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论文信息：Salman A. M., 王学婷, 陈祚伶, 崔琳琳, 李洪伟, 王旭*. Extreme warming and pulsed volcanism during the Paleocene-Eocene Thermal Maximum[J].Science China Earth Sciences, 2026, 69: 2561–2574. DOI:10.1007/s11430-025-1944-y. |
古新世-始新世极热事件（PETM，约5600万年前）是新生代最显著的快速增温事件之一，其特征为全球升温5–8℃、广泛的大洋酸化以及碳循环的巨大扰动。但是，该事件的触发机制和演变速率长期存在争议。尽管PETM期间向海气系统注入了数千吉吨（Gt=10亿吨）的碳，但其来源问题——涉及甲烷水合物分解、永久冻土融化、北大西洋大火成岩省（NAIP）火山喷发，乃至泥炭地野火燃烧——长期以来始终是学界争论的焦点。同时，在低纬地区，该事件的增温幅度也不清晰。
中国科学院地质与地球物理研究所环境演变与碳循环学科中心（沉积与地球环境学科组）的Abdelhamid M. Salman博士、王学婷博士、陈祚伶研究员、崔琳琳高级工程师、李洪伟高级工程师和王旭研究员对埃及北部Tarfa剖面开展了高分辨率多指标研究。该剖面位于南特提斯洋边缘，完整记录了整个PETM层段 (图1)。研究团队应用了三种互补的代用指标：汞含量（火山活动示踪剂）、碳同位素（追踪碳循环扰动）以及碳酸盐团簇同位素温度计（重建绝对古温度）。
图1 研究区古地理及位置图。（A）古新世-始新世极热事件（PETM；约5600万年前）古地理重建图（改编自大洋钻探地层网络古地图项目；Hay 等, 1999），标示了北大西洋火成岩省（NAIP）周边的20个研究点位。其中，该研究剖面以橙色圆点标示；汇编数据点位以红色圆点显示。北大西洋火成岩省近端点位底图修改自Jones M T 等（2019）。（B）研究区位置放大图，显示研究剖面的现今位置（橙色圆点）。红色圆点表示Dababiya剖面（古新统/始新统界线GSSP剖面）；黑色圆点表示其他含PETM地层剖面。虚线概略表示晚古新世—早始新世古水深（据Speijer 和Van der Zwaan, 1994；Speijer 等, 2000）
研究结果显示，PETM之前的背景温度平均约34.2°C。在PETM开始阶段，碳酸盐含量骤降至0.3%，指示强烈溶解，而Hg/TOC比值达到峰值273 ppb/wt%，表明脉冲式NAIP火山活动触发了初始碳释放。到PETM主体阶段，温度升高至42.2°C，最大增温幅度为8°C。然而，该极端升温以及最大碳同位素负漂（~–4‰）在时间上滞后于汞峰值数千年，表明仅靠火山活动不足以维持最大增温 (图2)。研究团队提出，初始火山增温导致甲烷水合物失稳，释放了额外的轻碳，通过正反馈加剧了变暖。
图2 埃及Tarfa剖面PETM层段地球化学替代指标。（A）碳酸盐含量（wt %）；（B）碳酸盐碳同位素（δ13Ccarb）；（C）总有机碳同位素（δ¹³CTOC）；（D）总有机碳（TOC）含量（wt %）；（E–F）汞（Hg）含量及Hg/TOC比值；（G）基于全岩碳酸盐和有孔虫壳体的碳酸盐团簇同位素温度（T-Δ₄₇），古温度重建分别采用Anderson 等（2021）全岩碳酸盐方程和Meinicke 等（2021）有孔虫方解石方程。阴影区域表示PETM前时段（含始前漂移POE），其后依次为PETM各阶段：开始阶段、主体阶段和恢复阶段
该研究还指出，PETM期间低纬度地区夏季温度超过42°C，可能超过了多数海洋生物的热耐受上限，挑战了“热带恒温器”假说。研究结果表明，NAIP既是直接的碳源，也是甲烷水合物分解的催化剂，产生了级联增温效应 (图3)。这种多指标方法为理解地球深部和浅部碳库在快速变暖过程中的相互作用提供了有效手段。该研究强调，PETM可作为现代人为变暖的关键古气候相似型，其碳释放方式与增温幅度准确厘定将为未来气候变化的数值模拟提供重要约束。
图3 PETM前及PETM碳同位素负漂（CIE）期间的概念模型，展示了极端气候变暖、环境强迫与火山喷发之间的相互作用。（A）PETM之前阶段，显示碳酸盐含量下降，T-Δ₄₇异常升高约3°C，伴随碳记录中约-1.0‰的负偏。同时，Hg/TOC比值指示值升高，标志着脉冲式火山活动。（B）PETM开始阶段与升高的汞水平相一致，表明NAIP火山活动在碳释放中发挥了主要作用，从而触发了全球PETM变暖。（C）PETM主体阶段与δ¹³C记录的最大负漂（~ -4‰）和8°C的最大增温幅度相关联，表明至少存在另一个碳储库响应初始变暖释放了大量温室气体，以维持最大增温。（D）PETM恢复阶段，以碳酸盐岩沉积为特征，古温度下降，伴随有孔虫物种丰度增高。（NAIP：北大西洋火成岩省；T：Tarfa剖面；白色星号表示依据Speijer 和 Van der Zwaan, 1994；Speijer 等, 2000估算的研究剖面潜在古水深）。值得注意的是，PETM之前及PETM阶段的NAIP火山侵位活动与前人研究结果相一致（如Svensen 等, 2004, 2010；Storey 等, 2007；Frieling et al., 2016；Wilkinson 等, 2017；Jones M 等, 2019）
Salman AM（博士后）
