古新世末增温事件
古新世末期的突然变暖是近来早第三纪古环境最大的发现［17］。在大约55.5Ma前10000～20000a的时间段内，深海与高纬度的表层水温度升高4～8℃［18，19］，地球气候与海洋急剧变暖。在新生代最暖的这段时间里，物种也有较大变化［20］。大量的哺乳动物种群（包含灵长类）突然出现在地质历史记录中，许多深海生物灭绝（如有孔虫）［18，21］或消失一段时间（介形亚纲动物）。1986年底，ODP113航次在南极威德尔海钻探，Maud海隆上的690 B孔在约170m井深处钻遇40cm厚的纹层，正好在古新统/始新统界线之下，而纹层底部底栖有孔虫群出现一次大绝灭，表生种全军覆没，分异度一下从近80种降到20多种，而浮游有孔虫反而更加兴旺。浮游有孔虫壳体δ18O说明在这不到10000a的时间里表层水温上升5～6℃，最高20℃；底层水温上升约4℃，最高达到15℃。这一异常事件，被称为古新世末增温事件LPTM（Latest Paleocene Thermal Maximum），是迄今所知早第三纪第一次突变事件［17］。
LPTM与全球碳储库碳同位素比值δ13C（13C/12C）显著的降低相对应［16，20，21］。在LPTM的初始阶段，海洋碳同位素比值降低了2.5‰～3‰。底栖有孔虫的δ13C下降3‰以上，而浮游有孔虫δ13C下降更甚，以致在温度最高时底栖与浮游有孔虫δ13C几乎相等，即深部与表层海水的δ13C差值为零。此外，CaCO3%也于此时突然下降，但这种状态并不持久，约100ka之后又到新的平衡状态，只是δ13C比以前轻，温度也比以前有所上升［19］。碳同位素比值降低与现今化石燃料废气排放到大气层的情况相比拟［16，22］。LPTM的碳通量与气候变化的幅度和持续时间是新生代中惟一可以与现今人类工业排放速率相比拟的过程。该碳同位素位移事件意味着大量同位素较负的碳输入到海洋和大气中。虽然火山喷发也可释放二氧化碳［18，19，23，24］，但目前认为碳同位素事件（CIE）的快速性与幅度及LPTM只能用大陆边缘水合物分解导致大量甲烷释放来解释［16，22］。
LPTM水合物分解假说可以概括如下：同现今相似，大量富含12C的甲烷以天然气水合物的形式存在，被储藏在大陆坡上部数百米的沉积物中［25，26］。在LPTM前，晚古新世长期的全球增温促使海洋-大气系统跨越一个临界门槛值［16，19］，导致温暖的表层水下沉，中、深海温度升高4～8℃［18］。这样的增温也慢慢地促使沉积物的温度增加，使固态的甲烷水合物变成游离气［16］。这一分解导致深部孔隙压力的增加，引起沉积物滑坡，大量的甲烷释放进入到海洋中［25，27］。古新世末期底水温度升高4～8℃可以导致海底深900～2000m的大陆坡处沉积物中所有的天然气水合物分解、大量甲烷释放［16］（图1至图3）。甲烷气体可能通过细菌活动与溶解氧发生反应［28］，产生富12C的二氧化碳，输入到全球外生碳循环储藏库中，并使海洋中碳酸盐的溶解深度有相当程度地变浅［16，22］。高的底水温度、低的溶解氧、表层水生产力的变化与有毒的水杀死了许多深海生物。在陆地上，升高的二氧化碳部分压力与抬升的温度促使哺乳动物广泛扩散的高纬度迁移路线很快地打开。在LPTM后数个100000a间，全球碳循环与氧循环逐渐回落到平衡位置，而海洋与陆地的生态系统永久地改变了［21］。
图1 古新世末增温事件发生时碳的情况（a）ODP1051站位碳同位素比值［30］，（b）根据物质平衡方程计算的甲烷碳随时间的变化［29］
继Dickens等的重要假说［16，22］提出后，LPTM的研究有了新的进展［29］。在1997年，大洋钻探计划在西大西洋1051站位采获跨越LPTM的连续沉积层序［30，31］。不像以前采获的晚古新世剖面，这一记录包含了明显的沉积成分的周期性变化。Norris与Röhl［30］所做的是把相当长的54～56Ma前的上古新统、晚始新统地层的每个旋回的幅度与厚度定量地记录下来。与大多数海洋沉积物的研究一样，他们的工作显示观测到的沉积旋回具有与地球进动周期一致的频率，约20000a。利用这一天文校对的时间尺度对古新世-始新世过渡段进行研究表明，δ13C的急剧降低与逐渐回落分别用了小于10000a和大约140000a。在LPTM阶段，深海变暖5～7℃，至少有1000Gt富12C的碳大量快速地输入到海洋和大气中［29］。在LPTM，大量碳输入后前10000aδ13C相对稳定是特别重要的，因为这指示全球碳循环输入与输出平衡的一个过渡阶段［29］。Norris与Röhl［30］及Bains［31］指出这是一个甲烷输入慢慢消失的一个时间段。全球碳循环不能在大量碳输入后迅速去除这些碳是非常麻烦的。(https://www.daowen.com)
分开很远的两个ODP站位（690、1051）的氧同位素与碳同位素记录均支持生物成因甲烷水合物排出气体是改变地球气候重要因子的假说［31］。全球相关联的碳同位素事件特征表明碳同位素比值是阶梯式地达到其极低点，指示海底甲烷的释放是脉冲式的［31］。数据显示了多次甲烷注入的证据，这些事件被一些碳循环均衡的时间段所分隔。两个站位的相互关联表明即使是小规模事件在自然界中也通常是全球性的。Bains等［31］还提出跨越热门槛值不是LPTM甲烷水合物分解、甲烷释放的初始原因。海底地震、火山活动、重力滑坡等其他事件可能诱发富集水合物沉积的大陆边缘灾难性的滑坡。
图2 古新世末增温事件底水温度在10000年内从11℃增加至15℃时甲烷水合物稳定带厚度变化（海底深度为1460m）［16］
图3 古新世末增温事件天然气水合物分解假说示意图［44］（LPTM：古新世末增温事件，Pal：古新世）
考虑到甲烷水合物的聚集位置是分散的，在很宽的海底深度范围的大陆边缘均能够存在（对晚古新世，在约920m至约4000m）［16］，它们的分解同时发生似乎是不可能的［31］。因此LPTM结构的详细分析揭示同位素比值较负的碳的注入与有关的气候变化有几幕的结果并不奇怪。利用Dickens等［16］提出的物质平衡方程估算［31］，要引起第一幕的碳酸盐岩全岩同位素位移，需要约600Gt的碳从甲烷水合物中排放（在不到1000a内），而第二幕与第三幕分别需要约500Gt与约300Gt碳的注入。在LPTM阶段总的甲烷输入量是约1500Gt（1Gt=1×1015g），在Dickens估算的范围内［16，22］。两个站位的数据相关联表明小规模碳同位素、氧同位素摆动也具有全球意义［31］，在晚新生代沉积中地理位置不同的剖面可以准确地相互关联。
