近日，北京大学物理学院大气与海洋科学系胡永云教授团队结合气候模拟结果和地质记录，量化了显生宙煤和蒸发岩的形成与气候环境（温度和降水）的关系，论文发表在National Science Review。
图1、蒸发岩
煤和蒸发岩：气候干湿的定性指标
煤是不同地质时期植物经过泥炭（腐泥）和煤化过程形成的，植物的生长需要潮湿温和的气候环境，因此，煤的形成对应着湿润温和的气候。
蒸发岩是卤水蒸发、浓缩、结晶而形成的化学沉积岩（如钾盐、硫酸盐、硝酸盐等），顾名思义在炎热干燥的气候条件下形成的。
在古气候研究中，煤和蒸发岩被定性地作为潮湿和干燥气候环境的替代指标。然而，煤和蒸发岩与气候要素之间的定量的关系，尤其与温度和降水的定量关系尚不清楚。
本研究：从定性到定量
胡永云团队结合他们的显生宙系列气候模拟结果和煤与蒸发岩地质记录，建立了煤和蒸发岩与温度和降水之间的定量关系。结果表明：
在晚古生代（4.19-2.51亿年前），煤主要形成在赤道附近，对应的年平均温度主要集中在25°C，年平均降水量集中在1300 mm。古生代成煤植物主要为蕨类植物，蕨类植物是低等维管植物，对水的传输能力弱，因此，古生代的植物主要分布在温暖潮湿的赤道地区，煤也形成在赤道附近。
至中生代（2.51-0.66亿年），裸子植物在陆地繁盛，裸子植物比蕨类植物传输水分的能力更强，也更能适应降水量较少的内陆环境。随着大陆移动到北半球中高纬度，植物也延伸到北半球中高纬度，煤开始出现在约50 ºN，这里是多风暴和多降水的湿润区，煤形成所对应的温度约为10℃，年平均降水约为900 mm。与此同时，白腐菌的出现热带地区（白腐菌起源于约2.95 亿年前），白腐菌能够有效地降解木质素，植物很难保存，所以，在中生代的大部分时间，热带地区几乎没有煤的形成。
在新生代（0.66亿年-现代），气候持续变冷，现在的全球平均温度比白垩纪晚期低将近10°C，降水量也随之下降。但在新生代，被子植物占统治地位，其生理功能比蕨类和裸子植物具有更好的光合作用和适应气候环境的能力，因此，虽然新生代温度和降水下降，但煤的地理分布与中生代相似，主要形成于北半球中纬度。
蒸发岩总是出现在南北半球的副热带干旱区。在石炭纪早期之前，几乎所有的蒸发岩都出现在南半球。至古生代晚期，因为盘古大陆的北移，蒸发岩出现在北半球副热带地区。蒸发岩形成的年平均温度集中在27 ºC，对应年平均降水量约为800 mm。
一个特别有意义的结果是，虽然显生宙全球气候在温室和冰室之间多次变换，温度波动幅度超过10 ºC，但煤和蒸发岩形成的年平均净降水量（降水减去蒸发）不随时间变化。如图2所示，煤形成所对应年均净降水集中在300 mm，蒸发岩对应的年均净降水集中在100 mm。这说明在煤和蒸发岩的形成过程中，相关的物理、化学和生物过程所需要的水分是不变的。
图2、各地质时期煤和蒸发岩地质记录所对应的年平均净降水量（降水减去蒸发）。(a) 4.1亿年前至今煤形成对应的净降水量，(b) 4.1亿年前至今煤形成对应的净降水总分布。(c) 5.4亿年前至今，蒸发岩地质记录对应的将降水量，(d) 5.4亿年前至今，蒸发岩形成对应的净降水总分布。
煤和蒸发岩与温度和降水之间的定量关系可以用来“预测”各地质时期煤和蒸发岩的空间分布（方法见论文）。如图3所示，超过80%的煤和蒸发岩数据点均在预测范围内（粉色区域），这对勘探煤和蒸发岩矿产提供了依据。
图3、根据量化的关系“预测”的煤和蒸发岩空间分布。(a) 现代泥炭的空间分布，(b) 2亿年前煤的空间分布。(c) 现代蒸发岩的空间分布，(d) 1.6亿年前蒸发岩的空间分布。黑色圆点：煤的地质记录位置，红色圆点：蒸发岩的地质记录位置，粉红色区域表示预测的成功率超过80%。
前景与意义
1、煤和蒸发岩与降水的关系对重建深时降水有重要意义。深时温度重建已有很多工作，但对降水的定量重建还很少，难度较大，因此，这里的定量关系是深时降水重建的参考依据之一。
2、 煤和蒸发岩与净降水之间的恒定关系是约束植被生长和风化反应速率的指标之一。
3、外生矿床的形成均与所处的气候环境存在一定的关系。根据类似的方法，也可建立外生矿床（如铝土矿等）与温度和降水之间的定量关系，并可以用来预测这些外生矿床。
该项研究是由国家自然科学基金委科学中心项目“大陆演化与季风系统演变”（41888101）和中国博士后科学学基金（2021M700197）资助下完成的。
原文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwad051
