化响应的发展趋势。     

土壤呼吸对全球温暖化的响应

<正> 地球表面温度升高是未来气候变化的主要趋势之一。由于温度是调节和控制生物地球化学过程的一个关键因素(Rustad等,2001),全球温暖化势必要对大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈之间的物质循环产生深远的影响。全球碳循环重要环节之一的土壤呼吸对温度变化非常敏感,因其最终产物是主要的温室气体CO_2,所以,土壤呼吸与全球温暖化之间的关系不仅会影响到陆地生态系统在碳循环方面的源汇功能,而且,全球温暖化的趋势和时空格局也会因此产生重大变化。     

古新世—始新世最热事件对地球表层循环的影响及其触发机制

古新世—始新世最热事件（PETM, Paleocene Eocene Thermal Maximum）是发生在古新世—始新世交界时的一次全球性的气候突变事件。它造成了大洋环流模式的突然倒转和海水盐度、大气湿度的迅速上升。海洋表层生态系统和陆地生态系统生产力迅速上升，许多属种的植物、动物、微生物生活范围向高纬区扩大；大洋底栖微生物发生集群灭绝。现代哺乳动物的主要属种（灵长类、奇蹄类及偶蹄类）产生，哺乳动物演化进程发生重大改变。地球表层碳循环系统发生不同程度的碳同位素负偏移，全球碳循环系统发生大规模搅动。对于PETM的触发机制，主流的观点认为是海底天然气水合物突然释放造成巨量甲烷迅速进入表层系统引发的碳循环系统内部反馈。而对于甲烷释放的原因，又存在着减压释放和热释放两种解释；此外还有科学家用岩浆作用和地外星体撞击来解释PETM的发生。     

Carbon cycle variability in tropical Atlantic across two Early Eocene hyperthermals

Early Eocene hyperthermals are geologically short-lived global warming events and represent fundamental perturbations to the global carbon cycle and the Earth’s ecosystem due to massive additions of isotopically light carbon to the ocean-atmosphere system.They serve as ancient analogs for understanding how the oceanic carbonate system and surface-ocean ecosystem would respond to ongoing and future climate change.Here,we present a continuous carbonate record across the Eocene Thermal Maximum 2(ETM2 or H1,ca.54.1 Ma)and H2(ca.54 Ma)events from an expanded section at Ocean Drilling Program Site 1258 in tropical Atlantic.The abundant calcareous nannofossils and moderate carbonate content throughout the studied interval suggest this record was deposited above the calcite compensation depth(CCD),but below the lysocline and under the influence of terrestrial dilution.An Earth system model cGENIE is used to simulate the carbon cycle dynamics across the ETM2 and H2 to offer insights on the mechanism of the rapid warming and subsequent recovery in climate and ecosystem.The model suggests moderate changes in ocean pH(0.1–0.2 unit)for the two scenarios,biogenic methane from a rechargeable methane capacitor and organic matter oxidation from thawing of the permafrost.These pH changes are consistent with a recent independent pH estimate across the ETM2 using boron isotopes.The carbon emission flux during the ETM2 is at least an order of magnitude smaller than that during the Paleocene–Eocene Thermal Maximum(PETM)(0.015–0.05 Pg C yr^-1vs.0.3–1.7 Pg C yr^-1).The comparable pre-and post-event carbonate contents suggest the lysocline did not over deepen following the ETM2 at this tropical Atlantic site,indicating spatial heterogeneity in the carbonate system due to strong dilution influence from terrestrial weathering and riverine discharge at Site 1258.     

白垩纪至早第三纪的极端气候事件

地球科学界正在将预测未来气候变化的研究重点放到地球过去突然发生的气候变暖事件。白垩纪至早第三纪发生的极端气候事件被认为是最接近于现今的地球系统,对其研究有利于理解现今地球系统过程在碳循环快速搅动时的响应。这些气候事件主要包括：古新世-始新世最热事件（PETM,～5 5 MaBP）、早阿普第晚期和森诺曼-土仑界线的大洋缺氧事件（OAE1a,～120 Ma;OAE2,～93．5 MaBP）。PETM事件是中白垩世以来一次突然变暖事件,在10 ka年以内深海温度增加～5 ℃,表层海水温度增加 4～8 ℃,而δ¹³C至少发生 3．0‰的负偏移。目前普遍认为PETM事件是由于海洋气水化合物（CH₄）的巨量释放造成的。大洋缺氧事件（OAEs）记录了海洋环境下有机质的大量埋藏,代表了碳循环和海洋生物系统的重大搅动事件。综合大洋钻探计划（IODP）将极端气候确定为优先研究领域,将采取特定的钻探策略,在世界大洋范围内获取最低限度蚀变的新生代至白垩纪沉积物,研究精度要求达到米兰柯维奇的天文调谐时间尺度,其最终目标是定量描述过去全球气候变化,并为未来气候变化预测提供依据。     

Biostratigraphic Study of the Paleocene–Eocene Boundary in Northern Tunisia, North Africa

A new section at Jebel Gorraa,in northern Tunisia,contains the Paleocene-Eocene transition interval.Sample analysis of the section delivers abundant and diverse microfauna of planktonic and benthic foraminifera.Biostratigraphically,the Acarinina sibaiyaensis index-species is identified for the first time in this region,which allows us to specify the location of the Paleocene-Eocene boundary as well as the first E1 biozone of the lower Eocene.Samples from this biozone contain calcitic tests poorly preserved with an enrichment of iron oxide signifying a period of upheaval in local marine environments linked to the global warming of the Paleocene-Eocene Thermal Maximum （PETM）,the marker for the P/E boundary.     

Palaeocene–Eocene carbon isotopic excursion from the shallow-marine-carbonate sequence of northeast India: Implications on the CIE magnitude and geometry

The exact magnitude of the carbon isotopic excursion (CIE) for the Palaeocene–Eocene Thermal Maximum (PETM) is essential for our understanding of the carbon cycle perturbation. Global compilation of the PETM CIE magnitudes indicates that the shallow-marine inorganic carbonate could be a potential candidate to decipher the actual CIE magnitude. The present study, therefore, made an attempt to explore the thick Palaeogene shallow-marine carbonate sequence of the Sylhet Limestone exposed in the Jaintia Hills of northeast (NE) India, in terms of the preservation and magnitude of the PETM CIE. Exploratory sampling carried out across the Sylhet Limestone suggests that this sequence was deposited during the Late Palaeocene and Early Eocene, as evident from the age-diagnostic foraminifera. The observed \({\sim }3.4\permille \) CIE at the top of the Lakadong Limestone, resting above the Miscellanea miscella and Ranikothalia nuttalli foraminifera-bearing horizon, can, therefore, be correlated with the PETM CIE. Although the magnitude of the CIE from our limited data set agrees well with the global compilation, the absence of a stepped profile questions the preservation of the CIE reported elsewhere from the Tethyan sequence. Further work is needed for a better understanding of the PETM interval in NE India.     

Late Paleocene–early Eocene Tethyan carbonate platform evolution — A response to long- and short-term paleoclimatic change

The early Paleogene experienced the most pronounced long-term warming trend of the Cenozoic, superimposed by transient warming events such as the Paleocene–Eocene Thermal Maximum (PETM). The consequences of climatic perturbations and associated changes on the evolution of carbonate platforms are relatively unexplored. Today, modern carbonate platforms, especially coral reefs are highly sensitive to environmental and climatic change, which raises the question how (sub)tropical reef systems of the early Paleogene reacted to gradual and sudden global warming, eutrophication of shelf areas, enhanced CO₂ levels in an ocean with low Mg/Ca ratios. The answer to this question may help to investigate the fate of modern coral reef systems in times of global warming and rising CO₂ levels.Here we present a synthesis of Tethyan carbonate platform evolution in the early Paleogene (~ 59–55 Ma) concentrating on coral reefs and larger foraminifera, two important organism groups during this time interval. We discuss and evaluate the importance of the intrinsic and extrinsic factors leading to the dissimilar evolution of both groups during the early Paleogene. Detailed analyses of two carbonate platform areas at low (Egypt) and middle (Spain) paleolatitudes and comparison with faunal patterns of coeval platforms retrieved from the literature led to the distinction of three evolutionary stages in the late Paleocene to early Eocene Tethys: Stage I, late Paleocene coralgal-dominated platforms at low to middle paleolatitudes; stage II, a transitional latest Paleocene platform stage with coralgal reefs dominating at middle paleolatitudes and larger foraminifera-dominated (Miscellanea, Ranikothalia, Assilina) platforms at low paleolatitudes; and stage III, early Eocene larger foraminifera-dominated (Alveolina, Orbitolites, Nummulites) platforms at low to middle paleolatitudes. The onset of the latter prominent larger foraminifera-dominated platform correlates with the Paleocene/Eocene Thermal Maximum.The causes for the change from coral-dominated platforms to larger foraminifera-dominated platforms are multilayered. The decline of coralgal reefs in low latitudes during platform stage II is related to overall warming, leading to sea-surface temperatures in the tropics beyond the maximum temperature range of corals. The overall low occurrence of coral reefs in the Paleogene might be related to the presence of a calcite sea. At the same time larger foraminifera started to flourish after their near extinction at the Cretaceous/Paleogene boundary. The demise of coralgal reefs at all studied paleolatitudes in platform stage III can be founded on the effects of the PETM, resulting in short-term warming, eutrophic conditions on the shelves and acidification of the oceans, hampering the growth of aragonitic corals, while calcitic larger foraminifera flourished. In the absence of other successful carbonate-producing organisms, larger foraminifera were able to take over the role as the dominant carbonate platform inhabitant, leading to a stepwise Tethyan platform stage evolution around the Paleocene/Eocene boundary. This szenario might be also effective for threatened coral reef sites.     

古新世/始新世全球增温在西藏岗巴地区的表现

随着深海钻探计划(DSDP)和大洋钻探计划(ODP)的开展,在古海洋学领域取得了许多重大发现。古近纪古新世与始新世(P/E)界线间的地质事件的发现便是其重要成果之一。西藏南部岗巴地区发育有良好的海相界线地层。对生物群、碳、氧、锶稳定同位素以及磁化率的研究显示,全球界线事件在西藏南部岗巴地区具有明显的影响。古新统宗浦组顶部底栖有孔虫动物群阶段性绝灭,总灭绝率为69%。始新统遮普惹组底部有孔虫逐渐复苏,除12种为古新世的残存类型外,始新世生物组合全为新的属种,并呈现三个复苏阶段。碳稳定同位素表现为三期负向偏移,在界线处出现-4‰的异常。这一异常与全球碳稳定同位素事件表现一致。锶同位素在界线位置没有明显的变化,而明显的峰值出现在界线之上,并与全球53Ma出现的锶同位素变化相对应。磁化率在界线之上2m处出现一个很明显的波动,与第3期碳同位素异常吻合。所有研究结果表明,西藏南部(特提斯-喜马拉雅低纬度浅海环境)在古新世与始新世界线时期出现明显的气候变化,说明全球深海温度增高在浅海环境具有相同表现,只是影响时间较长。     

Paleogene carbon isotope excursions in the Bunkers Hill borehole: Hampshire Basin, UK

This study demonstrates that the Bunkers Hill borehole, which is located within the Hampshire Basin, contains a carbon isotope excursion (CIE) in the Upnor Formation followed by a positive recovery from another CIE within the overlying Reading Formation. This study has also shown that the CIE in the Upnor Formation predates the Paleocene/Eocene Thermal Maximum (PETM), while the carbon isotope recovery at the base of the Reading Formation is most likely related to it. The positive carbon isotope trend, before a return to more negative values, seen throughout the majority of the Reading Formation can also be seen in coeval deposits in the Jubilee 404T borehole in the London Basin and in the Tienen Formation in the Doel and Kallo boreholes from the Belgium Basin. This indicates that this post-PETM carbon isotope signal may, therefore, be regional if not global in nature.     

塔里木盆地西部白垩纪—古近纪海相地层框架及对重大地质事件的记录

塔里木盆地西部白垩纪—古近纪发生了大规模的海侵事件,形成一个喇叭状向西开口的海湾,该海湾属于东特提斯洋的一个分支。该地区白垩纪—古近纪海相地层记录了东特提斯洋演化和一系列重大地质事件,具有重要的研究价值,但对其地层的研究仍相对薄弱,对重大地质事件的研究还不够深入。本文拟通过详细的岩石地层、生物地层和其他地层方法,完善地层划分与对比框架,并在此基础上讨论Cenomanian/ Turonian界线大洋缺氧事件(OAE2)、白垩纪/古近纪界线(K/Pg)、古新世—始新世极热事件(PETM)、特提斯海进与海退等一系列重大地质事件。塔里木盆地白垩纪—古近纪海相或海陆过渡相地层自下而上为克孜勒苏群、库克拜组、乌依塔克组、依格孜牙组、吐依洛克组、阿尔塔什组、齐姆根组、盖吉塔格组、卡拉塔尔组、乌拉根组和巴什布拉克组,上述地层中含有丰富的有孔虫、介形虫、钙质超微、沟鞭藻、孢粉、双壳类、腹足类等化石,以及少量菊石、腕足类、海胆和鲨鱼牙齿等化石。综合的生物地层和年代地层研究表明,克孜勒苏群的时代为早白垩世Barremian-Albian期,库克拜组—依格孜牙组的时代为晚白垩世Cenomanian-Maastrichtian期(Cenomanian/Turonian界线可能位于库克拜组三段),吐依洛克组的时代为白垩纪—古近纪过渡期;阿尔塔什组的时代为古新世早中期,齐姆根组为古新世晚期—始新世最早期,盖吉塔格组—乌拉根组的时代为中始新世中晚期,巴什布拉克组的时代为晚始新世,但不排除最上部进入渐新世早期。塔里木盆地的海侵开始于克孜勒苏群中上部沉积期(Albian晚期—Aptian早期),但规模很有限,大规模的海侵始于晚白垩世Cenomanian早期;从晚白垩世—古新世,共经历了5次大规模的海侵—海退事件;大约41 Ma前后,海水退出盆地南部的昆仑山山前,34 Ma前后,海水退出盆地北部的天山山前。上述海侵—海退事件可能受构造和全球海平面变化的双重影响,但构造事件对海侵的启动和结束可能更具决定性的影响。阐述了塔里木盆地西部白垩纪—古近纪海相地层所记录的OAE2、K/Pg界线、PETM和特提斯海侵—海退等事件,其中笔者及团队第一次在塔里木盆地西部齐姆根组中所发现和报道的PETM事件,将有助于揭示全球近岸地区PETM的特征和生物-环境响应。在未来的研究中,需要进一步厘清塔里木盆地西部地层序列,建立更加精细的生物地层和年代地层框架,加强对PETM和特提斯海侵—海退等重大地质事件的研究。