中國東北依蘭盆地始新世氣候演化及濕度降低對冷卻事件的指示

張新榮，劉曉奇，方石，平帥飛，張世鋒，王曉楊

1.吉林大學 地球科學學院，長春 130061；2.自然資源部東北亞礦產資源評價重點實驗室，長春 130061；3.吉林省油頁巖與共生能源礦產重點實驗室，長春 130061；4.天津市寧河區板橋鎮人民政府，天津 301574；5.黑龍江龍煤地質勘探有限公司，黑龍江 佳木斯 154000；6.大慶油田 第六采油廠，黑龍江 大慶 163000

0 引言

了解和預測未來全球氣候變化趨勢是人類社會可持續發展的基本任務[1]。其中將古論今是最基本的研究方法，搞清楚地質歷史時期氣候變化規律，為預測全球氣候變化提供模型和依據[2]。始新世(56～33.9 Ma)全球氣候先升溫后降溫，由溫室過渡為冰室[3-4]，期間存在極熱事件(PETM)[5-6]、氣候適宜期(EECO)[7]等一系列極端氣候事件和典型氣候類型?，F今人類處于全球變暖、極端氣候增多的氣候演化階段，與始新世可類比性強，對始新世氣候演化的研究將為現今溫室氣體增加的全球氣候變化提供研究類型[8-9]。

始新世的氣候變化信息主要賦存于沉積地層中[10]。目前多是從古植被組合、沉積物組分等角度間接提取古溫度及古濕度的變化，常用指標包括植物化石[11]、孢粉[12]、植硅體[13]、生物標記化合物[14]、磁化率[15]、TOC[16]、礦物含量[17]、無機元素[18]和燒失量[19]等。

中國東北地區始新世的古氣候研究有了一定的積累。劉牧靈和賀超興先后認為東北地區始新世為溫熱多雨的北亞熱帶氣候-降水較多的暖溫帶的氣候特征[20-21]。Quan et al.對東北地區始新世的古溫度做了較全面的恢復，認為季風對本區溫度和濕度的影響很大[22]。孟慶濤等則計算出樺甸盆地中-晚始新世平均氣溫為16.15℃，屬北亞熱帶溫暖濕潤氣候[23]?？芟阌竦日J為中晚始新世的年均溫為14.6℃，屬北亞熱帶氣候[24]。韋一認為中始新世中期年均溫為5.7～20.9℃，晚始新世初期年均溫為8.5～22.6℃，氣候處于亞熱帶、亞熱帶-溫帶濕潤性氣候向溫帶半濕潤性氣候轉變的狀態[25]。以上研究基本建立了較詳細的始新世的古溫度及其變化范圍，但濕度的研究結果相對粗略，且對于溫濕度之間的耦合關系缺乏足夠認識。

同一沉積物樣品在不同溫度條件下(550℃、1 000℃)加熱，其燒失量(loss on ignition，LOI)可反映有機質和碳酸鹽含量[26-28]，其中有機質的含量反映溫度和濕度的變化[29-30]。Nesje et al.研究挪威南部、張佳華研究北京房山東甘池燒失量時顯示，有機質高對應氣候濕熱、低對應氣候干冷[31-32]。碳酸鹽的含量則反映區域有效濕度的變化[33-34]。李新新研究伊犁地區碳酸鹽含量顯示，高值反映氣候偏干，低值反映氣候偏濕[35]。

眾多學者還發現有機質與碳酸鹽之間具有密切聯系[36-40]，總體上分為正相關和負相關兩大類。其中負相關時對于氣候的指示較為簡單，有機質含量的變化趨勢與溫度濕度變化趨勢之間是正相關，碳酸鹽含量的變化趨勢與濕度變化趨勢之間是反相關[41-42]。劉子亭等揭示黃旗海湖區全新世早期有機質和碳酸鹽負相關，有機質含量高時反映氣候濕熱，低時反映氣候干冷[43]；陳忠利等在尕海地區中全新世也發現相似特征[44]。

有機質含量與碳酸鹽含量變化趨勢之間呈正相關時，其對氣候的指示變得復雜[41-42, 45]。Wang et al.對青藏高原東北部，Zhao et al.在中國西北干旱地區開展燒失量研究時，有機質含量低時指示氣候干冷[46-47]。吳世迎等研究沖繩海中段巖芯燒失量時，有機質與碳酸鹽含量正相關，碳酸鹽高值反映氣候偏干，低值反映氣候偏濕[48]。Munroe et al.研究美國猶他州東北部烏恩塔山脈燒失量時，有機質含量超過10%時氣候暖濕[49]。Ali et al.研究印度喜馬拉雅西北部沉積物燒失量時，有機質含量低于1%時對應氣候干冷[50]；張麗莎等對黃旗海沉積巖芯燒失量測定也具有同樣的特征[51]?？梢姵练e物中有機質與碳酸鹽能從不同的維度反映古環境的溫度和濕度，這對于古氣候研究具有深度挖掘的價值。

中國東北依蘭地區始新世地層較為完整，本文通過依蘭盆地達連河組768.45 m連續巖芯系統高精度取樣，進行了550℃和1 000℃燒失量測定，得到沉積物中有機質和碳酸鹽含量垂向上的變化。通過對有機質、碳酸鹽變化的時序分析和皮爾遜相關分析等數據分析手段，系統的討論了始新世達連河組古氣候溫度與濕度的連續變化特征，劃分氣候類型，并與前人東北地區始新世古氣候演化以及全球始新世氣溫變化進行了橫向對比，這為預測現今氣候變化趨勢提供重要的地質學依據[52-53]。

1 研究背景

1.1 研究區位置

依蘭盆地位于中國黑龍江省南部，地處于129°11′50″～130°11′40″E，45°51′40″～46°39′20″N之間。為溫帶濕潤氣候，四季分明[20]。區內發育松花江、牡丹江、倭肯河、巴蘭河和勃利河等水系(圖1a)。

1.2 地層特征

依蘭盆地是郯廬斷裂帶北延分支依蘭-伊通斷裂帶內的一個新生代小型盆地[54-56]。該地區始新統為達連河組，發育一套含煤、油頁巖沉積地層[57]。該組地層與第四系角度不整合接觸，上覆全新統黑色腐殖土、黏土層(圖1b)。鉆孔巖性特征如圖1c所示。

a.地理位置圖；b.研究區地質圖(據1∶20萬依蘭縣地質圖繪制)；c.巖性柱狀圖。圖1 研究區地理地質信息圖Fig.1 Geographic and geological information map of study area

899.2～708.2 m含煤油頁巖砂礫巖段，由細礫巖、煤和油頁巖互層(Ed1)組成。底部為厚度40 m細礫巖，礫石成分以長石斑晶和花崗質巖屑為主；下部為黑色泥頁巖夾灰色細砂巖與薄層灰黑色細砂巖；上部為油頁巖、粉砂巖和粗砂巖互層。

708.2～590.3 m油頁巖段，由油頁巖組成(Ed2)。下部為黑色泥頁巖夾灰色細砂巖與薄層灰黑色細砂巖；上部為油頁巖、粉砂巖和粗砂巖互層。

590.3～132.0 m砂頁巖段，為砂巖、粉砂巖和泥巖互層(Ed3)。下部灰色含礫粗砂巖，偶見粉砂巖層；中部灰色、深灰色細砂巖夾薄層中砂巖，發育小型交錯層理、波狀層理；上部灰色粉砂質泥巖夾薄褐煤層和薄粉砂層，可見植物殘體。

1.3 時代歸屬

中國地層表(1976年)把吉林省的新安村組和黑龍江省的達連河組確定為始新世—漸新世地層。1990年，劉牧靈等將依蘭煤田的煤、粉砂巖互層-砂泥巖夾油頁巖-粉砂夾泥這套地層定為始新世[20]；1997年，賀超興等將依蘭煤礦煤層夾砂頁巖-油頁巖夾泥巖定為始新世地層[58]；2004年楊建國等對湯原斷陷的地層研究認為達連河組同位素年齡為47～34 Ma[59]；2014年，萬傳彪等認為方正斷陷和湯原斷陷的新安村組、達連河組(泥巖、砂礫巖夾煤層-泥巖夾油頁巖-砂巖夾煤層)與建組剖面的達連河組相當，將新安村組廢棄，把達連河組底界年齡定為(55.8±0.2)Ma，頂界年齡定為36 Ma[60]。本文鉆孔底部為細礫巖、煤油頁巖互層，中部為油頁巖和部分重力流沉積，上段為砂巖、粉砂質泥巖互層，與前人(表1)描述的巖性變化基本一致。此外，李金國等在依蘭盆地達連河組剖面開展了古地磁測年工作，該剖面與鉆孔直線距離在2 km±。其測試結果：下部含煤油頁巖砂礫巖段年齡為56.0～47.8 Ma，中部油頁巖段為47.8～41.2 Ma，上部砂頁年齡為41.2～37.8 Ma[61]。綜合分析可知，本文鉆孔地層為始新世達連河組，下部含煤段為伊普利斯階(55.8～47.8 Ma)，中部油頁巖段為盧泰特階(47.8～41.2 Ma)，上部砂頁巖段為巴頓階(41.2～37.8 Ma)(表1)。

表1 達連河組時代劃分

2 樣品采集、實驗方法及數據結果

2.1 樣品采集與實驗過程

550℃燒失量(LOI550)反映樣品中有機質的含量[62-65]。1 000℃燒失量(LOI1000)反映樣品中碳酸鹽的含量[66]。

本文針對達連河組巖芯沉積物(899.2～132.0 m) 以5 cm間距采集樣品，共分析649個樣品。實驗過程中，設定550℃的燒失量作為灼燒有機質的溫度。為保證灼燒徹底，以550℃恒溫持續灼燒5 h、10 h、12 h直至24 h，至重量達到恒定為止。然后同一樣品在1 000℃下恒溫持續灼燒2 h、5 h、10 h和12 h， 直到重量達到恒定。 具體實驗流程如下：

燒失量測定均在吉林大學古植被古環境分析評價實驗室完成，燒失量采用Lindberg/Blue M 1100箱式馬弗爐測定。

2.2 數據結果

剖面上，LOI550和LOI1000從下至上呈鋸齒狀變化，整體均值分別為4.497%和1.13%。其中，LOI550下部呈明顯高值，LOI1000在中下部750～550 m的值在剖面上表現較高。初步發現其變化特征劃分為3個階段(圖2)，與前人在本區的巖性劃分階段有強的一致性。

圖2 燒失量曲線圖Fig.2 LOI curves

階段Ⅰ(899.2～708.2 m)LOI550開始變化平穩，中期波動劇烈，后期波動幅度降低，LOI1000出現3次高值，據此將之分成3個次級階段，其中Ⅰ1(899.2～859.0 m)，LOI550變化范圍為0.31%～5.67%，平均值1.30%，底部899.2～875.5 m在剖面上明顯最小。LOI1000變化范圍為0.13%～6.29%，平均值為1.24%。Ⅰ2(859.0 ～772.1 m)，LOI550變化范圍為1.15%～44.27%，平均值為7.71%。其中下部變化幅度最大，從3.06%快速上升44.27%又下降至2.65%，809.5 m上升至全段最大峰值44.27%。LOI1000變化范圍為0.12%～8.31%，平均值為1.61%。Ⅰ3(772.1～708.2 m)，LOI550變化范圍為1.46%～23.05%，平均值為9.76%，LOI1000變化范圍為0.04%～13.6%，平均值為1.73%。

階段Ⅱ(708.2～590.3 m)LOI550與LOI1000前期變化平穩，后期急劇降低后又緩慢升高，據此將之分成兩個次級階段，其中Ⅱ1(708.2～644.7 m)，LOI550變化范圍為4.25%～15.30%，平均值為9.97%，大部分在10%附近小幅度波動，LOI1000變化范圍為0.10%～2.93%，平均值為2.08%。Ⅱ2(644.7 ～581.0 m)，LOI550變化范圍為0.31%～8.06%，平均值為2.16%，其中647.0 m為谷值2.39%。LOI1000變化范圍為0.10%～9.37%，平均值為1.04%，谷值0.08%，峰值9.37%。

階段Ⅲ(590.3～132.0 m)LOI550整體波動幅度較小，LOI1000前期有大段降低趨勢，接著小段上升，隨后波動幅度變大至后期波動幅度變小，據此將之分成4個次級階段。其中Ⅲ1(590.3 ～411.8 m)，LOI550變化范圍為0.11%～17.44%，平均值為3.23%，453.0 m附近出現一個小峰值，最高點為17.44%，LOI1000<10%，平均值為1.04%。Ⅲ2(411.8 ～371.5 m)，LOI550<5%，平均值為1.26%。LOI1000變化范圍為0.01%～4.66%，平均值為0.57%，是剖面上一個顯著低值階段。Ⅲ3(371.5～219 m)，LOI550平均值為3.67%，下部371.5 ～299.5 m LOI550小于上部，本次級階段峰值為299.5 m處的11.56%。LOI1000平均值為0.80%，相比Ⅲ2較小，最大峰值8.54%。Ⅲ4(219 ～132 m)LOI550變化范圍為0.94%～12.60%，平均值為5.21%，波動間隔較大。LOI1000變化范圍為0.25%～7.28%，平均值為1.43%，為剖面上明顯低值段。

3 數據分析

利用Matlab軟件的小波變換對兩組數據進行頻譜分析，在小波變換中，尺度a大顯示低頻部分的特征，尺度a小則顯示高頻部分的特征。在LOI550與LOI1000小波變換的尺度a達到1 000的時候，可以從LOI550與LOI1000頻譜的鏡像關系中看出，尺度a在450～1 000之間的頻譜圖基本是對稱的，也就是說中低頻(450～1 000)部分頻譜變化基本一致，代表了大尺度下，影響有機質和碳酸鹽含量變化的控制因素是一致的(圖3)。但中高頻(0～450)部分雖然依然可以看見相似的規律，但對應性開始存在差異，特別是尺度a在150的附近存在一個明顯的突變，<150部分的頻譜對應關系變得更加復雜，這表明在中高頻部分LOI550與LOI1000的控制因素存在明顯差異[67-68]，推斷LOI550代表的有機質受溫度影響明顯，而LOI1000代表碳酸鹽受濕度影響更明顯。在兩組信號譜圖的對比中，發生變化的尺度值是比較關鍵的點。

圖3 LOI時頻分析Fig.3 LOI wavelet analysis

大于尺度450的頻譜圖基本是一致的，小于尺度150的頻譜對應變化的復雜度上有一個明顯躍升。因此在對比過程中尺度450和尺度150譜值的對比劃分是這兩組信號的關鍵點。利用時頻分析的頻譜圖劃分旋回，可以根據譜圖上過某一尺度譜值的變化劃分，彩色譜圖多用顏色的變化界限或者某一顏色的最大值點/最小值作為界限。綜合劃分同一時段兩組信號的頻譜，當在同一尺度上的譜值，其中一個處在同一種顏色中，可用另一個的顏色變化來印證劃分。

LOI550和LOI1000在尺度450的譜值根據顏色的變化可以識別出3個部分，其中第一部分對應的是伊普利斯階，第二、第三部分對應的是巴頓階。

LOI550在尺度150的譜值根據顏色的變化可以識別出1、5、6、7、8、9這6個明確的段，LOI1000在尺度150的譜值根據顏色的變化可以識別出2、3、4、5、6、7、8、11這8個明確的段(圖4)。其中2、3、4段在LOI550尺度150的譜值均處于黃色，在LOI550上無法區分，只在LOI1000上可以區分。第6段底界，在LOI550上為黃到藍的分界處非常清晰，在LOI1000上則是黃到綠的分界處不是非常清晰，但可以識別(圖4)。第10段的頂界在LOI1000上是黃到藍的分界，其底界在LOI550上為藍到黃的分界。整體上在尺度150的譜值上可綜合識別出為11個段(圖4)。1～4段對應的是伊普利斯階，5段對應的是盧泰特階，6～11段對應的是巴頓階。

圖4 LOI時頻分析與聚類分析綜合分段Fig.4 LOI subsection and CONISS integrated segmentation

使用Savitzky-Golay法以相鄰50點為窗口對LOI原始數據除噪濾波去除高頻部分，獲取到LOI550和LOI1000的中低頻變化趨勢線[69]。對LOI550和LOI1000原始數據使用CONISS函數進行時序聚類分析[70-72]，以聚類水平34將取樣井段細分為19個階段(圖4)。結合中低頻變化趨勢，由干燥寒冷變為溫暖潮濕為上升半旋回，由溫暖潮濕變為干燥寒冷為下降半旋回，將19個階段劃分為不同的短期半旋回(圖4)。當聚類水平<34時，時序分析劃分的界限包含在時頻分析尺度a=150時劃分的界限中。19個短期旋回是時頻分析11個階段的進一步細分(圖4)。

在此基礎上對LOI550和LOI1000原始數據平均得到總平均值，同時分別針對19個短期旋回的LOI550和LOI1000原始數據進行階段平均以及皮爾遜相關分析。皮爾遜相關系數在0與1之間，表明LOI550(有機質含量)與LOI1000(碳酸鹽含量)呈正相關關系，相關系數在-1與0之間，二者呈負相關關系。

以LOI550與LOI1000皮爾遜相關系數、各階段平均值與總平均值之間的對應關系為基準評定有機質及碳酸鹽的相對變化，湖盆中有機質與碳酸鹽的變化存有負相關與正相關兩種情況：①當有機質與碳酸鹽含量呈負相關：有機質高于平均值時指示氣候濕熱[32]；有機質低于平均值時指示氣候干冷[31, 46]。②當有機質與碳酸鹽含量呈正相關：有機質含量高于平均值指示古溫度較熱，低于平均值指示古溫度較冷[35, 48]；碳酸鹽含量高于平均值指示古濕度半干，低于平均值指示古濕度半濕[35, 48, 50]；有機質含量>10%且碳酸鹽高于平均值時，指示氣候濕熱[49]；有機質含量<1%且碳酸鹽低于平均值時，主要受長期冰封影響指示氣候干冷[50, 51]。

根據LOI550與LOI1000氣候識別原則將19個短期旋回氣候類型及其變化特征識別如下(圖5)：

伊普利斯階含煤油頁巖砂礫巖段(Ⅰ：899.2～708.2 m)，有機質含量前期升高顯著，中后期含量高于平均值，碳酸鹽前5段都與有機質呈正相關，趨勢升高。旋回(1)有機質及碳酸鹽呈正相關，有機質和碳酸鹽含量都低于1%，反映氣候以干冷為主；旋回(2)有機質與碳酸鹽呈正相關，有機質含量低于平均值，碳酸鹽含量高于平均值，反映氣候半干較冷；旋回(3)有機質與碳酸鹽呈正相關、二者含量都高于平均值，反映氣候半干較熱；旋回(4)有機質與碳酸鹽呈正相關、趨勢降低，有機質含量接近平均值，碳酸鹽含量低于平均值，氣候半濕較熱的特征；旋回(5)有機質含量上升趨勢明顯，與碳酸鹽呈正相關，二者含量都高于平均值，反映氣候半干較熱為主；旋回(6)有機質與碳酸鹽呈負相關，碳酸鹽含量降低，有機質含量遠高于平均值，反映氣候最濕熱。

盧泰特階油頁巖段(Ⅱ：708.2～581.0 m)，有機質與碳酸鹽呈正相關。旋回(7)整段有機質與碳酸鹽正相關，趨勢降低，有機質含量高于10%，碳酸鹽高于平均值，反映氣候濕熱為主；旋回(8)有機質與碳酸鹽正相關，都呈現降低趨勢，總含量都低于平均值，氣候以半濕較冷為主；旋回(9)有機質與碳酸鹽正相關，趨勢升高，二者均高于平均值，反映該時期氣候半干較冷。

巴頓階砂頁巖段(Ⅲ：590.3～132 m)，有機質含量多低于平均值，初期碳酸含量高時與有機質呈負相關。旋回(10)有機質與碳酸鹽負相關，趨勢降低，有機質含量低于平均值，碳酸鹽含量高于平均值，氣候以干冷為主；旋回(11)有機質與碳酸鹽正相關，且都接近于平均值，氣候半干較冷；旋回(12)有機質與碳酸鹽正相關，有機質含量及碳酸鹽含量高于平均值，氣候向半濕較冷轉變；旋回(13)有機質與碳酸鹽正相關，碳酸鹽總含量低于平均值，氣候以半濕較冷為主；旋回(14)有機質與碳酸鹽正相關，但有機質含量低于平均值，碳酸鹽總含量低于平均值，氣候以半濕較冷為主；旋回(15)有機質與碳酸鹽呈正相關，有機質含量略高于平均值，碳酸鹽總含量低于平均值，氣候較半濕較熱；旋回(16)有機質與碳酸鹽負相關，有機質含量低于平均值，碳酸鹽含量高于平均值，氣候半干較冷；旋回(17)有機質與碳酸鹽正相關，有機質含量低于1%，碳酸鹽含量低于平均值，反映該時期氣候干冷；旋回(18)有機質與碳酸鹽正相關，碳酸鹽含量低于平均值，氣候以半濕較冷為主；旋回(19)有機質與碳酸鹽正相關，有機質與碳酸鹽含量略低于平均值，氣候以半干較冷為主。

始新世中長期的氣候變化特征與時頻分析尺度a=450階段劃分結果一致(圖4、5)，整體分為3個部分6個中期半旋回：第一個部分為伊普利斯階-盧泰特階，初始氣候為干冷，溫度和濕度連續兩次上升至濕熱，之后是整體下降半干較冷，可分為上升中期半旋回1(包括短期旋回(1)、(2)、(3)、(4))+上升中期半旋回2(包括短期旋回(5)、(6))+下降中期半旋回3(包括短期旋回(7)、(8)、(9))；第二部分為巴頓階早期，初始氣候為干冷，經過溫度濕度持續升高至半濕較冷，只有一個上升中期半旋回4(包括短期旋回(10)、(11)、(12)、(13)、(14))；第三部分為巴頓階晚期，初始氣候為半濕較熱，溫度濕度降低之后升高至半干較冷，可分為下降中期半旋回5(包括短期旋回(15)、(16))+上升中期半旋回6(包括短期旋回(17)、(18)、(19))。對溫度和濕度曲線進行平滑濾波后得到溫度濕度趨勢線。對兩條趨勢線進行皮爾遜相關性分析，其皮爾遜相關系數可達0.99，完全正相關。這說明溫度升高濕度變大，溫度和濕度在中-長期旋回的角度上是一致變化的，這與時頻分析在中低頻頻譜上的一致性是吻合的(圖3、5)。

綜合溫度和濕度的整體變化(圖5)，始新世的長期氣候變化特征是逐漸上升，在始新世早中期達到頂點，之后逐漸下降，可解釋為長期上升半旋回(包括短期旋回(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6))+長期下降半旋回(包括短期旋回(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)、(13)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)、(19))，其半旋回分界線也是伊普利斯階和盧泰特階的分界線。

圖5 LOI相關性分析與氣候定性分析Fig.5 LOI correlation analysis and qualitative analysis of climate

根據李金國等人的年齡數據，可以粗略判斷短期半旋回處在2.0～1.0 Ma的時間尺度上，中期半旋回處于5.0～2.0 Ma的時間尺度上，長期半旋回處于20.0～10.0 Ma的時間尺度上。

4 討論

4.1 依蘭盆地始新世古氣候過程

本文使用燒失量揭示的氣候變化特征是定性到半定量的，將依蘭盆地始新世的古氣候分成濕熱、半濕較熱、半干較熱、干冷、半干較冷和半濕較冷6種氣候類型，并揭示連續的溫度濕度變化(圖5)。這6種氣候類型的對比基點來自于始新世內部，是一種依蘭盆地始新世內部自洽的氣候類型劃分方案。也就是說，這里劃分的類型和其他時期其他地區的相同類型未必是相同的溫度濕度，這6種類型是對依蘭盆地始新世氣候類型的細分。本文揭示的溫度和濕度變化是依蘭盆地始新世內的相對變化。

前人通過植物化石或者孢粉等研究手段，認為依蘭地區始新世為常綠闊葉落葉混交林與針葉林植被，整體上為亞熱帶-溫帶氣候[20]。伊普利斯階孢粉以櫟粉-杵粉(Quercoidires-Pistillipolenites)組合為主，盧泰特階以櫟粉-杉粉(Quercoidires-Taxodiaceaepollenites)組合為主，巴頓階以栗粉-櫟粉(Cupuliferoipollenites-Quercaidires)組合為主，伊普利斯階到盧泰特階溫度和濕度先升高后降低，巴頓階氣溫和濕度比伊普利斯階-盧泰特階最大值低[47]。

本文揭示的依蘭地區長期、中期氣候旋回，整體上和前人認識可以相互佐證。伊普利斯階是長期上升半旋回，盧泰特階-巴頓階是長期下降半旋回。中期旋回分為3個階段，第一階段為伊普利斯階，第二、第三階段為巴頓階。伊普利斯階-盧泰特階溫度和濕度的中低頻趨勢是先升高后降低，巴頓階整體的溫度和濕度中低頻趨勢的變化幅度整體小于伊普利斯階-盧泰特，這種中-長周期尺度的認識與前人的認識總體一致，但在短周期尺度上，燒失量的數據能夠反映更多的細節(圖5)。溫度和濕度的耦合變化過程中可總體分成兩種狀態，一種是溫度和濕度處于相同程度-同步平衡態，另一種是溫度和濕度處于不同程度-非同步平衡態。

伊普利斯階溫度和濕度連續上升，由兩個中期上升半旋回組成。中期上升半旋回1：短期旋回(1)～(2)(溫度和濕度從一個較低的水平同步上升，溫度和濕度處于同步平衡態)→短期旋回(3)(溫度和濕度變化不同步，溫度持續上升，濕度保持不變)→短期旋回(4)(溫度和濕度變化不同步，溫度保持不變，濕度上升，溫度和濕度再次處于同步平衡態)。中期上升半旋回2：短期旋回(5)(溫度和濕度變化不同步，溫度保持不變，濕度下降)→短期旋回(6)(溫度和濕度變化不同步，溫度上升，濕度急速上升，溫度和濕度再次處于同步平衡態)。在短期旋回(6)中溫度和濕度達到始新世最高狀態。

盧泰特階溫度和濕度連續下降，由一個中期下降半旋回組成。中期下降半旋回3：短期旋回(7)(溫度和濕度保持不變，溫度和濕度處于同步平衡態)→短期旋回(8)(溫度和濕度變化不同步，溫度急速下降，濕度下降)→短期旋回(9)(溫度和濕度變化不同步，溫度保持不變，濕度下降，溫度和濕度再次處于同步平衡態)。在短期旋回(7)中溫度和濕度與短期旋回(6)相似，處于始新世最高狀態。

巴頓階分為早期和晚期兩個階段。巴頓階早期溫度和濕度連續上升，由一個中期上升半旋回組成。中期上升半旋回4：短期旋回(10)(溫度和濕度同步降低到一個相對低點，與短期旋回(1)相似，溫度和濕度處于同步平衡態)→短期旋回(11)(溫度和濕度同步上升，溫度和濕度處于同步平衡態)→短期旋回(12)(溫度和濕度變化不同步，溫度保持不變，濕度上升)→短期旋回(13)(溫度和濕度保持不變)→短期旋回(14)(溫度和濕度保持不變)。短期旋回(12)～(14)濕度處于巴頓階最高狀態，小于伊普利斯階的最高濕度。

巴頓階晚期溫度和濕度先下降后上升，由一個中期下降半旋回和一個中期上升半旋回組成。中期上升半旋回5：短期旋回(15)(溫度和濕度變化不同步，溫度上升，濕度保持不變，溫度和濕度處于同步平衡態)→短期旋回(16)(溫度和濕度變化不同步，溫度保持不變，濕度下降)。中期上升半旋回6：短期旋回(17)(溫度和濕度變化不同步，溫度急速下降，濕度下降，溫度濕度與短期旋回(1)、(10)相似，溫度和濕度處于同步平衡態)→短期旋回(18)(溫度和濕度不同步，溫度上升，濕度急速上升)→短期旋回(19)(溫度和濕度變化不同步，溫度保持不變，濕度下降，溫度和濕度處于同步平衡態)。短期旋回(5)濕度和濕度均處于巴頓階最高狀態，小于伊普利斯階-盧泰特階的最高溫度和濕度。

普遍認為溫度和濕度的變化是正相關的[73-75]，也就是同步平衡態，在中長期尺度上，依蘭始新世溫度濕度的一致性變化基本上證實了這個觀點，但在短期尺度上，依蘭始新世的溫度濕度耦合變化時常處在非同步平衡態(圖5)。在同步平衡態和非同步平衡態的調整中，有一個規律性的變化與氣候冷卻密切相關。首先溫度和濕度相對較高，處于同步平衡態，之后進入非同步平衡態，這期間存在溫度保持不變，濕度持續下降的階段，最后進入同步平衡態，溫度和濕度處于相對較低，溫度由高變低完成冷卻。這一規律在短期旋回(6)～(10)和(15)～(17)中有完整的體現。其濕度的持續下降成為冷卻即將出現的重要標志。

4.2 始新世古氣候對比

本文長期氣候旋回分析顯示伊普利斯階到盧泰特階溫度升高，盧泰特階到巴頓階溫度降低，與東北地區及全球溫度變化總趨勢一致(圖6)。深海同位素揭示的古溫度從始新世開始一直增加，大約到51 Ma±達到最高溫，之后持續降溫，在41.8 Ma±有一個升溫波動，在始新世結束時溫度達到最低。Quan et al.[22]報道的東北地區始新世的溫度變化，在始新世開始升溫，在50 Ma±達到最高溫，之后降溫，在44 Ma±達到最低溫，之后小幅升溫。本文揭示的依蘭地區始新世溫度在始新世開始一直升溫，大約在50～44 Ma溫度達到最高，之后持續降溫在40 Ma±達到最低溫，之后小幅升溫，在38 Ma附近存在一起降溫波動。

東北地區年平均溫度據文獻[22]；深海氧同位素據文獻[3]。圖6 依蘭盆地與全球氣候指標對比Fig.6 Comparison between Yilan Basin and global climate indicators

在考慮測年和不同研究方法的誤差基礎上，本文中長期氣候變化規律與Quan et al.[22]的報道結果基本一致，均是升溫之后降溫，之后再小幅升溫。與深海同位素的對比結果可以看出依蘭盆地以及東北地區的古溫度整體上滯后于深海同位素揭示的古溫度變化。

5 結論

(1)本鉆孔燒失量數據表明，依蘭盆地在始新世可能存在濕熱、半濕較熱、半干較熱、干冷、半干較冷和半濕較冷的6種氣候特征。

(2)依蘭盆地始新世溫度和濕度的中長期變化趨勢是先升高，伊普利斯階末期溫度濕度達到整個始新世最高，之后逐漸降低，在巴頓階早期達到最低，之后回升，又小幅下降。

(3)在短期氣候變化過程中，溫度濕度從同步平衡態向下一個同步平衡態過渡的過程中，溫度保持不變，濕度的持續下降，是冷卻即將出現的重要標志。

(4)依蘭盆地始新世中長期溫度變化規律與東北地區一致，滯后于深海同位素揭示溫度變化。