早二叠世冰期-间冰期华北地台环境-气候演化特征及其耦合作用机制

The current global climate is between the ice age and interglacial period of the 4th Great Ice Age, and the human civilization development requires a forecast on the global climate in the period and the variation tendency of the environment under the forecasted climate change. The global climate in early Permian epoch (warmer in Arthur to Artinskian, and colder in late Kungurian age) was similar to the current climate variation. To reveal the environment-climate evolutionary characters and coupling effects in the ice age and interglacial period, the essay, to provide theoretical reference on the current global environment-climate change forecast, established the coal sedimentary and stratigraphic sequence mode, isochronal stratigraphic framework and the eustatic sea level change curves. The research, taking the classical outcrop and borehole sections of the transitional facies in early Permian epoch in North China Platform as subject, repconstructed the high resolution climate evolution history in coal series by key parameters ofδ13CO, δ18Oc, CIA and MIA, and summarized the environment-climate evolutionary characters of the period in sequence stratigraphic framework. With reference to the earlier research results in the global climate, sea level changes and variation of atmospheric composition in the early Permian epoch and melting of southern Gondwana Ice Field, the essay summarized and proposed the coupling effect of environment and climate in the ice-interglacial period in Northern China Platform after detailed analysis of the sedimentation driving force in the environmental evolution in the contradictive system among coal swamps, carbonatite, and terrigenous detrital.

当前全球气候处于第四纪大冰期中的冰期与间冰期之间，人类文明的发展要求对这一过渡期气候及其引起的环境变化趋势进行预测。早二叠世全球气候（阿瑟尔期-亚丁斯克期变暖，晚空谷期变冷）与当前人类所处的气候演化阶段相似，为了揭示冰期-间冰期环境-气候演化特征，为当前全球环境-气候变化预测提供依据，以华北地台早二叠世海陆过渡相煤系典型剖面为研究对象，建立煤系沉积-层序地层模式、等时地层格架及其对应的海平面变化曲线；采用有机质碳同位素（δ13CO）、有孔虫氧同位素（δ18Oc）、化学蚀变指数（CIA）、矿物蚀变指数（MIA）等参数恢复煤系高分辨率气候演化史，总结层序格架内冰期-间冰期环境和气候演化特征。结合早二叠世全球古气候、海平面和古大气成分变化以及南方冈瓦纳冰原融化等方面前人研究成果，围绕对煤系沼泽、碳酸盐岩和陆源碎屑3种矛盾体系沉积驱动力的分析，总结和提出冰期-间冰期华北地台环境-气候耦合作用机制。

为了揭示晚古生代冰室期（LPI）环境-气候耦合演化特征，以华北地台典型煤系剖面为研究对象，利用凝灰质粘土岩锆石U-Pb定年、灰岩牙形石、岩矿鉴定、有机碳同位素组成、矿物学和（汞）地球化学等数据进行了低纬度地区煤系记录的环境-气候变化的研究，提出了冰室期火山活动驱动的冰川消融、海侵等环境-气候变化的耦合作用机制。具体成果包括：1）利用锆石U-Pb定年、牙形石化石等数据，并结合前人成果，建立了华北典型剖面（柳江、禹州、爬楼沟）的高分辨率年代地层格架，发现华北地台石炭-二叠纪岩石地层具有明显穿时性。2）煤系陆源碎屑高岭石含量变化表明，高纬度冰期（向冰期过渡期）和间冰期在低纬度华北盆地盛行凉湿和暖湿的气候模型。3）碳同位素化学地层和Hg的沉积记录了4次δ13Corg负偏移（晚格舍尔和中亚丁斯克期等）和2个δ13Corg高原（阿瑟尔和罗德期），其中4次δ13Corg负偏移与Hg/TOC比值峰值和大气pCO2升高一致，2个δ13Corg高原分别对应于澳大利亚P1和P3过渡期以及全球火山活动减弱期，说明火山作用是冰室期驱动全球环境和气候变化的主要驱动力。4）沉积学分析表明，晚古生代冰室期华北盆地沉积环境与海平面变化主要受控于高纬度冰期-间冰期气候旋回，冰期研究区以海平面下降和聚煤为特征，间冰期以铁质结核和灰岩沉积以及海平面上升为特征；5）研究区大陆风化、碳同位素、Hg的浓度和同位素组成分析表明，塔里木2期和Panjal等火山活动是亚丁斯克期高纬度冰原垮塌（超过80%）及其伴生的碳和汞循环波动的主要驱动机制，并认为火山活动及其正反馈（野火、富有机岩石脱气等）造成的大量温室气体释放是晚古生代冰室期冰期-间冰期旋回及全球环境-气候变化的重要驱动力。6）为了加强对比分析，项目组选择典型温室期（晚二叠世、晚三叠世和侏罗纪），进一步研究了火山活动对气候环境的影响，发现火山活动通过大量温室气体释放引发的全球升温全球变暖是海陆间蒸发和温度差异增加及陆地水循环变化的主要原因。