胡俊杰, 马寅生, 王宗秀, 柳永清, 高万里, 钱涛. (2017)地球化学记录揭示的柴达木盆地北缘地区中—晚侏罗世古环境与古气候* [J]. 古地理学报, 19(3): 480-490
Hu Junjie, Ma Yinsheng, Wang Zongxiu, Liu Yongqing, Gao Wanli, Qian Tao. (2017)Palaeoenvironment and palaeoclimate of the Middle to Late Jurassic revealed by geochemical records in northern margin of Qaidam Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 19(3): 480-490. DOI:10.7605/gdlxb.2017.03.037  
Permissions
Copyright©2017, 《古地理学报》编辑部
版权所有.《古地理学报》编辑部
地球化学记录揭示的柴达木盆地北缘地区中—晚侏罗世古环境与古气候*
胡俊杰1, 马寅生1, 王宗秀1, 柳永清2, 高万里1, 钱涛1
1 中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081
2 中国地质科学院地质研究所,北京 100037

第一作者简介 胡俊杰,男,1987年生,中国地质大学(北京)获得博士学位。现为中国地质科学院地质力学所博士后,目前主要从事中生代沉积演化和古气候变化研究。E-mail: howimet@foxmail.com。

通讯作者简介 马寅生,男,1962年生,研究员,从事构造地质、石油地质方向的研究。E-mail: mayinsheng@sohu.com。

收稿日期:2017-01-09
基金:*国家自然科学基金项目(编号: 41372109,41672111)、国家自然科学基金青年科学基金项目(编号: 41602125)、中国博士后科学基金项目(编号: 2016M601085)以及中国地质调查局项目(编号: 12120115003401)联合资助
摘要

沉积岩的地球化学特征是古环境变化良好的示踪剂,柴达木盆地北缘地区侏罗系记录了中国西北地区古环境、古气候演化的重要信息。本研究通过对柴达木盆地北缘地区大煤沟侏罗系标准剖面沉积岩的元素地球化学分析,尝试恢复了研究区中—晚侏罗世的古环境特征。结果显示:( 1)研究区中—晚侏罗世以富氧的浅水环境为主,仅在短期内出现较深湖相沉积;整体上侏罗纪湖盆水体盐度较低,而部分层段沉积物盐度增大系降雨量相对减小导致。( 2)基于多元地球化学参数建立的古气候演化曲线表明,中—晚侏罗世柴达木盆地北缘地区古气温、古湿度均在一定幅度内频繁变化;自中侏罗世晚期开始,研究区古气候开始由温暖潮湿向炎热干旱转变,至晚侏罗世进入了干热环境主导的阶段。多元地球化学参数剖面的建立为中国西北地区中—晚侏罗世“干热化事件”和区域古气候的研究对比提供了新的证据和材料。

关键词: 柴达木盆地; 中—晚侏罗世; 干热化事件; 地球化学; 古气候
中图分类号:P532 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2017)03-0480-11
Palaeoenvironment and palaeoclimate of the Middle to Late Jurassic revealed by geochemical records in northern margin of Qaidam Basin
Hu Junjie1, Ma Yinsheng1, Wang Zongxiu1, Liu Yongqing2, Gao Wanli1, Qian Tao1
1 Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081
2 Institute of Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037

About the first author Hu Junjie,born in 1987,is a postdoctor of the Institute of Geomechanics CAGS,with a Ph.D. degree obtained from the China University of Geosciences(Beijing). He is currently engaged in researches on Mesozoic sedimentary evolution and palaeoclimate variatioan. E-mail: howimet@foxmail.com.

About the corresponding author Ma Yinsheng,born in 1962,is a professor, and his research interest is tectonics and petroleum geology. E-mail: mayinsheng@sohu.com.

Fund:[Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(No.41372109,41672111),the Young Scientists Foundation of National Natural Science Foundation of China(No.41602125),China Postdoctoral Science Foundation(No.2016M601085)and the Geological Survey Project of China Geological Survey(No.12120115003401)]
Abstract

Geochemical characteristics of sedimentary rocks can indicate palaeoenvironment evolution process. The Jurassic sediments in northern margin of Qaidam Basin recorded significant palaeoenvironmental and palaeoclimatic information of northwest China. Based on the geochemical analysis of sedimentary rocks from the Dameigou standard geological profile in northern margin of Qaidam Basin,palaeoclimate and palaeoenvironment of the Middle to Late Jurassic were reconstructed. The results revealed that: (1)From the Middle to Upper Jurassic,it showed a shallow-water environment with oxic condition,deep lacustrine facies with anoxic condition only appeared in a short time occasionally. In general,the lacustrine water-body in the Jurassic displayed moderate palaeosalinity,but the decrease in precipitation may lead to salinity increase in some intervals. (2)Comprehensive utilization of multiple geochemical parameters,palaeoclimate evolution sequence of the Middle to Late Jurassic in northern margin of Qaidam Basin was established. According to the long-term records,the palaeotemperature and palaeohumidity fluctuation varied within a certain range. From the late Middle Jurassic,the palaeoclimate changed from warm and humid into hot and arid,which triggered the hot and arid palaeoenvironment of the Late Jurassic. The diversified geochemical profile of this study will provide new evidence and materials for the research on the Middle to Late Jurassic hot-arid climate event and palaeoclimate correlation in northwest China.

Key words: Qaidam Basin; Middle to Late Jurassic; hot-arid climate event; geochemistry; palaeoclimate
1 概述

包括柴达木盆地在内的中国西北地区陆相盆地发育了巨厚的侏罗系沉积记录。早侏罗世区内大型湖泊普遍发育暗色湖相泥岩和含煤岩系; 中侏罗世各大盆地出现最大湖泛面, 煤层厚度和范围达到极大值; 中侏罗世晚期, 各大盆地煤系沉积结束; 至晚侏罗世, 陆相红层大规模发育, 陆生动植物稀少(符俊辉, 1998; 宋立珩和薛良清, 1999; 邓胜徽等, 2017)。中国西北地区侏罗系湖泊— 河流相沉积分布广泛, 不仅记录了丰富的侏罗纪古气候和古环境信息, 而且纵向上层段齐全、连续性好, 横向上可对比性强。根据柴达木、祁连和阿拉善等地区中— 晚侏罗世过渡期沉积物呈现的明显“ 黑→ 红” 转变特征, 以及孢粉组合中Classopollis高含量带等信息, 前期研究认为西北地区在中侏罗世晚期, 存在1次大范围的“ 气候干热化事件” (符俊辉和邓秀芹, 1999; 阎存凤等, 2006; 杨平等, 2006, 2007), 而且该事件导致了区域气候环境由温暖、潮湿向干旱、炎热转变, 并深刻影响了西北地区晚侏罗世以来古气候演化历程(李孝泽和董光荣, 2006; 戴霜等, 2013)。然而, 上述区域性气候干热化事件的研究, 主要引证微体古生物、沉积物物理属性(颜色等)以及沉积旋回性等方面的证据, 尚缺少沉积物地球化学等方面证据和相关系统分析(邓胜徽等, 2017), 降低了气候— 环境精细表征精度; 同时, 长尺度气候演化序列的缺失也限制了西北地区环境变迁的大范围对比研究。

沉积岩的元素地球化学分析是近年来古气候和古环境研究中十分成熟的方法和手段。 Cao等(2012)利用10件柴达木盆地中、下侏罗统沉积岩样品微量及稀土元素分析, 研究了该时期古沉积环境, 认为相较于早侏罗世, 盆地中侏罗世气候显得更为干燥; Jian等(2013)则通过CIA、PIA等地球化学参数研究了柴达木盆地北缘地区中、新生代古气候特征, 提出早、中侏罗世盆地以温暖、潮湿气候为特征, 但晚侏罗世开始气候显现转为干冷。这2项涉及柴达木地区的研究均未重点探讨中晚侏罗世之交气候— 环境的变迁, 相关结论也与前人研究成果存在分歧。同时, 由于样品数量有限, 研究结果也未能总结中— 晚侏罗世完整古气候演化序列。

为进一步寻找西北地区中侏罗世晚期气候— 环境变迁新证据, 也为更大范围空间内侏罗纪古气候对比研究提供新的材料, 作者选取柴达木盆地北缘地区大煤沟侏罗系标准剖面, 通过系统踏勘与密集采样, 对中、上侏罗统沉积岩开展系统元素地球化学测试分析和综合研究, 最终目的是恢复重建研究区中— 晚侏罗世古环境特征, 建立完整、精细的中— 晚侏罗世的古气候演化序列。

图1 柴达木盆地大地构造位置(A)、盆地北缘地质简图(B; 据Jian et al., 2013)及大煤沟剖面位置(C; 据1︰20万地质图)Fig.1 Tectonic location of Qaidam Basin(A), geological setting of northern margin of Qaidam Basin (B; after Jian et al., 2013)and location of Dameigou section(C; based on 1︰200 000 geological map)

2 地质背景

柴达木盆地是中国西北地区的大型内陆盆地, 位于青藏高原北缘, 北靠阿尔金山、祁连山, 南接昆仑山褶皱带, 处在多板块结合部位(图 1-A)。因所处大地构造位置的特殊性, 其地层记录了中生代以来多次区域性、全球性重大地质事件(Wang et al., 2012; Jian et al., 2013), 是研究西北地区侏罗纪古气候、古环境变化的理想窗口。侏罗纪柴达木地区进入了陆相湖盆演化阶段, 在北缘发育了连续而完整的地层单元, 前人在地层格架、沉积体系、生物地层和层序旋回特征进行了详实的研究, 取得了一系列研究成果(黄嫔等, 2003; 刘桂侠等, 2003; Wang et al., 2005; 楼谦谦等, 2009; 邵龙义等, 2013)。

本次研究的大煤沟剖面(图 1-B, 1-C)位于柴达木盆地北缘地区大柴旦镇, 露头上侏罗系完整, 层序关系清楚, 在野外实测基础上结合前人研究成果(杨平等, 2006; 郭帅, 2012), 由下至上将地层划分为下侏罗统小煤沟组(J1x)、大煤沟组一段至三段(J2d1-J2d3), 中侏罗统大煤沟组四段至七段(J2d4-J2d7), 上侏罗统采石岭组(J3c)和红水沟组(J3h), 总厚度近1200, m(图 2)。整体上, 中、下侏罗统为发育暗色泥岩为主的河湖— 沼泽相沉积, 上侏罗统则转变为以红层砂岩和砾岩层为主的冲积相与河流相。由于文中重点关注中— 晚侏罗世气候变化, 因此主要选取了大煤沟组五段至七段和上侏罗统开展相关研究工作: 中侏罗统大煤沟组五段厚度为122.7, m, 是一套湖沼相沉积。

图2 柴达木盆地北缘地区大煤沟侏罗系剖面综合柱状图Fig.2 Comprehensive column of the Jurassic of Dameigou section in northern margin of Qaidam Basin

下部为区域上厚度最大、最为稳定的可采煤层, 上部发育黑色碳质泥岩与细砂岩、粉砂岩薄互层, 顶部可见植物化石; 大煤沟组六段厚度为109.7, m, 底部为大套灰白色砂砾岩, 上覆灰绿色砂砾岩与土黄色、杂色泥岩旋回地层, 偶夹菱铁矿结核及劣质煤薄层, 构成一套三角洲平原亚相沉积; 大煤沟组七段厚度为89.5, m, 主要为浅湖— 半深湖亚相, 下部岩性以棕黄色粉砂岩、砂砾岩与灰黑色碳质泥岩互层为主, 上部发育灰绿色、灰黑色页岩; 上侏罗统以发育河流相杂色、红色砂泥岩为主要岩性特征, 下部为红色泥质粉砂岩与灰绿色细砂岩薄互层, 上部地层以紫红色粉砂岩和灰白色— 灰绿色中细砂岩为主。本次研究共采集侏罗系沉积岩样品44块, 岩性以泥岩、粉砂岩及细砂岩为主, 覆盖大煤沟组五段煤系之上地层。

3 样品测试及结果

样品的制备及全岩微量元素地球化学实验测试均在核工业北京地质研究院实验中心完成。根据室内显微薄片观察, 在剔除风化、蚀变和成岩作用影响后, 将采集的岩心样品用地质锤敲碎, 然后通过清水冲洗, 烘干, 初步完成研磨并去除样品中的砂岩颗粒后, 再用无污染玛瑙研磨机破碎, 保留小于200目的部分。微量元素采用ELEMENT XR 等离子体质谱分析仪, 依照国标GB/T 14506.30-2010《硅酸盐岩石化学分析方法》第30部分完成测试, 元素分析误差小于5%。

样品微量元素含量分析结果见表1。在蛛网图(图 3)中可以看出, 上侏罗统沉积岩微量元素的含量相对稳定, 配分模式基本相同, 表明沉积物性质趋于一致; 而中侏罗统样品微量元素含量变化较大, 可能是中侏罗世沉积相快速改变的结果。整体上, 相较于UCC丰度, 大煤沟样品中的Cr、Ni、Sc及V等过渡元素平均含量较低而高场强元素Th、U等显示出富集特征, 表明中— 酸性岩对其物源贡献较大(Jian et al., 2013)。

图3 柴达木盆地北缘大煤沟剖面中侏罗统(A)和上侏罗统(B)沉积岩微量元素上地壳配分蛛网图(上地壳数据引自Rudnick and Gao, 2003)Fig.3 Trace elements UCC normalized spider diagram of the Middle(A) and Upper(B) Jurassic sedimentary rocks of Dameigou section in northern margin of Qaidam Basin (UCC data from Rudnick and Gao, 2003)

表1 柴达木盆地北缘地区大煤沟剖面中— 上侏罗统沉积岩微量元素含量(μ g/g)及相关参数 Table1 Trace element concentration(μ g/g) and related parameters of sedimentary rocks from the Middle to Upper Jurassic of Dameigou section in northern margin of Qaidam Basin
4 古环境与古气候
4.1 古水体氧化还原环境

沉积环境的氧化还原性质控制U、Th、V、Cr、Ni、Co等氧化还原敏感元素在沉积物或沉积岩中的富集程度, 利用这些元素在沉积物或沉积岩中的含量或比值可以重建氧化还原状态(Yarincik et al., 2000; Algeo and Maynard, 2004; Yang et al., 2004; Tribovillard et al., 2006; Wang et al., 2015)。文中运用微量元素地球化学分析, 对大煤沟剖面中— 上侏罗统连续沉积地层沉积时的古水体氧化还原性进行了研究。

U/Th值被广泛应用在古水体的氧化还原性质判别中(熊小辉和肖加飞, 2011; Cao et al., 2012), 在氧化条件下U元素以可溶性U6+存在, 导致U在沉积物中亏损; 而Th元素在富氧环境则保持不溶于水的Th4+价态(Wang et al., 2015)。Hatch和Leventhal(1992)研究认为, 在缺氧(还原)环境下U/Th值大于1.25, 在氧化环境中U/Th值小于0.75。大煤沟剖面中— 上侏罗统沉积岩U/Th值介于0.15~1.41(平均0.39), 显示其主要沉积于氧化环境。

V/Cr和V/Sc值也是判别沉积环境氧化还原性质的可靠指标(Hatch and Leventhal, 1992; Jones and Manning, 1994; Rimmer, 2004; Yan et al., 2009)。V元素在贫氧和还原环境下容易在沉积物中发生富集, 因此, 随着水体含氧量增加, V/Sc及V/Cr值将出现下降。Jones和Manning(1994)研究表明, 当V/Cr值小于2时指示富氧环境, 比值介于2~4.25时指示贫氧环境; Kimura 和Watanabe(2001)建议, V/Sc值小于9指示氧化环境。研究区样品V/Cr值分布在0.89~3.07(平均1.41), V/Sc值介于2.6~15.0(平均5.9), 除个别样品处于贫氧环境, 整体上均反映水体为富氧环境。Ni/Co值小于5也被认为是氧化环境的表现(Jones and Manning, 1994), 文中样品Ni/Co值介于0.89~4.23(平均2.45)同样说明了古水体的氧化性质。

图4 柴达木盆地北缘地区大煤沟剖面中— 上侏罗统古水体氧化— 还原性质微量元素判别图解(底图据Jones and Manning, 1994)Fig.4 Cross plots of trace element ratios used as indicators for palaeoredox conditions for the Middle to Upper Jurassic of Dameigou section in northern margin of Qaidam Basin (base map is after Jones and Manning, 1994)

相关判别图投点结果(图 4)同样显示样品主要沉积于氧化环境, 并且各指标在纵向上(图 5)相关性良好, 曲线特征基本一致: 整体上, 各曲线波动程度较小, 绝大部分数据均处在氧化环境端元, 仅在底部暗色泥岩段和中侏罗统上部层段出现短暂的正偏移, 个别样品处于贫氧环境中。基于以上各项分析结果, 结合剖面沉积相特征, 综合研究认为大煤沟剖面中— 晚侏罗世湖盆水体应以富氧的浅水环境为主, 仅在短期内出现较深湖相沉积。

图5 柴达木盆地北缘地区大煤沟剖面中— 上侏罗统地层柱状图及微量元素记录的古气候、古环境变化Fig.5 Stratigraphic column of the Middle to Upper Jurassic of Dameigou section in northern margin of Qaidam Basin and palaeoclimate and palaeoenvironment recorded by trace elements

4.2 古盐度特征

微量元素地球化学参数在推断湖盆水体古盐度的相关应用中效果较为理想, Sr/Ba值法则是其中最常用的方法之一。Sr和Ba的化学性质较相似, 但它们在不同沉积环境中由于地球化学行为的差异而发生分离。在自然界水体中, Sr迁移能力比Ba强, 当水体盐度增大时, Ba以BaSO4的形式首先沉淀, 留在水体中的Sr相对Ba趋于富集; 当水体盐度增大到一定程度时, Sr亦以SrSO4的形式递增沉淀(冯兴雷等, 2014), 因此古水体的盐度与沉积物中Sr/Ba值呈正相关关系。一般来讲, 淡水沉积物中Sr/Ba值小于1, 而海相沉积物中Sr/Ba值大于1, 1~0.61为半咸水沉积(熊小辉和肖加飞, 2011)。

文中研究样品均为陆相沉积物, 其Sr/Ba平均值为0.78, 仅有个别样品值大于1。在纵向序列上可以更清晰地看出(图 5), 绝大多数样品Sr/Ba值小于0.61, 表明沉积时期水体性质以淡水为主; 整体上, Sr/Ba值曲线特征与水体古氧化还原性曲线相类似, 仅在序列底部泥岩段和中侏罗统上部层段沉积岩发生正偏移现象, 甚至出现7.80的极大值, 表明该时期水体古盐度增大。前人(Brugnoli and Lauteri, 1991)研究认为, 聚煤期泥炭沉积与植物生长环境的盐度以及盆地流域内的降水量之间存在密切联系; 鲁静等(2014)曾在大煤沟组五段煤层中测得21.32的高Sr/Ba值。文中样品Sr/Ba值曲线的正偏移主要对应于序列主要泥炭沉积层段, 基于以上认识, 推测认为湖盆水体接受降雨量的相对减小是导致该时期古盐度增大的主要原因。

4.3 古气候特征

以往研究表明, 不同气候条件下特定微量元素的含量、比值及配分模式可以指示相应的古气候条件(Getaneh, 2002)。作者利用大煤沟沉积岩样品的微量元素数据, 通过C值、Sr/Cu值等模拟研究区古气候记录, 首次尝试建立中— 晚侏罗世的古气候特征及演化序列。

在潮湿气候条件下, 沉积岩中Fe、Mn、Cr、V、Ni、Co等元素含量较高; 相反, 在干旱气候条件下, 由于水分的蒸发, 水介质的碱性增强, Ca、Mg、K、Na、Sr、Ba被大量析出形成各种盐类沉积, 导致含量相对增大。根据元素与气候变化的这种对应关系, 学者引入C值用以表征古气候变迁(关有志, 1992; Cao et al., 2012; 冯兴雷等, 2014; Wang et al., 2015)。当C值介于0~0.2时指示干旱气候, 0.2~0.4时为半干旱气候, 0.4~0.6为半湿润气候, 大于0.8时则指示湿润气候。大煤沟中侏罗统样品C值为0.2~6.5(平均0.85)指示气候以潮湿气候为主; 上侏罗统样品C值则为0.09~0.98(平均0.45), 显示沉积时期主要为干旱/半干旱气候。陆相沉积盆地内, Sr元素的高含量一般与干旱炎热气候条件下的湖水浓缩沉积有关。通常情况下, Sr/Cu值介于1.3~5.0时指示温暖潮湿的气候环境, 而当比值大于5.0则显示沉积时期以干旱炎热的气候为主(Lerman, 1989; Meng et al., 2012)。图5中, 上侏罗统的Sr/Cu值整体上明显大于下伏地层, 表明中— 晚侏罗世之交, 古气候存在由温暖、潮湿向炎热、干燥转变的趋势。

Fe/Mn值和P元素的含量也可作为定性衡量古气候变化的参数: Mn在干旱环境条件下含量比较高, 在相对潮湿的环境条件下含量较低, Fe在潮湿环境中易以Fe(OH)3胶体快速沉淀。因而沉积物中Fe/Mn的高值对应潮湿环境, 低值则是气候干燥的响应(宋明水, 2005)。而与之相反的是, 在炎热气候条件下, 水体蒸发引起水体性质改变, 某些低等生物因不适应干热蒸发环境而死亡并参与成岩, 从而导致其层位的P元素相对富集(熊小辉和肖加飞, 2011)。大煤沟剖面中侏罗统沉积岩中Fe/Mn平均值达到200, 上侏罗统样品的Fe/Mn平均值则降至91; 与之对应的是, 自中侏罗统上部起地层P元素含量呈明显的震荡上升, 显示出气温升高、气候干燥的特征。

以上各种参数组成的多元地球化学剖面(图 5)中, 各曲线相关性良好: 共同显示了中— 晚侏罗世柴达木盆地北缘地区古气候波动变迁的演化特点, 指示出自中侏罗世晚期古气候开始由温暖、潮湿向炎热、干旱转变, 记录下西北地区中— 晚侏罗世“ 干热化事件” 在柴达木盆地北缘地区的响应过程。

为避免地球化学方法可能产生的多解性, 文中引入气候敏感型沉积物指标, 进一步区分古气候要素(湿度和温度), 对不同层段沉积时期的古气候类型进行分析。暗色泥岩、菱铁矿和煤层是潮湿气候条件下的产物, 而杂色、红色地层和碳酸盐岩则普遍被认为与炎热、干燥的环境有密切联系(符俊辉和邓秀芹, 1999; 邓胜徽等, 2017)。文中研究的中侏罗统大煤沟五段主要以黑色碳质泥岩为主, 鲁静等(2014)利用有机碳同位素揭示出该聚煤期由干热向湿暖、再向干热的古气候演化趋势。综合图5中各地化参数特征, 表明这一时期整体上为具有较高温度和湿度的温热、潮湿古气候类型。大煤沟组六段主要沉积砂砾岩, 偶夹菱铁矿结核和煤线, 是一套温暖潮湿气候条件下的沉积产物, 与地球化学曲线指示结果相吻合。大煤沟组七段沉积时期以温热气候类型为主, 而在该段顶部发育一套泥灰岩, 标志着古气候由温暖向干燥的转变, 良好印证了多元地球化学剖面上的“ 干热化” 过程。上侏罗统采石岭组与红水沟组由大套杂色层和红层构成, 显示出伴随“ 干热化” 程度加剧, 研究区进入炎热的干旱、半干旱古气候阶段。

5 讨论

侏罗纪是地球历史演化的重要时期。长期以来, 侏罗纪古气候被认作典型的“ 温室” 状态: 大气中具有高浓度CO2含量(Yapp and Poths, 1996), 赤道至两极的热梯度小 (Hallam, 1994), 整个地球处于均一、平静、温暖的热带气候之下(Jenkyns, 1988)。然而, 近年来越来越多的证据表明侏罗纪全球发生了多次气候波动, 传统“ 温室” 气候模型受到挑战: 基于欧洲多处侏罗系海相沉积地层研究显示, 中— 晚侏罗世之交北方高纬度海域表层海水出现了大范围(图 6, 蓝色区域)的急剧降温(Dromart et al., 2003; Cecca et al., 2005; Dera et al., 2011; Wierzbowski and kogov, 2011; Korte et al., 2015); 而自中侏罗世中晚期开始, 南非、美国西部和巴西东部等地区(Mountney and Thompson, 2002; Rodriguez-Lopez et al., 2015)则发育和保存了典型的干热气候条件下风成沉积体系(图 6, 星号区域)。可以看出, 全球侏罗纪气候研究在演化过程和海陆对比等方面仍有广阔的探索空间。

图6 全球晚侏罗世风成沉积分布
底图据Dromart等(2003)。Boreal sea— 北方高纬度海; Panthalassa— 泛大洋; Tethys— 特提斯洋。蓝框示意中— 晚侏罗世古海洋降温区域; 红方块示意柴达木盆地; 星号示意晚侏罗世风成砂发育地点, 据Rodriguez-Lopez 等(2015)Fig.6 Global distribution of the Late Jurassic aeolian sediments

国内学者研究认为西北地区侏罗纪气候环境演变是在全球变化背景下, 叠加局部构造效应形成的。基于三叠纪至始新世全球传统“ 温室地球” 气候模型, 前人将中— 晚侏罗世之交的气候“ 干热化” 事件阐述为西北地区对晚侏罗世全球升温的响应(符俊辉, 1998; 李孝泽和董光荣, 2006; 戴霜等, 2013; Li et al., 2014): 早— 中侏罗世, 西北地区地势低缓, 来自特提斯洋及古太平洋的水汽长驱直入, 造成了西北地区湿润多雨; 晚侏罗世, 拉萨地体与羌塘板块碰撞造成的隆升阻挡了特提斯洋季风的输送, 区内处在干燥气候带影响下, 气温升高, 随后全球温室效应进一步加强, 西北地区进入了干旱的气候阶段。

本次研究运用多种元素地球化学方法恢复了研究区中— 晚侏罗世的古环境特征, 并建立了较为完整和精细的中— 晚侏罗世的古气候演化序列, 这在西北地区相关研究中尚属首次。该序列(图 5)显示, 中— 晚侏罗世古气候整体呈波动状态, 古气温、古湿度均在一定幅度内频繁变化, 而非以往认为的简单、均一“ 温室气候” 模型所能概括。中侏罗统上部存在古气候由温暖、潮湿向炎热、干旱转变的过程, 为西北地区中— 晚侏罗世“ 干热化事件” 提供了新的证据, 但同时也带来了新的思考: 虽然整个西北地区自中侏罗世晚期起, 气候升温、变干的趋势是明显的(邓胜徽等, 2017), 但不同地区对该事件响应的范围、程度和期次还受到局部构造— 环境要素的影响。由于元素地球化学仅能提供定性研究结果, 难以确定序列中气候干热化所达到的程度, 限制了精细划分和对比研究, 对于气候变迁的历程和驱动机制还有待进一步考证。因此, 只有在最新气候模型的基础上, 引入诸如碳氧同位素、有机碳同位素等更多地化参数进行定量、半定量研究, 才能更好地回答以上问题。

6 结论

1)通过对柴达木盆地北缘地区大煤沟剖面侏罗系沉积岩的元素地球化学研究, 认为该区中— 晚侏罗世应以富氧的浅水环境为主, 仅在短期内出现较深湖相沉积; 整体上侏罗纪湖盆水体盐度较低, 而部分层段沉积物盐度增大系降雨量相对减小导致。

2)本次研究首次建立了较为完整和精细的柴达木盆地北缘地区中— 晚侏罗世古气候演化曲线。该序列表明, 中— 晚侏罗世研究区古气温、古湿度均在一定幅度内频繁变化; 中侏罗统上部存在古气候由温暖、潮湿向炎热、干旱转变的过程, 是西北地区中— 晚侏罗世“ 干热化事件” 在柴达木盆地北缘地区的具体表现。

致谢 感谢江小均、许欢、盘法侦、严清高、安伟和朱志才参与野外调查和采样工作。

作者声明没有竞争性利益冲突.

参考文献
[1] 戴霜, 张明霞, 彭栋祥, 王华伟, 吴茂先, 陈瑞灵. 2013. 中国西北地区中—新生代构造与气候格局演化. 海洋地质与第四纪地质, 33(4): 153-168.
[Dai S, Zhang M X, Peng D X, Wang H W, Wu M X, Chen R L. 2013. The Mesozoic-Cenozoic evolution of the tectonic and climatic patterns, NW China. Marine Geology & Quaternary Geology, 33(4): 153-168] [文内引用:2]
[2] 邓胜徽, 卢远征, 赵怡, 樊茹, 王永栋, 杨小菊, 李鑫, 孙柏年. 2017. 中国侏罗纪古气候分区与演变. 地学前缘, 24(1): 106-142.
[Deng S H, Lu Y Z, Zhao Y, Fan R, Wang Y D, Yang X J, Li X, Sun B N. 2017. The Jurassic palaeoclimate regionalization and evolution of China. Earth Science Frontiers, 24(1): 106-142] [文内引用:4]
[3] 冯兴雷, 付修根, 谭富文, 陈文彬. 2014. 羌塘盆地孔孔茶卡地区石炭系擦蒙组烃源岩沉积环境分析. 现代地质, 28(5): 953-961.
[Feng X L, Fu X G, Tan F W, Chen W B. 2017. Sedimentary environment characteristics of Upper Carboniferous Cameng Formation in Kongkong Chaka Area of Northern Qiangtang Basin, Tibet. Geoscience, 28(5): 953-961] [文内引用:2]
[4] 关有志. 1992. 科尔沁沙地的元素、粘土矿物与沉积环境. 中国沙漠, 12(1): 9-15.
[Guan Y Z. 1992. The element, clay mineral and depositional environment in Horqin sand land . Journal of Desert Research, 12(1): 9-15] [文内引用:1]
[5] 郭帅. 2012. 柴北缘东段侏罗纪沉积-构造演化. 中国石油大学硕士学位论文.
[Guo S. 2012. Research on Jurassic Sedimentary and Tectonic Evolution of the East Sector of Northern Qaidam Basin. Master's Thesis of China University of Petroleum] [文内引用:1]
[6] 符俊辉. 1998. 西北地区侏罗纪地质事件及其在地层划分对比中的意义. 沉积学报, 16(3): 147-152.
[Fu J H. 1998. Geological events and their significance in the subdivision and correlation of the continental Jurassic in northwest China. Acta Sedimentologica Sinica, 16(3): 147-152] [文内引用:2]
[7] 符俊辉, 邓秀芹. 1999. 西北地区侏罗纪升温事件及其形成机制. 西北地质科学, 20(1): 10-14.
[Fu J H, Deng X Q. 1999. The Jurassic temperature-rise event in the northwest of China and its mechanism of formation. Northwest Geosicence, 20(1): 10-14] [文内引用:2]
[8] 黄嫔, 席萍, 乔子真. 2003. 青海柴达木盆地鄂博梁2号井早侏罗世孢粉植物群及其地层意义. 微体古生物学报, 20(3): 253-263.
[Huang P, Xi P, Qiao Z Z. 2003. Early Jurassic sporopollen assemblage from Well Eboliang 2 of the Chaidamu Basin, Qinghai and their stratigraphical significance. Acta Micropalaeontologica Sinica, 20(3): 253-263] [文内引用:1]
[9] 李孝泽, 董光荣. 2006. 中国西北干旱环境的形成时代与成因探讨. 第四纪研究, 26(6): 895-904.
[Li X Z, Dong G R. 2006. Discussion on the formation age of arid environment in west China. Quaternary Sciences, 26(6): 895-904] [文内引用:2]
[10] 刘桂侠, 杨永泰, 管全俊. 2003. 从冷科1井下部地层的归属探讨柴达木盆地成盆时间. 地球学报, 24(2): 133-136.
[Liu G X, Yang Y T, Guan Q J. 2003. Inquiry of initiation age of the Qaidam based on stratigraphic study of the Lower part of the Well Lengke 1. Acta Geoscientia Sinica, 24(2): 133-136] [文内引用:1]
[11] 楼谦谦, 肖安成, 杨浩, 黄宏升, 丁卫星, 沈中延, 王亮, 陈元忠, 沈亚, 汪立群, 周苏平. 2009. 柴达木盆地北缘中生代盆地性质研究: 对大柴旦凹陷的解剖. 高校地质学报, 15(3): 407-416.
[Lou Q Q, Xiao A C, Yang H, Huang H S, Ding W X, Shen Z Y, Wang L, Chen Y Z, Shen Y, Wang L Q, Zhou S P. 2009. Characteristics of Mesozoic basin of the northern Qaidam: A case study on Dachaidan Depression. Geological Journal of China University, 15(3): 407-416] [文内引用:1]
[12] 鲁静, 邵龙义, 王占刚, 李永红, 王帅. 2014. 柴北缘侏罗纪煤层有机碳同位素组成与古气候. 中国矿业大学学报, 43(4): 612-618.
[Lu J, Shao L Y, Wang Z G, Li Y H, Wang S. 2014. Organic carbon isotope composition and paleoclimatic evolution of Jurassic coal seam in the northern Qaidam Basin. Journal of China University of Mining & Technology, 43(4): 612-618] [文内引用:1]
[13] 邵龙义, 张正飞, 李永红, 党洪量, 张胜. 2013. 柴北缘航垭地区侏罗纪含煤岩系层序地层研究. 煤炭科学技术, 41(7): 19-23.
[Shao L Y, Zhang Z F, Li Y H, Dang H L, Zhang S. 2013. Study on sequence stratigraphy of Jurassic coal-bearing measure in Hangya area of north Qaidam Basin. Coal Science and Technology, 41(7): 19-23] [文内引用:1]
[14] 宋立珩, 薛良清. 1999. 西北地区侏罗系盆地典型充填序列. 地球学报, 20(1): 96-103.
[Song L H, Xue L Q. 1999. Typical fill sequences in Jurassic basins in the northwest region of China. Acta Geoscientia Sinica, 20(1): 96-103] [文内引用:1]
[15] 宋明水. 2005. 东营凹陷男斜坡沙四段沉积环境的地球化学特征. 矿物岩石, 25(1): 67-73.
[Song M S. 2005. Sedimentary environment geochemistry in the Shasi section of southern ramp Dongying Depression. Journal of Mineralogy and Petrology, 25(1): 67-73] [文内引用:1]
[16] 熊小辉, 肖加飞. 2011. 沉积环境的地球化学示踪. 地球与环境, 39(3): 405-414.
[Xiong X H, Xiao J F. 2011. Geochemical indicators of sedimentary environments: A summary. Earth and Environment, 39(3): 405-414] [文内引用:3]
[17] 阎存凤, 袁剑英, 赵应成, 魏东涛, 李光在. 2006. 蒙、甘、青地区侏罗纪孢粉组合序列及古气候. 天然气地球科学, 17(5): 634-639.
[Yan C F, Yuan J Y, Zhao Y C, Wei D T, Li G Z. 2006. Jurassic sporo-pollen assemblages and paleoclimate in Innermogolia, Gansu, Qinghai, China. Natural Gas Geoscience, 17(5): 634-639] [文内引用:1]
[18] 杨平, 谢宗奎, 袁秀君, 朱思俊, 易德彬. 2006. 柴达木盆地北缘侏罗纪古生态特征及其古地理意义. 古地理学报, 8(2): 165-173.
[Yang P, Xie Z K, Yuan X J, Zhu S J, Yi D B. 2006. Palaeoecological characteristics and its palaeogeographic significance of the Jurassic in northern margin of Qaidam Basin. Journal of Palaeogeography(Chinese Edition), 8(2): 165-173] [文内引用:2]
[19] 杨平, 杨玉芹, 马立协, 董宁, 袁秀君. 2007. 柴达木盆地北缘侏罗系沉积环境演变及其石油地质意义. 石油勘探与开发, 34(2): 160-164.
[Yang P, Yang Y Q, Ma L X, Dong N, Yuan X J. 2007. Evolution of the Jurassic sedimentary environment in northern margin of Qaidam Basin and its significance in petroleum geology. Petroleum Exploration and Development, 34(2): 160-164] [文内引用:1]
[20] Algeo T J, Maynard J B. 2004. Trace-element behavior and redox facies in core shales of Upper Pennsylvanian Kansas-type cyclothems. Chemical Geology, 206: 289-318. [文内引用:1]
[21] Brugnoli E, Lauteri M. 1991. Effects of salinity on stomatal conductance, photosynthetic capacity, and carbon isotope discrimination of salt-tolerant and salt-sensitive C3 non-halophytes. Plant Physiology, 95: 628-635. [文内引用:1]
[22] Cao J, Wu M, Chen Y, Hu K, Bian L Z, Wang L G, Zhang Y. 2012. Trace and rare earth element geochemistry of Jurassic mudstones in the northern Qaidam Basin, northwest China. Chemie der Erde/Geochemistry, 72: 245-252. [文内引用:3]
[23] Cecca F, Garin B M, Marchand D, Lathuiliere B, Bartolini A. 2005. Paleoclimatic control of biogeographic and sedimentary events in Tethyan and peri-Tethyan areas during the Oxfordian(Late Jurassic). Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 222(1-2): 10-32. [文内引用:1]
[24] Dera G, Brigaud B, Monna F, Laffont R, Pucéat E, Deconinck J F, Pellenard P, Joachimski M M, Durlet C. 2011. Climatic ups and downs in disturbed Jurassic world. Geology, 39: 215-218. [文内引用:1]
[25] Dromart G, Garcia J P, Picard S, Atrops F, Lécuyer C, Sheppard S M F. 2003. Ice age at the Middle-Late Jurassic transition?Earth and Planetary Science Letters, 213(3-4): 205-220. [文内引用:1]
[26] Hallam A. 1994. Jurassic climates as inferred from the sedimentaryand fossil record. In: Allen J R L, Hoskins B J, Sellwood B W, Spicer R S, Valdes P J(eds). Palaeoclimates and Their Modelling: With Special Reference to the Mesozoic Era. Chapmanand Hall: 79-88. [文内引用:1]
[27] Hatch J R, Leventhal J S. 1994. Relationship between inferred redox potential of the depositional environment and geochemistry of the Upper Pennaylvanian(Missourian)Stark Shale Member of the Dennis Limestone, Wabaunsee County, Kansas, USA. Chemical Geology, 99(1-3): 65-82. [文内引用:1]
[28] Jenkyns H C. 1988. The Early Toarcian(Jurassic)anoxic event: Stratigraphic, sedimentary, and geochemical evidence. American Journal of Science, 288: 101-151. [文内引用:1]
[29] Jian X, Guan P, Zhang W, Feng F. 2013. Geochemistry of Mesozoic and Cenozoic sediments in the northern Qaidam Basin, northeastern Tibetan Plateau: Implications for provenance and weathering. Chemical Geology, 360-361: 74-88. [文内引用:3]
[30] Jones B, Manning D A C. 1992. Comparison of geochemical indices used for the interpretation of palaeoredox conditions in ancient mudstones. Chemical Geology, 111: 111-129. [文内引用:2]
[31] Kimura H, Watanabe Y. 2001. Ocean anoxia at the Precambrian-Cambrian boundary. Geology, 29: 995-998. [文内引用:1]
[32] Korte C, Hesselbo S P, Ullmann C V, Dietl G, Ruhl M, Schweigert G, Thibault N. 2015. Jurassic climate mode governed by ocean gateway. Nature Communications, 6: 1-7. [文内引用:1]
[33] Lerman A. 1989. Lakes Chemistry and Geology Physics. Geological Press. [文内引用:1]
[34] Li S L, Yu X H, Tan C P, Steel R. 2014. Jurassic sedimentary evolution of southern Junggar Basin: Implication for palaeoclimate changes in northern Xinjiang Uygur Autonomous Region, China. Journal of Palaeogeography, 3(2): 145-161. [文内引用:1]
[35] Meng Q T, Liu Z J, Bruch A A, Liu R, Hu F. 2012. Palaeoclimatic evolution during Eocene and its influence on oil shale mineralisation, Fushun basin, China. Journal of Asian Earth Sciences, 45: 95-105. [文内引用:1]
[36] Mountney N P, Thompson D B. 2002. Stratigraphic evolution and preservation of aeolian dune and damp/wet interdune strata: An example from the Triassic Helsby Sand stone Formation, Cheshire Basin, UK. Sedimentology, 49: 805-833. [文内引用:1]
[37] Rimmer S M. 2004. Geochemical palaeoredox indicators in Devonian-Mississippian black shales, Central Appalachian Basin(USA). Chemical Geology, 206: 373-391. [文内引用:1]
[38] Rodriguez-Lopez J P, Clemmensen L B, Lancaster N, Mountney N P, Veiga G. 2015. Archean to Recent aeolian sand systems and their sedimentary record: Current understand ing and future prospects. Sedimentology, 61: 1487-1534. [文内引用:1]
[39] Rudnick R L, Gao S. 2003. Composition of the continental crust. Treatise of Geochemistry, 3: 1-64. [文内引用:1]
[40] Tribovillard N, Algeo T W, Lyons T, Riboulleau A. 2006. Trace metals as paleoredox and paleoproductivity proxies: An update. Chemical Geology, 232: 12-32. [文内引用:1]
[41] Wang Y D, Mosbrugger V, Zhang H. 2005. Early to Middle Jurassic vegetation and climatic events in the Qaidam Basin, Northwest China. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 224: 200-216. [文内引用:1]
[42] Wang Y Q, Zheng J J, Zhang W L, Li S Y, Liu X W, Yang X, Liu Y H. 2012. Cenozoic uplift of the Tibetan Plateau: Evidence from the tectonice-sedimentary evolution of the western Qaidam Basin. Geoscience Frontiers, 3(2): 175-187. [文内引用:1]
[43] Wang Z W, Fu X G, Feng X L, Song C Y, Wang D, Chen W B, Zeng S Q. 2015. Geochemical features of the black shales from the Wuyu Basin, southern Tibet: Implications for palaeoenvironment and palaeoclimate. Geological Journal, DOI: DOI:10.1002/gj.2756. [文内引用:3]
[44] Wierzbowski H, Rogov M A. 2011. Reconstructing the palaeoenvironment of the Middle Russian Sea during the Middle-Late Jurassic transition using stable isotope ratios of cephalopod shells and variations in faunal assemblages. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 299(1-2): 250-264. [文内引用:1]
[45] Getaneh W. 2002. Geochemistry provenance and tectonic setting of the Adigrat sand stone northern Ethiopia. Journal of African Earth Sciences, 35: 185-198. [文内引用:1]
[46] Yan D T, Chen D Z, Wang Q C, Wang J G. 2009. Geochemical changes across the Ordovician-Silurian transition on the Yangtze platform, South China. Science China(Series D): Earth Science, 52: 38-54. [文内引用:1]
[47] Yang J H, Jiang S Y, Ling H F, Feng H Z, Chen Y Q, Chen J H. 2004. Paleoceangraphic significance of redox-sensitive metals of black shales in the basal Lower Cambrian Niutitang Formation in Guizhou Province, South China. Progress in Natural Science, 14: 152-157. [文内引用:1]
[48] Yapp C J, Poths H. 1996. Carbon isotopes in continental weathering environments and variations in ancient atmospheric CO2 pressure. Earth and Planetary Science Letters, 137: 71-82. [文内引用:1]
[49] Yarincik K M, Murray R W, Lyons T W, Peterson L C, Haug G H. 2000. Oxygenation history of bottomwaters in the Cariaco Basin, Venezuela, over the past 578, 000 years: Results from redox sensitive metals(Mo, V, Mn, and Fe). Paleoceanography, 15: 593-604. [文内引用:1]