傅 恒，高雁飛，肖重陽

(成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川 成都 610059)

新生代已確認(rèn)的隕擊天文事件至少有8次［1］［2］，根據(jù)隕擊直接證據(jù)或板塊構(gòu)造演化等推測(cè)的隕擊事件至少還有3次，這些隕擊事件都對(duì)應(yīng)了新生代程度不同的氣候變化。

氣候變化的觸發(fā)因素一直是古氣候研究的焦點(diǎn)。自20世紀(jì)70年代以來，不同研究者相繼提出了多種假說，例如將洋流變化、CO2濃度降低和全球碳循環(huán)變化、高原隆升、火山活動(dòng)、天體撞擊、地球軌道參數(shù)變化等因素與始新世－漸新世氣候轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)機(jī)制相聯(lián)系［3］。

天文事件可以引起構(gòu)造隆升、火山活動(dòng)、洋流變化、CO2濃度降低和全球碳循環(huán)變化，是新生代全球氣候變化最主要的觸發(fā)因素。

1 新生代隕擊天文事件

新生代已確認(rèn)的隕擊天文事件至少有8次，即加勒比海隕擊事件(65Ma)、北美玻璃隕石事件(34Ma)、俄羅斯西伯利亞隕擊事件(24Ma)、捷克玻璃隕石事件(15Ma)、俄羅斯南烏拉爾隕擊事件(6.2Ma)、南太平洋隕擊事件(2.4Ma)、象牙海岸玻璃隕石事件(1.1Ma)和澳-亞玻璃隕石事件(0.73Ma)［1］［2］。此外，根據(jù)隕擊直接證據(jù)或板塊構(gòu)造演化推測(cè)的隕擊事件至少還有3次，即有隕擊直接證據(jù)的55Ma隕擊事件，以及推測(cè)的日本海隕擊事件(45Ma)、德雷克海峽隕擊事件(41Ma)。

加勒比海隕擊事件(65Ma)，發(fā)生在白堊紀(jì)/第三紀(jì)(即中生代/新生代)之交。目前大部分學(xué)者都趨于認(rèn)同K/T事件為一次地外撞擊事件，直接證據(jù)是墨西哥Yucatan半島直徑約180 km的Chicxulub撞擊坑(Hildebrand，1991)［4］，以及全球 K/T 剖面已達(dá)120多個(gè)Ir正異常記錄和K/T含恐龍和菊石滅絕在內(nèi)的表層短期生物集群滅絕事件(屬滅絕率為48%，種滅絕率為60% ～80%;浮游有孔蟲滅絕率極高，底棲有孔蟲滅絕率相對(duì)較低)［5］。

55Ma的隕擊事件，發(fā)生在古近紀(jì)古新世/始新世之交，隕擊直接證據(jù)有玻璃質(zhì)飛濺狀玻隕石、微玻隕石、撞擊石英、焦石英、柯石英和Ir正異常［5］，以及富鐵磁性微粒［6］?？赡苡呻E擊觸發(fā)的PETM(Paleocene－Eocene Thermal Maximum)最熱事件造成了大洋環(huán)流模式的突然倒轉(zhuǎn)和海水鹽度、大氣濕度的迅速上升;海洋表層生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力迅速上升;大洋底棲微生物發(fā)生集群滅絕，哺乳動(dòng)物演化進(jìn)程發(fā)生重大改變，植物、動(dòng)物、微生物許多屬種的生活范圍向高緯區(qū)擴(kuò)大;地球表層碳循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生不同程度的碳同位素負(fù)偏移，全球碳循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模攪動(dòng)［6］。

45Ma的日本海隕擊事件，是作者根據(jù)板塊構(gòu)造演化和日本海形態(tài)推測(cè)的隕擊事件，還需隕擊直接證據(jù)證實(shí)［7］。隕擊地點(diǎn)位于現(xiàn)今日本海，形成的巨型隕石坑——日本海盆是歐亞、太平洋、菲律賓各大板塊匯聚的中心。此次隕擊將日本列島與東北亞大陸分離，形成東北日本逆時(shí)針、西南日本順鐘向的雙開門式旋轉(zhuǎn)。此次隕擊還使朝鮮地塊逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)式東移，導(dǎo)致郯廬斷裂帶的第4次構(gòu)造熱事件(45Ma)。隕擊引起東北亞大陸邊緣廣泛發(fā)育玄武質(zhì)巖漿活動(dòng)。隕擊改變了太平洋板塊的運(yùn)動(dòng)方向，由原來的NNW向在43Ma時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)镹WW向。隕擊還使古太平洋板塊西部破裂形成菲律賓板塊雛形，破裂帶形成小笠原海溝-島弧系。隕擊及其后效還引起43～35Ma的阿爾金斷裂開始新生代第一次脈沖式左行走滑，顯示華北地塊整體向東(日本海方向)移動(dòng)，可能也是后期波斯灣、紅海拉張的源動(dòng)力。隕擊及其后效還引起30～25Ma貝加爾湖裂谷的形成［7］。

41Ma的德雷克海峽(Drake Passage)隕擊事件，是作者根據(jù)德雷克海峽打開時(shí)間和形態(tài)推測(cè)的隕擊事件，也需隕擊直接證據(jù)證實(shí)。Howie D.Scher等(2006)根據(jù)釹(Nd)同位素跟蹤洋流變化判斷，約41Ma時(shí)，較大范圍的太平洋表層洋流進(jìn)入大西洋導(dǎo)致大西洋εNd值升高，表明德雷克海峽開啟;隨后在始新世晚期εNd值增加很可能表明海峽進(jìn)一步拓寬并加深［8］。第三紀(jì)初南美洲南部和西南極洲之間曾有一狹窄的陸地相連，由于東南太平洋沿沙克爾頓斷裂帶斷裂作用使阿盧克海嶺向東擴(kuò)展使南美-南極陸橋分離［9］。但作者根據(jù)德雷克海峽形態(tài)判斷，南美-南極陸橋分離形成德雷克海峽很可能是源于約41Ma的一次自西向東的低角度隕擊。

34Ma的北美玻璃隕石事件，發(fā)生在古近紀(jì)始新世/漸新世之交。隕擊直接證據(jù)有北美玻璃隕石、微玻璃隕石及沖擊礦物，同期還有意大利安科納沖擊石英及 Ir正異常［2］。隕擊位置 71°N、111°E，隕擊坑直徑達(dá)100km，撞擊能量相當(dāng)于8.6×107Mt TNT，平流層塵埃增量達(dá) 8.9 ×1012t［10］。隕擊引起的E/O驟冷事件是地史上重要的全球氣候加速變冷時(shí)期，深水降溫7～8℃，整個(gè)事件發(fā)生迅速而短暫，持續(xù)時(shí)間不超過20萬年。E/O事件生物絕滅出現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn)，一是表層浮游有孔蟲絕滅率高，底棲有孔蟲絕滅率中等;二是絕滅持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(約4Ma)，淺水軟體動(dòng)物絕滅率達(dá)68% ～97%［5］。

24Ma的俄羅斯西伯利亞玻璃隕石事件，發(fā)生在古近紀(jì)/新近紀(jì)之交前不到1Ma，隕擊直接證據(jù)有俄羅斯西伯利亞玻璃隕石［2］。

15Ma的捷克玻璃隕石事件，發(fā)生在新近紀(jì)中中新世，隕擊直接證據(jù)有捷克莫爾達(dá)維玻璃隕石［2］。隕擊位置 49°N、11°E，隕擊坑直徑 24km，撞擊能量6.7 ×103Mt TNT，平流層塵埃增量 1.2 ×1011t［10］。MM事件深水底棲有孔蟲絕滅率為35% ～52%，全球氣候變冷［4］。

6.2 Ma的俄羅斯南烏拉爾玻璃隕石事件，發(fā)生在新近紀(jì)上新世，隕擊直接證據(jù)有俄羅斯南烏拉爾玻璃隕石［2］。

2.4 Ma的南太平洋隕擊事件，發(fā)生在近第三紀(jì)/第四紀(jì)之交。隕擊直接證據(jù)有南太平洋小行星殘骸及Ir正異常，北太平洋微玻璃隕石及親鐵元素豐度正異常［2］。隕擊位置 58°S 90°W，隕擊坑直徑10km，撞擊能量3.4×104Mt TNT，平流層塵埃增量8.9 × 109t［10］。

1.1 Ma的象牙海岸玻璃隕石事件，發(fā)生在第四紀(jì)更新世。隕擊直接證據(jù)有微玻璃隕石、Ir正異常、低187Os/186Os比［2］。隕擊位置 6°N、10°W，隕擊坑直徑10.5km，撞擊能量4.0 ×104Mt TNT，平流層塵埃增量 1.0 ×1010t［10］。

0.73 Ma的澳-亞玻璃隕石事件，發(fā)生在第四紀(jì)更新世。隕擊直接證據(jù)有澳大利亞玻璃隕石、微玻璃隕石、沖擊礦物及 Ir正異常［2］。隕擊位置49°N、61°E，隕擊坑直徑 10km，撞擊能量 3.4 ×104Mt TNT，平流層塵埃增量 8.9 × 109t［10］。同期，我國(guó)陜西發(fā)現(xiàn)了微玻璃隕石及鐵質(zhì)微球粒，危地馬拉蒂卡爾發(fā)現(xiàn)了 0.8Ma 的玻璃隕石［2］。

2 新生代氣候變化

反映新生代全球氣候變化分辨率較高的指標(biāo)為深海底棲有孔蟲 δ18O［11］［12］，新生代全球氣候變化與大氣溫室氣體 CO2濃度具有一致性［12］［13］(圖1)，圖中反映CO2濃度大尺度變化的指標(biāo)Φ(CO2)系依據(jù)海洋浮游植物δ13C、海洋δ11B、維管植物化石葉孔指數(shù)、古土壤成壤碳酸鹽δ13C及地錢植物化石δ13C重建［12］。多數(shù)情況下，CO2濃度較高時(shí)期對(duì)應(yīng)于氣候溫暖期［12］。將新生代隕擊天文事件發(fā)生時(shí)間與新生代全球氣候變化對(duì)比發(fā)現(xiàn)，天文事件對(duì)應(yīng)了程度不同的氣候變化。

65Ma的加勒比海隕擊事件，K/T界線附近δ13C明顯正偏，歐洲δ18O增加2‰～3‰，溫度下降8～13℃［5］。撞擊降溫最低至 225K(-48℃)，降溫階段持續(xù)近1000d，緩緩升溫至正常需近5000d，整個(gè)溫度效應(yīng)持續(xù)5000 d(近14a)［15］。撞擊作用還使海洋pH值增大，海洋中CO2溶解度增大，直接導(dǎo)致大氣中CO2含量的下降，大氣和海洋CO2重新平衡需103 ～ 105a［5］。

55Ma的隕擊事件，可能觸發(fā)了 PETM(Paleocene－Eocene Thermal Maximum)最熱事件，δ13C、δ18O劇烈波動(dòng)，反映溫度在約2Ma內(nèi)至少經(jīng)歷了兩次降溫-升溫過程(圖1)。地球表層碳循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生不同程度的δ13C負(fù)偏，全球碳循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模攪動(dòng)［6］。底棲有孔蟲δ18O下降2.0‰，深水浮游中間類型δ18O下降1.5‰，淺水浮游型δ18O下降1.0‰，說明溫度發(fā)生差異性下降。表層水溫升高5～6℃，最高20℃;底層水溫升高4℃，最高15℃。整個(gè)溫度更替不超過1萬年，隨后10萬年內(nèi)逐漸降溫。底層水迅速變暖是導(dǎo)致底棲有孔蟲大規(guī)模絕滅的主要原因，40%深水生物分類單元在不到1萬年內(nèi)迅速絕滅，33% ～65%深水底棲有孔蟲消失，浮游絕滅率極低，為中深水短期集群滅絕事件［5］。全球高緯度海區(qū)的表層海水溫度在PETM事件開始不到30 ka時(shí)間內(nèi)上升8～10℃，北極地區(qū)表層海水平均溫度高達(dá)24℃ ;熱帶亞熱帶海區(qū)表層海水溫度上升約4～5℃，全球底層海水溫度上升4～5℃左右;高低緯海區(qū)間溫度升高幅度的不平衡造成極地與熱帶地區(qū)溫度差減小，從而使全球底層水形成中心由南半球轉(zhuǎn)移到了北半球;大洋底層水形成中心的轉(zhuǎn)移造成全球大洋環(huán)流模式發(fā)生了倒轉(zhuǎn)，整個(gè)倒轉(zhuǎn)的發(fā)生只是在不到5 ka的時(shí)間內(nèi)完成的，而之后卻花了將近200 ka恢復(fù)到原來的狀態(tài)［6］。

圖1 隕擊天文事件與新生代全球氣候變化Fig.1 Relationship between the meteorite-impact astronomical events and global climatic changes during the Cenezoic

推測(cè)的45Ma日本海隕擊事件，對(duì)應(yīng)了一次持續(xù)約1Ma的δ13C小規(guī)模正偏，δ18O由早始新世氣候適宜期緩慢上升過渡到中始新世氣候適宜期急劇上升，結(jié)束了持續(xù)約8Ma的新生代全球溫度最高的早始新世氣候適宜期，反映氣候在整體適宜的背景下持續(xù)降溫(圖1)。由于45Ma的日本海隕擊事件發(fā)生在當(dāng)時(shí)歐亞大陸東北部，推測(cè)對(duì)海洋生態(tài)的影響可能不大。

41Ma的推測(cè)的德雷克海峽隕擊事件，對(duì)應(yīng)了54～32Ma的 δ13C最低值，δ18O出現(xiàn)了一次約0.4‰、持續(xù)約1Ma的明顯負(fù)偏，結(jié)束了持續(xù)約4Ma的中始新世氣候適宜期，對(duì)應(yīng)了一次規(guī)模不大的降溫-升溫-降溫過程(圖1)。41Ma的德雷克開啟及其后海峽進(jìn)一步拓寬并加深對(duì)新生代全球氣候改變的意義深遠(yuǎn)。根據(jù)Kennett等(1976、1977)的熱隔離假說，由于德雷克海峽的開啟以及始新世末澳大利亞與南極大陸之間的塔斯馬尼亞海道開啟，環(huán)南極流開始形成，阻隔了赤道地區(qū)向南極的熱傳輸而導(dǎo)致南極地區(qū)變冷并在約37Ma形成南極冰席，最終到34Ma形成南極冰蓋。

34Ma的北美玻璃隕石事件，觸發(fā)了(E/O)驟冷事件即漸新世冰期早期變冷事件(Oi-1)，δ18O整體驟然上升約1.5‰，反映全球表層溫度驟然降低約4℃，南極冰蓋形成(圖1)，地球從此由兩極無冰狀態(tài)過渡到單極冰蓋狀態(tài)［11］。δ13C、δ18O 均發(fā)生正偏，δ13C 增加 0.4‰ ～0.8‰，最高值達(dá) 1.3‰ ～1.7‰，δ18O增加3‰，深水降溫7～8℃，整個(gè)事件發(fā)生迅速而簡(jiǎn)短，持續(xù)時(shí)間不超過20萬年［5］。Oi-1驟冷事件使全球表層海水溫度明顯下降，赤道附近均溫僅20℃ ±，兩極則在2℃ ±，對(duì)應(yīng)了約50m的平均海平面下降和相當(dāng)于現(xiàn)在南極冰蓋85%～95% 的冰量已在南極海域出現(xiàn)［16］。

24Ma的俄羅斯西伯利亞玻璃隕石事件，使δ13C、δ18O明顯波動(dòng)，結(jié)束了持續(xù)約3Ma的晚漸新世暖期，反映在其后約1Ma內(nèi)經(jīng)歷了一次顯著的降溫-升溫過程，可能觸發(fā)了其后23Ma的變冷事件(Mi-1)(圖1)。赤道太平洋地區(qū)底棲有孔蟲氧同位素在23.7Ma和22.9Ma出現(xiàn)了兩次正偏和碳同位素輕微正偏，每次持續(xù)時(shí)間200～300ka，其殼體鈣鎂溫度計(jì)顯示底層水溫至少下降了2℃［16］。Mi-1變冷事件持續(xù)時(shí)間約為400ka，南極冰蓋相當(dāng)于現(xiàn)今冰蓋的120%，并伴隨約50m的海平面下降［16］。

15Ma的捷克玻璃隕石事件，δ13C偏移不明顯，δ18O在不到1Ma的時(shí)間內(nèi)急劇正偏約2.0‰，結(jié)束了持續(xù)約2Ma的中中新世氣候適宜期，對(duì)應(yīng)了中中新世氣候變冷事件，東南極冰蓋形成標(biāo)志南極冰蓋永久性形成(圖1)。

6.2 Ma的俄羅斯南烏拉爾玻璃隕石事件，δ18O劇烈波動(dòng)，在不到1Ma的時(shí)間內(nèi)急劇正偏或負(fù)偏約0.5‰，反映了短期時(shí)間內(nèi)的降溫-升溫-降溫過程，對(duì)應(yīng)了西南極冰蓋形成(圖1)。同期及其后1Ma(中新世/上新世)全球海平面明顯下降，地中海、日本海干涸，中國(guó)沿海渤海-黃海-東海-南海經(jīng)歷了一次廣泛的暴露剝蝕夷平。

2.4 Ma的南太平洋隕擊事件，在北太平洋也有隕擊記錄。δ18O在不到1Ma的時(shí)間內(nèi)急劇正偏約2.0‰，大致對(duì)應(yīng)了2.588Ma新近紀(jì)/第四紀(jì)的降溫事件(圖1)。約8Ma開始的北極冰蓋最終在此時(shí)完全形成，地球由單極有冰過渡到兩極都發(fā)育冰蓋，從此地球進(jìn)入新生代以來的冰室狀態(tài)，地表氣候由幅度變化顯著的冰期、間冰期旋回主導(dǎo)［11］。

1.1 Ma的象牙海岸玻璃隕石事件和0.73Ma的澳-亞玻璃隕石事件，δ18O波動(dòng)明顯，大致對(duì)應(yīng)了0.90～0.92Ma的中更新世氣候周期轉(zhuǎn)型(Mid Pleistocene climatic transition，MPT)，MPT 是指全球氣候主導(dǎo)周期從早更新世40ka轉(zhuǎn)變?yōu)橹懈率酪院蟮?100ka周期［14］。

3 討論

新生代冰期開始的原因，究竟是南極周圍塔斯曼尼亞海道和德雷克海峽的開啟使得環(huán)南極洋流形成，還是喜馬拉雅山脈和青藏高原隆升導(dǎo)致大氣環(huán)流改組［13］。新生代全球氣候變化的觸發(fā)因素一直是古氣候研究的焦點(diǎn)。

全球氣候變化的觸發(fā)因素分地外和地內(nèi)因素兩大類。地外因素主要包括隕擊天文事件和地球軌道參數(shù)變化;地內(nèi)因素主要包括CO2濃度降低和全球碳循環(huán)變化、海洋及大氣系統(tǒng)大量甲烷水合物釋放、洋流變化及全球規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(如構(gòu)造隆升、超地幔柱、大規(guī)?；鹕交顒?dòng))。顯然，地內(nèi)因素不可能是地外因素的觸發(fā)因素。

由于偏心率最大值與碳同位素最小值周期在氣候事件期間不一致應(yīng)有其它軌道應(yīng)力機(jī)制或碳源作用，因此運(yùn)用地球軌道參數(shù)變化來解釋第四紀(jì)之前大尺度氣候變化還面臨諸多挑戰(zhàn)［16］。此外，地球軌道參數(shù)變化一般也不會(huì)引起全球規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及洋流變化。

但足夠大的隕擊天文事件可以直接觸發(fā)超地幔柱和大規(guī)?；鹕交顒?dòng)，可以大量(瞬間)釋放海洋及大氣系統(tǒng)中的甲烷水合物，可以對(duì)洋流變化產(chǎn)生影響，最終改變?nèi)蛱佳h(huán)導(dǎo)致CO2濃度降低，觸發(fā)全球氣候變化。新生代8～11次隕擊天文事件都對(duì)應(yīng)了新生代程度不同的氣候變化。

因此，隕擊天文事件是全球氣候變化最主要的觸發(fā)因素。

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