中国东北依兰盆地始新世气候演化及湿度降低对冷却事件的指示

张新荣，刘晓奇，方石，平帅飞，张世锋，王晓杨

1.吉林大学 地球科学学院，长春 130061；2.自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室，长春 130061；3.吉林省油页岩与共生能源矿产重点实验室，长春 130061；4.天津市宁河区板桥镇人民政府，天津 301574；5.黑龙江龙煤地质勘探有限公司，黑龙江 佳木斯 154000；6.大庆油田 第六采油厂，黑龙江 大庆 163000

0 引言

了解和预测未来全球气候变化趋势是人类社会可持续发展的基本任务[1]。其中将古论今是最基本的研究方法，搞清楚地质历史时期气候变化规律，为预测全球气候变化提供模型和依据[2]。始新世(56～33.9 Ma)全球气候先升温后降温，由温室过渡为冰室[3-4]，期间存在极热事件(PETM)[5-6]、气候适宜期(EECO)[7]等一系列极端气候事件和典型气候类型。现今人类处于全球变暖、极端气候增多的气候演化阶段，与始新世可类比性强，对始新世气候演化的研究将为现今温室气体增加的全球气候变化提供研究类型[8-9]。

始新世的气候变化信息主要赋存于沉积地层中[10]。目前多是从古植被组合、沉积物组分等角度间接提取古温度及古湿度的变化，常用指标包括植物化石[11]、孢粉[12]、植硅体[13]、生物标记化合物[14]、磁化率[15]、TOC[16]、矿物含量[17]、无机元素[18]和烧失量[19]等。

中国东北地区始新世的古气候研究有了一定的积累。刘牧灵和贺超兴先后认为东北地区始新世为温热多雨的北亚热带气候-降水较多的暖温带的气候特征[20-21]。Quan et al.对东北地区始新世的古温度做了较全面的恢复，认为季风对本区温度和湿度的影响很大[22]。孟庆涛等则计算出桦甸盆地中-晚始新世平均气温为16.15℃，属北亚热带温暖湿润气候[23]。寇香玉等认为中晚始新世的年均温为14.6℃，属北亚热带气候[24]。韦一认为中始新世中期年均温为5.7～20.9℃，晚始新世初期年均温为8.5～22.6℃，气候处于亚热带、亚热带-温带湿润性气候向温带半湿润性气候转变的状态[25]。以上研究基本建立了较详细的始新世的古温度及其变化范围，但湿度的研究结果相对粗略，且对于温湿度之间的耦合关系缺乏足够认识。

同一沉积物样品在不同温度条件下(550℃、1 000℃)加热，其烧失量(loss on ignition，LOI)可反映有机质和碳酸盐含量[26-28]，其中有机质的含量反映温度和湿度的变化[29-30]。Nesje et al.研究挪威南部、张佳华研究北京房山东甘池烧失量时显示，有机质高对应气候湿热、低对应气候干冷[31-32]。碳酸盐的含量则反映区域有效湿度的变化[33-34]。李新新研究伊犁地区碳酸盐含量显示，高值反映气候偏干，低值反映气候偏湿[35]。

众多学者还发现有机质与碳酸盐之间具有密切联系[36-40]，总体上分为正相关和负相关两大类。其中负相关时对于气候的指示较为简单，有机质含量的变化趋势与温度湿度变化趋势之间是正相关，碳酸盐含量的变化趋势与湿度变化趋势之间是反相关[41-42]。刘子亭等揭示黄旗海湖区全新世早期有机质和碳酸盐负相关，有机质含量高时反映气候湿热，低时反映气候干冷[43]；陈忠利等在尕海地区中全新世也发现相似特征[44]。

有机质含量与碳酸盐含量变化趋势之间呈正相关时，其对气候的指示变得复杂[41-42, 45]。Wang et al.对青藏高原东北部，Zhao et al.在中国西北干旱地区开展烧失量研究时，有机质含量低时指示气候干冷[46-47]。吴世迎等研究冲绳海中段岩芯烧失量时，有机质与碳酸盐含量正相关，碳酸盐高值反映气候偏干，低值反映气候偏湿[48]。Munroe et al.研究美国犹他州东北部乌恩塔山脉烧失量时，有机质含量超过10%时气候暖湿[49]。Ali et al.研究印度喜马拉雅西北部沉积物烧失量时，有机质含量低于1%时对应气候干冷[50]；张丽莎等对黄旗海沉积岩芯烧失量测定也具有同样的特征[51]。可见沉积物中有机质与碳酸盐能从不同的维度反映古环境的温度和湿度，这对于古气候研究具有深度挖掘的价值。

中国东北依兰地区始新世地层较为完整，本文通过依兰盆地达连河组768.45 m连续岩芯系统高精度取样，进行了550℃和1 000℃烧失量测定，得到沉积物中有机质和碳酸盐含量垂向上的变化。通过对有机质、碳酸盐变化的时序分析和皮尔逊相关分析等数据分析手段，系统的讨论了始新世达连河组古气候温度与湿度的连续变化特征，划分气候类型，并与前人东北地区始新世古气候演化以及全球始新世气温变化进行了横向对比，这为预测现今气候变化趋势提供重要的地质学依据[52-53]。

1 研究背景

1.1 研究区位置

依兰盆地位于中国黑龙江省南部，地处于129°11′50″～130°11′40″E，45°51′40″～46°39′20″N之间。为温带湿润气候，四季分明[20]。区内发育松花江、牡丹江、倭肯河、巴兰河和勃利河等水系(图1a)。

1.2 地层特征

依兰盆地是郯庐断裂带北延分支依兰-伊通断裂带内的一个新生代小型盆地[54-56]。该地区始新统为达连河组，发育一套含煤、油页岩沉积地层[57]。该组地层与第四系角度不整合接触，上覆全新统黑色腐殖土、黏土层(图1b)。钻孔岩性特征如图1c所示。

a.地理位置图；b.研究区地质图(据1∶20万依兰县地质图绘制)；c.岩性柱状图。图1 研究区地理地质信息图Fig.1 Geographic and geological information map of study area

899.2～708.2 m含煤油页岩砂砾岩段，由细砾岩、煤和油页岩互层(Ed1)组成。底部为厚度40 m细砾岩，砾石成分以长石斑晶和花岗质岩屑为主；下部为黑色泥页岩夹灰色细砂岩与薄层灰黑色细砂岩；上部为油页岩、粉砂岩和粗砂岩互层。

708.2～590.3 m油页岩段，由油页岩组成(Ed2)。下部为黑色泥页岩夹灰色细砂岩与薄层灰黑色细砂岩；上部为油页岩、粉砂岩和粗砂岩互层。

590.3～132.0 m砂页岩段，为砂岩、粉砂岩和泥岩互层(Ed3)。下部灰色含砾粗砂岩，偶见粉砂岩层；中部灰色、深灰色细砂岩夹薄层中砂岩，发育小型交错层理、波状层理；上部灰色粉砂质泥岩夹薄褐煤层和薄粉砂层，可见植物残体。

1.3 时代归属

中国地层表(1976年)把吉林省的新安村组和黑龙江省的达连河组确定为始新世—渐新世地层。1990年，刘牧灵等将依兰煤田的煤、粉砂岩互层-砂泥岩夹油页岩-粉砂夹泥这套地层定为始新世[20]；1997年，贺超兴等将依兰煤矿煤层夹砂页岩-油页岩夹泥岩定为始新世地层[58]；2004年杨建国等对汤原断陷的地层研究认为达连河组同位素年龄为47～34 Ma[59]；2014年，万传彪等认为方正断陷和汤原断陷的新安村组、达连河组(泥岩、砂砾岩夹煤层-泥岩夹油页岩-砂岩夹煤层)与建组剖面的达连河组相当，将新安村组废弃，把达连河组底界年龄定为(55.8±0.2)Ma，顶界年龄定为36 Ma[60]。本文钻孔底部为细砾岩、煤油页岩互层，中部为油页岩和部分重力流沉积，上段为砂岩、粉砂质泥岩互层，与前人(表1)描述的岩性变化基本一致。此外，李金国等在依兰盆地达连河组剖面开展了古地磁测年工作，该剖面与钻孔直线距离在2 km±。其测试结果：下部含煤油页岩砂砾岩段年龄为56.0～47.8 Ma，中部油页岩段为47.8～41.2 Ma，上部砂页年龄为41.2～37.8 Ma[61]。综合分析可知，本文钻孔地层为始新世达连河组，下部含煤段为伊普利斯阶(55.8～47.8 Ma)，中部油页岩段为卢泰特阶(47.8～41.2 Ma)，上部砂页岩段为巴顿阶(41.2～37.8 Ma)(表1)。

表1 达连河组时代划分

2 样品采集、实验方法及数据结果

2.1 样品采集与实验过程

550℃烧失量(LOI550)反映样品中有机质的含量[62-65]。1 000℃烧失量(LOI1000)反映样品中碳酸盐的含量[66]。

本文针对达连河组岩芯沉积物(899.2～132.0 m) 以5 cm间距采集样品，共分析649个样品。实验过程中，设定550℃的烧失量作为灼烧有机质的温度。为保证灼烧彻底，以550℃恒温持续灼烧5 h、10 h、12 h直至24 h，至重量达到恒定为止。然后同一样品在1 000℃下恒温持续灼烧2 h、5 h、10 h和12 h， 直到重量达到恒定。 具体实验流程如下：

烧失量测定均在吉林大学古植被古环境分析评价实验室完成，烧失量采用Lindberg/Blue M 1100箱式马弗炉测定。

2.2 数据结果

剖面上，LOI550和LOI1000从下至上呈锯齿状变化，整体均值分别为4.497%和1.13%。其中，LOI550下部呈明显高值，LOI1000在中下部750～550 m的值在剖面上表现较高。初步发现其变化特征划分为3个阶段(图2)，与前人在本区的岩性划分阶段有强的一致性。

图2 烧失量曲线图Fig.2 LOI curves

阶段Ⅰ(899.2～708.2 m)LOI550开始变化平稳，中期波动剧烈，后期波动幅度降低，LOI1000出现3次高值，据此将之分成3个次级阶段，其中Ⅰ1(899.2～859.0 m)，LOI550变化范围为0.31%～5.67%，平均值1.30%，底部899.2～875.5 m在剖面上明显最小。LOI1000变化范围为0.13%～6.29%，平均值为1.24%。Ⅰ2(859.0 ～772.1 m)，LOI550变化范围为1.15%～44.27%，平均值为7.71%。其中下部变化幅度最大，从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变化范围为0.12%～8.31%，平均值为1.61%。Ⅰ3(772.1～708.2 m)，LOI550变化范围为1.46%～23.05%，平均值为9.76%，LOI1000变化范围为0.04%～13.6%，平均值为1.73%。

阶段Ⅱ(708.2～590.3 m)LOI550与LOI1000前期变化平稳，后期急剧降低后又缓慢升高，据此将之分成两个次级阶段，其中Ⅱ1(708.2～644.7 m)，LOI550变化范围为4.25%～15.30%，平均值为9.97%，大部分在10%附近小幅度波动，LOI1000变化范围为0.10%～2.93%，平均值为2.08%。Ⅱ2(644.7 ～581.0 m)，LOI550变化范围为0.31%～8.06%，平均值为2.16%，其中647.0 m为谷值2.39%。LOI1000变化范围为0.10%～9.37%，平均值为1.04%，谷值0.08%，峰值9.37%。

阶段Ⅲ(590.3～132.0 m)LOI550整体波动幅度较小，LOI1000前期有大段降低趋势，接着小段上升，随后波动幅度变大至后期波动幅度变小，据此将之分成4个次级阶段。其中Ⅲ1(590.3 ～411.8 m)，LOI550变化范围为0.11%～17.44%，平均值为3.23%，453.0 m附近出现一个小峰值，最高点为17.44%，LOI1000<10%，平均值为1.04%。Ⅲ2(411.8 ～371.5 m)，LOI550<5%，平均值为1.26%。LOI1000变化范围为0.01%～4.66%，平均值为0.57%，是剖面上一个显著低值阶段。Ⅲ3(371.5～219 m)，LOI550平均值为3.67%，下部371.5 ～299.5 m LOI550小于上部，本次级阶段峰值为299.5 m处的11.56%。LOI1000平均值为0.80%，相比Ⅲ2较小，最大峰值8.54%。Ⅲ4(219 ～132 m)LOI550变化范围为0.94%～12.60%，平均值为5.21%，波动间隔较大。LOI1000变化范围为0.25%～7.28%，平均值为1.43%，为剖面上明显低值段。

3 数据分析

利用Matlab软件的小波变换对两组数据进行频谱分析，在小波变换中，尺度a大显示低频部分的特征，尺度a小则显示高频部分的特征。在LOI550与LOI1000小波变换的尺度a达到1 000的时候，可以从LOI550与LOI1000频谱的镜像关系中看出，尺度a在450～1 000之间的频谱图基本是对称的，也就是说中低频(450～1 000)部分频谱变化基本一致，代表了大尺度下，影响有机质和碳酸盐含量变化的控制因素是一致的(图3)。但中高频(0～450)部分虽然依然可以看见相似的规律，但对应性开始存在差异，特别是尺度a在150的附近存在一个明显的突变，<150部分的频谱对应关系变得更加复杂，这表明在中高频部分LOI550与LOI1000的控制因素存在明显差异[67-68]，推断LOI550代表的有机质受温度影响明显，而LOI1000代表碳酸盐受湿度影响更明显。在两组信号谱图的对比中，发生变化的尺度值是比较关键的点。

图3 LOI时频分析Fig.3 LOI wavelet analysis

大于尺度450的频谱图基本是一致的，小于尺度150的频谱对应变化的复杂度上有一个明显跃升。因此在对比过程中尺度450和尺度150谱值的对比划分是这两组信号的关键点。利用时频分析的频谱图划分旋回，可以根据谱图上过某一尺度谱值的变化划分，彩色谱图多用颜色的变化界限或者某一颜色的最大值点/最小值作为界限。综合划分同一时段两组信号的频谱，当在同一尺度上的谱值，其中一个处在同一种颜色中，可用另一个的颜色变化来印证划分。

LOI550和LOI1000在尺度450的谱值根据颜色的变化可以识别出3个部分，其中第一部分对应的是伊普利斯阶，第二、第三部分对应的是巴顿阶。

LOI550在尺度150的谱值根据颜色的变化可以识别出1、5、6、7、8、9这6个明确的段，LOI1000在尺度150的谱值根据颜色的变化可以识别出2、3、4、5、6、7、8、11这8个明确的段(图4)。其中2、3、4段在LOI550尺度150的谱值均处于黄色，在LOI550上无法区分，只在LOI1000上可以区分。第6段底界，在LOI550上为黄到蓝的分界处非常清晰，在LOI1000上则是黄到绿的分界处不是非常清晰，但可以识别(图4)。第10段的顶界在LOI1000上是黄到蓝的分界，其底界在LOI550上为蓝到黄的分界。整体上在尺度150的谱值上可综合识别出为11个段(图4)。1～4段对应的是伊普利斯阶，5段对应的是卢泰特阶，6～11段对应的是巴顿阶。

图4 LOI时频分析与聚类分析综合分段Fig.4 LOI subsection and CONISS integrated segmentation

使用Savitzky-Golay法以相邻50点为窗口对LOI原始数据除噪滤波去除高频部分，获取到LOI550和LOI1000的中低频变化趋势线[69]。对LOI550和LOI1000原始数据使用CONISS函数进行时序聚类分析[70-72]，以聚类水平34将取样井段细分为19个阶段(图4)。结合中低频变化趋势，由干燥寒冷变为温暖潮湿为上升半旋回，由温暖潮湿变为干燥寒冷为下降半旋回，将19个阶段划分为不同的短期半旋回(图4)。当聚类水平<34时，时序分析划分的界限包含在时频分析尺度a=150时划分的界限中。19个短期旋回是时频分析11个阶段的进一步细分(图4)。

在此基础上对LOI550和LOI1000原始数据平均得到总平均值，同时分别针对19个短期旋回的LOI550和LOI1000原始数据进行阶段平均以及皮尔逊相关分析。皮尔逊相关系数在0与1之间，表明LOI550(有机质含量)与LOI1000(碳酸盐含量)呈正相关关系，相关系数在-1与0之间，二者呈负相关关系。

以LOI550与LOI1000皮尔逊相关系数、各阶段平均值与总平均值之间的对应关系为基准评定有机质及碳酸盐的相对变化，湖盆中有机质与碳酸盐的变化存有负相关与正相关两种情况：①当有机质与碳酸盐含量呈负相关：有机质高于平均值时指示气候湿热[32]；有机质低于平均值时指示气候干冷[31, 46]。②当有机质与碳酸盐含量呈正相关：有机质含量高于平均值指示古温度较热，低于平均值指示古温度较冷[35, 48]；碳酸盐含量高于平均值指示古湿度半干，低于平均值指示古湿度半湿[35, 48, 50]；有机质含量>10%且碳酸盐高于平均值时，指示气候湿热[49]；有机质含量<1%且碳酸盐低于平均值时，主要受长期冰封影响指示气候干冷[50, 51]。

根据LOI550与LOI1000气候识别原则将19个短期旋回气候类型及其变化特征识别如下(图5)：

伊普利斯阶含煤油页岩砂砾岩段(Ⅰ：899.2～708.2 m)，有机质含量前期升高显著，中后期含量高于平均值，碳酸盐前5段都与有机质呈正相关，趋势升高。旋回(1)有机质及碳酸盐呈正相关，有机质和碳酸盐含量都低于1%，反映气候以干冷为主；旋回(2)有机质与碳酸盐呈正相关，有机质含量低于平均值，碳酸盐含量高于平均值，反映气候半干较冷；旋回(3)有机质与碳酸盐呈正相关、二者含量都高于平均值，反映气候半干较热；旋回(4)有机质与碳酸盐呈正相关、趋势降低，有机质含量接近平均值，碳酸盐含量低于平均值，气候半湿较热的特征；旋回(5)有机质含量上升趋势明显，与碳酸盐呈正相关，二者含量都高于平均值，反映气候半干较热为主；旋回(6)有机质与碳酸盐呈负相关，碳酸盐含量降低，有机质含量远高于平均值，反映气候最湿热。

卢泰特阶油页岩段(Ⅱ：708.2～581.0 m)，有机质与碳酸盐呈正相关。旋回(7)整段有机质与碳酸盐正相关，趋势降低，有机质含量高于10%，碳酸盐高于平均值，反映气候湿热为主；旋回(8)有机质与碳酸盐正相关，都呈现降低趋势，总含量都低于平均值，气候以半湿较冷为主；旋回(9)有机质与碳酸盐正相关，趋势升高，二者均高于平均值，反映该时期气候半干较冷。

巴顿阶砂页岩段(Ⅲ：590.3～132 m)，有机质含量多低于平均值，初期碳酸含量高时与有机质呈负相关。旋回(10)有机质与碳酸盐负相关，趋势降低，有机质含量低于平均值，碳酸盐含量高于平均值，气候以干冷为主；旋回(11)有机质与碳酸盐正相关，且都接近于平均值，气候半干较冷；旋回(12)有机质与碳酸盐正相关，有机质含量及碳酸盐含量高于平均值，气候向半湿较冷转变；旋回(13)有机质与碳酸盐正相关，碳酸盐总含量低于平均值，气候以半湿较冷为主；旋回(14)有机质与碳酸盐正相关，但有机质含量低于平均值，碳酸盐总含量低于平均值，气候以半湿较冷为主；旋回(15)有机质与碳酸盐呈正相关，有机质含量略高于平均值，碳酸盐总含量低于平均值，气候较半湿较热；旋回(16)有机质与碳酸盐负相关，有机质含量低于平均值，碳酸盐含量高于平均值，气候半干较冷；旋回(17)有机质与碳酸盐正相关，有机质含量低于1%，碳酸盐含量低于平均值，反映该时期气候干冷；旋回(18)有机质与碳酸盐正相关，碳酸盐含量低于平均值，气候以半湿较冷为主；旋回(19)有机质与碳酸盐正相关，有机质与碳酸盐含量略低于平均值，气候以半干较冷为主。

始新世中长期的气候变化特征与时频分析尺度a=450阶段划分结果一致(图4、5)，整体分为3个部分6个中期半旋回：第一个部分为伊普利斯阶-卢泰特阶，初始气候为干冷，温度和湿度连续两次上升至湿热，之后是整体下降半干较冷，可分为上升中期半旋回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))；第二部分为巴顿阶早期，初始气候为干冷，经过温度湿度持续升高至半湿较冷，只有一个上升中期半旋回4(包括短期旋回(10)、(11)、(12)、(13)、(14))；第三部分为巴顿阶晚期，初始气候为半湿较热，温度湿度降低之后升高至半干较冷，可分为下降中期半旋回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))。对温度和湿度曲线进行平滑滤波后得到温度湿度趋势线。对两条趋势线进行皮尔逊相关性分析，其皮尔逊相关系数可达0.99，完全正相关。这说明温度升高湿度变大，温度和湿度在中-长期旋回的角度上是一致变化的，这与时频分析在中低频频谱上的一致性是吻合的(图3、5)。

综合温度和湿度的整体变化(图5)，始新世的长期气候变化特征是逐渐上升，在始新世早中期达到顶点，之后逐渐下降，可解释为长期上升半旋回(包括短期旋回(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6))+长期下降半旋回(包括短期旋回(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)、(13)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)、(19))，其半旋回分界线也是伊普利斯阶和卢泰特阶的分界线。

图5 LOI相关性分析与气候定性分析Fig.5 LOI correlation analysis and qualitative analysis of climate

根据李金国等人的年龄数据，可以粗略判断短期半旋回处在2.0～1.0 Ma的时间尺度上，中期半旋回处于5.0～2.0 Ma的时间尺度上，长期半旋回处于20.0～10.0 Ma的时间尺度上。

4 讨论

4.1 依兰盆地始新世古气候过程

本文使用烧失量揭示的气候变化特征是定性到半定量的，将依兰盆地始新世的古气候分成湿热、半湿较热、半干较热、干冷、半干较冷和半湿较冷6种气候类型，并揭示连续的温度湿度变化(图5)。这6种气候类型的对比基点来自于始新世内部，是一种依兰盆地始新世内部自洽的气候类型划分方案。也就是说，这里划分的类型和其他时期其他地区的相同类型未必是相同的温度湿度，这6种类型是对依兰盆地始新世气候类型的细分。本文揭示的温度和湿度变化是依兰盆地始新世内的相对变化。

前人通过植物化石或者孢粉等研究手段，认为依兰地区始新世为常绿阔叶落叶混交林与针叶林植被，整体上为亚热带-温带气候[20]。伊普利斯阶孢粉以栎粉-杵粉(Quercoidires-Pistillipolenites)组合为主，卢泰特阶以栎粉-杉粉(Quercoidires-Taxodiaceaepollenites)组合为主，巴顿阶以栗粉-栎粉(Cupuliferoipollenites-Quercaidires)组合为主，伊普利斯阶到卢泰特阶温度和湿度先升高后降低，巴顿阶气温和湿度比伊普利斯阶-卢泰特阶最大值低[47]。

本文揭示的依兰地区长期、中期气候旋回，整体上和前人认识可以相互佐证。伊普利斯阶是长期上升半旋回，卢泰特阶-巴顿阶是长期下降半旋回。中期旋回分为3个阶段，第一阶段为伊普利斯阶，第二、第三阶段为巴顿阶。伊普利斯阶-卢泰特阶温度和湿度的中低频趋势是先升高后降低，巴顿阶整体的温度和湿度中低频趋势的变化幅度整体小于伊普利斯阶-卢泰特，这种中-长周期尺度的认识与前人的认识总体一致，但在短周期尺度上，烧失量的数据能够反映更多的细节(图5)。温度和湿度的耦合变化过程中可总体分成两种状态，一种是温度和湿度处于相同程度-同步平衡态，另一种是温度和湿度处于不同程度-非同步平衡态。

伊普利斯阶温度和湿度连续上升，由两个中期上升半旋回组成。中期上升半旋回1：短期旋回(1)～(2)(温度和湿度从一个较低的水平同步上升，温度和湿度处于同步平衡态)→短期旋回(3)(温度和湿度变化不同步，温度持续上升，湿度保持不变)→短期旋回(4)(温度和湿度变化不同步，温度保持不变，湿度上升，温度和湿度再次处于同步平衡态)。中期上升半旋回2：短期旋回(5)(温度和湿度变化不同步，温度保持不变，湿度下降)→短期旋回(6)(温度和湿度变化不同步，温度上升，湿度急速上升，温度和湿度再次处于同步平衡态)。在短期旋回(6)中温度和湿度达到始新世最高状态。

卢泰特阶温度和湿度连续下降，由一个中期下降半旋回组成。中期下降半旋回3：短期旋回(7)(温度和湿度保持不变，温度和湿度处于同步平衡态)→短期旋回(8)(温度和湿度变化不同步，温度急速下降，湿度下降)→短期旋回(9)(温度和湿度变化不同步，温度保持不变，湿度下降，温度和湿度再次处于同步平衡态)。在短期旋回(7)中温度和湿度与短期旋回(6)相似，处于始新世最高状态。

巴顿阶分为早期和晚期两个阶段。巴顿阶早期温度和湿度连续上升，由一个中期上升半旋回组成。中期上升半旋回4：短期旋回(10)(温度和湿度同步降低到一个相对低点，与短期旋回(1)相似，温度和湿度处于同步平衡态)→短期旋回(11)(温度和湿度同步上升，温度和湿度处于同步平衡态)→短期旋回(12)(温度和湿度变化不同步，温度保持不变，湿度上升)→短期旋回(13)(温度和湿度保持不变)→短期旋回(14)(温度和湿度保持不变)。短期旋回(12)～(14)湿度处于巴顿阶最高状态，小于伊普利斯阶的最高湿度。

巴顿阶晚期温度和湿度先下降后上升，由一个中期下降半旋回和一个中期上升半旋回组成。中期上升半旋回5：短期旋回(15)(温度和湿度变化不同步，温度上升，湿度保持不变，温度和湿度处于同步平衡态)→短期旋回(16)(温度和湿度变化不同步，温度保持不变，湿度下降)。中期上升半旋回6：短期旋回(17)(温度和湿度变化不同步，温度急速下降，湿度下降，温度湿度与短期旋回(1)、(10)相似，温度和湿度处于同步平衡态)→短期旋回(18)(温度和湿度不同步，温度上升，湿度急速上升)→短期旋回(19)(温度和湿度变化不同步，温度保持不变，湿度下降，温度和湿度处于同步平衡态)。短期旋回(5)湿度和湿度均处于巴顿阶最高状态，小于伊普利斯阶-卢泰特阶的最高温度和湿度。

普遍认为温度和湿度的变化是正相关的[73-75]，也就是同步平衡态，在中长期尺度上，依兰始新世温度湿度的一致性变化基本上证实了这个观点，但在短期尺度上，依兰始新世的温度湿度耦合变化时常处在非同步平衡态(图5)。在同步平衡态和非同步平衡态的调整中，有一个规律性的变化与气候冷却密切相关。首先温度和湿度相对较高，处于同步平衡态，之后进入非同步平衡态，这期间存在温度保持不变，湿度持续下降的阶段，最后进入同步平衡态，温度和湿度处于相对较低，温度由高变低完成冷却。这一规律在短期旋回(6)～(10)和(15)～(17)中有完整的体现。其湿度的持续下降成为冷却即将出现的重要标志。

4.2 始新世古气候对比

本文长期气候旋回分析显示伊普利斯阶到卢泰特阶温度升高，卢泰特阶到巴顿阶温度降低，与东北地区及全球温度变化总趋势一致(图6)。深海同位素揭示的古温度从始新世开始一直增加，大约到51 Ma±达到最高温，之后持续降温，在41.8 Ma±有一个升温波动，在始新世结束时温度达到最低。Quan et al.[22]报道的东北地区始新世的温度变化，在始新世开始升温，在50 Ma±达到最高温，之后降温，在44 Ma±达到最低温，之后小幅升温。本文揭示的依兰地区始新世温度在始新世开始一直升温，大约在50～44 Ma温度达到最高，之后持续降温在40 Ma±达到最低温，之后小幅升温，在38 Ma附近存在一起降温波动。

东北地区年平均温度据文献[22]；深海氧同位素据文献[3]。图6 依兰盆地与全球气候指标对比Fig.6 Comparison between Yilan Basin and global climate indicators

在考虑测年和不同研究方法的误差基础上，本文中长期气候变化规律与Quan et al.[22]的报道结果基本一致，均是升温之后降温，之后再小幅升温。与深海同位素的对比结果可以看出依兰盆地以及东北地区的古温度整体上滞后于深海同位素揭示的古温度变化。

5 结论

(1)本钻孔烧失量数据表明，依兰盆地在始新世可能存在湿热、半湿较热、半干较热、干冷、半干较冷和半湿较冷的6种气候特征。

(2)依兰盆地始新世温度和湿度的中长期变化趋势是先升高，伊普利斯阶末期温度湿度达到整个始新世最高，之后逐渐降低，在巴顿阶早期达到最低，之后回升，又小幅下降。

(3)在短期气候变化过程中，温度湿度从同步平衡态向下一个同步平衡态过渡的过程中，温度保持不变，湿度的持续下降，是冷却即将出现的重要标志。

(4)依兰盆地始新世中长期温度变化规律与东北地区一致，滞后于深海同位素揭示温度变化。