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白垩纪地球表层系统重大地质事件与温室气候变化
(2006CB701400)

1、项目简介

国家“973计划”项目《白垩纪地球表层系统重大地质事件与温室气候变化》于2006年启动,由中国地质大学(北京)为项目承担单位,参加单位有中国地质科学院地质研究所、中科院南京古生物所,成都理工大学、吉林大学、中科院广州地化所和大庆油田等。上述单位共约70名固定研究人员,共同组成了一支“产--研”相结合的研究队伍。项目以白垩纪与碳循环相关的重大地质事件和温室气候变化的关系为主线,以大洋缺氧事件-富氧作用转变过程和机制研究为突破口,进行海陆相整合研究,重点追溯东特提斯洋和我国大陆地球表层系统重大地质事件的记录,探讨了这些事件与碳循环、快速气候变化的正/负反馈机制。取得了多项重要进展。

本项目包括六个课题:1)中国白垩纪重要时期的古气候重建;2)海相白垩纪重大地质事件与气候变化;3)白垩纪重大地质事件陆相沉积响应与气候变化;4)白垩纪古气候变化与陆相大规模烃源岩形成;5)白垩纪陆地生物群辐射演化、更替与气候变化;6)白垩纪重大地质事件与温室气候变化综合研究。

2、研究成果

项目严格按照项目计划任务书中的计划执行各项任务,紧紧围绕着关键科学问题,开展了科学钻探,野外考察和科学研究,完成了项目研究任务,已达到了项目预期目标。取得了下述五个方面重要突破进展和原创性成果。

1)松科盆地大陆科学钻探工程的实施——松科1

为解决白垩纪陆相沉积剖面出露不完整、露头差、样品难以采集等问题,项目在松辽盆地北部中央凹陷区实施了白垩纪大陆科学钻探工程-松科1井。为兼顾科学目标和工程实际需要,钻孔设计中创造性的采用了一井双孔方案。松科1井在工程技术上集成创新了超长连续岩心高取心率技术,并且发明了长井段岩心长期保真保存技术。在松科1井实施过程中,为了确保长井段连续岩心高收获率,创新性的集成使用了配套取心技术与管理体系和特殊取心技术。同时项目组发明了用于科探井岩心可观察、可进行物理探测的长期保真(保质保形)保存技术。该项技术采用了水晶树脂塑封-有机玻璃托槽,可以抗老化、抗温差、透明性强、硬度高。应用上述塑封材料并采用一系列系统工艺实现对岩心的长久保存,主要包括岩心归位剖切、岩心规整、岩心浇铸、浇铸岩心体剖切、岩心表面封护和岩心表面抛光6个工艺,处理后的岩心浇铸体使岩心与空气隔绝,免受破碎与风化的危险,且不影响科研人员观察和描述。

2)从缺氧事件到富氧作用:黑色页岩与大洋红层

在白垩纪远洋沉积研究中,最先由我国学者提出的、发源于我国西藏的白垩纪大洋红层Cretaceous Oceanic Red Beds,简称CORB)已经成为白垩纪研究领域的一个新科学前沿,为我们逐渐认识白垩纪大洋红层及其与古海洋、古气候之间的关系提供了良好契机。

本项目通过对全球不同剖面和露头CORB的岩性总结、沉积环境分析、时代对比和古地理位置恢复,获得CORB的时空分布规律。对意大利、中国西藏、土耳其和北大西洋等立典剖面开展系统研究,包括地层学、古生物学、岩石学、矿物学、沉积学、地球化学、同位素地质学等多学科综合研究方法。并运用地球系统科学的研究思想,结合古海洋学和古气候学相关理论和方法,建立了大洋红层和“黑-红”转变的模型。

3)松辽盆地白垩纪温室气候记录及古湖泊演化

尽管白垩纪重大地质事件的记录不断地在世界各地被揭示出来,但是科学界对这些重大地质事件的成因机制及其所引起的全球变化性质还没有形成一致的意见,原因之一就是缺乏对陆地相应沉积记录的研究。本成果以松科1井连续岩心为主线,结合邻区钻井资料及地表剖面,通过开展对松科1井厘米级的采样,共获得了3万余个实验数据。以此为基础,进行了地层学、岩石学、沉积学、各门类古生物学、旋回地层学、古地磁学、地球物理学、生物标志化合物和有机地球化学以及同位素年代学等研究,并采用了以介形虫氧、碳同位素和TEX86恢复古温度等新方法、新技术。全面修订了我国陆相白垩纪年代地层并建立了晚白垩世陆相多重地层格架,通过多学科证据明确松辽盆地海侵和湖泊咸化事件,创新性应用陆相介形类壳体进行地球化学测试并对古湖泊环境作出了解释,建立了松辽盆地古气候旋回的地球物理替代指标。

4)来自陆相记录的白垩纪CO2浓度定量重建与古气候模拟

项目以中国侏罗纪-白垩纪典型区域为切入点,利用银杏类和松柏类等植物化石气孔参数,结合古土壤分析结果。获得白垩纪植物化石气孔参数并恢复了古大气CO2浓度,获取了中国侏罗-白垩纪古土壤CO2浓度值,同时建立了国内首个可用于白垩纪古气候模拟的复杂气候系统模式,有效开展东亚地区白垩纪气候模拟。

5)白垩纪陆地生物群演化与环境变化的关系

项目主要围绕鸟类起源、真兽类哺乳动物起源和被子植物的起源研究的总体目标,充分利用我国冀北、辽西地区得天独厚的古生物资源,结合高分辨率地层划分、地质年代学和地质环境分析等手段,探讨生物群发生重大变化的性质和原因。通过盆地发育历史的研究和孢粉分析,描述气候变化的过程和特征,勾画出气候变化的图谱。取得了一系列理论古生物研究的新发现和新成果,深化了热河生物群研究,推动了古生物学和地层学的学科发展,热河生物群演化5个阶段的划分和生物群更替的避难所模式的提出为探讨生物群演化和更替与环境变化提供了理论基础。

3、验收结论

在项目研究人员和承担单位的共同努力下,各课题在验收总结会上均以优秀的成绩通过验收,项目全面完成了各项工作任务。项目于201011月通过科技部专家组验收,获得“良好”的成绩。