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百日百篇-010 nature-古沙漠记录的联合古陆超级季风

已有 781 次阅读 2020-12-5 22:14 |个人分类:百日百篇|系统分类:论文交流

一篇老文章了,是Loope在2001年发在nature上的《Annual monsoon rains recorded by Jurassic dunes》

说出来倒也不怕丢人,相比昨天那篇看了好几遍过了一年才懂的ESR而言,这篇不到三页的文章我可能过了两年多才稍微读懂一些。是科学问题难吗?不是的,只是用结论的话,大家都能很快抓住要点。

这篇文章更难的是,如何得到这个结论。因为里面牵涉了很多沉积的东西,而沉积更像是一门经验,除了多读多看多跑,没有什么简单的办法。想起之前老板问我们有没有什么难处,我说沉积的东西看不懂,老板叹了口气,说,只能死读上那么两三本书才能学会。

平时看文章读东西也很飘,沉积这块磨时间,还不容易懂。哪怕是早早就知道以后自己要做的东西,一直也没狠下心来攻克这块。好在师兄短暂的帮助过我一阵,当时他说他也被安排做这个方向,两个人一起读文章、一起讨论,那一两个周确实进步不少。

言归正传,下面对文章进行总结。



科学问题

研究区位于现今美国西部的navajo地区,也就是著名的navajo sandstone。这套砂岩为三叠-侏罗世沉积,位于联合古陆时期的大陆西边。

问题在于古沙漠的气候意义是什么。长期以来,大家认为古沙漠大抵在行星风系中副热带高压控制的干旱带内形成,而这篇文章创造性地从古沙漠中提取到古季风信息,论证了超级大陆内的超级季风存在,至今,这篇文章仍被当做支持超级季风的一个关键证据使用。

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古沙漠的沉积旋回包括了什么?

就像刘先生在三门峡对着黄土-古土壤问他们的旋回一样,对于古沙丘迁移导致的旋回我们也所知甚少。

从结构上,每一套旋回内包括20-50层grainflow,也就是沙丘迁移中的颗粒崩落层,grainflow层之间为粉砂质的薄层沉积;而旋回终点是一个沉积间断面,上覆风波沉积(wind ripple)。这样的一个旋回厚约七八十厘米,最厚也有一米多。

沙丘在盛行风向作用下沿风向迁移,因此古沙丘沉积中记录了古风向信息。上述的一个旋回中,颗粒崩落层记录了西北风的风向,而风波沉积记录了相反的东南风风向。

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一个旋回对应了什么信息?

如何将沉积的气候信息解释出来,这可能是做传统沉积学最头疼的一件事了。对于旋回而言,本身就可以指示不同尺度的变化。更何况沙漠地区侵蚀作用强烈,很难对一套旋回地层建立高分辨率的年龄框架。

这篇文章中最大的亮点在于,将古沙漠沉积旋回解释成年际信息。在其时间跨度上,作者并没有做过多考虑,认为10年的太阳黑子周期很难留下记录。而对现代沙漠地区的观测记录显示,一年内出现20-50次的短暂风向漂变事件,也会形成上述的几十层迁移序列,这个证据也被作者当做年际旋回层的关键证据。

如果现在我们去看这套沉积,很有可能并非将其当做年际尺度变化,岁差、偏心率均有可能。对于短期风沙时间的持续时间也很难说清楚,在没有更好的解决方案之前,年际尺度尚还可靠。

古沙漠旋回中的古季风信号

如果将上述旋回看作年际变化信息,那么沉积学上的倾向改变可以看作年内的风向漂变。所谓的季风,就是季节性变化的风,单个古沙漠旋回由此记录了季风信号。

不仅记录了风向信息,沉积记录中还包含了季风降水信息。沉积终止时广泛发育的同沉积构造,即软沉积变形。这种沉积变形通常包含大量的粗粒碎屑物质,以及小规模的揉皱。这样的沉积特征在分选、磨圆很好的风成沉积中很难见到,反而在水成中较为常见。通过详细的沉积学分析,这样的一套沉积被认为是暴雨条件下,沙丘含水量增加诱发的湿垮塌事件。

因此,这样的一套沉积旋回中,记录了年际内的风向、降水变化,由此建立了超级大陆时期的季风信息。

那么这样的超级季风是什么特点呢?

在冬季,太阳直射南半球,ITCZ南迁,大陆上高气压发育,盛行从陆地向海洋的西北风。干旱条件下,沙丘迁移较强,形成了连续的沙丘迁移层。

而在夏季,太阳直射北半球,ITCZ也位于北半球,超级大陆升温较快,大陆内部形成低压区,特提斯洋的水汽在强劲的东南风下推进内陆,带来大量降水。风向改变,沙丘迁移风向改变,原先的背风坡沉积终止,变为迎风坡,表面发育大量的风波爬行纹层。大量降水下,沙丘内部水分饱和,发生垮塌,形成这样的中断层。

在当时,这样的解释与前人的气候模拟结果一致,有力支持了当时的古季风存在。

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季风旋回的下一站在哪?

而现在再看这个研究的结果,其实很多地方还是值得商榷。比如前面说到的旋回时间跨度,如果没有相对可靠的年代证实,那么这种年际尺度的解释很不可靠。第四纪的连续风沙记录尚无法做出这种年际变化,更何况200Ma年前的早侏罗。

再一个疑点在于沉积结构的特征。从沉积学角度看,风沙的沉积对应的是最适合积累的时间段,而非风沙活动最强的时间。因此,相对于干旱的冬季而言,这个连续迁移记录可能是相对湿润的春或秋季信息。而冬季连续剥蚀作用下,侵蚀面也相对不发育,这样反过来又对他的年际尺度解释打上疑问。

很奇怪的是,这个漂亮的工作这么多年以来一直不温不火,接着做其他剖面的没有,Navajo砂岩鲜有后续的古气候研究成果推出。不禁让人疑问,古沙漠的古气候研究是不是就到此终止了。

其实自己更关心的是,这样的东西能否重复。对于深时广布的古沙漠沉积,能不能在找到相似的沉积构造。考虑到东亚季风的形成历史,找到这样的一套东西可能有极其重要的古气候意义。

超级大陆与超级季风,需要很多方面的研究,包括构造、季风、古地理、模拟等等。但我想对于季风的研究,可能不仅要专注在新近纪这一块,不仅要把眼光放到古近纪,更要放到白垩、侏罗,因为那些地方可能才是季风演化的另一个根源。而具体研究上,我想也应该适时转换思路,湿润的增加是季风,干旱的消亡也是。

有时候,从反面看问题也许会更能说明问题。




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