古新世—始新世極熱事件（英文名：Paleocene- Eocene Thermal Maximum，簡稱：PETM）特指地質歷史中發生在古新世—始新世界線附近的一次突發性的全球氣候異常事件。該時期全球平均表面溫度在幾千年內升高4～5℃（由於缺乏對PETM溫度指標的重新評估，海面溫度異常解釋還存在其他溫度區間，如Thomas等得出4~8℃；Zeebe等界定為5~9℃；Kennetthe和Stoott認為深海溫度升高～5℃；），並伴隨大洋水體酸化，底層水氧溶解量及氧化作用下降，底棲有孔蟲大量滅絕，哺乳動物區系演化，碳酸鹽補償深度面變淺，以及持續約170kyr（千年）的δC碳同位素負漂移（~3.5-4.5‰）等。該時期巨量輕碳快速注入海洋-大氣系統，速率可達0.3-1.7Pg C yr，總計約4500-10000PgC的缺乏C的CO2在＜2萬年短間隔內注入海洋-大氣系統。但該事件的發生及持續的確切時間仍然存在爭議，主流觀點仍認為其發生於距今56百萬年的古新世與始新世界線處。此外，因其地史上短時期內巨額碳釋放量及釋放速率是現今人為干預下氣候變化的良好類比對象，而廣受氣候學家們關注。
基本介紹
- 中文名：古新世-始新世極熱事件
- 外文名：Paleocene- Eocene Thermal Maximum
- 別名：極熱事件
- 簡稱：PETM
研究歷史,持續時間,成因推測,北大西洋火成岩省,天體撞擊作用,天文強迫,研究意義,
研究歷史
早在1991年Kennett& Stott針對大洋鑽探計畫（ODP）南極洲690B站位特定種底棲和浮游有孔蟲研究中發現，在古新世末期穩定碳氧同位素迅速突變反映全球性氣候變暖導致的大量深海生物絕滅。研究表明該次事件具有快速啟動、氧同位素比值下降放嫌承（表明表層水體溫度升高3~4℃，深層水體溫度升高約6℃）、底棲有孔蟲（~-2‰）和浮游有孔蟲（~-4‰）δ13C負漂移、具有亞熱帶地區親緣關係的不同表層水體微體化石的輸入以及高嶺石含量升高，並消除或幾乎逆轉了δC和δO的深度梯度。Thomas在1989年對689和690站位研究時提出這些變化與底棲有孔蟲滅絕具有全球同步的特點。這些早期發現拉開了科學家對於PETM研究熱潮的序幕。
浮游有孔蟲δ18O和TEX86計算的海面溫度
在Kennett& Stott研究發表後，古新世與始新世界線處的氣候異常事件開始被學術界公認。1992年Koch等人通過古土壤自生碳酸鹽及哺乳動物琺瑯質記錄的陸相信息追索海洋碳同位素波動，發現了13C/12C比值在古新世和始新世界線處急劇下降，為海洋和陸地記錄的精細對比提供支持，並估算了碳同位素負漂移。他們意識到CIE與新生代最大的哺乳動物區系演化具有一致性。並最終將PETM建立為可通過陸相識別的全球性事件，該成果與1992年發表於Nature雜誌上。值得一提的是，在古新世-始新世界線建立以前。這一事件被稱為最新古新世極熱事件Latest Paleocene Thermal Maximum (LPTM)或始新世最初極熱事件Initial Eocene Thermal Maximum (IETM)，但現今PETM已被公認。
56Ma全球古地理圖，圓點代表已報導過熱事件的研究區
後續針對PETM事件的研究日益深入，有學者統計截至2022年全球範圍內熱事件的研究地點已接近200個，針對該時期的全球性回響、啟動時間、延續時間及觸發因素的研究不勝枚舉，並作為現今可對比的關於全球變暖及大量碳排放的研究案例而廣受關注。但其觸發機制、延續時間等仍在討論中，在學術界暫無定論。
持續時間
極熱事件的啟動時間的確定受古新世-始新世界線定年精度影響，而且由於P/E界線的絕對年齡及古新世磁性地層年代學記錄匱乏，使得PETM的啟動悼煉宙及持續時間爭議不斷。早在2000年Luterbacher等在埃及Dababiya Quarry段通過識別碳同位素負漂CIE確定了古新世-始新世全球年代地層單位界線層型剖面和點位（GSSP）。後來學者結合海洋火山灰層放射性定年及海洋沉積物軌道調諧兩種方法估算PETM啟動時間約為56.011-56.293Ma。同樣鋯石定年顯示其時間範圍約為56.09±0.03Ma。
由於原始資料的缺少，天文軌道調腿頁陵剃諧及地外He通量的研究常用於PETM持續時間的估算。前人針對PETM持續時間的旋迴地層學分析結果集中在20kyr附近。Zeebe等人發表在Science上的權威研究提供了一個全新的可供58-53Ma使用的天文解決方案（ZB18a），使得長達58Ma的天文年代有跡可循，同時還提出了新的P/E界線年齡（56.01±0.05Ma）。並認為古新世-始新世極熱事件的開端在405kyr最大偏心率附近，可能暗示著軌道觸發機制。在此基礎上計算了謎墊PETM持續時間為170±30kyr。這也是代表性天文年代學結果。此外地外He估算結果為134-217kyr。
2022年李明松等針對大西洋濱海洋盆古新世-始新世極熱事件的天文年代學研究通過統計學方法評估了Ca和Ms的變化，揭示了天文強迫在PETM事件中的重要作用並認為PETM持續時間長達6kyr。最終通過天文年代學與地球趨嬸踏系統模擬發現PETM發生在最大偏心率時期歲差極大值處，恰好印證了高溫環境回響。
成因推測
極熱事件的成因研究有助於讓我們以史為鑑，理解溫室氣體排放對全球變暖的反饋作用，並提出相應的應對方案。這裡簡要介紹幾個主流提屑廈糊觀點。
北大西洋火成岩省
北大西洋悼主敬火成岩省（NAIP）與PETM在時間上關係密切，有研究顯示火山釋放並注入海洋的CO2可達到14900PgC，也恰好高於Gutjahr等估算的達到PETM時期全球變暖沉積物釋放的最小啟動值10000PgC。2021年Kender等通過對北海岩心觀察，首次提出高精度汞記錄，認為PETM啟動階段汞升高可能說明NAIP是PETM時期持續升高CO2的觸發器。
天體撞擊作用
Kent等通過對大西洋濱海平原鑽孔分析發現高嶺土富集的大陸架沉積物中有異常磁性納米顆粒富集，這恰好與CIE的啟動和最低點一致，提出碳同位素負漂移的快速啟動可能是一顆約10km的彗星撞擊地球帶來的C富集，Cramer做了進一步驗證。Schaller等在在大西洋邊緣的三個海相P/E界線剖面地層中分別發現了矽酸鹽玻璃微珠，認為其為微玻隕石，記錄了在P/E界線發生的一次地外隕石撞擊事件。
天文強迫
這一部分在前一節已作概述。
研究意義
全球溫室氣體（GHG）排放正在穩步上升，Lamb等認為如果不做改變任由其發展或者低碳技術在這種不公平競爭環境下發展，那么氣候緩和將永遠不會實現。由圖不難看出現在全球碳排放量已呈現出不可遏制的趨勢，截至2018年，當年全球溫室氣體排放量已高達57.6Gt CO2eq。根據Caldeira等人建模預測到2300年大氣CO2將達到1900ppm，同時將導致水體酸化pH最高下降0.77。有預測顯示如果化石燃料排放還有增無減，而且碳匯工作仍維持在當前水平，那么從工業革命開始以來到2400年人為排放到大氣中的碳可達5000Gt。這種顯著增加的大氣二氧化碳分壓將導致全球性變暖，因此科學家們將目光轉向地質歷史時期具有相似的二氧化碳分壓迅速轉變的時期——PETM，也被稱為“氣候相似型”事件，有助於對溫室時期的研究。
全球和區域性GHG排放趨勢圖
在極熱事件中溫度短時間升高的同時，超過2000Gt C的CO2注入大氣和海洋，在接下來幾個世紀內有可能再次釋放達到這個規模的。極熱事件是多自然因素協同的結果，可以幫助科學家們研究在較大的是時間尺度下的碳循環和氣候的耦合關係。Zachos等提出了兩個機遇：評估物理和生物化學反饋在放大或減緩溫室氣體濃度增加方面的作用；以及調查氣候對溫室氣體濃度極端變化的基本敏感性。他們仍強調對於古氣候事件的研究前景是光明的，但我們仍不能減弱對化石燃料的關注，若任由化石燃料無節制使用，不出300年Pco2很有可能達到在過去50百萬年從未達到的峰值。
近年來針對PETM模擬研究表明PETM時期環境中碳含量升高峰值大概在0.3-1.7Pg C yr（10億噸C/年）的範圍，其上下限值分別來自Corg及CH4模擬，近期研究將這個數值限制在1.1 Pg C yr以內。這個時期的CO2釋放量遠高於（約高出1/3）現存的除海底甲烷水合物外的碳庫中的估算值，進一步推測更大面積的無冰陸地區域、更高的大氣CO2分壓以及更平穩的氣候變化可能會支撐更大的陸地碳儲存量。
另外有學者研究甲烷水合物與氣候變化之間的相互作用時發現現在環北冰洋大陸架和全球大陸坡上的甲烷水合物可能正在分解，但諸如水壓等因素使得海底釋放的甲烷氣泡無法將其輸送到海-氣界面，從而減輕了水合物分解對大氣溫室氣體濃度的影響。雖然暫無證據顯示水合物來源的甲烷能夠進入大氣環境，但針對這方面的研究仍不可忽視。而PETM事件即是很好的研究案例。現今海底CH4釋放速率介於0.016-3.2 Pg C yr之間，與PETM時期甲烷排放量具有很好的相似性。
此外Kender等在研究火山活動（NAIP）與次生不穩定的碳庫激活之間的關聯時指出即使地球正處於較冷的地史階段，不能和PETM時期直接類比，我們也不能否認地球系統中“轉折點（tippingpoints）”的存在將使得變暖驅動的額外的碳庫泄漏將推進地球到PETM時期的“熱室（Hothouse）”階段，若不採取有效緩解措施，預測即將成真。
持續時間
極熱事件的啟動時間的確定受古新世-始新世界線定年精度影響，而且由於P/E界線的絕對年齡及古新世磁性地層年代學記錄匱乏，使得PETM的啟動及持續時間爭議不斷。早在2000年Luterbacher等在埃及Dababiya Quarry段通過識別碳同位素負漂CIE確定了古新世-始新世全球年代地層單位界線層型剖面和點位（GSSP）。後來學者結合海洋火山灰層放射性定年及海洋沉積物軌道調諧兩種方法估算PETM啟動時間約為56.011-56.293Ma。同樣鋯石定年顯示其時間範圍約為56.09±0.03Ma。
由於原始資料的缺少，天文軌道調諧及地外He通量的研究常用於PETM持續時間的估算。前人針對PETM持續時間的旋迴地層學分析結果集中在20kyr附近。Zeebe等人發表在Science上的權威研究提供了一個全新的可供58-53Ma使用的天文解決方案（ZB18a），使得長達58Ma的天文年代有跡可循，同時還提出了新的P/E界線年齡（56.01±0.05Ma）。並認為古新世-始新世極熱事件的開端在405kyr最大偏心率附近，可能暗示著軌道觸發機制。在此基礎上計算了PETM持續時間為170±30kyr。這也是代表性天文年代學結果。此外地外He估算結果為134-217kyr。
2022年李明松等針對大西洋濱海洋盆古新世-始新世極熱事件的天文年代學研究通過統計學方法評估了Ca和Ms的變化，揭示了天文強迫在PETM事件中的重要作用並認為PETM持續時間長達6kyr。最終通過天文年代學與地球系統模擬發現PETM發生在最大偏心率時期歲差極大值處，恰好印證了高溫環境回響。
成因推測
極熱事件的成因研究有助於讓我們以史為鑑，理解溫室氣體排放對全球變暖的反饋作用，並提出相應的應對方案。這裡簡要介紹幾個主流觀點。
北大西洋火成岩省
北大西洋火成岩省（NAIP）與PETM在時間上關係密切，有研究顯示火山釋放並注入海洋的CO2可達到14900PgC，也恰好高於Gutjahr等估算的達到PETM時期全球變暖沉積物釋放的最小啟動值10000PgC。2021年Kender等通過對北海岩心觀察，首次提出高精度汞記錄，認為PETM啟動階段汞升高可能說明NAIP是PETM時期持續升高CO2的觸發器。
天體撞擊作用
Kent等通過對大西洋濱海平原鑽孔分析發現高嶺土富集的大陸架沉積物中有異常磁性納米顆粒富集，這恰好與CIE的啟動和最低點一致，提出碳同位素負漂移的快速啟動可能是一顆約10km的彗星撞擊地球帶來的C富集，Cramer做了進一步驗證。Schaller等在在大西洋邊緣的三個海相P/E界線剖面地層中分別發現了矽酸鹽玻璃微珠，認為其為微玻隕石，記錄了在P/E界線發生的一次地外隕石撞擊事件。
天文強迫
這一部分在前一節已作概述。
研究意義
全球溫室氣體（GHG）排放正在穩步上升，Lamb等認為如果不做改變任由其發展或者低碳技術在這種不公平競爭環境下發展，那么氣候緩和將永遠不會實現。由圖不難看出現在全球碳排放量已呈現出不可遏制的趨勢，截至2018年，當年全球溫室氣體排放量已高達57.6Gt CO2eq。根據Caldeira等人建模預測到2300年大氣CO2將達到1900ppm，同時將導致水體酸化pH最高下降0.77。有預測顯示如果化石燃料排放還有增無減，而且碳匯工作仍維持在當前水平，那么從工業革命開始以來到2400年人為排放到大氣中的碳可達5000Gt。這種顯著增加的大氣二氧化碳分壓將導致全球性變暖，因此科學家們將目光轉向地質歷史時期具有相似的二氧化碳分壓迅速轉變的時期——PETM，也被稱為“氣候相似型”事件，有助於對溫室時期的研究。
全球和區域性GHG排放趨勢圖
在極熱事件中溫度短時間升高的同時，超過2000Gt C的CO2注入大氣和海洋，在接下來幾個世紀內有可能再次釋放達到這個規模的。極熱事件是多自然因素協同的結果，可以幫助科學家們研究在較大的是時間尺度下的碳循環和氣候的耦合關係。Zachos等提出了兩個機遇：評估物理和生物化學反饋在放大或減緩溫室氣體濃度增加方面的作用；以及調查氣候對溫室氣體濃度極端變化的基本敏感性。他們仍強調對於古氣候事件的研究前景是光明的，但我們仍不能減弱對化石燃料的關注，若任由化石燃料無節制使用，不出300年Pco2很有可能達到在過去50百萬年從未達到的峰值。
近年來針對PETM模擬研究表明PETM時期環境中碳含量升高峰值大概在0.3-1.7Pg C yr（10億噸C/年）的範圍，其上下限值分別來自Corg及CH4模擬，近期研究將這個數值限制在1.1 Pg C yr以內。這個時期的CO2釋放量遠高於（約高出1/3）現存的除海底甲烷水合物外的碳庫中的估算值，進一步推測更大面積的無冰陸地區域、更高的大氣CO2分壓以及更平穩的氣候變化可能會支撐更大的陸地碳儲存量。
另外有學者研究甲烷水合物與氣候變化之間的相互作用時發現現在環北冰洋大陸架和全球大陸坡上的甲烷水合物可能正在分解，但諸如水壓等因素使得海底釋放的甲烷氣泡無法將其輸送到海-氣界面，從而減輕了水合物分解對大氣溫室氣體濃度的影響。雖然暫無證據顯示水合物來源的甲烷能夠進入大氣環境，但針對這方面的研究仍不可忽視。而PETM事件即是很好的研究案例。現今海底CH4釋放速率介於0.016-3.2 Pg C yr之間，與PETM時期甲烷排放量具有很好的相似性。
此外Kender等在研究火山活動（NAIP）與次生不穩定的碳庫激活之間的關聯時指出即使地球正處於較冷的地史階段，不能和PETM時期直接類比，我們也不能否認地球系統中“轉折點（tippingpoints）”的存在將使得變暖驅動的額外的碳庫泄漏將推進地球到PETM時期的“熱室（Hothouse）”階段，若不採取有效緩解措施，預測即將成真。
