综述：古新世-始新世温暖期期间海洋岩相的千年尺度变化：人类世水文和酸化影响的深时类比

《Earth-Science Reviews》：Millennial-scale changes in marine lithofacies during the paleocene-eocene thermal maximum: A deep-time analog for anthropocene hydrologic and acidification impacts

本研究整合全球162个海洋沉积记录，揭示古新世-始新世热事件（PETM）期间沉积 facies 的千年尺度时空变化规律，指出水循环增强、海平面上升和海洋酸化是主导因素，其恢复期碳酸盐补偿深度（CCD）变化与大陆风化增强相关，为人类世气候变暖提供地质类比。

　　

Jingxin Jiang|Xiumian Hu|Eduardo Garzanti|Ying Cui|Thomas J. Algeo

中国南京大学地球科学与工程学院关键地球物质循环与矿床国家重点实验室，南京210023

摘要

极端气候事件可以显著改变海洋岩相。然而，关于深时高温事件期间的全球海洋沉积模式，这些事件可能是现代人为变暖所导致的水文和气候影响的潜在类比，目前仍知之甚少。在这里，我们汇编了162个海洋地层记录，以追踪古新世-始新世极热期（PETM）期间千年尺度的沉积动态。我们发现，沉积作用主要受水文强度增强（导致约36%的碳酸盐平台消失）、海平面升降（导致约52%的硅质碎屑架后退）以及海洋酸化（导致约41%的深海碳酸盐沉积物替代）的影响。大陆边缘的岩相变化显示出明显的纬度分带性，反映了水文强度和碳酸盐生产力的变化。在海文效应较弱的地带，海平面升降的影响最为显著。深海酸化现象普遍存在，其中大西洋的表现最为强烈，而太平洋和印度洋的影响较弱。PETM恢复期后的广泛碳酸盐“超调”表明大陆风化作用增强。这项研究表明，当前的人为变暖可能通过加剧的水文循环、加速的海平面上升和海洋酸化，在百年时间尺度上迅速重新组织海洋沉积过程，其速度可能比PETM期间更快，且影响程度可能更大。

引言

古新世-始新世极热期（PETM）是一次发生在约5580万年前的极端全球变暖事件，持续了约170-200千年（R?hl等人，2007年；McInerney和Wing，2011年；Westerhold等人，2018年；Zeebe和Lourens，2019年；Li等人，2022b年），甚至可能长达268千年（Piedrahita等人，2025年）。该事件通常被认为是由3000至超过13000亿吨的¹³C贫乏碳注入海洋-大气系统所引发的（Cui等人，2011年；Gutjahr等人，2017年），导致沉积记录中的碳同位素显著负偏移（CIE约-2至-6‰；McInerney和Wing，2011年）。在PETM期间，全球温度上升了5-8°C（Tierney等人，2022年），引发了一系列环境和生物变化，包括水文循环的增强（Carmichael等人，2017年，Carmichael等人，2018年）、海平面上升（Sluijs等人，2008年；Jiang等人，2023年）、海水酸化（Zachos等人，2005年；Li等人，2024年）、海洋缺氧（Yao等人，2018年，Yao等人，2024年）、陆地哺乳动物的辐射、迁移或体型缩小（Gingerich，2003年；Beard，2008年）、灾难性甲藻类群的繁盛（Crouch等人，2003年），以及底栖有孔虫的灭绝或替代（Kennett和Stott，1991年；H?nisch等人，2012年）。

现代海洋沉积物的研究表明，极端变暖会导致海洋生物地球化学的显著变化（Dutkiewicz等人，2015年，Dutkiewicz等人，2016年），最终影响沉积物的组成和分布。已发表的记录清楚地表明，PETM期间全球海洋中出现了明显的岩相变化，这些变化与碳酸盐补偿深度（CCD）的波动有关（Wade等人，2020年）。浅海海域也发生了岩相变化（例如，Jiang等人，2021年；Jin等人，2023年），但其模式和速率至今尚未得到系统评估，这阻碍了我们对全球生物地球化学循环、沉积物输送机制和海洋流行为的理解，并限制了古环境重建的准确性（Dutkiewicz等人，2015年，Dutkiewicz等人，2016年；Cao等人，2019年；Banerjee等人，2020年）。

在这里，我们汇编了来自162个全球分布站点的沉积学和碳同位素数据，以：（1）记录岩相变化的模式，这些变化与沉积环境、古水深和古纬度有关；（2）评估控制这些模式的气候和海洋学机制；以及（3）研究大陆风化在终止PETM事件及其恢复阶段产生“气候超调”中的作用。这项研究是对PETM期间岩相变化的全面评估，基于高分辨率的碳同位素年代地层框架进行评估，为了解当时气候和海洋学因素对岩相变化的控制及其对PETM事件原因和进程的影响提供了新的见解。

章节片段

理由和方法

我们基于121个已发表的来源（包括论文和国际海洋发现计划（IODP）及其前身ODP、DSDP的档案）汇编了162个可用地层的地层学、沉积学、微相、稳定碳同位素（δ¹³C）、CaCO₃重量百分比以及地理数据（纬度和经度）（图1和表S1）。我们数据库中包含的所有站点的地层位置、岩相和碳同位素数据均来自已发表的来源。

PETM期间海洋岩相的空间变化

区分了三种沉积系统：浅海（潮间带）、大陆架-盆地和深海环境。每种系统都以其与陆地的距离、水深、生产力、化石含量和海水化学成分特征来定义。初步分析表明，尽管浅海和大陆架沉积物在岩相和成分上存在差异，但在整个PETM期间它们表现出大致一致的演化趋势（详见补充文本；图S1），这表明控制这些变化的因素相似

大陆边缘岩相变化的控制因素

这部分进一步探讨了PETM事件期间大陆边缘岩相变化的驱动机制。由于各个地层段表现出不同的路径，急于进行分析可能会导致对机制的误解。首先根据PETM之前的稳定气候条件，根据岩相特征区分了三种类型的地层段：（1）碳酸盐类型（以石灰岩或泥灰岩为主）；（2）粗粒硅质碎屑类型（以砂岩为主）；

深海岩相变化的控制因素

PETM期间，深海岩相分布发生了显著变化，不同海洋和不同水深沉积的地层段反应各不相同（图5）。每个站点观察到的变化有助于了解高温事件的环境影响，尽管我们必须记住，这些研究地点主要集中在海山或海洋高原上，因此可能无法准确代表一般海洋沉积情况。

对人类世水文和酸化影响的启示

PETM事件，特别是其起始阶段（发生在千年时间尺度上<10千年；Li等人，2022a年，Li等人，2022b年），通过加剧的水文循环、加速的海平面上升和海洋酸化引发了最严重的海洋沉积转变（图14），被广泛认为是研究人类世全球变暖的最佳地质类比之一，因为其碳排放量和速率相似（Hu等人，2020年）。如果当前的碳排放趋势持续下去，我们

结论

我们汇编了PETM期间110个大陆边缘和52个深海地层的岩相和碳同位素数据。对PETM期间海洋岩相的时空变化进行了千年尺度的研究，重点关注五个时间阶段：PETM之前（NC1）、开始阶段（NC2）、发展阶段（NC3）和恢复阶段（NC4）以及PETM之后（NC5）。

我们的研究发现，沉积作用主要受大陆边缘的水文和海平面升降变化以及海水

未引用的参考文献

Pagani等人，2006年

利益冲突声明

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致谢

我们衷心感谢编辑Alessandra Negri和两位匿名审稿人的建设性和富有洞察力的评论，这些评论极大地帮助我们改进了手稿。我们感谢Juan Li、Zhong Han、Yiwei Xu和Kaixun Xiao的有益讨论和宝贵意见。本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号2023YFF0804000）、国家自然科学基金（项目编号42402126、42050102、42488201）以及中国博士后的支持