古近纪-新近纪全球大气粉尘沉积速率变化特征：基于煤灰产率的定量研究

《Journal of Palaeogeography》：Variation characteristics of global atmospheric dust deposition rates during the Paleogene–Neogene periods: A quantitative study based on coal ash yield

　　

大气粉尘是全球气候系统的关键组成部分，它不仅响应全球变化，而且是驱动气候系统变化的主要影响因素之一。大气粉尘的排放、输送和沉积与源区气候条件、风力强度和大气环流路径密切相关，在海洋和陆地环境中主要营养元素及微量营养元素的循环中发挥着重要作用。每年约有2000兆吨(Mt)的大气粉尘排放到大气中，其中75%沉积在陆地，25%沉积在海洋。大气矿物粉尘为海洋和陆地生态系统提供了大量的微量营养元素(如铁和磷)，这些养分对海洋浮游植物的生长和陆地生态系统的维持至关重要，可促进固氮作用和CO₂封存，同时调节大气CO₂浓度，从而影响全球生物地球化学过程——包括植被生长和动植物的演化。作为大气气溶胶的关键组成部分，大气粉尘通过调节云的形成和微物理特性、地球表面-大气系统的能量和水分收支以及跨圈层生物地球化学循环，显著调节全球气候系统。大气粉尘颗粒还可作为云凝结核(CCN)或冰核粒子(INPS)，从而改变云滴的尺寸分布、光学特性和寿命。这些微物理变化间接调节区域降水格局以及地表和大气之间的能量分配，最终影响全球气候系统。此外，大气粉尘浓度与盛行的气候条件密切相关。在冰室条件下，冰川扩张导致气候变得更加寒冷和干燥。这种冷干环境抑制了植被生长，增加了裸地面积，并加速了干旱化进程，共同提高了大气粉尘的背景水平。相反，温室变暖促进了冰川消融，并通过增强地表蒸发和大气水汽容纳能力而增加降水。随着高纬度至低纬度温度梯度逐渐减弱，温带地区持续扩展；同时，增加的降水进一步抑制了干旱环境的发展，导致干旱区逐渐收缩，大气粉尘浓度总体较低。地质历史时期的大气粉尘沉积记录包含了关于地质过程的关键信息。冰芯、泥炭地、深海沉积序列和黄土沉积等地质档案为追踪大气粉尘物源和重建古气候条件提供了关键记录。其中，泥炭作为大气粉尘的非径流载体，其沉积序列可用于重建泥炭堆积期间的大气粉尘沉积历史，从而增进对古气候和古环境演化的理解。泥炭在前第四纪地质记录中以煤和褐煤的形式广泛保存。煤中的无机组分可以提供成煤期大气粉尘沉积的高分辨率记录，进而有助于更好地理解大气粉尘沉积的长期趋势。目前关于第四纪以前煤源大气粉尘的研究主要集中在古生代的二叠纪和中生代的侏罗纪和白垩纪。Marshall等人(2016)和Zhang等人(2024a)使用煤灰产率作为成煤期大气粉尘的替代指标，分析了全球陆地上大气粉尘的输送路径和沉积速率模式，进一步加深了对时间序列中粉尘变化趋势的理解。古近纪-新近纪是新生代气候-生态转型的核心阶段，在此期间全球气候经历了从"温室气候"到"冰室气候"的关键转变。这些时期还受到青藏高原隆升等重大地质事件的影响。这些时期的环境演化为现代地球系统格局的确立奠定了核心基础。此外，这些时期是关键成煤期，广泛发育的含煤地层为高分辨率重建大气粉尘记录提供了独特载体。然而，目前对新生代煤源大气粉尘的沉积特征、时空演化规律和驱动机制的认识仍处于初步阶段，这限制了对前第四纪粉尘的研究。因此，重建古近纪-新近纪煤源大气粉尘沉积格局，不仅填补了该地质时段粉尘研究的空白，而且为古气候学和古生态学研究提供了重要补充，对深化理解地球多圈层相互作用具有不可替代的科学价值。基于区域地质历史时期煤中无机组分平均含量主要由大气粉尘供给这一假设，研究人员系统收集并补充了全球古近纪和新近纪沉积时期作为煤中无机组分含量替代指标的煤灰产率测量数据，建立了全球煤灰产率数据库。通过应用长期碳积累速率(LORCA)方法，研究人员估算了这两个关键地质时期全球陆地区域的大气粉尘沉积速率，并阐明了这些沉积速率的分布特征和规律。此外，研究人员进行了比较分析，以检验古近纪和新近纪之间大气粉尘沉积速率的差异。最后，研究人员系统研究了控制大气粉尘沉积速率量级、空间分异和演化动态的关键驱动因素。

**论文解读：古近纪-新近纪全球大气粉尘沉积速率定量重建与驱动机制研究**

**1. 研究背景与科学问题**

大气粉尘是全球气候系统的关键组成部分，既响应全球变化，又作为驱动气候系统变化的主要因素之一，通过调节云的形成与微物理特性、地表-大气系统的能量和水分收支以及跨圈层生物地球化学循环，深刻影响全球气候。大气粉尘每年约向大气排放2000兆吨(Mt)，其中75%沉积在陆地，25%沉积在海洋。矿物粉尘为海洋和陆地生态系统提供铁、磷等微量营养元素，促进固氮作用和CO₂封存，进而影响植被生长和动植物演化。地质历史时期的大气粉尘记录蕴含丰富的地质过程信息，冰芯、泥炭地、深海沉积序列和黄土沉积等地质档案为追踪粉尘物源和重建古气候提供了关键载体。泥炭在前第四纪地质记录中以煤和褐煤形式广泛保存，煤中无机组分可提供成煤期大气粉尘沉积的高分辨率记录。目前煤源大气粉尘研究主要集中于古生代二叠纪和中生代侏罗纪、白垩纪，而对新生代古近纪-新近纪这一关键气候转型期（全球气候从"温室"向"冰室"转变，伴随青藏高原隆升等重大地质事件）的煤源大气粉尘研究仍处于起步阶段。重建该时段大气粉尘沉积格局，对于填补前第四纪粉尘研究空白、深化理解地球多圈层相互作用具有重要科学价值。

**2. 研究方法与技术路线**

研究人员基于区域地质历史时期煤中无机组分平均含量主要由大气粉尘供给这一假设，系统收集全球古近纪和新近纪煤的灰产率(Ad, %)和碳含量(Cdaf, %)数据，建立包含古近纪1463条和新近纪1876条记录的全球数据库（数据来源于全球主要含煤盆地，缺失的碳含量用当地煤的平均值插补）。采用长期碳积累速率(LORCA)方法，结合PointTracker v7h将现代盆地坐标转换为古近纪(60 Ma)和新近纪(10 Ma)沉积古纬度，应用基于全新世泥炭碳积累速率与纬度关系的线性模型估算成煤期持续时间，进而利用煤灰产率与碳积累时间之比定量计算大气粉尘沉积速率。运用ArcGIS和Surfer软件，结合Boucot等人(2013)的古地理图和干旱带分布模型，通过克里金插值生成煤灰产率和大气粉尘沉积速率的全球等值线预测图，并依据地质过程逻辑（干旱带分布、板块构造格架、大气环流轨迹和已知含煤序列沉积特征）对插值结果进行校准。研究中排除了煤灰产率超过50%和粉尘沉积速率超过35 g/m²/年的数据以剔除水成碎屑影响。

**3. 研究结果**

**3.1 古近纪煤灰产率和大气粉尘沉积速率分布特征**

古近纪煤灰产率等值线图显示，最高值(约29%–40%)出现在亚洲中东部、东北部、西南边缘带、欧洲西南部和非洲中东部；中等值(约17%–24%)出现在格陵兰和北美大陆部分地区；最低值(约0%–16%)分布于北美中北部、南美北部和南部、北欧、东南亚、印度及澳大利亚和新西兰部分地区。大气粉尘沉积速率呈现系统性区域分异，最高值(约19–30 g/m²/年)出现在亚洲大陆西南沿海和欧洲南部；中等值(约10–18 g/m²/年)位于印度北部和亚洲中东部；最低值(约0–12 g/m²/年)见于亚洲东北部、高纬度地区、东南亚、印度中部、格陵兰、北美、南美及澳大利亚和新西兰部分地区。

**3.2 新近纪煤灰产率和大气粉尘沉积速率分布特征**

新近纪煤灰产率等值线图表明，最高值(约29%–40%)出现在欧洲南部和中东部、非洲东北部及东南亚；中等值(约17%–24%)见于北美部分地区、南美北部和亚洲中东部至东北部；最低值(约0%–16%)分布于东南亚、印度、澳大利亚、新西兰、南美南部和欧洲西北部。大气粉尘沉积速率分布显示，最高值(约19–30 g/m²/年)出现在亚洲东南大陆边缘、欧洲中南部、非洲中东部和南美北部；中等值(约10–18 g/m²/年)见于中东、亚洲中东部和东南亚北部；最低值(约0–12 g/m²/年)分布在东南亚中部、印度、北美、欧洲西北部和澳大利亚。两期对比发现，古近纪至新近纪，东亚和欧洲的煤灰产率及粉尘沉积速率显著增加，而印度和东南亚中部较低，与盛行风向驱动的粉尘扩散模式及距干旱源区距离密切相关。

**3.3 大气粉尘沉积速率随纬度的变化**

以10°纬度间隔的箱线图分析结果显示，在低纬度(0°N–20°N)，新近纪粉尘沉积速率显著高于古近纪，其中10°N–20°N纬度带新近纪达到峰值(约17 g/m²/年)；在副热带(20°N–30°N)，古近纪速率相对较高(约15 g/m²/年)，而新近纪降至约11 g/m²/年；在中纬度(30°N–50°N)，新近纪速率总体高于古近纪，尤其在40°N–50°N纬度带，新近纪保持约14 g/m²/年而古近纪降至约6 g/m²/年；在中高纬度(50°N–60°N)，两期速率均显著降低，古近纪约6 g/m²/年，新近纪约8 g/m²/年，且数据变异性较低。

**4. 讨论与结论**

讨论部分围绕三个核心主题展开：(1)副热带陆地和全球平均地表温度(GMST)协同调控下的干旱区地质演化与粉尘源-汇效应。副热带陆地面积是干旱区分布的主导控制因素，古近纪-新近纪间副热带陆地的重组和全球降温共同促进了干旱区的扩张和离散化分布，为大气粉尘排放提供了关键物质基础。全球变冷通过增强地表物理风化和侵蚀、促使植被向低纬度南退，显著提升了粉尘的排放潜力。(2)板块构造和古地貌演化对大气粉尘分布的影响。在亚洲，青藏高原隆升通过热力和动力双重机制重塑大气环流，加强东亚冬季风，改变西风路径，导致东亚中东部和东南部新近纪粉尘沉积显著增强；同时喜马拉雅和青藏高原的地形屏障作用限制了中亚粉尘向南输送至印度。在欧洲，北大西洋洋盆扩张和北美落基山脉隆升协同强化了海陆热力对比，驱动北大西洋涛动(NAO)增强，促进北非粉尘向北输送至中欧，导致新近纪欧洲粉尘沉积较古近纪显著增加，而巴拿马地峡闭合后北大西洋暖流增强使西北欧变得温暖湿润，抑制了局地粉尘排放。

研究结论可归纳为三点：(1)古近纪和新近纪煤灰产率与大气粉尘沉积速率呈现一致的分布格局，在盛行风向驱动下，二者均随距干旱粉尘源区距离的增加而显著降低；(2)古近纪-新近纪副热带陆地空间重组与全球降温的协同作用促进了干旱区的扩张和离散化，温室-冰室气候转变是粉尘循环的主导控制因素，冰室条件下煤灰产率和粉尘沉积速率协同增加，长距离输送通量显著增强，温室条件下二者同步保持低值；(3)新生代构造与古地貌演化和全球气候变冷的协同效应重塑了欧亚大陆大气粉尘的时空分布，印度板块与欧亚板块碰撞引发的青藏高原隆升成为亚洲大气粉尘运移演化的首要驱动机制，而欧洲粉尘输送路径的演化与北大西洋洋盆扩张以及北美落基山脉隆升密切相关。该研究揭示了构造、气候与地球系统物质循环之间的紧密耦合关系，为理解新生代环境变迁提供了关键见解。论文发表于《Journal of Palaeogeography》。