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李明松
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研究领域

旋回地层学与天文年代学


地质年代表是地质学、古气候学、古生物学和其他地学学科用来描述地质事件的时间和关系的共同语言。不幸的是,大多数传统地质年代的分辨率仅约为百万年级别。对沉积物中记录的米兰科维奇旋回(天文周期)的研究导致了天文年代学的兴起。


最主要的天文周期:偏心率周期(400千年,100千年),斜率周期(41千年)和岁差周期(约20千年)


旋回地层学是“地层学解读时间的第三里程碑”。它通过解读地层中记录的天文信号,来建立连续的、高精度的天文年代标尺。目前国际地质年代表的新生代部分已经校准完毕,中生代和古生代年龄的天文校准正在进行。


地质年代表(credit: Ray Troll)


天文年代学是目前唯一能在深时提供连续和高分辨率年代标尺(可达千年级别的分辨率)的方法,这是朝着高精度地质年代表的最终目标迈出的关键一步。我们已经在三叠纪、古新世–始新世和上新世等时期开展了天文年代学的研究(Li et al., 2016 EPSL; 2017 EPSL; 2018a EPSL; 2019; Su et al., 2019, G3; Zhang et al., 2015 Palaeo3)。


例如,三叠纪天文年代学为研究碳循环扰动,生物多样性变化和海平面波动提供了高分辨率的年代标尺;这一标尺可以帮助我们更好地理解多个显著的全球变暖事件,例如二叠纪末期的生物大灭绝和变暖事件及史密斯晚期极热事件等。这一天文年代标尺经常被作为全球地层对比的参考。


天文校准早三叠世地质年代表(Li et al., 2016 EPSL)


海平面与地下水之间缺失的链条

世界上约三分之二的大城市位于海拔不到10米的沿海低洼地区。政府间气候变化专门委员会(IPCC)对海平面的估计表明,到21世纪,全球平均海平面将会上升0.52至0.98米;同时,IPCC认为地下水变化对海平面上升的贡献很小。这些估计基于当今“冰室地球”的海平面模拟结果。

然而,众多地质证据表明,在缺乏冰川的温室时期,例如三叠纪时期和白垩纪时期,海平面发生了多次巨大而迅速的周期性变化;其原因仍然是一个谜。毫无疑问,这挑战了当前基于“冰室地球”的海平面变化模型的可靠性。


早三叠世热室时期古海洋艺术想象图(绘图:H. Duan)


为此,我们首创了沉积噪声模型,用于从海相地层中的沉积信号反演古海平面变化。研究发现,古海平面与内陆湖泊水位之间存在反相位的关系。这说明在三叠纪的超级温室中,水体在海洋和地下水之间发生了频繁的“跷跷板运动”(Li et al., 2018 Nature Communications)。

结果还表明,由于地球斜率的周期性变化,海洋与陆地之间的大量水交换正是温室时期海平面与地下水位变化的缺失链条。随着当今地球继续朝着更温暖的气候和更低的自转轴的斜率方向发展,全球海平面的长期预测研究应当重新评估气候和地下水的变化因素。


地下水变化驱动全球海平面变化的示意图(绘图:H. Duan)(Li et al., 2018 Nature Communications)


由于资料匮乏,地下水活动的地质记录仍不清楚。在密西西比河上游河谷地区,闪锌矿矿床的生长及其条带的形成是受近地表地下水渗入深层地下水影响的过程,这为考察地质历史时期的地下水变化提供了难得的机遇。

闪锌矿颜色条带的时间序列分析表明,二叠纪闪锌矿的沉积过程受米兰科维奇周期的影响(Li and Barnes, 2019 GPL 封面论文)。该证据不仅为评估密西西比河谷型铅锌矿床的形成提供资料,而且为探索全球水循环密切相关的深层地下水活动及其气候意义打开了新的思路。

闪锌矿样品的彩色照片。比例尺: 2厘米

闪锌矿灰度序列分析。灰度值(黑色)及其线性趋势(紫色)。去趋势后的数据(灰色)以及32毫米(红色虚线、短偏心率周期)和9毫米(蓝色、斜率周期)高斯带通滤波曲线


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杂志封面:由于太阳系中行星引力的相互作用(顶部),地球的自转及其绕太阳的公转随着时间的推移而变化。这些天文轨道驱动力导致了大气层顶部的日照量的周期性变化,进而控制了降水强度和地下水活动。该过程最终记录在美国上密西西比河谷地区的二叠纪闪锌矿(灰色矿物)和黄铁矿(黄色矿物)的颜色条带中。这项研究表明,闪锌矿带可以用作地史上地下水(蓝色)的“指纹”。绘图:H. Duan

古气候变化

基于中生代和新生代温室时期的研究,我们在一定程度上推进了对古气候变化机制的理解。

在二叠纪末大灭绝后,地球经历了长达五百万年的多次全球温度和生态系统的大规模动荡。这些气候和生态灾难的原因尚不清楚。申请人首次提出120万年地球的斜率长周期与这些气候和生态动荡有关(Li et al., 2016, Geology,封面论文)。

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早三叠世时期天文驱动的地球系统变化(Li et al., 2016, Geology)


天文控制的早三叠世生命的大灭绝与复苏(Li et al., 2016; 绘图:H. Duan)


古新世–始新世极热事件(PETM)具有过去6600万年来地球大气中的最高碳释放速率。PETM的研究有助于回答一些气候系统的基本问题,例如温室时期的气候敏感性是否与冰室时期不同,以及气候反馈如何使全球保持持续的温暖状态。数据同化技术可以将来自气候替代指标的信息与气候模型的结果有机结合,动态重建气候和环境的时空演化过程。

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古新世–始新世极热事件想象图(Kump, 2011)

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PETM的全球变暖重建(Li et al., in prep.)


地学软件开发

优秀的专业软件往往可以推动学科的发展。沉积物中米兰科维奇信号的识别常常是一项十分耗时且主观性强的过程。申请人开发并开源了一款用于分析时间序列的软件包(www.acycle.org)(Li et al., 2019)和一种用于沉积速率可视化的新技术(Li et al., 2018 EPSL)。


Acycle logo


这得到了国内外同行的广泛好评。例如,弗吉尼亚理工大学的J. Fred Read教授说:“这确实是对地球科学界的惊人贡献”。

普渡大学的James Ogg教授写道:“他的Acycle软件将成为所有国际工作者进行地质时间应用的标准工具”。


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