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1、项目名称： 晚中生代温室地球气候-环境演变首席科学家： 王成善 中国地质大学（北京）起止年限： 2012.1-2016.8依托部门： 教育部一、关键科学问题及研究内容（一）拟解决的关键科学问题重建晚中生代温室地球古气候和古环境状态及其演化规律，揭示温室地球气候环境快速变化的过程及机制。作为地球系统科学的主要部分，当前地质学发展的主要趋势是越来越关注气候环境变化及机制的综合研究，其核心是重建地史时期的古环境和古气候。晚中生代是地球历史上典型的温室气候期，期间发生了诸多重大的环境、气候和生物事件，深刻影响了地球发 展历史和生命演化。但就总体而言，国 际地球科学界对这段典型温室地球时期的气候环境变化
2、仍缺乏深入了解。因此，本项目以松辽盆地科学钻探所获得的晚侏罗世古近纪的连续沉积记录作为基础，发挥地质学、生物学、地球化学和地球物理学等多学科交叉的优势，通 过发展和优化各种替代性指标，深入了解温室气候状态下晚中生代气候和环境特征，重建晚中生代温室地球气候- 环境状态和演化规律就成为本项目要解决的一个关键科学问题。在重建温室气候地球环境状态和演变基础上，深入了解快速气候-环境变化的幅度、特征、影响范围、 诱发因素，揭示温室地球气候 环境快速变化的过程及机制，是本项目需要解决的另一个关键科学问题。（二）研究内容目前国内外最新研究成果已经证实，侏罗纪白垩纪古近纪是一个完整的温室气候旋回。考虑到地 质
3、旋回发育的连续性和研究对象的完整性，本项目涉及的时间跨度主要为侏罗纪古近纪，空间范围海相主要为东特提斯地区、陆相主要为中国和东亚地区（其中松辽盆地是研究的重点地区）。围绕上述两个关键科学问题，按照“从记录到重建、从状态到演变、从背景到事件、从成因到机制” 的研究思路，形成本项目如下三项相互关联和承上启下的研究内容：1 晚中生代高分辨率地质记录的建立要重建晚中生代温室地球古气候和古环境状态及其演化规律，首先必须建立晚中生代高分辨率地质记录和年代标尺，这是进行精确全球地质对比的基础。为此，本 项目拟利用晚中生代 东特提斯海相连续地层剖面与松辽盆地科学钻井陆相连续岩心剖面这两个良好的平台，分别建立海
4、、陆相晚中生代高分辨率地质记录，而后 进行海- 陆相整合性对比研究，最 终建立起晚中生代海 陆相高分辨率地质记录。具体从以下 3 个方面展开研究：晚中生代东特提斯海相高分辨率地质记录的建立：运用古生物学（如有孔虫、钙质超微、放射虫等化石）、地层学、沉积学、地球化学（如碳同位素等）、年代学（U-Pb、Ar-Ar 测年）、岩石学等多学科手段，对该区晚中生代连续地层剖面进行综合性研究，建立和完善该 地区海相晚中生代岩石、生物、年代、旋回、化学等多重地层格架，对关键事件层 （如三叠纪侏罗纪（T/J ）界线、古新世始新世界线（P/E）界 线等）建立高精度年代地层格架， 为精确厘定东特提斯海相重要地质事件
5、和快速气候变化的年代及持续时间提供依据。晚中生代东亚陆相高分辨率地质记录的建立：以松辽盆地松科 1 井和松科 2井连续岩心及相关典型剖面为平台，开展岩石地层学、生物地层学研究， 结合放射性年代学和磁性地层学研究成果，建立晚中生代东亚陆相高分辨率多重地层格架。在此基础上，利用环境磁学参数、元素地球化学、测井等古环境-古气候指标开展高分辨率旋回地层学研究，建立具有绝对年代学意义的天文年代标尺，为松辽盆地晚中生代重要地质事件和快速气候环境变化提供高分辨率年代框架，实现晚中生代海、陆相地层和全球重大地质事件的高精度对比。晚中生代海、陆相高分辨率地质记录的整合性对比研究：在已分别建立的晚中生代东特提斯海
6、相与东亚陆相高分辨率地质记录的基础上，通过生物地层、年代地层对比等手段，进行海 陆相整合性研究，并 实现 两者之间在 1.0 Ma-0.1 Ma级别上的高精度对比，建立完整的晚中生代高分辨率地质记录，为探究重大气候环境波动事件提供精确且具有全球意义的地层和时间格架。2 晚中生代古气候与古环境重建要正确了解温室地球气候-环境状态和演化规律，揭示气候环境快速变化的过程及其成因机制，首先需要对当时古气候与古环境背景进行全面了解和重建，这是捕捉和获取气候- 环境快速变化不可或缺的重要基础。本项目将利用东特提斯、东亚和中国东部等区域的地质记录和多种替代性指标方法，分别从古海洋、古湖泊、古大气 CO2、古
7、温度以及古地理等角度，重建晚中生代古气候和古环境，揭示古气候环境的演 变规律。具体从以下 3 个方面展开研究：晚中生代古海洋重建与古气候：发挥东特提斯具有晚中生代连续海相沉积记录的地域优势，利用沉积学、古生态学（有孔虫等）、微量元素、同位素地球化学、有机地球化学指标等手段，来有效地恢复东特提斯晚中生代古海洋环境（如古水深、古水温，古生产力、水体氧化 还原条件等）变化 历史。晚中生代古湖泊重建与古气候：以松辽盆地及其相关盆地关键层系为研究对象，对湖泊缺氧、海侵、关 键地质历史时期湖相生物的快速演替等重要地 质事件，以及构造、火山事件所引起的湖泊环境突变特征（如水深、水温、水体氧化 还原、盐度、酸
8、碱度等）开展古生物学、生物标志化合物、地球化学和地球物理等研究，确定这些重大地质事件发生的时间、规模、性 质，探讨这些事件对区域性以及全球气候环境演化的影响。在此基础上，研究和重建晚中生代松辽盆地及邻区的古地理，恢复晚中生代重要时期的原形盆地格局， 进而划分和重建晚侏罗世古近纪早期古湖泊地质演化阶段及环境变迁历史。晚中生代古气候重建：通过对具有气候指示意义的重要古植物类群的研究，查明其化石生物学性状、解剖结构和系统学属性，分析多样性兴衰变化和时空分布模式，揭示植被演化与古气候环境演变的关系；研究反映陆相古气候演化的沉积记录（主要包括古土壤、湖泊碳酸盐、粘土 矿物等）在古地理背景下的时空分布规律
9、，揭示其反映的古气候环境关系。采用古植物气孔参数和古土壤碳同位素相结合手段，研究在温室气候背景下，侏罗纪 、白垩纪和古近纪不同时期古大气 CO2 浓度及其变化趋势，建立重要时期高精度（时间分辨率在 0.51Ma）的古大气 CO2 变化曲线，重点 查明和捕捉中生代重大地史转折时期全球性、洲际性、区域性的能够反映快速气候环境变化事件的 CO2 波动信息，并探讨其成因和机制。晚中生代古地理重建：以“世” 或重要时段为研究单 元，重建中国晚中生代重要时期的气候- 古地理图景。在厘定中国晚中生代地层框架基础上，充分利用海陆分布、大地构造、盆地演化、盆山界线、古地貌变化以及沉积环境及沉积相等方面的资料，重
10、建中国晚中生代重要时期的古地理面貌。在此基础上， 结合古生物地理学、地球化学、粘土矿物组合及特殊沉积记录 （如:古土壤、湖泊碳酸盐、风成砂岩、钙质结核、煤层、膏 盐）分布等证据， 进行晚中生代重要时期的古气候带划分，在古地理基础上集成编制有关重要时期的古气候分带图，并揭示古气候的变化趋势，探讨古地理演化与气候带变迁之间的关系。3 晚中生代重大地质事件与快速气候-环境变化关系晚中生代-古近纪温室地球时期发生了一系列重大地质事件，包括重大生物演化事件（如 T/J、K/Pg 界 线生物大绝灭事件等）、古海洋事件（如大洋缺氧及富氧事件等）以及岩浆-构造事件（如大火成岩省事件、PETM 事件、印度/亚洲
11、板块的碰撞所导致的东特提斯关闭事件等）。这些事件被认为与快速气候-环境变化之间存在密切的关系，并在东 特提斯（海相）与东亚（陆相）地层记录中具有不同程度的显示。本项目拟以东特提斯与中国东部连续地质记录为平台，研究晚中生代重大地质和生物演化事件与快速气候-环境变化之间的耦合关系，探讨晚中生代全球性快速气候- 环境变化事件的演化过程与成因机制。具体从以下 3 个方面展开研究：重大生物演化事件与快速气候-环境变化关系：采用地球生物学、同位素/有机地球化学和地层古生物学的最新理论与方法，结合室内模拟技术手段，研究中国晚中生代温室地球快速气候变化时期典型地质微生物功能群（光合作用菌、产甲烷菌及甲烷氧化菌
12、、硝化反硝化菌、硫酸盐还原菌） /宏体生物群（植物、无脊椎动物、脊椎动物等）对温室地球 环境条件变化（温度、湿度、主要温室气体）的响 应过程与机理、以及生物群对温室效应的反馈及机理，解释与实证温室时期气候-环境-生物之 间的相互关系，为预测全球气候环境变化的生物响应提供科学依据。晚中生代大洋缺氧富氧事件与快速气候-环境变化的关系：以东特提斯洋侏罗纪古近纪若干实测剖面连续、高分辨率的地质记录为研究平台，利用沉积学、古生物学、古生态学、矿物学（如纳米级铁矿物研究）、地球化学（如微量元素分析、碳同位素分析、生物标志化合物、铁同位素等）等多学科方法，研究早侏 罗世Toarcian 期和白垩纪 OAE2
13、 等大洋缺氧事件、白垩纪大洋红层富氧事件、 P/E事件的特征及成因机制，提取这些事件所富含的古环境与古气候信息，进而探讨大洋缺氧富氧事件、P/E 事件与快速气候- 环境变 化之间的耦合关系。东特提斯晚中生代重大构造古地理事件与气候-环境变化：晚中生代期间东特提斯域发生了一系列重大构造-古地理事件，包括早白垩世大火成岩省事件（LIP）、冈瓦纳大陆最后裂解事件、印度/亚洲板块初始碰撞事件和东特提斯海的关闭事件等。拟以东特提斯范 围的我国西藏南部若干实测 剖面连续、高分辨率的地质记录为研究平台，利用地 层学、沉 积学、岩石学、构造地质学、碎屑年代学（碎屑锆石 U-Pb-Hf）、地球化学（如 Sm-N
14、b 同位素、微量元素分析等）等多学科方法，研究这些重大地质事件 发生的时间、 规模、性质 ，探讨这些事件对全球以及区域性气候环境演化的影响。二、预期目标（一）总体目标：以地球系统科学作为指导思想，以“ 深时”研究作为学术思路，重建晚中生代温室地球古气候和古环境状态及其演化规律，揭示温室地球气候环境快速变化的过程及机制，探究自然条件下所形成的长周期温室气候环境变化的成因和机制，总结 温室气候的自然演变规律，为应对人类面临的全球变暖趋势提供科学依据。促进地球系统科学交叉结合，推动“深时”研究学科发展。优化古气候替代指标，形成并掌握古气候环 境研究的技术方法体系，促进海陆整合对比研究， 为发展地球系
15、统科学理论和应用做出原创性贡献。整合高等院校、科研院所和国有大型企业的研究力量，推进 交流和合作， 汇聚和锤炼 “深时”研究人才队伍，培养一批国内外知名的中青年专家，提高中国科学家在地史时期温室气候变化领域的综合学术优势。为未来全球 变化研究提供支撑， 为 丰富和深化陆相石油和煤炭等化石能源的勘探开发提供科学依据。（二）五年预期目标：通过本项目的实施，在理论、方法、技 术、人才培养和成果等方面的具体五年目标如下：1 理论创新目标：重建东特提斯洋和东亚陆地晚中生代温室地球古气候和古环境状态及其演化规律，揭示温室地球气候环境快速变化的过程和特征，在探究自然条件下所形成的长周期温室气候环境变化的成因
16、和机制方面形成创新性理论成果。2 方法目标：发展和完善晚中生代古气候重建的地质记录和替代指标（如TEX86 古温度参数，地微生物模拟等），建立高分辨率的晚中生代 CO2浓度变化曲线，为我国未来“地球时间（Earth Time）”研究提供可资借鉴的实例。 3 技术目标：在国际大陆科学钻探计划（ICDP）和中国地质调查局支持下，实施“松科 2 井 ”对泉头组火石岭 组地质记录的科学 钻探及综合研究，预计取心总长度 6500 米。4 人才培养目标：培养博士研究生 30 名左右、硕士研究生 60 名左右、相关研究领域中青年学术带头人和科研骨干 10 名左右，造就一支既相对稳定又充满活力的多学科交叉的“ 深时 ”研究队伍。 5 成果目标：在国际重要 SCI 刊物上发表 60-80 篇高 质量的科学论文，在国 际重要刊物出版专辑，出版 总结 晚中生代温室地球与气候 环境变化方面的系统专著。组织 深时和地史关键时 期快速变化国际会议，并在其它大型国际学术会议上组织专
