超大陆聚散的环境效应

超大陆（Supercontinent）是在地球演化某一阶段所形成的几乎包含当时所有陆块的一个大陆。超大陆的聚合是通过全球性碰撞造山事件来完成的，而超大陆的裂解往往是超级地幔柱作用的结果。因此，超大陆的聚合与裂解事件势必对地球的水圈、大气圈和生物圈产生重要影响，进而影响地球的宜居环境。在超大陆聚合过程中，大陆深俯冲会导致大陆总体面积的减少和大洋面积的增加，从而导致全球海平面的下降；另一方面，在超大陆的聚合期间，地幔岩浆喷发至地表的机会明显减少，通过火山射气进入大气圈中的CO2含量会急剧降低，从而形成极端寒冷干燥的冰室（Icehouse）气候，冰碛岩在低纬度地区广泛出现，不利于生物生存，或导致生物大量灭绝。相反，在超大陆裂解期间，大陆地壳会遭受拉伸减薄，大陆面积相对增加，大洋面积减少，海平面上升；另外，导致超大陆裂解的超级地幔柱所喷发的巨量玄武岩会导致洋壳加厚，也会导致海平面的上升；此外，超级地幔柱巨量玄武质岩浆的喷发会导致大气中CO2浓度的增加，形成温暖潮湿性的气候（Greenhouse），有利于生命复苏或大爆发。然而，目前有关超大陆聚散的环境效应研究还处于初步阶段，而且主要局限于Pangea超大陆聚散对水圈、大气圈和生物圈的影响研究，一些研究结论的可靠性也有待于通过对Rodinia和Columbia/Nuna等更古老的超大陆聚散的研究结果加以证实。     

国际大洋钻探全球海平面变化研究进展

国际科学大洋钻探计划对全球海平面变化问题的关注始于1980年代初,至今已在被动大陆边缘、孤立碳酸盐台地、混积台地边缘、平顶海山等不同类型海区执行了23个与海平面变化相关的专题航次,采集了大量的钻探资料,为全球海平面变化研究提供了关键信息。依据这些资料,重建了近100 Ma以来的全球海平面变化历史,检验了Exxon的层序地层模型和海平面假说,明确了海平面变化的地层响应,建立了南极冰盖演化与海平面变化的关系。尽管如此,科学大洋钻探海平面变化研究仍存在一些不足,如钻探区的地域代表性还不够多,全球海平面变化信息提取时难以消除其他地质因素(如构造沉降)的影响,海平面变化记录的精度有待提高,多种因素作用下地层结构对海平面变化的响应还需进一步研究,海平面变化机制特别是冰盖动力学对海平面变化的影响及暖期海平面变化的原因还认识不清。在当今气候变暖的大背景下,这些问题的解决有助于提升未来海平面变化趋势预测的可靠性。     

海平面变化的原因及结果

20世纪80年代初期以来,科学大洋钻探已累计完成了DSDP80、93、95和ODP133、143、 144、150、150X、166、174A、174AX、182、194等10多个与海平面变化有关的科学航次,在美国新泽西被动大陆边缘、澳大利亚东北部及南部被动大陆边缘、巴哈马台地、太平洋中西部平顶海山等地获得了大量的钻探资料。根据这些资料,建立了过去42 Ma来的海平面变化年表,确立了大陆边缘层序界面与全球海平面下降之间的成因联系,在估计全球海平面变化幅度方面取得进展。尽管如此,对全球海平面变化的幅度、机制及地层响应等基本问题的了解,还存在很大的不确定性。在综合有关文献基础上,对科学大洋钻探在海平面变化研究方面所取得的成就、存在的问题及发展方向进行简要介绍。     

中新生代海水锶同位素演化和古海洋事件

中新生代是地质历史中海水锶同位素组成变化最大的时期。晚白垩世以来海水N(87 Sr)/N(86Sr)值的持续上升与全球海平面的持续下降有关。喜马拉雅造山运动造成了40 Ma以来N(87 Sr)/N(86 Sr)值上升速度的显著加快;侏罗纪—早白垩世海水锶同位素的变化在很大程度上受泛大陆的解体控制,该地质事件使侏罗纪—早白垩世海水锶同位素总体上呈降低趋势;二叠/三叠纪界线的生物绝灭事件及界线后三叠纪初期的生态萧条控制了晚二叠世—早三叠世海水的锶同位素组成,早三叠世在全球海平面上升的背景下反而出现了锶同位素比值的急剧上升,单位时间的上升幅度居显生宙之首。与二叠/三叠纪界线生物绝灭有关的全球大陆植被的缺乏和风化速率加快是其主要控制因素;发生于中生代的海相红层事件记录了海水锶同位素比值的上升,显示风化作用的加剧可能诱发海相红层;但晚白垩世的大洋红层对应着全球海平面下降,其成因还与在全球变冷的背景下,温度较低且富氧的大洋表层水以及从两极向赤道方向运动的低温富氧海水与大洋深层水交换并造成大洋底层水富氧和沉积物的氧化有关。中生代的三次大洋缺氧事件均发生在锶同位素下降的时间间隔中,这与洋中脊洋壳生产和有关热液活动的增加有关,洋壳生产的增加导致了CO2 排气作用的增强和全球变暖,最     

重大地史事件、节律及圈层耦合

文章讨论了岩石圈的联合古陆事件，生物圈的重要生物类别的出现、生物爆发事件和集群绝灭事件，水圈和大气圈的海平面变化事件和气候的变冷、变暖事件。联合古陆事件包括陆核型联合古陆（２５００Ｍａ）、初始原地台型联合古陆（１９００Ｍａ）、成熟原地台型联合古陆（１４５０Ｍａ）、地台型联合古陆（８５０Ｍａ）和大陆型联合古陆（２５０Ｍａ）事件；生物圈事件包括原核生物、真核生物、后生动物、带壳后生动物的出现事件，寒武纪生物大爆发事件，奥陶纪—志留纪之交（４３９Ｍａ）、晚泥盆世弗拉斯期—法门期之交（３６７Ｍａ）、二叠纪—三叠纪之交（２５０Ｍａ）、三叠纪—侏罗纪之交（２０８Ｍａ）、白垩纪—第三纪之交（６５Ｍａ）的生物集群绝灭事件，并从遗迹化石的角度，阐述了后生动物及其行为习性的起源和演化的新观点。水圈和大气圈事件包括晚震旦世、奥陶纪—志留纪之交、晚石炭世的自节律海平面变化事件，奥陶纪和白垩纪的他节律高海平面事件，震旦纪—寒武纪和二叠纪—三叠纪之交的耦合节律海平面变化事件，并以泥盆纪为例作了进一步阐述。这些事件是岩石圈、生物圈、水圈和大气圈发展、演化的重要里程碑。上述事件的重要特征是，在时间上的节律性和在成因上的圈层耦合效应。     

极地地质钻探研究进展与展望

南北极在全球海平面变化和碳循环中扮演着关键角色,并蕴藏着地球如何从新生代初期的温室转向现代冰室演变过程的关键信息,因而成为地球科学研究的热点地区。极地地质钻探计划(如DSDP/ODP/IODP/ICDP)研究所取得的成就令人瞩目,刷新了人类对过去全球变化的认识,成为探究地球气候系统演化的一个窗口。通过这些钻探计划,发现了新生代以来气候变冷,南北极冰盖几乎同时形成;揭示了南极冰盖形成和陆地风化的加剧,导致南极中深层水和底层水的生产加速并向北推进,造成全球大洋环流的重大变化;南大洋对大气CO_2的调控作用、全球大洋深部循环、营养盐的分布和海洋生产力等多方面在不同时间尺度上都发挥着重要作用;检验了南北极冰盖形成和消融与海平面变化的关系,为人类预测未来海平面变化提供了历史依据。未来的南北极国际大洋发现(IODP)计划将继续关注于极地冰盖的演变历史、南大洋古海洋学演变历史,追踪北极海—陆环境的联系及其对全球气候的影响。这些结果将对未来全球气候预测提供重要的参考和边界条件。     

条带状铁建造(BIF)与地球大氧化事件

地球大氧化事件是指约24亿年前的地球大气圈中开始出现氧并连续增加。到20世纪末对地球大氧化事件的形成和演化模型可概括为两类:22亿年前为缺氧大气圈,22～19亿年大气圈中O_2明显增加,而后逐渐增加到现代大气圈O_2含量水平的C-W-K-H模型;大气圈中O_2含量自40亿年来近于常数,在现代大气圈O_2含量水平的50%范围内变化的D-K-O模型。21世纪开始实施了太古宙生物圈钻探计划(ABDP),在太古宙—元古宙页岩、条带状铁矿建造中微生物、S、C同位素分馏、稀土元素及过渡族金属Ni、Fe、Mo等含量变化等方面取得了许多新成果,建立了大气圈游离氧产生机理及含量变化的不同模型,将大气圈中氧的出现时间至少提前到25亿年前。中国前寒武纪条带状铁矿建造BIF广泛发育,特别是特有的稀土铁建造及其稀土地球化学初步研究成果表明,稀土元素的含量、轻重稀土的分异及变价元素Eu的相对富集与亏损,均显示明显的对时间的依赖。文中提出,应对其开展系统地质地球化学研究,可为大气圈、水圈的演化,特别是对研究中国铁矿的形成和分布规律研究提供重要参考资料。     

Rodinia泛大陆离散和前寒武寒武纪转折

Ｒｏｄｉｎｉａ和Ｐａｎｇｅａ两个泛大陆的汇聚和离散过程,延续时间达５００～６００Ｍａ,是行星地球演化史中已知的最高级别节律现象。前寒武—寒武纪之交的地史重大转折期有迹象显示正处于Ｒｏｄｉｎｉａ形成后的离散早期。从全球海平面变化规程、大气圈中ＣＯ２含量...     

中国大陆新生代典型火山区温室气体释放的规模及其成因

火山活动能够将地球深部的碳输送到大气圈,是地质碳排放和深部碳循环的重要形式.火山作用不仅在喷发期能够释放大量温室气体,而且在休眠期也能释放巨量的温室气体.在全球变暖的背景下,定量化地研究火山活动对大气圈温室气体含量增加的贡献具有至关重要的意义.本文利用密闭气室法等该领域国际先进的测试技术,测量并计算了长白山、腾冲、五大连池及青藏高原南部的羊八井等典型火山区的温室气体释放规模.结果显示,我国大陆新生代典型火山区向大气圈输送的温室气体总通量约为8.13×10⁶t·a^-1,接近10⁷t·a^-1级别,相当于全球火山活动导致的温室气体(主要为CO₂)释放总量的6%左右.太平洋构造域火山区的温室气体在释放通量与总量方面均低于特提斯构造域,并且太平洋构造域火山气体的地壳混染程度较低,显示出大洋俯冲带与大陆俯冲带火山区温室气体释放的成因差异.     

南海西北与西南次海盆沉积通量及其控制因素

作为西太平洋陆源沉积"源-汇"过程的重要场所,南海海盆半封闭的构造环境使得其与开放大洋的物质交换十分有限,沉积物保存基本完整,可以建立起南海沉积过程与区域重大构造事件、气候变化、海平面变化等之间的系统联系.选取南海西南与西北两个次海盆为对比研究区,基于穿越海盆的高分辨率多道地震测线和国际大洋发现计划(Internati...     

白垩纪大洋缺氧事件

白垩纪黑色页岩相地层出现在世界主要大洋及地表露头中,一般表现在三人时期:巴雷姆晚期—阿普特期—阿尔布期;赛诺曼晚期—二仑早期及康尼亚克期—三冬期。这些时期海相地层的岩性、动物群及地球化学特征均有变化,并以赛诺曼晚期—二仑早期变化最为明显,表明当时世界海洋处于氧极度损耗的条件。这种条件被称为大洋缺氧事件(OAE)。赛诺曼期—三仑期大洋缺氧事件的发生与当时的海侵高峰期是一致的。海平面的上升可使上升流加强,使表层生物生产率增高,进而导致海洋水体溶解氧的消耗及有机碳的保存。     

沉积记录与白垩纪地球表层系统变化

地球表层系统是由岩石圈、大气圈、水圈和生物圈相互耦合和变化组成的复杂巨系统。白垩纪是地球表层系统研究的典范,在地球表层各圈层发生了众多重大地质事件。晚白垩世巨大的地幔热异常引起海底扩张速度变快,导致大量海底高原和海山的形成;同时,冈瓦纳大陆裂解,南北大西洋贯通,新的大洋水道形成,可能造成大洋环流格局的大变化。洋壳体积的增加可能使白垩纪海平面比现在高出200~300 m,大规模海侵也在晚白垩世中期达到最大范围。在这个过程中,火山作用释放出来的营养物质和火山气体的反馈作用造成的大量陆地营养物质的流入共同促使大洋水体富营养化和普遍缺氧,造成“大洋缺氧事件”。CO2浓度的升高（为现今的4~10倍）是火山排气作用的直接结果,其“温室效应”也被认为可能是促成白垩纪大气和海水高温的重要原因（高于现在10 ℃）。大洋红层（CORB）是最新提出并被广泛接受的白垩纪重要地质事件,被定义为一套分布在从外陆棚到CCD面之下深水盆地的,在富氧、低生产力和贫营养条件下较低速沉积形成的品红-红色-棕色的细粒远洋沉积物。这些发生于地球表层各圈层的重大地质事件以能量循环的方式（具体表现为C、S、P、H、O等元素循环）相互耦合和变化共同支撑着地球表层系统的运转。但是科学界对这些重大地质事件的成因机制及其所引起的全球变化性质还没有形成一致意见,原因之一就是缺乏对陆相沉积记录的研究。陆相白垩系的广泛发育和“松辽盆地白垩系科学钻探”工程的顺利实施共同构成了中国在白垩纪地球表层系统研究上的地域和材料优势,结合中国在白垩纪地球表层系统重大地质事件研究中已经形成的学术优势,从地球系统科学的角度出发,通过多学科交叉研究将是解决以上问题的关键。     

湖南桃源瓦尔岗剖面层序地层框架下的寒武系第10阶旋回地层学研究

很多地层学与沉积学特征,如显生宙较高的海平面位置以及最高的大气圈二氧化碳含量、全球性温暖的气候(温室效应条件)、后生动物骨骼生物礁的贫乏、三叶虫的主导性、典型的方解石海、SPICE碳同位素事件所代表的大洋缺氧事件和大气圈增氧事件,将寒武纪芙蓉世特征化。经过多年的努力,一个全新的芙蓉统年代地层格架已经得到了系统的确立,芙蓉统可以进一步划分为排碧阶、江山阶和没有得到最后定义的第10阶。湖南桃源县瓦尔岗剖面,以丰富的斜坡相三叶虫的发育著称,是全球寒武系芙蓉统第10阶底界GSSP的候选剖面。为了配合第10阶层型剖面的年代地层学研究,在层序地层学框架内,对该剖面第10期地层为主的地层序列进行了较为系统的旋回地层学研究。基于基本的岩相和沉积相的观察与研究,将该剖面沈家湾组中主要归为第10期的大部分地层归为一个三级沉积层序,并进一步划分为两个四级海平面变化层序;该三级沉积层序大致包含48个准层序级别的六级米级旋回,这些米级旋回常常4个一组构成五级旋回(准层序组)而表现出明显的沉积旋回的1∶4的叠加样式,成为较为典型的米兰柯维奇旋回属性而可以作为代表性的"定时器"。结果表明,第10期地层的形成时限大致为4.80Myr(百万年),稍大于地球化学测年得出的4.10Myr(~495.0-489.5Ma);而且层序界面代表的沉积环境变化要超前于阶的界面代表的生物变化。因此,层序地层学框架内的旋回地层学研究,丰富了瓦尔岗剖面的地层学内容。     

板块体制的出现与全球地质环境的突变

从大洋中脊的扩张到活动陆缘处的洋壳俯冲消成和岛弧型地壳增生，这是板块构造理论的精髓部分，这种板块体制的地壳演化何时开始出现呢？通过对与板块体制有关的壳幔物质循环和水圈—岩石圈—大气圈相互作用的分析，作者认为太古代与元古代之交（２６～２３亿年）全球性地质环境的突变是板块体制出现的标志。     

大气圈氧气含量水平上升的时间进程:一个与地球动力学过程紧密相关的地球生物学过程

两种气体,氮气和氧气,以压倒优势的状态主导着地球的大气圈。氮气是原生的,而且其存在和丰度不是生物过程所驱动的;相反,氧气是生物通过水的氧化作用而连续产生的,这个氧化作用得到了太阳光的能量驱动。氧气,一种对动物生命进化最为关键的气体,是如何变成大气圈中丰度第2的气体?问题并非以前所设想的那么简单;为了了解大气圈氧化的时间进程,我们不但要知道氧气是什么时候而且是如何第1次出现的,而且还要知道氧气是如何在大气圈中保持一个高浓度的。可以肯定的2个事实是:地球最早期的大气圈是缺乏氧气的,而今天的大气圈则为21%的氧气所组成。需要特别强调的是,大多数古代大气圈氧气水平的地质标志,只是意味着存在与缺乏,而且发生在以下2个时间点的大多数事件是高度不肯定的;但是,一系列地质证据已经表明,大气圈氧气含量水平上升的时间进程发生在2个时间点上:(1)一个从缺氧的到含氧的大气圈的转变,大致发生在2.0~2.5,Ga期间,这个转变就是著名的巨型氧化作用事件(GOE);(2)发生在前寒武纪-寒武纪过渡时期的大约540~850,Ma的第2次巨型氧化作用事件(GOE-Ⅱ),被进一步命名为新元古代氧化作用事件(NOE)。GOE与NOE,就得出了地球大气圈氧气含量水平上升三段式的盛行图像。随着研究的深入,得到了以下重要认识:如果说大气圈氧气含量的总体增加,从太古宙微不足道的水平增加到今天21%,是由于氧气生产作用增强的结果而代表了一个复杂的地球生物学过程的话,那么,这个过程则发生在随着侵蚀作用与沉积作用相对于火山活动而变得更加重要的状况下,更进一步讲,叠加在这个总体趋势下的则是一系列的阶梯式的氧气含量水平上升,这与超大陆聚合作用之后异常高的沉积作用周期是相联系的,从而进一步说明了大气圈氧气含量水平上升是与地球动力学过程紧密相关的地球生物学过程的作用结果。大气圈氧气含量水平一系列的阶梯式的上升,被总结为7个事件而与超大陆汇聚事件得到了良好的对比,从而提供了一个更加清晰的图像;也就是说,在超大陆汇聚作用之后,得到增强的沉积作用促进了大部分有机碳和黄铁矿的埋藏,因而阻碍了它们与自由氧的反应,结果就是大气圈氧气含量水平的实质性上升。新颖的观点和重要的认识,为深入理解地球大气圈氧气含量水平上升这一个重要的地球生物学过程,提供了重要的思考途径和研究线索;追索这些研究进展,将有助于揭开地球大气圈演变历史的神秘面纱并寻找出更多的科学研究生长点。     

藏南定日地区白垩纪中期地球化学异常对海平面上升的响应

西藏南部定日地区在白垩纪中期为一套浅灰色-深灰色的陆源碎屑岩（钙质页岩）及碳酸盐岩（泥灰岩及微晶灰岩）的混积型沉积物，其中的地球化学特征变化反映了古海洋发生的重大变革。δ¹³ C的同位素曲线变化具有明显的低-高-低旋回变化，δ¹³ C正偏与有机碳大量埋藏、海平面上升及缺氧事件密切相关。铀、钍、钾的含量变化及Th/U比值的变化特征表明由海平面上升所形成的全球大洋缺氧的重要时期，由于有机物质及粘土矿物的增多，它们的含量均比标准平均值偏高。而⁸⁷Sr/ ⁸⁶Sr比值在该时期偏低，这也与当时的构造背景及海平面发生重大变化相一致。     

珠江深水扇系统沉积和周边重要地质事件

最近的研究发现了位于南海北部珠江口外白云凹陷陆坡深水区的珠江深水扇系统。珠江深水扇系统以珠江为沉积物源、以持续深沉降的白云凹陷为沉积古地理背景、以与全球海退型海平面相反的相对海侵型海平面变化的沉积层序构成了其发育演化的特殊性,并留下了控制沉积的周边重要事件的记录。23.8 Ma等界面沉积速率和岩石地球化学特征均有突变,反映出物源区的变化,可能折射出与青藏高原隆升、南海扩张有关的重要事件,使得古珠江骤然向西部高原拓展,甚至较今天的珠江流域范围还广阔;承载珠江深水扇系统的白云凹陷持续沉降形成了陆坡内盆地,导致21~10.5 Ma BP多个层序深水扇垂向叠置充填的特殊沉积建造;根据60多口井资料建立的相对海平面变化曲线,具有与全球海平面变化相一致的三级旋回和不一致的二级旋回。如果能对珠江深水扇系统实施综合大洋钻探获取更为全面和准确的资料,开展珠江深水扇沉积作用与白云凹陷沉降的深部机制、珠江流域演化、海侵型相对海平面变化的耦合性等研究,将有利于揭示南海扩张、边缘海沉积、海平面变化、中国西部高原隆升事件的相关联系和形成机制。     

与全球变化有关的几个北极海洋地质问题

极地区域是全球变化研究的重点区域 ,在北极地区与全球变化有关的地质问题主要是北极地区的海陆变化对全球变化的影响 ,以及全球变化在地层中的记录。这涉及到北极形态变化及与其它大洋沟通的水道开闭情况 ,地形起伏对大气、大洋环流的影响 ,地壳升降与海平面变化对河流流量和海岸稳定性的影响 ,气体水合物及有机碳等变化对全球碳循环的影响 ,以及这些影响与气候变化信息在极地沉积物中的记录。文章在对上述影响及海洋地质研究状况进行探讨后 ,又简要介绍了中国的首次北极考察海洋地质研究状况     

古海洋活性磷埋藏记录及其在氧气地球化学循环研究中的运用

在综合现代大洋活性磷循环特征的基础上,提出大洋中活性磷主要来源于有CO2 参与的地表岩石的化学风化,输入通量在很大程度上受到气候与构造等因素的控制;进入大洋之后的活性磷经光合作用而进入有机物,并通过一系列的转化环节而最终埋藏下来;从而可以根据古海洋活性磷埋藏记录,推断地质历史中不同时间尺度的全球变化情况。对比160 Ma以来的古海洋总磷和100 Ma活性磷埋藏记录可以发现:(1)总磷和活性磷的埋藏速率与长期的海平面变化明显关联,在温室气候条件下,两者基本呈正相关关系;在冰室气候条件下则为反相关关系;(2)总磷和活性磷埋藏速率的变化,能够在一定程度上指示古海洋营养条件的变化;(3)白垩纪中期大洋缺氧事件对应活性磷的埋藏峰值,表明大洋活性磷循环与大洋缺氧事件之间存在着非常密切的关系。此外还例举了古海洋活性磷埋藏记录在氧气地球化学循环研究中的运用,指出活性磷循环对大气氧含量的稳定起到重要的作用。文章最后对古海洋活性磷埋藏记录研究中存在的一些问题进行了讨论。     

对次点火山岩中地幔包体的研究揭示大洋岩石圈在俯冲消减前的交代作用

<正>次点火山(petit-spot volcano)是指远离大洋中脊和地幔柱的大洋板块在即将进入俯冲带之前,由于板块的弯曲引发部分熔融所导致的局部海底火山作用。次点火山有时夹带有来自深部岩石圈的包体和捕虏晶,是了解大洋岩石圈深部物质组成的重要信息载体。次点火山自从在日本外海发现以来,在智利,汤加及巽他等俯冲带外围