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【前沿报道】Science:地质学和天文学约束下的太阳系混沌及古新世-始新世界线年龄
2019-10-21 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  古气候研究的一个难点是年代框架的构建。精准的时间标尺是厘清古气候事件的开始、发展和结束这一全过程,进行不同区域环境效应对比,以及探讨事件发生机理的前提。古气候学家通常基于旋回地层学和天文年代学来构建精细时间标尺。该方法的可靠性依赖于太阳系轨道运动数值解的准确度。目前,学术界通过轨道参数计算,已获得过去50 Ma以来完全校正的绝对年龄天文时间标尺。超过50 Ma,由于太阳系的混沌性,初始条件和参数的微小变化均会导致数值解的巨大差异(Laskar et al., 2004Ma et al., 2017),很难获得唯一的天文年代标尺。从古气候角度而言,50-60 Ma是一个特殊时期,该时期发生了多次由CO2快速注入到海气系统诱发的增温事件,其中一个典型是古新世-始新世极热事件(PETM)。但到目前为止,由于缺少精细时间标尺,有关PETM事件持续时长以及驱动机制仍然存在较大争议。因此,结合地质数据和太阳系轨道运动数值解,构建50-60 Ma天文校正的时间标尺显得尤为重要。 

  最近,夏威夷大学海洋和地球科学技术学院Richard E. Zeebe教授及其合作者基于地质数据和天文学约束,构建了50-58 Ma绝对年龄天文时间标尺,研究成果发表于Science。他们通过对ODP1262钻孔早新生代颜色数据(a*)的谱分析发现(图1),在深度域上存在5.1m1.25m的周期信号,分别对应于偏心率的长周期(405 kyr)和短周期(100 kyr)。根据谱分析结果,对颜色数据进行高斯滤波,提取出低频组分并进行加和构建出靶数据(a**)。进一步通过计算靶数据(a**)同太阳系轨道运动数值解之间的均方根偏差(RMSD),获得了最优天文数值解——ZB18a(图2)。 

1  ODP1262钻孔色度数据(a*)谱分析结果(Zeebe and Lourens, 2019, Supplementary materials

2  ODP1262钻孔颜色反照率a*的数据分析及其同天文数值解ZB18a的对比(Zeebe and Lourens, 2019

  新的天文年代标尺(ZB18a)为PETM事件提供了三点新认识:(1)古新世-始新世界线年龄为56.01±0.05 Ma,明显区别于以往的研究结果(55.5-55.9 Ma)(Weterhold et al., 2007Charles et al., 2011),为进行全球性生物环境效应对比研究提供了更为准确的时间锚点;(2PETM事件主体持续时间为170±30 kyr;(3)以往研究认为PETM事件的触发同地球轨道参数的配置没有必然的联系(Weterhold et al., 2007),然而根据新的年代标尺,PETM事件的发生与偏心率最大值时期在时间上是一致的,表明该事件具有天文驱动机制。此外,研究者还发现地球轨道偏心率在~50 Ma呈现出明显的共振转变(图3),进一步证实了该时期太阳系的混沌性特征。 

3  天文数值解共振转化

  该研究通过地质数据和天文学的约束,构建了早新生代绝对天文时间标尺(ZB18a),为进一步系统研究早新生代极热事件发生、发展过程及进行全球气候环境效应的对比奠定了坚实的年代学基础。     

  主要参考文献 

  Charles A J, Condon D J, Harding I C, et al. Constraints on the numerical age of the PaleoceneEocene boundary[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2011, 12(6).链接 

  Laskar J, Robutel P, Joutel F, et al. A long-term numerical solution for the insolation quantities of the Earth[J]. Astronomy & Astrophysics, 2004, 428(1): 261-285.链接 

  Ma C, Meyers S R, Sageman B B. Theory of chaotic orbital variations confirmed by Cretaceous geological evidence[J]. Nature, 2017, 542(7642): 468-470.链接 

  Westerhold T, R?hl U, Laskar J, et al. On the duration of magnetochrons C24r and C25n and the timing of early Eocene global warming events: Implications from the Ocean Drilling Program Leg 208 Walvis Ridge depth transect[J]. Paleoceanography, 2007, 22(2).链接 

  Zeebe R E, Lourens L J. Solar System chaos and the Paleocene–Eocene boundary age constrained by geology and astronomy[J]. Science, 2019, 365(6456): 926-929.链接     

  (撰稿:陈祚伶/新生代室)


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