水循环的地质演变_研究现状与关键问题_朱茂炎.pdf

水循环的地质演变:研究现状与关键问题朱茂炎1,2*,郭正堂2,3,汪品先41.中国科学院南京地质古生物研究所,现代古生物学和地层学国家重点实验室,南京 210008;2.中国科学院大学地球与行星科学学院,北京 100049;3.中国科学院地质与地球物理研究所,中国科学院新生代地质与环境重点实验室,北京 100029;4.同济大学海洋与地球科学学院,海洋地质国家重点实验室,上海 200092*联系人,E-mail:2022-12-19 收稿,2023-02-15 修回,2023-02-17 接受,2023-03-16 网络版发表国家自然科学基金-中国科学院前沿领域发展战略研究(L1924025)、中国科学院地学部学科发展战略研究(XK2019DXC002)和国家自然科学基金(41921002,41888101)资助摘要由大陆-海洋-大气之间水的3种相态(固态-液态-气态)相互转换和位移构成的水循环,是地球气候系统的主要过程之一.太阳辐射量在地球表面分布不均匀,是地表水循环的基本驱动力.水循环与碳循环密切关联,是气候系统演变中的两条主线.不同时空尺度的水循环和碳循环受天文、地质和生物因素以及它们之间相互作用的控制,揭示水循环地质演变过程及其与气候变化之间的关系,可为了解当今水文气候变化提供宝贵启示.通过水循环地质演变研究现状回顾,提出如下5个科学问题应在未来予以重点关注:(1)雪球地球时期的水循环;(2)植被起源和演化对水循环的影响;(3)深时热带辐合带(inter-tropical convergence zone,ITCZ)的演变与水循环;(4)暖室期地下水与海平面变化;(5)深时水循环中的氧同位素示踪.同时建议我国未来亟须加强的4个研究方向:(1)深时冰室期向暖室期转变中的水循环;(2)深时水循环与生态系统演变;(3)深时水循环研究方法的发展;(4)深时水循环与长周期地球系统演变的数值模型.关键词水循环,碳循环,古气候学,水文气候学,地球系统演变1地球系统中的水循环水在太阳系并不罕见,但只有地球表面被液态水包裹而成为蓝色星球.当今地球70%的表层被水覆盖,总蓄水量约为1.5109km3,绝大部分(96.5%)赋存在大洋中.大陆上的水只占总量的3.5%,主要是以固态冰盖和液态地下水形式存在,湖泊、河流、土壤、大气和生物体中水占比非常小1.陆地和海洋中的水,通过蒸发/蒸腾作用转变为水汽输送到大气,再通过降水(含下雪/结冰)、地表径流和地下水回流等途径返回到大陆和海洋,从而实现地表水的循环(图1).正是水的相变和位移,控制着从气候到风化、沉积和地球化学循环等各种不同时空尺度下的地表过程.水更是地球生命的支柱,既是所有生物体的主要成分,也是生物地球化学作用的基础.此外,水在地球系统里的分布并不限于表层,地幔深部也有水,地球表层和地幔水的交换是板块运动的必要条件,只是在地幔的高温高压下,水只能以矿物羟基(OH)的形式存在2.因此,水不仅是地球表面上数量最多的分子,也是地球系统演变中关键成分.引用格式:朱茂炎,郭正堂,汪品先.水循环的地质演变:研究现状与关键问题.科学通报,2023,68:14251442Zhu M Y,Guo Z T,Wang P X.Evolution of water cycle in deep time:Current research status and key questions(in Chinese).Chin Sci Bull,2023,68:14251442,doi:10.1360/TB-2022-1285 2023中国科学杂志社2023 年第 68 卷第 12 期:1425 1442水循环的地质演变专辑评 述1.1水循环在现代气候系统中的作用在地球表面,水是唯一能够在天然条件下三态同时并存的分子.由液态、气态(水汽)和固态(冰雪)三相转换所构成的水循环,是气候过程的基本载体(图2(a).现代地球气候过程的能量绝大部分来自太阳辐射,但是辐射量主要集中在低纬度热带,需要通过海洋和大气从低纬向高纬输送热量.海洋输送靠洋流,大气输送分干、湿或者说感热和潜热两种,感热就是风,高纬区温差大,以感热输送为主;低纬区大气输送热量主要靠潜热,也就是蒸发和降水,通过液态/气态的相变来实现6.同时,水汽还是大气中的主要温室气体,在温室效应中占比为75%,明显大于CO2等温室气体3.有研究指出,近100多年来的气温记录揭示,是水汽而不是大气CO2含量的增加驱动了全球升温7.但是水汽浓度的时空变化太大,属于气候系统内反馈变量,而不可能像CO2含量那样看作气候系统的外来驱动因素.当今的水文气候学(hydroclimatology)和灾害气象预报(如ENSO、季风、台风和旱涝等灾害)成为现代气候系统研究的焦点,反映出水循环确实是现代气候系统中的主角.目前,已知全球每年的总蒸发量约为50万km3,其中86%来自海洋.海洋蒸发水汽的78%通过海上降雨直接返回海洋,其余22%降在陆地3.但是陆地降水只有1/3源自海面蒸发,其余依靠陆地蒸发,也就是陆地内部的水循环.地球表面气态水虽然只占十万分之一,全部降落地面也只有2.5 cm厚,但却起着极为重要的作用,而且分布极不均匀,在低纬区最富集,尤以表层水温28C以上的西太平洋暖池(Western Pacific warmpool,WPWP)区的上空为最高,南极冰盖上空为最低(图2(b).平均降雨量的分布与水汽含量相对应,全球降水量的2/3和大洋蒸发量的3/5发生在30N30S,其中又以季风雨挂“头牌”.虽然季风雨只占降水总量的31%,却是各种降水中最大的变量.南北半球的气流在赤道附近汇合,形成热带辐合带(inter-tropical conver-gence zone,ITCZ),被称作“气候赤道”,调控着全球六大季风区的强度,凸显了水循环的热带驱动作用8.由于水/汽转换(低纬为主)的汽化潜热是冰/水转换(高纬为主)融化潜热的7倍(图2(a),因此,无论从水循环通量和能量转换来看,低纬度水循环都是气候变化中的主角5,印度-太平洋暖池最新的记录重建和数值模拟结果支持了这一观点9.1.2水循环地质演变和古气候学研究的不足由于水循环是气候过程的基本载体,因此水循环地质演变的研究离不开古气候学.但以第四纪冰期旋回研究为起步的古气候学,重点关注的是高纬度水循环过程对气候的影响,如极地冰盖消长和海洋环流(大洋传送带)改变等问题,对低纬度水循环在地球气候变图 1地表水循环示意图.不同蓄库水的体积和年通量数据引自文献3,4Figure 1Schematic illustration of the water cycle on the Earth surface.Data of water storages and annual fluxes adopted from Refs.3,42023 年 4 月第 68 卷第 12 期1426化的作用未给予应有的重视.如果说,气候变化是CO2和水的“双人舞”,冰盖只是重要的“客串演员”6,那么在当今以冰期旋回为主导的第四纪古气候研究中,正是“客串演员”登场的一幕,当我们在为“客串演员”喝彩的时候,不应该忽略了“双人舞”的主角8,即水循环全过程的研究.因此,古气候学不能只关注冷暖和冰雪,同样应当研究干湿和降水.尽管20世纪80年代起,季风被引入第四纪研究作为冰期的补充,却未能撼动冰期旋回在古气候学里的主导地位.实际上,地质时期以温室气候为主,冰室气候占地质历史的时间不超过1/6,即使是显生宙以来,冰室气候的时间也不超过1/3,极端高温事件比冰期事件更加常见(图3).从另一个角度来看,自地球表面出现海陆分异以来,海陆热力差异形成的季风就会成为地球气候系统中的必然现象.地质时期的ITCZ随大陆分布和地形梯度的变化而移动,季风区分布也必将发生相应的改变,从而影响降雨和水循环8.由此可见,以冰期旋回理论为主导的研究不足以准确揭示地质时期的气候变化过程.低纬度驱动的大陆干旱和降雨以及季风等水循环过程对生态系统的影响,并没有得到应有的重视,造成古今水循环研究的明显脱节.当前的任务就是要打破时间尺度的隔阂,从现代到第四纪再上溯到深时,以水循环为主线,探索气候系统的演变过程.前第四纪地质学传统目标的重点在于矿产资源勘探,因此显生宙古气候学研究的重点是干湿的变化,目标主要是为煤矿和膏盐等沉积矿产的勘探服务10.这种状况在近代发生了改变,从5600万年前极热事件造成的季风降水和河流泥沙排放通量突变11,到23亿年前与联合大陆(Pangea)相关的“超级季风”引起的水循环改变12,13,已经拓展到古老地球水循环演变的探索.当前的研究正在从现象描述向水循环的机理探索推进,要求我们必须从整个地质历史的维度来揭示水循环的规律,加强地质时期海陆分布、植被和冰盖发育等不同条件下的大洋和大气环流变化对气候和水循环的影响,以及不同轨道周期如何调控气候和水文循环的研究等.鉴于低纬度地区对气候变化有较高的敏感性,地质记录也相对更加完整,为研究地质时期ITCZ和季风区变化以及水循环演变的特征提供了机遇.2地质时期水循环演变地球45.67亿年历史可以区分为特征明显的几个不同演变阶段.作为地球表层系统的一项基本过程,水循环同样在不同历史阶段表现出不同的演变特征.总体来看,在已知地质时期大部分时间(5/6),地球是偏热的温室气候,南北两极均没有常年的冰盖,类似近代偏冷的冰室气候并不常见.其中,最受关注的是发生在元古宙早期和晚期的“雪球地球”(Snowball Earth)冰期事件,早古生代奥陶纪末冰期和晚古生代冰期事件,以及中新生代温室气候下频繁的极热事件等(图3).然而,针对地质时期不同气候背景下水循环是如何演变这一问题,目前的认识十分有限,特别是,对地球早期的水循环更是知之甚少.2.1前寒武纪极端冰期(“雪球地球”)的水循环雪球地球是指发生在新元古代成冰纪(720635Ma)极端冰室气候时期的地球,包括赤道附近低纬度海洋在内的地球表面全都被冰封盖,地球就像一个巨大图 2气候系统中水的气态/液态转换.修改自文献5.(a)水在三相转换中的热能传输(1卡=4.18 J);(b)大气中水汽总量分布图(19881992年).WPWP,西太平洋暖池Figure 2Water phase change in the climate system.Modified afterRef.5.(a)Diagram shows the heat energy transfer between waterphases(1 cal=4.18 J);(b)distribution of the total water vapor in theatmosphere(19881992).WPWP,the Western Pacific warm pool评 述1427的雪球.这一假说最早由美国地球物理学家Kirsch-vink16在1989年的一次学术研讨会上提出,随后由加拿大地质学家Hoffman等人17,18将其发展为一个完整的科学假说.雪球地球假说认为,新元古代早期位于低纬度、无植被覆盖的罗迪尼亚(Rodinia)超大陆对阳光的反照作用强烈,加之低纬度地区高强度硅酸盐风化作用对CO2的大量消耗,气候会逐渐变冷.随着两极冰盖的扩张和海平面下降,大陆面积的增加进一步加强了光反照作用,形成冰室气候的正反馈效应.当南北半球冰盖抵达约30纬度时,冰盖面积会超过地球表面积的一半,加之冰的高光反照率(雪为0.9,冰为0.65,水为0.1),造成光反照对冰室气候的正反馈效应失控,冰川会快速推进到赤道地区,形成雪球地球18.此时,冰盖的厚度可达1 km以上,地球表面变成类似现代火星的冷冻状态.图 3地质时期气候变化与重大水文气候事件.(a)显生宙温度变化曲线及主要水文气候事件,据文献14修改.ETTM,三叠纪早期极热期(251.9247 Ma);CPE,卡尼期洪水事件(233 Ma);LNTE,晚诺利期高温事件(214209 Ma);LTTE,三叠纪末高温事件(201199 Ma);TTE,托阿尔期高温事件(183 Ma);KTE,钦莫利期高温事件(155 Ma);SGTM,Selli/Goguel极热事件(120 Ma);CTTM,塞诺曼期-土伦期界线极热事件(94 Ma);PETM,古新世-始新世极热事件(56 Ma);EETM,早始新世极热期(约5446.5 Ma);METM,中始新世极热事件(41 Ma).(b)地质时期冰室气候和冰期事件,据文献15等综合.(c)地球构造体制演化和超大陆旋回Figure 3The palaeoclimatic change and major palaeohydroclimatic events in geological time.(a)Temperature time scale and majorpalaeohydroclimatic events in Phanerozoic(modified from Ref.14).ETTM,Early Triassic Thermal Maximum(251.9247 Ma);CPE,CarnianPluvial Event(233 Ma);LNTE,Late Norian Thermal Event(214209 Ma);LTTE,Late Triassic Thermal Event(201199 Ma);TTE,ToarcianThermal Event(1823 Ma);KTE,Kimmeridgian Thermal Event(155 Ma);SGTM,Selli/Goguel Thermal Maximum(120 Ma);CTTM,Cenomanian-Turonian Thermal Maximum(94 Ma);PETM,Paleocene-Eocene Thermal Maximum(56 Ma);EETM,Early Eocene Thermal Maximum(5446.5Ma);METM,Middle Eocene Thermal Maximum(41 Ma).(b)Icehouses and glaciations in the geological time(source from Ref.15 and others).(c)Evolution of the geodynamic regime and the supercontinent cycles2023 年 4 月第 68 卷第 12 期1428在这种情况下,地球表面水循环过程必然与近代冰室气候完全不同.由于低纬度蒸发作用减弱,大气水汽主要来自低纬度冰川表面有限的升华作用,大气以干冷为特征.气候模型表明,雪球时期哈德利环流发生倒转,水汽和热量向高纬度传导削弱,有限水汽聚在亚热带内侧,不仅会产生赤道沙漠,沙漠区在全球不同纬度分布的范围也会扩大.雪球地球假说得到地球物理、地球化学、地质学和气候模型等多方面的论证.首先,构造古地理证据表明,新元古代全球大陆和冰碛地层基本上分布在中低纬度地区19;冰期在全球同时快速启动和快速结束的推测得到高分辨率年代学的支持20,21;覆盖在冰碛岩之上特征的“盖帽碳酸盐岩”是导致雪球地球终结的超级温室气候的直接证据17,22;作为早期缺氧地球的标志性“条带状铁建造”(banded iron formation,BIF)自古元古代结束之后,时隔10亿多年在成冰纪再次出现,是雪球地球状态下大洋长期缺氧的见证.值得注意的是,越来越多的证据表明,雪球事件在距今2422亿年前的古元古代也曾发生过23,24,但在显生宙却没有再次重现.这一现象促使一些学者将雪球事件与地外偶发事件和生命演化的阶段性联系起来,例如星爆引起的星云冬天假说25、真核藻类崛起释放到大气中的二甲基硫醚(DMS)导致云层增加效应假说等26.总之,作为地质时期极端气候和水循环事件,雪球地球成为近20年来深时地球系统科学研究中最活跃的前沿领域27.2.2古生代冰期的水循环古生代气候变化表现为如下的基本特征,即在经历了寒武纪至奥陶纪中期的长时间温室期之后,先后出现过两次冰室期,即短暂的“早古生代冰期”和长时间的“晚古生代大冰期”.两个冰期事件之间的志留纪和泥盆纪总体上是一个气温波动明显的温室期,期间在志留纪晚期(425 Ma)和早泥盆世晚期出现两次短暂的降温期28,29(图3).早古生代冰期发生在奥陶纪末赫南特期(445Ma),所以一般称作“奥陶纪末冰期”或“赫南特冰期”.奥陶纪末冰期持续时间短(100万年),冰盛期南极冰盖到达中纬度地区(35S),赤道附近海水温度比现在低58C左右,海平面下降50100 m30.总体来看,冰期引起的海水温度降低和浅海陆架大面积缺氧,造成奥陶纪大辐射时期繁盛的各种喜暖型生物类别发生大规模灭绝,即奥陶纪末生物大灭绝事件,物种灭绝率至少达到80%.奥陶纪末冰期是在寒武纪晚期超高大气CO2背景下逐步降温形成,仅南极发育冰盖.关于奥陶纪逐渐降温并最终形成冰期的过程和机制存在不同的假说,包括:(1)高温背景下,海平面上升造成海洋大面积缺氧,大量有机碳埋藏促进冰室气候发生;(2)低纬度劳伦大陆发生造山运动和岛弧碰撞以及中纬度东欧地台内大面积超基性岩浆喷发等引起的强烈风化作用对大气CO2的消耗31;(3)陆地植物兴起引起风化作用的加强32,33;(4)小行星撞击34等.目前,有关奥陶纪末冰期水循环的研究很少,更多的研究聚焦在这一时期全球分布的油气目标层黑色页岩、海洋缺氧和生物大灭绝等问题.3.4亿年前开始的晚古生代大冰期是显生宙以来规模最大、持续时间最长的冰期事件,冰盖主要发育在南半球冈瓦纳大陆,冰盛期南极冰盖抵达30S,持续时间长达8000万年以上(图3).其最大特点是具有数百万至千万年的长周期冰期-间冰期旋回特征35.晚古生代大冰期的大气CO2浓度与现代接近,而大气O2含量达到地史时期最高水平(28%).陆地森林繁茂,并共生有巨型节肢动物;海洋动物多样性呈现明显增加的趋势.气候敏感性沉积记录(煤、铝土矿、砖红壤、钙质结核、蒸发岩及风成沉积等)显示,晚古生代大冰期赤道附近地区呈现干旱化趋势,且自联合大陆之西向东逐渐演变36,并且出现轨道尺度上的冰期湿冷、间冰期干热的气候旋回特征,与第四纪冰期-间冰期旋回恰好相反37.什么驱动了晚古生代大冰期的发生?湿冷冰期-干热间冰期旋回气候变化受什么因素控制?目前的研究主要聚焦如下内容:(1)陆地维管植物的繁盛和大规模煤炭的形成35,38,39;(2)联合大陆拼合过程中的岩浆作用和风化作用4042;(3)天文轨道控制37等.2.3中-新生代极热期的水循环得益于1968年启动的深海钻探计划(Deep Sea Dril-ling Project,DSDP)的持续开展,中、新生代古气候演变得以高分辨率重建.目前,已知晚新生代冰室气候之前的三叠纪至始新世末(25134 Ma)约2亿多年这个时间段,地球以温室气候为特征,两极基本没有冰盖.在此期间,极热事件(hyperthermal event/thermal maxi-mum)或高温事件(thermal event)频发(图3)14,4345.这些极热/高温事件的特征是:升温迅速(0.110万年);除三评 述1429叠纪早期、白垩纪中期和始新世3个延续较长的极热期外(约510百万年),一般持续时间短(10200万年).其中,始新世极热期还发生过多次短暂的极热事件45.极热/高温事件之间是温室气候下的快速降温期,极地甚至可能出现小范围冰盖46,例如,早侏罗世脱阿尔期高热事件(TTE)之前(181 Ma)47、白垩纪早期降温阶段的晚瓦兰金期(Valanginian)(133 Ma,WeissertEvent)48和晚阿普特期(Aptian,116114 Ma)49.极热/高温事件会引起大洋环流的反转或者减弱,由此会引发一系列环境变化和生态危机50.来自海洋的沉积记录显示,极热/高温事件一般伴随海洋酸化和大洋缺氧事件(ocean anoxic events,OAEs),以及富集有机碳的黑色页岩和海水碳同位素异常事件.在白垩纪还出现了与大洋缺氧事件相关的大洋红层51.极热/高温事件引起的海洋缺氧、酸化事件会导致生态危机的发生,如二叠纪末和三叠纪末的生物大灭绝.但也并不总是如此,在其他极热/高温事件中,生物灭绝只在局部或者某些类群中发生,灭绝率总体都不超过20%,这可能与增温的幅度及速率有关52.值得注意的是,海洋生态系统在二叠纪末和三叠纪末两次大灭绝之后均发生了巨大的改变,二叠纪末大灭绝致使古生代演化动物群衰落的同时导致了现代演化生物群的兴起;而三叠纪末大灭绝之后,以有孔虫、颗石藻和沟鞭藻为代表的现代海洋浮游生物群快速兴起(硅藻滞后至白垩纪),即“中生代海洋革命”(the Mesozoic Marine Revolu-tion,MMR)53.此外,PETM事件还伴随着哺乳动物的快速崛起.从水循环方面来看,极热气候导致温度的纬向梯度减小,高纬度地区季节变化减弱,从而会显著改变大气和海洋环流以及水的循环,如PETM事件11,54.特别是在联合大陆存在的情况下,极热气候使得大陆内部赤道地区大面积陆地温度异常升高(40C),导致ITCZ发生明显偏移并形成超级季风气候加强12,具体表现为干湿分区加强,即降雨带雨量增强,而干旱带则更加干旱.例如,托阿尔期高热事件(TTE,183 Ma),气温短时间内上升48C,致使低纬度地区出现极端干旱(30S30N),位于中纬度(3045N)的欧洲和中亚地区则为温湿气候(铝土矿广泛发育)14.近年来,晚三叠世卡尼期洪水事件(Carnian PluvialEvent,CPE;233 Ma)作为温室气候下重大水循环事件受到广泛关注55,56.这一事件表现为低纬度碳酸盐岩台地在全球快速消失,取而代之的是,沉积盆地充满由超级河流系统泛滥带来的陆源碎屑沉积.卡尼期洪水事件持续时间短(100万年),被认为与大规模玄武岩浆活动引起的快速升温形成的超级季风将水汽带到泛大陆内部有关55,56.卡尼期洪水事件造成深海缺氧并引起海洋生态危机和生物类群的更替,造成33%海洋生物属的消失;大陆上,植被以适应潮湿的类群为特征,现代松柏类和苏铁类以及恐龙等中生代陆生动物群迅速崛起57.越来越多的证据表明,中、新生代主要极热事件往往与大火成岩省(large igneous province,LIP)的形成密切相关58,大规模火山排气以及伴随甲烷的大量释放被认为是快速升温的主要原因.另一个不可忽视的原因是,联合大陆在中生代开始逐渐裂解,造成古地理演变,引起了气候和水循环重大事件的发生,包括洋盆扩展与封闭、洋流改变、哈德利环流的扩展与收缩等因素45,59.例如,晚侏罗世钦莫利期高温事件(KTE),随着中大西洋和西印度洋持续扩张,超级季风减弱,大陆内部降雨和湿度增加,改变了大陆内部自联合大陆形成以来超级季风引起的长期干旱格局14.3水循环地质演变的控制因素地球的气候系统受能量调控,能量有太阳和地球内部两种热源,而太阳辐射又受大气层中温室气体(CO2、CH4和H2O等)的调控,因此水循环和碳循环是贯穿气候演变史的两条主线.总体来讲,地球上气候系统的变化受到天文因素、地质因素和生物因素三方面变量的控制,即地球的水循环受控于天文-地质-生物三种因素.3.1天文因素地球表面过程的能量来源主要是太阳辐射,但太阳又在不断地演化.处于恒星演化早期的太阳辐射要比现代弱,抵达地球的光照量只有现代地球的70%多一点.如果早期地球大气温室气体含量与现代相当的话,那么地球表面的温度会低至20C以下,这与地质记录相矛盾,故被称为“黯淡太阳悖论”60.由此可以推测,早期地球大气中温室气体比现代要高很多,这一推测得到地质记录和数值模型的支持15,61.其实,短时间尺度的太阳辐射量变化显而易见,例如太阳黑子活动,黑子的增多表明太阳向外辐射的能量增加,以11和200年左右的变化周期影响着地球气候62,不过这种短周期变化难以在地质尺度上辨认.2023 年 4 月第 68 卷第 12 期1430地质时期应用最广的天文因素是轨道周期.由于太阳系内天体之间的相互作用,地球运行的几何轨道发生周期性变动,变化幅度虽小却足以影响地球表面太阳辐射量的时空分布,这一著名的“米兰科维奇气候旋回理论”开创了古气候学定量研究的先河.米兰科维奇气候旋回理论主要包括岁差(2万年)、斜率(4万年)和偏心率(10和40万年)3种轨道参数.随着研究的深入和方法的进步,不同轨道尺度下的冰期旋回在第四纪大冰期研究得到充分揭示63.米兰科维奇气候旋回理论成功地解释了第四纪后期几十万年的冰期旋回,但是覆盖的地质时限太短,遇到了一系列无法解释的“难题”64.如今的古气候定量记录早已突破了第四纪,发现了跨越时间更长的轨道周期.其中,最为稳定的是40万年偏心率长周期,已在各个地质时期发现,最早可追溯至元古宙65,从而为建立以天文为基础的地质年代学开辟了道路66.其实,偏心率变化还有更长的240万年、900万年的“超长周期”,至少在白垩纪以来的地层中已经被发现67.在更大的天文空间里,还有银河系时间更长的周期,可以通过宇宙射线对地球气候产生影响68.甚至有人追溯太阳在银河系里的运行路径,发现显生宙五亿多年来的4次冰室期与太阳经遇银河系旋臂的时间相吻合,对应是宇宙射线加强的时期69.3.2地质因素自地球诞生以来,深部过程驱动的岩浆和构造运动对地表气候系统的影响无时不在70.这种构造尺度下的气候变化受地球自身演化和构造运动机制的控制,具有明显的阶段性和不确定性.兴起于20世纪中叶的板块构造学说,为地球如何控制温室气体循环和气候变化提供了理论基础.其基本原理是,地内大量CO2等温室气体通过火山喷发释放到大气,地表岩石的风化作用又将大气CO2转变为HCO3,并通过地表径流输送到海洋,最终以碳酸盐矿物的形式沉积下来.板块俯冲又将海底碳酸盐沉积物输送至地幔转变为CO2气体,再通过火山喷发返回大气,从而完成CO2的长周期循环.同时,在高CO2的温室气候下,风化作用的加强会引起CO2和温度的下降,随之风化作用减弱.风化作用的这种负反馈机制也对大气CO2含量起到了重要的平衡作用71,又称地球恒温器(Earths thermostat).但是,风化作用还受到地形地貌、岩石剥蚀和暴露程度、土壤和植被覆盖等因素的影响,尤其是,受降雨和地表径流的影响显著,因为风化作用消耗大气CO2并最终以碳酸盐矿物沉积下来的整个过程都离不开水.近年来,有关风化作用机制问题取得了更多新认识.例如,海洋自生黏土矿物形成过程中释放CO2的反向风化作用(re-verse weathering)对大气CO2的调控72,73,在地质时期也得到初步揭示74,75;蒸发岩沉积与风化作用可以通过影响碳酸盐沉积,对气候的长周期变化起到调控作用76.如果说火山排气和风化作用是通过温度变化影响水循环的话,那么海陆分布格局的变化对水循环的影响就更加直接.首先,大陆面积、纬度和地形差异,既影响风化作用的强度,又影响光的吸收和返照量;其二,海陆分布格局可以直接影响大洋和大气环流,从而影响水的循环.另外,板块构造对地表和地内碳循环的控制机制,同样也适用于地表和地内的水循环.地球内部活动驱动下的火山活动、风化作用和海陆分布变迁对气候和水循环的变化影响,主要受控于构造运动的方式、速率和强度.前文阐述的地球历史上重大气候事件和水循环的演变受控于板块运动引起的大陆聚合与裂解、大洋扩展与闭合以及大火成岩省在内的火山活动等记录就是很好的证明77.3.3生物因素生物对气候和水循环的调控作用主要有两个方面:一是通过生物碳泵调控温室气体CO2;二是通过陆地植被对地形地貌的改造、土壤化以及通过蒸腾作用影响风化作用和水的循环.不同于由构造运动和风化作用驱动的物理碳泵,生物碳泵是生物将CO2转换为有机质的形式或者转换为生物碳酸盐的形式调控碳循环.参与生物碳泵的生物不仅仅是光合作用生物,生物界所有微生物、植物和动物都以各自不同的方式参与生物碳循环过程.由于不同生物的碳循环效率不同,而生命又是演化的,且具有明显的阶段性,因而不同地质时期生物对气候调控作用的形式和效率差异显著78.在光合作用蓝细菌起源之前,无氧呼吸的“产甲烷菌”以及“氢裂解细菌”会利用CO2和H2产生大量高效温室气体甲烷(CH4),在地球早期大气缺氧的情况下,维持了大气中高水平的温室气体含量,补偿了地球早期因太阳辐射的不足,阻止了地球进入冷冻状态15.当光合作用蓝细菌在24亿年前起源之后,生物碳泵对气候的调控作用开始突显,伴随发生的古元古代“大氧化事件”和雪球事件就是例证.原因就在于,光合作用不仅消耗了大气中的CO2,同时释放的氧气又消耗了早期大评 述1431气中占比高的甲烷.随着真核藻类在7亿年前开始崛起,加上动物的出现和复杂食物链的建立,生物有机碳更容易以大颗粒形式沉降而埋入沉积物内库存下来,生物碳泵的效率得到明显提高,从而触发了“新元古代大氧化”事件和包括雪球事件在内的极端气候事件79.大约从4亿多年前的奥陶纪早期开始,如“隐孢子植物”这样的原始陆地植物兴起,陆地生物的气候和水循环效应开始显现,“奥陶纪末大冰期”的发生被认为是与植物登陆导致的逐渐降温有关32.随着3亿年前后大型陆地维管植物的发展,植被的繁盛和成煤高峰期的到来,以及大面积森林对光的反照作用,可能导致了“晚古生代大冰期”的发生.与“生物有机碳泵”不同,“生物无机碳泵”通过固碳作用对稳定地球的温度也起到关键作用.生物无机碳泵随着生物碳酸盐化作用的演化,在地球历史上发生了几次重大转变.在前寒武纪海洋中,微生物是无机生物碳泵的主角,大量发育的微生物岩就是证据.寒武纪开始至中生代中期,无机碳泵的主角是各种具有钙质骨骼的动物和钙藻,以生物礁等形式将大量的无机碳库存起来.距今2亿年前后,以远洋钙质颗石藻和有孔虫等微生物开始繁盛为标志的“中生代海洋革命”建立了深海无机碳泵;同时,硅藻和沟鞭藻也开始繁盛起来,大洋中有机碳泵也发生重大改变.相对浅水钙质生物(包括生物礁)容易受到包括海平面变化和海水酸化等因素影响,深海钙质微生物受到的影响相对较小,因而当深海钙质微生物主导无机碳库循环时,海洋的碳循环就变得更加稳定.综上所述,气候和水循环的变化受控于天文、地球自身和生命等多重因素,地质时期重大气候和水循环事件一般都是不同控制因素相互叠加效应的结果.例如,晚古生代大冰期不仅与大型陆地植被的繁盛有关,也可能与低纬度大陆和岛弧之间碰撞有关41.又例如,5600万年前PETM事件不仅与东北大西洋裂开的大火成岩省有关,还可能与天文周期的叠加并伴随大洋沉积物中大量甲烷的释放有关80,81.4水循环地质演变研究中的若干重大科学问题如上所述,已知地球历史上发生过多种类型的重大水文气候事件,可能还有更多未知的水文气候事件有待揭示.不仅如此,当前学界对水循环地质演变驱动机制的了解也远远不够.特别值得关注的是,早期地球系统与显生宙差异显著,这一阶段地球的水循环问题更是知之甚少.抛开地球表层水和海洋的起源问题不谈,迫切需要回答如下的问题:在地球早期大陆缺失或者面积很小的情形下,地表水如何循环?作为岩石圈演化的关键要素,水的(深部)循环如何影响大陆和板块构造的起源?类似现代地表的水循环起始时间与大陆增生程度是否相关?随着板块构造机制的形成,大陆聚散过程引起的全球海陆分布和地形地貌格局的改变如何影响水的循环?就显生宙地球而言,陆地植被的兴起对水循环起到了怎样的调节作用?地质时期不同程度温室或者冰室气候背景下,大气和海洋水循环分别具有什么特征和规律?上述科学问题的研究,不仅可以从水循环的角度为揭示地球系统演变规律提供证据,还可为人类社会日益面临的水文气候灾害预报和对策制定提供科学依据.通过研讨,我们认为未来水循环地质演变研究中应重点关注如下5个重大科学问题.4.1雪球地球时期的水循环作为一种地球极端气候事件,揭示雪球地球状态下的水循环过程,无论从地球系统演变的角度探索,还是对类似雪球地球状态的地外行星(如火星)的探索,都极具意义.正如Hoffman等人27在总结20年来雪球地球研究后指出,雪球地球假说并不够完善.除了对雪球冰期的触发机制存在不同模型之外,对雪球地球时期水的循环问题则存在更多未解之谜.地质学证据表明,雪球时期的地球并不是一个僵硬的冰球,冰盖是移动和动态变化的,从而引起雪球地球是“硬雪球”(hard-snow-ball),还是“软雪球”(slushball/soft-snowball,waterbelt-snowball)之争.在夏季表面风的作用下,低纬度裸露地表扬起的沙尘,可在海冰表面形成冰尘坑穴和开放水体(cryoconite holes&ponds).同时,由于低纬度热传导输送减弱,白昼和季节性温度变化在不同纬度上均得到加强.特别是在夏季,不仅冰融水可能存在,冰面升华作用的加强可使大气有一定的水汽变化和循环存在.但这些水循环的具体过程是否可以被记录、示踪和论证?Kirschvink16在提出雪球假说时就认为,低纬度仍然存在开放的局部水面,显著的季节性变化在南澳大利亚成冰纪地层中留下了可靠记录82.可以预见的是,随大气CO2在大气中增加和温度升高,低纬度冰川移动和水循环无疑会加强,成冰纪大量冰进/冰退沉积旋回2023 年 4 月第 68 卷第 12 期1432记录就是很好的证明,然而这种冰期沉积旋回是否是对轨道周期的响应,需要验证.更多的问题还只是假设,例如雪球状态下,冰下海水温盐均一是否使海洋处于静态,地热梯度和冰融吸热造成的紊流在海洋中是否存在,海洋冰川的发育差异是否影响大洋水的循环等,这些水的循环特征均需要从多学科的角度和新的数值模型进行论证.4.2陆地植被起源和演化对水循环的影响现代地球植被在生态系统和水循环中的重要作用无可置疑,其过程和机理也得到充分揭示.首先,植物通过根系从土壤中吸收水分,在通过输导组织为光合作用组织提供水分的同时,还通过表面气孔与大气进行水分的调节,包括蒸腾作用一起构成了土壤-植物-大气连续体(soil-plant-atmosphere continuum,SPAC)之间的水循环系统83;尤其是植物根系的成壤作用会深深影响风化作用、地貌和地下水蓄量,进而通过改变地表径流影响沉积物组分及其搬运-沉积过程、营养物质循环和有机碳的埋藏;特别是地表水系将陆地土壤、湿地、河口三角洲和海岸带之间链接起来的陆-海水文连续体(land-ocean aquatic continuum,LOAC)84,构成了陆地和海洋生态系统之间物质和能量交换的重要渠道,在调控气候和生态系统中发挥着重要作用8587.随着陆地植物的起源和演变,地质时期陆-海水文连续体也在不断发生改变(图4)85,88.因此,揭示陆地植物起源和演化及其对水循环的影响过程,不仅是水循环地质演化研究中的重大科学问题,也是地球系统演化研究中需要特别关注的重大科学问题.从陆地植物起源和早期演化来看,奥陶纪末冰期被认为与隐孢子植物(产隐孢子的植物之统称,可能类似于现代苔藓类,也可能属于原始的多囊植物)等早期原始陆生植物登陆导致大气CO2含量降低带来的降温有关32.志留纪-泥盆纪以来,晚泥盆世海洋生态系统危机以及生物礁系统的巨大转变,也被认为与维管植物扩展,特别是与具有深根系的种子植物和森林出现相伴随的陆地风化作用、水文和营养物质循环等的加强密切有关89;同样,石炭纪-二叠纪大冰期与植物繁盛、湿地发育和全球性成煤事件在时间上相吻合,并在轨道周期上(偏心率)构成相似的旋回特征,表明它们之间具有密切联系38,39,90.目前,我们对相关问题在地质记录方面的探讨存在不足,也缺乏合理的数值模型进行论证.首先,有关早期陆地植物在奥陶纪及其之前的化石记录非常缺乏.目前,我们无法准确回答诸如这样的一些问题:最早登陆的植物是什么类型?它们与现生苔藓类及维管植物有何关系?维管植物在何时以及如何起源91,92?同时,维管植物登陆后如何演变到高大木本植物为主的森林?这一过程的化石记录也不完善.除了化石记录外,鉴于不同植物群落对土壤、地貌、风化作用、沉积物、营养