天文驱动的温室时期地下水储库与海平面变化_李明松.pdf

天文驱动的温室时期地下水储库与海平面变化李明松1*,张皓天1,王蒙1,金之钧1,2,31.北京大学地球与空间科学学院,造山带与地壳演化教育部重点实验室,北京 100871;2.北京大学能源研究院,北京 100871;3.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室,北京 100083*联系人,E-mail:2022-07-23 收稿,2022-11-01 修回,2022-11-02 接受,2022-12-08 网络版发表国家自然科学基金(42072040)、国家重点研发计划(2022YFF0802900,2021YFA0718200)和流域关键带演化湖北省重点实验室开放基金(2021F07)资助摘要由全球变暖引起的海平面上升已经成为当前人类面临的核心挑战,迎接这一挑战的关键途径在于完善对温室地质时期全球海平面变化机制的理解.在无冰川活动的温室时期,海平面发生了频繁、大规模且快速的变化.然而,主流的冰川型海平面变化模型无法解释这一现象.大陆沉积物的潜在储层容量估算和大数据研究表明,温室时期的全球海平面变化可能与气候变化引起的大陆地下水活动有关.本文回顾了天文驱动的大陆地下水活动导致的海平面变化这一机制,提出了海绵大陆假说,认为天文因素驱动的气候变化使大陆含水层像海绵一样储水和排水,这可能是引起温室时期全球海平面和内陆湖平面大规模变化的机制之一.我们总结了近年来与深时海平面和湖平面重建有关的技术突破以及相关的温室时期研究实例,讨论了该方向亟待解决的问题,包括地下水的储量评估、研究手段及其储库的储水和排水机制等.关键词地下水,海平面变化,深时,温室,海绵大陆假说由全球变暖导致的海平面上升已成为当下人类面临的核心挑战1.2021年,联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)发布的第六次评估报告显示,随着全球变暖进程逐渐加剧,全球平均海平面到2100年将升高0.31.0 m,并且不能排除升高到2 m的可能性2,因此加深对全球海平面变化的理解显得尤为重要.深时海平面研究为建立全球水循环和海平面变化的长期模型提供了依据3.目前主流海平面变化模式认为,全球海平面变化成因可以概括为海水总量变化和洋盆体积变化两类4.如图1所示,海水总量变化的影响因素有大陆冰川消长、海水胀缩、边缘海干涸及储水、地下水和湖泊变化等,其中只有冰川活动可以导致大规模的快速海平面变化;洋盆体积变化控制了大规模百万年尺度的低速海平面变化,影响因素包括大洋扩张、大陆裂解与汇聚、动态地形变化和沉积盆地充填等4,79.然而,在缺乏冰川活动的温室时期,海平面曾经频繁地发生大规模的快速变化4,1015,其机制一直悬而未决,无法用当前的主流海平面变化模式来解释,暴露了全球海平面变化模型的缺陷,挑战了海平面长期预测模型的可靠性1,16.以早三叠世为例,首先,该时期是没有冰川活动的热室时期17,可以排除冰川型海平面变化(glacio-eustasy)成因的可能性;其次,该时期海平面变化的规模可能超过75 m12,因此海水总量变化的小规模影响因素不足以解释该现象;第三,早三叠世海平面变化快速、频繁12,具有约1百万年的变化周期16,18.引用格式:李明松,张皓天,王蒙,等.天文驱动的温室时期地下水储库与海平面变化.科学通报,2023,68:15171527Li M S,Zhang H T,Wang M,et al.Astronomically forced changes in groundwater reservoirs and sea level during the greenhouse world(in Chinese).ChinSci Bull,2023,68:15171527,doi:10.1360/TB-2022-0790 2022中国科学杂志社2023 年第 68 卷第 12 期:1517 1527水循环的地质演变专辑评 述因此,控制洋盆体积低速变化的诸多因素也可以忽略.综上所述,关于温室时期海平面频繁变化的成因机制问题悬而未决.针对这个问题展开追索,可能革新我们对地球表层水循环和生态系统演化的认识.1深时海平面变化的陆驱机制与海绵大陆假说关于温室时期大规模频繁的海平面变化成因问题,可能的解释是“天文因素影响的大陆地下水储库变化驱动了海平面变化”机制(下文简称陆驱机制),即含水层型海平面变化(aquifer-eustasy).基于陆驱机制,本文提出一个设想,认为大陆可以形象地类比为海绵,在天文等因素驱动的气候变化控制下,大陆像海绵一样储水和排水,可能导致全球海平面和内陆湖平面的快速变化,从而引起包括早三叠世在内的温室时期海平面和内陆湖平面的变化,这一设想可以形象地称为海绵大陆(Sponge Continent)假说(图2).海绵大陆假说主要有4条依据.第一,大陆含水层孔隙度的可容空间远大于传统认为的可容空间.对大陆沉积物潜在储层容量的估算发现,地壳中孔隙总可容纳空间为116106km3,约320 m厚的当今海洋表层海水体积当量.因此,前人提出大陆含水层中地下水体积的变化可能导致全球海平面发生大规模的快速变化19.近年来,上述可容空间的估算结果得到了地学大数据的验证5,20.第二,有学者提出古湖平面作为大陆地下水位的地表截面,可以指示地下含水层的水位高低状态21.第三,由海绵大陆假说出发,我们可以做出一个可验推论,即在温室时期,大陆内部古湖平面反映的大陆地下水位变化可能与全球海平面变化是反相的.因此,可以通过检验大陆内部古湖平面与古海平面的变化关系,来检验含水层型海平面变化机制以及海绵大陆假说.近年来,该假说已初步得到了一些古海平面和古湖平面对比研究的支持16,21(详见第3节).第四,在海绵大陆假说中,含水层型海平面变化的驱动力可能来自天文因素16,21.天文等因素驱动的气候变化控制了陆地上降雨、蒸发与径流状态,大陆含水层储水和排水长期不均衡的累积效应可能是导致全球海平面变化的原因6,22.为了检验陆驱机制和海绵大陆假说,需要查明温室时期的古湖、海平面变化之间的关系及二者的驱动图 1(网络版彩色)全球海平面变化模式的时间和幅度示意图.修改自文献46Figure 1(Color online)Timing and amplitudes of mechanisms drivingeustatic sea level changes.Adapted from Refs.46图 2(网络版彩色)海绵大陆假说与沉积噪音模型示意图.修改自文献16.(a)湖平面上升、海平面下降;(b)湖平面下降、海平面上升.基于含水层型海平面变化模型,温室时期海、湖平面的变化可能是反相的;基于沉积噪音模型,盆地边缘的沉积“噪音”强度与古水深呈反相关Figure 2(Color online)Diagram of the“Sponge Continent”hypothesis and sedimentary noise model.Adapted from Ref.16.(a)A lowering of sealevel corresponds to recharging of lakes and groundwater;(b)a rise in sea level corresponds to depleted lakes and groundwater.The aquifer-eustasypredicts that changes in sea level are anti-phased with lake level variations in greenhouse world.The intensity variations of sedimentary noise in themarginal marine environment are anti-phased with changes in the paleo-water depth2023 年 4 月第 68 卷第 12 期1518力,这就需要解决两个技术难点:(1)古湖、海平面变化如何重建?传统的古湖、海平面重建方法包括氧同位素、沉积环境分析、古生态学11等,其中,层序地层学是古湖、海平面重建最常用的手段14,23.然而,层序地层学仍然存在很多问题,如层序地层界面的识别困难,层序划分存在主观性24等.这些问题制约了古湖、海平面重建结果的可用性.(2)海陆地层的高分辨率对比存在困难.陆相地层的年代学研究精度通常较低,长期制约了海陆地层的对比和陆地古气候等研究的深入开展25.针对温室时期发生频繁、大规模且快速的海平面变化这一现象,通过研究内陆湖平面和海平面变化之间的关系,有望检验陆驱机制和海绵大陆假说.但是,受传统的古湖、海平面重建方法和陆相地层年代精度的制约,有关古湖、海平面变化关系及二者的驱动力等关键科学问题无法得到解答.2深时古海、湖平面重建有关的技术突破近年来,在有关古海、湖平面变化的研究思路与技术方法上产生了3项突破,解决了从地质记录的角度探究含水层型海平面变化模型长期存在的三大难点.第一,针对地下水容量替代指标匮乏的难点,有学者认为,古湖平面的升降可以作为大陆地下水位和容量变化的指标21,这为研究深时大陆地下水位变化提供了有益的思路.第二,针对温室时期古海、湖平面高分辨率重建的难点,近年来,学者先后提出沉积噪音模型方法16和沉积速率费舍尔图解法(SediRate-Fischer)26,为研究深时古海、湖平面变化提供了新的手段.沉积噪音模型方法是基于天文旋回理论和时间序列分析方法提出的古海、湖平面重建的新方法16,27.原理上,该模型定量分析气候替代指标的信号-噪音状态,认为沉积地层所记录的沉积噪音(扰动)的相对强度与古水深呈反相关关系:当古水深变大时,沉积噪音变低;反之亦然(图2).这些沉积噪音可能来自风暴、生物扰动、沉积自旋回、沉积间断、不稳定的沉积速率和构造等因素.因此,在构造环境相对稳定的沉积体系中,对沉积地层噪音开展分析研究可以重建古海平面的相对变化.在技术方面,该模型具有两个互为独立、互相验证的实现手段:调谐后动态噪音(dynamic noise afterorbital tuning,DYNOT)和自相关系数(1)法(Lag-1 auto-correlation coefficient)16.DYNOT法检测沉积地层替代指标中的噪音,对天文调谐后的古气候时间序列开展能谱分析,评估非天文信号(视为噪音)的能量占总能量的比例.同时,气候系统t时刻的状态(xt)在一定时间尺度上与前一时刻的状态(xt 1)存在关联28,这一关系可以用红噪音模型描述,即xx=+ttn11,其中1为滞后1的自相关系数,n为高斯白噪音,代表随机过程.1法通过计算古气候数据序列的自相关系数,独立地评估与相对水位变化有关的沉积噪音,即噪音增加时,自相关系数1值减小;反之,噪音减小时,1值增大.因此,可以通过利用沉积噪音模型来分析地层的沉积噪音强度,据此重建古海平面变化历史.此外,陆相盆地具有对气候变化较为敏感、沉积速率高、沉积记录时间分辨率高的特点,可以记录长期的古气候信号29.因此,沉积噪音模型还被拓展到古湖平面变化的研究中27.目前,沉积噪音模型已经被应用于多个时期古海、湖平面变化的研究中,越来越多的证据表明沉积噪音模型的可用性3035.与传统方法比较,沉积噪音模型具有独特的优势.(1)该模型的特色在于,它直接利用古气候替代指标进行沉积噪音的定量化评估,相较于层序地层学等传统的重建方法,结果客观,与研究者的经验无关;(2)层序地层学对盆地内部的层序地层界面识别困难,但沉积噪音模型依然可以检测到与古水深有关的沉积噪音变化27;(3)该模型结果分辨率较高,目前可以识别出10万年级别的海平面变化,并且有望进一步提高16.然而,沉积噪音模型也有其不足之处:沉积噪音强度变化只能反映古水深的相对变化趋势16,沉积噪音强度与古水深之间的函数关系尚未建立;该模型是否适用于构造活动强烈地区的古水深重建研究还有待验证.类似的手段还有近期提出的SediRate-Fischer图解法26.该方法将对潮缘相旋回厚度的Fischer图解处理方法应用到陆源碎屑旋回的沉积速率估算上,据此重建水下碎屑沉积记录中的相对海、湖平面变化.这一图解所用的指标数据包括岩性旋回或海、湖平面变化的替代指标,同时,基于天文调谐技术的高分辨率沉积速率资料是应用该方法的前提条件.第三,针对海陆地层对比的难点,基于天文旋回-磁性地层学的综合对比研究,可以建立可靠的全球等时高分辨率地层对比格架36,37.高分辨率海陆地层的对比研究是解答有关深时地下水的一系列关键问题的基础.地层对比常用的方法有生物地层学、同位素年代学、磁性地层学、化学地层学和旋回地层学等38.其评 述1519中,旋回地层学优势明显,是唯一能提供连续高分辨率年代标尺的手段,分辨率可达万年至10万年级别3942.磁性地层学可以提供绝对等时的年代格架36.然而,旋回地层学和磁性地层学都存在其固有的缺陷:对于存在万年甚至更长尺度的地层缺失,旋回分析的可靠性往往会遇到挑战;对于沉积速率变化较大的地层,基于磁性地层的年代对比也经常存疑.针对这些缺陷,对磁极性倒转事件所处在天文周期曲线上的相位开展分析,可以实现旋回-磁性地层的综合对比,这往往可以极大地提高年代地层对比的可靠性43.例如,四川盆地须家河组的旋回-磁性地层与北美纽瓦克盆地的上三叠统对比研究中,两个盆地的多个磁极性倒转事件出现在40万年偏心率周期曲线上的相位可以很好地对比,这些磁极性带之间的时间跨度也相同44.因此,旋回-磁性地层综合对比的思路相较于仅仅利用旋回地层学或者磁性地层学对比的思路,前者大大增加了全球地层对比的可靠性.3温室时期研究实例得益于上述3项突破,含水层型海平面变化受到越来越多地质工作者的关注,并得到了来自一些温室时期地质证据的支持6,16,21,27,如图3所示.但是,由于深时地下水和古海、湖平面变化研究的复杂性、地质证据的缺乏以及古湖平面变化的空间差异巨大6,古海、湖平面变化的驱动机制也往往存在多解性.下文以地质时间为序,回顾与天文驱动力有关的深时大陆地下水储库和古海平面变化相关的进展.3.1寒武纪国内学者利用华南乐山下寒武统筇竹寺组的伽马测井曲线数据,开展沉积噪音模型研究,重建了早寒武世温室时期内百万年尺度的海平面变化35.研究结果与层序地层学解释、岩相叠加模式和沉积环境变化分析结果吻合,认为海陆之间的水体交换受纬向的水、热传输影响,这一过程可能是该时期海平面变化的主要机制,同时也受到150万年斜率调制周期的控制35.研究提出,在150万年斜率调制周期最大时,水汽和热量向极地输送的通量增强,导致中高纬度地区的降水增强,大陆地下水储库含量增加,海平面下降;反之亦然.这项研究基于陆驱机制解释了研究时期的海平面变化.未来需要对该时期的陆相地层开展湖平面重建研究,实现海陆地层高分辨率的古海、湖平面对比,进一步探索含水层型海平面变化的可靠性.3.2三叠纪三叠纪是深时地下水研究的一个关键时代.如前文所述,在早三叠世这一温室时期,天文校准的海相综合年代地层标尺已经建立5052;该时期陆相地层天文年代研究的分辨率也达到了10万年级别,为高分辨率海陆地层对比提供了可能5355.基于华南巢湖和大峡口下三叠统剖面的沉积噪音模型研究,重建的高分辨率海平面曲线与前人的全球海平面变化曲线可以很好地对比;同时,德国陆相下三叠统的层序地层学工作56提供了泛大陆古地下水变化的资料.华南和德国的高分辨率旋回-磁性地层对比揭示了全球海平面与泛大陆古水位的反相关系,支持了陆驱机制16.海平面的低位时期(湖平面的高位时期)往往与周期性增强的地球斜率信号有关,具有120万年的周期18.其机制并不明确,可能的机制是地球斜率长周期驱动了全球水汽在图 3(网络版彩色)天文驱动的地下水储库与海平面变化温室时期研究实例.修改自文献4549,横线上所标为本文参考文献编码.(a)冰川古纬度;(b)全球表面平均温度及温室时期研究实例Figure 3(Color online)Case studies of astronomically forced changesin groundwater reservoirs and sea level during the greenhouse world.Adapted from Refs.4549.The number of references is indicated onthe line.(a)Glaciation paleolatitude;(b)global average surfacetemperature and case studies during the greenhouse world2023 年 4 月第 68 卷第 12 期1520纬向上的分布变化,使得泛大陆的降水与排水(蒸发和径流等)出现了周期性的不均衡,导致大陆地下水容量的增加或减小,从而引起地下水位的抬升或降低,造成全球海平面的下降或升高.这可能对古气候、地球化学循环乃至海洋和陆地生态系统都产生了重要的影响16.贵州中三叠世浅海碳酸盐岩台地剖面的旋回地层学研究32,结合层序地层学方法识别出了三级层序,利用沉积噪音模型,学者恢复了该区域的海平面变化曲线,结果可以与特提斯及全球海平面变化曲线进行对比,这验证了沉积噪音模型在浅海碳酸盐岩海平面重建研究中的适用性和有效性.北美纽瓦克盆地形成于泛大陆裂解过程,盆地内沉积了巨厚的湖相上三叠统.该盆地在放射性同位素定年、天文年代学和磁性年代学方面具有扎实的研究基础57.近年来,有学者利用沉积噪音模型和高分辨率古气候序列建立了古湖平面的变化曲线,发现纽瓦克盆地晚三叠世长期的湖平面变化与全球海平面变化反相31.然而,三叠纪全球海平面变化的时间和幅度还存在较大的不确定性12,未来仍需要更多陆相盆地更高精度的海-湖平面对比研究,检验含水层型海平面变化机制和海绵大陆假说.3.3白垩纪白垩纪是地史上最受关注的温室时期之一58,大气二氧化碳浓度较高,极地大部分区域相对温暖,且极地至赤道地区温度梯度较小22.该时期的海平面一直维持于一个较高的水平,比现在海平面大约高170280 m11.白垩纪温室的短期海平面变化机制长期悬而未决,该时期是否存在永久冰川以及海平面的变化幅度都存在很大的争议.一些学者依据氧同位素重建结果,认为在白垩纪温室时期地球仍然存在冰期59,用来解释该时期快速频繁的海平面变化11,60.还有一些学者认为,地下水储量的变化驱动了白垩纪的海平面变化6,21,61,例如,白垩纪时期全球海平面变化与松辽盆地湖平面变化之间的关系分析显示,湖平面高值处恰好对应于全球海平面的低值处,当大陆地下水位大规模抬升时,松辽盆地古湖平面升高,同时古海平面降低;反之亦然21.然而,新的火山灰化学剥蚀-同位素稀释-热电离质谱(chemical abrasion-isotope dilution-thermal ionization mass spectrometry,CA-ID-TIMS)U-Pb高精度年龄62并不支持上述研究21所依赖的地层年代.最近,针对松辽盆地白垩系嫩江组地层的沉积噪音研究,重建了嫩江组一、二段沉积时期的湖平面曲线,该湖平面曲线与同时期经校正后的海平面曲线呈现反相的关系;同时,层序地层学结果表明,湖侵总是发生在海平面较低的时期,也表明了海-湖反相关系的存在49.这种“跷跷板”式的相位关系表明,在晚白垩世温室时期,海洋与陆地之间可能存在大量的水交换过程49,即验证了含水层型海平面波动假说.目前,学术界对白垩纪短期海平面变化的幅度认识还存在争议.一些学者认为该时期海平面变化幅度一般小于40 m,偶尔可以高达60 m63,64;然而,基于层序地层学的重建研究认为海平面变化的幅度较大,一般大于40 m,甚至经常超过100 m11.近来,约800份海平面变化数据的统计分析揭示了整个白垩纪时期的海平面变化曲线60.研究认为,海平面的变化幅度可以分为小于10、1040 m以及大于40 m三个等级,其中1040 m幅度的海平面变化可能受多种因素驱动,而大于40 m的海平面变化最可能归于冰川型海平面变化.研究还认为,白垩纪半数以上的海平面变化幅度都比较大,因此该时期的海平面波动归为冰川型海平面变化的可能性较大.有学者利用地球系统模型来评估白垩纪瓦兰今期、土伦期和马斯特里赫特期在不同大气二氧化碳浓度下的干湿分布格局,及其对地下水储库的影响,评估含水层型海平面变化的幅度范围65.模拟结果显示,不同时期大气二氧化碳变化引发的水文响应仅能解释不超过1 m的海平面变化.因此,他们质疑了白垩纪时期含水层型海平面变化的可靠性65,认为冰川型海平面变化是导致白垩纪短期海平面升降的最可能因素.3.4古近纪中国渤海湾盆地东濮凹陷古近系沙河街组的旋回地层研究,利用沉积噪音模型分析恢复了该盆地在28.943.6 Ma的相对湖平面变化历史27.沉积噪音的波动反映了古湖水位的变化,其变化与百万年尺度的天文周期有关,发现古湖平面与古海平面的同相位关系.始新世时期,湖平面变化曲线中具有显著的120万年周期,该周期与天文理论模型预测的120万年斜率调制周期呈反相位关系;而在随后的渐新世时期,湖平面记录与天文模型的120万年周期则是同相位变化.这种相位转变很可能与南极冰盖在始新世-渐新世转折期评 述1521的出现有关.研究还发现,湖平面的变化同时受控于240万年和460万年的地球轨道偏心率周期,湖平面的记录与天文理论模型预测的这两个周期具有反相位的变化关系.该研究认为,在偏心率的最大值时期,相对较强的降雨可能导致大陆地下水的富集,这一过程导致了海平面的下降,反之亦然.渤海湾盆地是否存在海侵还存在争议66,67,东濮凹陷的百万年尺度湖平面变化很可能受海平面直接影响,途径可能为海侵或者通过地下水连通影响.此研究最早将沉积噪音模型应用到对古湖泊水位的研究中,为研究陆相湖盆演化提供了新的思路.类似地,渤海湾盆地东营凹陷的磁性地层学和旋回地层学研究程度较高33,68,中始新世气候适宜期(middle Eocene climatic optimum,MECO)沉积噪音记录了湖平面的上升,与东濮凹陷的结果一致,这被认为是与全球温度升高导致的海平面上升是一致的33.这一结果并不直接支持“湖平面上升-海平面下降”的假说,对此结果的解释是否可以沿用东濮凹陷结果的解释方案27,依然是个有待探究的问题.这些工作的价值在于,尽管这些研究来自不同的凹陷,利用沉积噪音模型重建的古湖平面变化结果依然具有较好的可对比性.4讨论对于存在大规模冰川活动的时期,海平面变化的主要机制为冰川型海平面变化4,这会掩盖含水层型海平面变化的影响.开展检验陆驱机制、海绵大陆假说和含水层型海平面变化研究的理想时段是温室时期,甚至是无冰的热室时期.这是因为在温室时期,冰川活动对海平面变化的干扰较低.未来,在厘清含水层型海平面变化之后,冰室时期含水层型海平面变化的过程和幅度可能也需要重新评估.目前,海平面变化的陆驱机制和海绵大陆假说的地质研究仍存在3个有待查明的问题.首先,大陆地下水的储量长期存在争议.传统观点认为,地下水和湖泊仅能引起小规模(510 m)的快速海平面变化4,8,其中地下水总量估计值约为151175 km3或11067106km369至60106km370.近年来,利用大数据和岩石孔隙度-深度关系重新计算了陆壳上部2 km已储存的地下水容量,结果约为22.6106km3,相当于约60 m厚当今海洋表层海水的体积20.关于大陆岩石圈顶部孔隙的可容空间估算情况,对全球沉积物可容纳空间和海平面变化的研究认为,沉积物孔隙空间是仅次于海洋的最大储库,通过对沉积物体积和质量的估计表明,可容纳水的沉积孔隙空间体积为116106km3,可以容纳0.181024g的水,相当于320 m厚的当今海洋表层海水体积19,71.其中,大陆表层1 km的孔隙体积为25106km3,与当下的大陆冰川体积相近19.利用Macrostrat数据库对劳伦古陆含水层储水情况进行的分析显示,沉积储层是由与构造和沉积环境有关的多个储层构成,较年轻的显生宙沉积物堆积大大增加了大陆地下水的储水能力.沉积储层容量总计约有120106km3,相当于33041 m厚的当今海洋表层的海水体积5.这些估算表明,即使仅有很小一部分地下水储库容量的变化都有可能引起海平面的较大波动.然而,上述估算并不完美,往往过于简化(图1中仅用虚线表示其影响范围)或者缺乏全球数据的支持.因此,对地下水储库的时空演化研究需要更精确的实测数据和全球大数据的支持.其次,深时地下水定量研究的替代指标缺乏.海平面的变化难以精确地记录在地层中,我们往往只能利用物理、化学或生物指标等间接证据来解释地质历史时期海平面的波动22.目前适用于温室时期古海平面和古湖平面变化研究的地质手段依然贫乏.尽管新兴的沉积噪音模型和SediRate-Fischer图解结合传统的层序地层学、地层回剥法、洋盆动力学、地球化学、大数据等手段72,能够在一定程度上提供高分辨率的古水位重建.然而,不同手段获得的结果可能存在很大的差异(如3.3节所述),古水位的定量重建结果依然存在很大的不确定性.最后,大陆含水层的储水与排水的时间和机制仍存在争议.地质证据表明,地下水对全球海平面影响的时间尺度可能为104106年19,21,22,73,74.例如,对二叠纪美国密西西比河谷铅锌矿床闪锌矿条带的研究发现,闪锌矿的沉积受深层地下水氧化态控制,闪锌矿沉积条带受天文驱动的降水量影响,时间尺度为千年至10万年级别,进一步表明,深时深层地下水活动受到了轨道驱动的气候变化影响73.在更大尺度上,120万年的斜率调制周期可能促进海陆水储库之间水体的交换,调控了大陆地下水储库的储水和排水16,3032,34.此外,巴西近海岸晚白垩世地层的旋回地层学研究表明,长周期(如240万年、470万年和950万年)的天文驱动力对海平面和沉积层序的形成起了关键作用75.大陆含水层的储水(降雨)与排水(蒸发和径流)受水文循环的影响,并受天文驱动的古气候变化过程控制22,61.然而,2023 年 4 月第 68 卷第 12 期1522由于全球降水、蒸发和径流的不均衡,少量研究点位获得的古湖平面变化历史是否能够代表全球大陆地下水的变化,依然是深时水循环研究的关键难点.古气候模式中往往并没有模拟岩石圈的地下水活动,例如,一些气候模式使用的Community Land Model 4.0(CLM4)模式仅仅考虑了地表深度80 m以内的地下水循环76.因此,基于此模式的深时地下水模拟工作并不能有效模拟长尺度的深时地下水循环过程65,这也限制了我们对大陆含水层储水和排水机制的认识.5展望本文仅仅展示了深时地球温室期地下水活动面纱的一角,一系列的问题亟待解决.例如:怎样对深时地下水储库开展研究?地下水的地质演化历史如何?深时地下水演化历程在各个时空尺度的控制因素和过程是什么?地下水储库的潜力究竟有多大?在时间尺度达到107108年时,如何区分大陆地下水活动引起的海平面变化与海底扩张、沉积以及大陆裂解-汇聚引起的海面变化?在冰川型海平面变化为主的时期,含水层型海平面变化对全球水循环的影响如何?地下水的变化对地球化学环境以及海陆生态系统产生怎样的影响?如何预测未来地下水储库的变化?对这些问题的探索将推动我们对地球表层系统演化的深入理解.在纵向上,本文综述的研究往往更关注陆壳上部12 km的地下水容量,对地下水的连通性估计过于简化;在地质时间尺度上,传统认为连通性较差的隔水层和弱透水层,其中的水对全球水循环具有怎样的影响?在横向上,近海陆地的地下水演变受海平面变化的控制,而本文更关注的内陆地下水区系与近海地下水区系的分界线如何确定?对这个问题的解答可以为未来选择研究区,检验海绵大陆假说提供关键的依据.在时间上,不同地质时期的地层空间分布不同,如何将现今保存的地质记录恢复到未压实的状态,从而更准确地估计深时地下水的演变历程,是值得探索的难题.植物登陆深刻改变了地球表层环境,植被-含水层-水循环之间的互馈机制,也是古生代以来地下水研究的重要主题77.此外,对于地幔的含水量还存在很大的不确定性,有研究认为地幔中所含的水分总量相当于现代海洋水总量的23倍78.因此,加深对地幔中水的储存形态及其动力学过程的研究对更好地理解深时地下水储库的演变也十分关键.下一步的工作包括但不限于地质记录、对地观测、地球科学大数据和模型的综合研究.例如,寻找更确凿的岩石学、沉积学、地层学、地球化学等证据;利用变革性新技术高分辨率地重建古地下水位的演化历史;建立深时全球沉积与岩相古地理数据库;开展地下水的全球观测;开发耦合轨道驱动调制的地下水储库和岩石圈地下水系统的复杂地球系统模型等.致谢感谢中国科学院南京地质古生物学研究所朱茂炎研究员的邀请.在与很多同行的讨论中获益良多,尤其感谢同济大学汪品先院士、北京大学刘永岗副教授及林佩蓉研究员、中国地质大学(武汉)张仲石教授等人的讨论.参考文献1Church J A,Clark P U,Cazenave A,et al.Sea level change.In:Stocker T F,Qin D H,Plattner G K,et al,eds.Climate Change 2013:The PhysicalScience Basis Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.Cambridge:Cambridge University Press,2013.113712162Masson-Delmotte V,Zhai P,Pirani A,et al.Climate Change 2021:The Physical Science Basis.Working Group I Contribution to the SixthAssessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.Cambridge:Cambridge University Press,20213Oki T,Kanae S.Global hydrological cycles and world water resources.Science,2006,313:106810724Miller K G,Kominz M A,Browning J V,et al.The Phanerozoic record of global sea-level change.Science,2005,310:129312985Peters S,Husson J.Phanerozoic growth of the epicontinental sedimentary reservoir:Implications for long-term sea level change.In:Proceedings ofthe AGU Fall Meeting,20156Sames B,Wagreich M,Conrad C P,et al.Aquifer-eustasy as the main driver of short-term sea-level fluctuations during Cretaceous hothouseclimate phases.Geol Soc Lond Spec Publ,2020,498:9387Zachos J,Pagani M,Sloan L,et al.Trends,rhythms,and aberrations in global climate 65 Ma to present.Science,2001,292:6866938Jacobs D K,Sahagian D L.Climate-induced fluctuations in sea level during non-glacial times.Nature,1993,361:7107129Cloetingh S,Haq B U.Inherited landscapes and sea level change.Science,2015,347:1258375评 述152310Snedden J,Liu C.A compilation of Phanerozoic sea-level change,coastal onlaps and recommended sequence designations.American Associationof Petroleum Geologists Search and Discovery Article,2010,4059411Haq B U.Cretaceous eustasy revisited.Glob Planet Change,2014,113:445812Haq B U.Triassic eustatic variations reexamined.Geol Soc Am,2018,28:4913Haq B U,Hardenbol J,Vail P R.Chronology of fluctuating sea levels since the Triassic.Science,1987,235:1156116714Haq B U,Schutter S R.A chronology of Paleozoic sea-level changes.Science,2008,322:646815Miller K G,Browning J V,Schmelz W J,et al.Cenozoic sea-level and cryospheric evolution from deep-sea geochemical and continental marginrecords.Sci Adv,2020,6:eaaz134616Li M,Hinnov L A,Huang C,et al.Sedimentary noise and sea levels linked to land-ocean water exchange and obliquity forcing.Nat Commun,2018,9:100417Sun Y,Joachimski M M,Wignall P B,et al.Lethally hot temperatures during the Early Triassic greenhouse.Science,2012,338:36637018Li M S,Huang C J,Hinnov L A,et al.Obliquity-forced climate during the Early Triassic hothouse in China.Geology,2016,44:62362619Hay W W,Leslie M A.Could possible changes in global groundwater reservoir cause eustatic sea-level fluctuations.In:National ResearchCouncil,ed.Sea-level Change.Washington DC:National Academy Press,1990.16117020Gleeson T,Befus K M,Jasechko S,et al.The global volume and distribution of modern groundwater.Nat Geosci,2016,9:16116721Wagreich M,Lein R,Sam