太陽系的動力學穩定性是天文學研究的核心問題之一。1812年，法國著名天文學家和數學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯曾提出，根據行星的初始位置和萬有引力定律，理論上可以恢復所有行星的運動軌跡。然而，實際情況因N體問題而復雜，行星間的引力共振導致太陽系呈現混沌特性，微小的初始條件差異即可引發軌道不可預測的“蝴蝶效應”。盡管依靠現代超級計算機和高精度的數值模型，天文學家能夠預測6千萬年內的行星軌道演化，但突破這一時間限制，必須依靠地質記錄的反演研究。
地球軌道參數（偏心率、歲差和斜率）受太陽系內行星引力相互作用影響，呈現周期性變化。其中，火星與地球的引力作用導致的超長偏心率周期（現為240萬年），極易受到太陽系混沌行為的影響，周期值變化可達數百萬年。這些地球軌道參數變化通過調控地表日照量，直接影響全球氣候變化，并在沉積地層中留下記錄。因此，通過分析沉積記錄中的火星-地球超長偏心率周期變化，可以反演深時太陽系的混沌行為。我國準噶爾盆地發育完整的中新生代陸相沉積記錄，為解決上述問題提供了珍貴的材料。
近日，中國科學院南京地質古生物研究所副研究員房亞男、研究員沙金庚、研究員張海春、研究員王博與美國哥倫比亞大學教授Paul Olsen等國內外同行，通過對準噶爾盆地早侏羅世晚期三工河組陸相沉積地層開展高分辨率的天文旋回地層學、沉積學、地球化學和孢粉學等多學科綜合研究，揭示了中生代早期強烈的火星-地球超長偏心率變化，為約束深時太陽系混沌行為提供了關鍵證據。研究首次發現Jenkyns事件（約1.8億年前的全球快速升溫事件，也被稱為托阿爾期大洋缺氧事件）與火星-地球超長偏心率吻合，Jenkyns期間全球變暖可能放大了海洋或深水湖泊環境中超長偏心率調制的碳波動。相關成果于北京時間7月1日在線發表于國際著名綜合期刊《美國科學院院報》（PNAS）上。
晚三疊世至早侏羅世（距今2.37-1.75億年），準噶爾盆地位于潘吉亞超級大陸高緯度地區，是一個大型淺水湖泊系統。通過系統剖析影響有機碳同位素波動的主要因素（包括有機質來源、微生物降解、低有機碳樣品的污染、大氣CO2碳同位素組成、植物群變化和環境因素等），研究發現三工河組中有機質主要由陸地高等植物組成，有機碳同位素波動的主要控制因素是大氣CO2碳同位素組成的變化。進一步的天文旋回地層學分析表明，三工河組有機碳同位素中記錄了160萬年的火星-地球超長偏心率周期。這一周期通過調控全球可交換碳庫，驅動大氣CO2碳同位素組成周期性波動，最后被陸地高等植物記錄下來。結合已識別出的晚三疊世180萬年和早侏羅世早期240萬年周期，顯示火星-地球超長偏心率周期在中生代早期經歷了顯著變化，為深時太陽系混沌行為提供了關鍵證據。
此外，研究團隊還精確限定了Jenkyns事件在三工河組中的地層位置，并將其天文年代標尺與全球多個經典Jenkyns事件剖面進行了高精度對比。三工河組Jenkyns事件層位Classopollis孢粉高度富集，這表明當時準噶爾盆地氣候干旱且高溫，可能與開魯-菲拉超級火山噴發引發的全球氣溫升高相關。研究發現，三工河組Jenkyns事件正好對應一個160萬年超長偏心率周期引起的碳同位素負偏期，但其表現出的有機碳同位素波動遠低于傳統海洋或深湖記錄中的異常值，只是多個超長偏心率周期引起的全球碳波動中的一個。這一現象表明，Jenkyns事件期間全球變暖可能放大了海洋或深水湖泊環境中超長偏心率調制的碳波動，而處于淺水環境的準噶爾盆地，可能更加真實的反映了當時碳循環的本質狀態。
本研究為限定深時太陽系混沌行為，過濾有效的天文解決方案，檢驗行星初始位置和驗證重力模型提供了重要線索，同時，為揭示地球外力（軌道）和內力（構造運動—超級火山噴發）對地球碳循環與氣候的影響提供了重要證據。研究成果有助于揭示深時全球變暖事件的機制和過程，進而深化我們對未來氣候變化的理解。
本研究得到國家自然科學基金和中國科學院的共同資助。
論文相關信息：Fang Yanan, Olsen P. E., Sha Jingeng, Whiteside J. H., Chengguo Guan, Ikeda M., Li Sha, Zheng Daran, Zhang Haichun, Wang Bo, 2025. Jurassic constrains on the chaotic Mars-Earth eccentricity cycle linked to the volcanically induced Jenkyns event. PNAS, ?doi：https://doi.org/10.1073/pnas.2419902122.
圖2 現今和早侏羅世準噶爾盆地位置圖
圖3 40萬年長偏心率調諧后的三工河組巖性柱狀圖（A）、孢粉相對含量（B）、顏色（C）、沉積相和相對湖平面變化曲線（D）、總有機碳含量（TOC）（E）、有機碳同位素（F）及相應的160萬年火星-地球超長偏心率和40萬年木星-金星長偏心率濾波
圖4 Karoo-Ferrar超級大火成巖省年齡分布與40萬年長偏心率調諧后的準噶爾盆地有機碳同位素、英國Mochras Farm有機碳同位素、日本Inuyama生物硅通量和法國Sancerre磁化率。各剖面通過T-OAE碳同位素最負點相連，時間標尺來自Inuyama天文年代標尺。
圖5天文解決方案中的火星-地球超長偏心率周期與地質記錄對比
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