第一作者简介 台梓含,男,1993年生,硕士研究生,第四纪地质学专业。E-mail: 1079621875@qq.com。
古近纪早期是显生宙典型的“温室气候”期,也是气候向“冰室气候”转型前的最后温暖期。川西峨眉地区发育有完整的古近系名山组湖相地层,对该地层的古气候研究可以为了解和探索新生代重大地质事件和气候的演化过程提供参考依据。在前人研究的基础上,以常量元素与微量元素比值和磁化率为依据,结合宏观沉积特征和岩石薄片镜下特征,对峨眉地区古近纪早期气候演化与磁化率形成机理进行讨论。研究结果表明: 川西峨眉地区古近纪早期总体为热带—亚热带炎热干旱气候,该气候为晚白垩世炎热干旱气候的延续,但较晚白垩世干热程度明显降低,期间出现多次炎热干旱—温暖湿润变化,并存在气候波动较为剧烈的时段。气候的干湿变化是造成研究区磁化率变化的主要原因,磁化率高值反映气候趋于湿润,低值则反映干旱程度增加,剖面中磁化率出现明显波动的位置可能对应东亚季风开始对峨眉地区产生影响的时期。
About the first author Tai Zi-Han,born in 1993,is a postgraduate student. His major is Quaternary geology. E-mail: 1079621875@qq.com.
The Early Paleogene is a typical “greenhouse climate” period of the Phanerozoic,and also the last warm period prior to the Cenozoic “icehouse climate”. There is a complete set of lacustrine strata of the Paleogene Mingshan Formation in the Emei area,western Sichuan,which can provide useful information about the Cenozoic major geological events and evolution of palaeoclimate. On the basis of previous studies,element ratio,magnetic susceptibility and macroscopic and microscopic characteristics of rocks are used to study the Early Paleogene climate evolution and the formation mechanism of magnetic susceptibility in the Emei area. The results show that the study area had a tropical-subtropical hot and arid climate during the early Paleogene,which was a continuation of the late Cretaceous hot and arid climate,but the dry and heat degree significantly reduced compared with that in the Late Cretaceous. Moreover,there were some cycles of hot and arid-warm and humid climate,and severe climatic fluctuation stage during the Early Paleogene. The dry and wet change of the climate is the main reason for the variability in the magnetic susceptibility of the strata in the study area. Its high values reflect the humid climate,and low values reflect increase of drought. The position where the magnetic susceptibility fluctuates obviously in the strata may correspond to the period when the East Asian monsoon began to affect the Emei area.
白垩纪中期至古近纪早期是显生宙典型的“ 温室气候” 时期(Bralower et al., 2002; 江湉等, 2012; 张来明, 2016), 这一时期古气候的研究对于了解整个地史时期古气候演化过程及当今全球气候变暖过程都具有重要的参考意义。古近纪是新生代最重要的气候转折期之一, 从古近纪中晚期开始, 古气候由“ 温室气候” 向“ 冰室气候” 转变(江湉等, 2012), 因此, 对于古近纪早期古气候的研究, 有助于更好理解气候转型前的变化特征以及气候的转型过程。
四川盆地发育有完整的古近纪地层, 是研究陆相古近系最为理想的地区之一。国内研究者通过地球化学、黏土矿物、古生物化石、沉积特征等方面的研究, 对四川盆地古近纪气候特征进行过一定程度的探讨, 其中刘立安和姜在兴(2011)、江新胜等(2012)、江卓斐等(2013)多侧重于沙漠沉积和古风向的分析, 而曹珂(2007)、曹珂等(2008)、袁海军和赵兵(2012)、严亮(2015)主要是对古近纪、白垩纪、侏罗纪较长时间尺度气候的研究, 对于古近纪早期气候变化过程缺少较高分辨率尺度的探讨。因此, 作者以出露良好的川西峨眉地区古近系名山组湖相地层为主要研究对象, 在系统总结前人研究成果的基础上, 以常量元素与微量元素比值和高分辨率磁化率值为切入点, 结合宏观沉积特征与岩石薄片特征来探究峨眉地区古近纪早期气候环境变化, 期望为了解和探索与古近纪相关的重大地质事件和气候的演化过程提供更高分辨率的资料。
研究区处于四川盆地西南边缘(图 1), 地势南高北低、西高东低, 东北与川西平原接壤, 西南连接大小凉山, 是盆地到高山的过渡地带。该地区属亚热带地区, 气候温和, 雨量充沛, 四季分明, 山区气候潮湿, 垂直气候十分明显, 海拔1500 m以下为亚热带气候, 海拔1500~2500 m为暖温带— 中温带气候, 海拔2500 m以上为亚寒带气候。大地构造位于川滇南北构造带东北侧及北东向龙门山构造带东南侧, 属扬子地台西部。地层总厚度7000余米, 中元古界、新元古界、寒武系、奥陶系、二叠系、中生界和新生界均有出露。其中中元古界为浅变质岩, 南华系下部及上二叠统下部为火山岩, 其余地层均由碳酸盐岩和陆源碎屑岩组成。白垩系是以紫红色、砖红色砂岩、粉砂岩和泥岩为主的河湖相地层, 含有石膏晶粒、膏盐晶洞及生物化石, 具水平层理、平行层理、交错层理、泥裂、波痕等沉积构造。新生界则包括古新统— 始新统、上新统和第四系, 其中古新统— 始新统为半咸化湖泊沉积, 以紫红色、砖红色砂岩为主, 夹有粉砂岩和薄层泥岩, 产介形类和孢粉化石; 上新统为河流沉积, 以半胶结的砾石层和粉砂质黏土层为主, 产植物化石; 第四系为洪积、冲积、残积和坡积等多种成因的松散堆积层。
研究剖面位于四川省峨眉山市川主乡(图 1-b), 总体呈北北东向展布。名山组厚度约为150 m, 与下伏上白垩统灌口组呈整合接触, 与上覆上新统凉水井组为角度不整合接触, 时代为古新世— 始新世, 为半咸化湖泊相沉积(陈晓慧和陆廷清, 2009; 邓江红等, 2013)。名山组主要为一套紫红色、砖红色薄— 中厚层状砂岩、粉砂岩夹有泥岩的地层(图 2), 在浅湖亚相泥岩沉积中发育有水平层理(图 3-a), 在滨湖亚相砂岩沉积中发育有平行层理(图 3-b)、泥质粉砂岩沉积中发育脉状层理和透镜状层理(图 3-c), 泥岩层中常见沿泥岩裂隙充填形成的白色石膏脉(图 3-d), 指示当时湖泊蒸发强烈, 气候炎热。
笔者于名山组下段厚约75 m的泥岩之中共采集8件常、微量元素测试样品, 按由老到新的顺序分别编号为013-y、014-y、015-1-y、015-2-y、015-3-y、015-4-y、016-y、017-y; 于砂岩和粉砂岩中共采集7件岩石薄片样品, 分别编号为01-b、03-b、04-b、05-b、06-b、07-b、08-b(图 2)。元素样品的测试分析在澳实分析检测(广州)有限公司进行, 其中常量元素采用荧光光谱仪进行测试, 测试精度0.01%; 微量元素采用等离子质谱仪进行测试, 测试精度0.01~0.05 μ g/g。对7件岩石薄片样品首先通过显微镜观察颗粒的成分、胶结物特征及长石风化程度等, 然后根据镜下统计数据按照曾允孚和夏文杰等(1986)提出的砂岩分类命名标准对砂岩进行准确命名, 并根据观察到的镜下特征寻找指示气候的特征矿物及现象。
磁化率是使用KT-10手持磁化率仪(灵敏度1× 10-6SI, 测量范围0.001× 10-3~1999.99× 10-3SI)测试得到的。对名山组剖面中新鲜、平整、出露较好的约11.2 m厚的地层进行磁化率测试, 测试层段如图 2所示。每个测试点之间间隔10~30 cm, 共测试45个点, 每个测点均反复测3组数据, 然后计算出磁化率平均值。
通过显微鉴定发现, 除样品05-b为粉砂岩外, 其余6件岩石样品均为细砂岩。砂岩呈颗粒支撑、孔隙式胶结, 粒间孔发育。碎屑颗粒总体分选中等, 呈次棱角— 次圆状, 主要由石英、长石和岩屑组成, 其中石英含量为45%~73%, 平均59.6%, 部分可见波状消光; 长石含量为18%~30%, 平均22.2%, 多为斜长石; 岩屑含量稍少, 为10%~25%, 平均18.2%, 以火山岩岩屑为主。砂岩三角投影图(图 4)投点显示, 6件细砂岩样品中5件为岩屑长石砂岩, 1件为长石岩屑砂岩。碎屑颗粒边缘大多存在铁质膜(图5-a, 5-b), 长石碎屑部分干净明亮, 部分发生黏土化(图5-c, 5-d)和绢云母化(图5-e, 5-f)。填隙物中含有较多的铁泥质杂基以及方解石、白云石胶结物(图5-g, 5-h, 5-i)。
长石化学性质不稳定, 遭受化学风化和机械磨蚀时易破碎分解, 在温暖潮湿的气候条件下难以保存, 但在干旱炎热或寒冷气候条件下则相对稳定, 能在地表保存较长时间。因此, 长石砂岩被认为是极其干旱或寒冷气候条件下的产物(肖渊甫等, 2009)。结合岩石中存在铁质膜、铁泥质杂基、方解石和白云石胶结物等干旱炎热气候环境下形成的产物, 初步断定研究区古近纪早期气候较为干热。
针对8件泥岩样品, 共测试了CaO、MgO、Al2O3、Na2O、SiO2、P2O5、K2O、TiO2等15种常量元素氧化物以及Cu、Rb、Sr、Ba、Mo、As、Be、Cs、Sn、U等33种微量元素含量。较之单个元素, 某些元素之和及其特征比值可以更有效地提供沉积作用和沉积环境的演化信息, 反映古气候及古环境的变化过程(韩德亮, 2001), 因此文中选取了CaO/MgO、CaO/(Al2O3+MgO)、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3、Sr/Cu、Sr/Ba和Rb/Sr等6组常量元素氧化物和微量元素比值数据(表 1), 根据其变化规律来分析名山组沉积早期气候特征。
CaO/MgO值反映了湖泊自生碳酸钙沉淀的相对多少, 所以常用来判断沉积环境的古温度变化, CaO/MgO高值指示气温相对较高, 低值则指示气温相对较低(陈敬安和万江国, 1999)。Al2O3是陆源碎屑中相对稳定的组分, 用其含量可以校正陆源碎屑输入的变化, 因此CaO/(Al2O3+MgO)值可更灵敏地反映湖泊自生碳酸钙含量的相对高低, 指示气温变化(田晓雪等, 2005)。(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3值反映了活性组分和惰性组分之间的关系, 在湖泊沉积物中可以较好指示气候的干湿变化, 低值指示气候湿润, 高值指示气候干旱(杜晨等, 2012)。
Sr/Cu、Sr/Ba和Rb/Sr等比值也被广泛用于恢复古气候。通常, Sr/Cu值介于1.3~5.0之间指示温湿气候, 大于5.0则指示干热气候(Lerman, 1978)。水体中Ba2+溶解度相对较低, 在早期就沉淀析出, 而Sr的溶解度相对较大, 后期才析出, 所以Sr/Ba值上升表明湖水盐度增加、气候干旱、蒸发强烈, 比值下降则表明气候湿润(Drummond et al., 1993)。另外, 湖泊沉积物中高Rb/Sr值反映不利于岩石风化的偏冷气候, 反之, 偏暖时期的沉积物具有较低的Rb/Sr值(金章东和张恩楼, 2002)。
由图 6可见, CaO/MgO、CaO/(Al2O3+MgO)、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3、Sr/Cu、Sr/Ba等5组比值在013-y、015-2-y、016-y和017-y处总体出现较高值, 在014-y、015-1-y、015-3-y和015-4-y处总体呈现较低值, 剖面上呈现先减小后增大再减小再增大的变化过程。Rb/Sr值则表现出相反的变化趋势。前人在研究此类比值时常以其相对高低值及增减变化趋势来讨论气候特征(陈敬安和万江国, 1999; 沈吉等, 2001; 史忠生等, 2003; 田晓雪等, 2005; 申改慧等, 2018), 从6组元素比值数据变化规律结合其古气候指示意义可知, 峨眉地区古近纪早期气候呈现出干旱炎热— 温暖湿润的多次周期性变化, 以Sr/Cu值变化最为明显, 在013-y、015-2-y、016-y和017-y处分别为8.69、6.87、8.50、6.06, 均大于5.0, 指示气候干旱炎热; 在014-y、015-1-y、015-3-y和015-4-y处分别为2.10、3.79、3.06、3.36, 小于5.0, 代表温暖湿润气候, 8件样品平均值为5.30, 表明峨眉地区古近纪早期总体处于炎热干旱的气候环境, 与名山组半咸化湖泊相的地层特征及岩石薄片镜下特征的指示相吻合。此外, 各组比值均在015-2-y处出现一个明显的高(低)值, 表明此时气候干热程度较严重。
目前, 湖泊沉积物磁性特征已被广泛运用到研究不同类型和尺度的湖泊环境中, 前人的研究表明湖相沉积物磁化率能对沉积环境的变化起到灵敏的指示作用, 可以作为指示气候变化的代用指标。但由于不同类型湖泊中磁化率的形成机制是有差别的, 造成磁化率值的高低与气候冷暖、干湿之间的对应关系并不一致, 因而在应用磁化率对湖泊沉积物进行古气候研究时需结合粒度、地球化学等其他指标综合分析(Peck et al., 1994; Thouveny et al.; 1994; 胡守云等, 1998; 魏乐军等, 2002; 吉云平和夏正楷, 2007)。
通过对比磁化率平均值与岩性、元素比值(图 7, 图 8), 可以看出三者大体具有一致的变化趋势, 当磁化率较高时(> 0.100 m3/kg), 沉积物粒度较细, 主要为细砂— 泥, 常、微量元素比值较低(高), 如图 8中Ⅰ 段和Ⅲ 段, 此时气候较为暖湿; 当磁化率较低时(≤ 0.100 m3/kg), 沉积物粒度较粗, 主要为中砂— 粗砂, 常、微量元素比值也较高(低), 如图 8中Ⅱ 段, 此时气候较为干热。此外, 从磁化率变化也能得知该时期气候波动较为频繁, 且存在波动较为剧烈的时段(32-45测试点之间)。
湖相沉积中的砂、粉砂和泥主要来源于河流的输入, 因此研究区湖相沉积中的磁性矿物主要为河流携带而来。通过对比磁化率值与粒度之间的关系认为, 在气候总体炎热的背景下, 造成研究区湖泊沉积物磁化率变化的原因主要是气候的干湿变化。当气候较为湿润时, 湖泊面积扩大, 湖平面升高, 研究剖面位于浅湖沉积区, 且少见暴雨作用的影响, 沉积物粒度变细, 以发育水平层理为主, 此时物源区成壤作用较强, 河流可以带来更多的磁性矿物, 加之细小粒级的沉积物更容易吸附铁磁性矿物, 使得沉积物中磁性矿物增多, 磁化率增大。而当气候变得干旱时, 湖泊面积缩小, 湖平面降低, 研究剖面位置则由浅湖沉积区转变为滨湖浅水沉积区, 且易受暴雨作用的影响, 沉积物粒度相应较粗, 发育平行层理、脉状和透镜状层理, 此时物源区成壤作用较弱, 河流带入湖盆的磁性矿物有限, 再加上炎热干旱气候下, 湖泊自生化学沉积增多产生的稀释作用, 导致沉积物磁化率减小。该形成机理与魏乐军等(2002)和罗攀等(2006)对洞错湖和双池玛珥湖沉积物中磁化率形成机理的研究结论有相似之处。此外, 对比文中磁化率特征与前人对黄土— 古土壤磁化率的研究结果可以发现, 两者也具有相似的古气候指示意义: 气候越湿润, 成壤作用越强, 粒度越细, 磁化率值越高; 反之, 气候越干旱, 成壤作用较弱, 粒度较粗, 磁化率值越低(刘秀铭等, 1992; Shen et al., 2004)。
根据名山组下段地层宏观沉积特征、岩石薄片特征与元素比值指标, 并结合磁化率与岩性的变化特征, 可知峨眉地区古近纪早期总体为炎热干旱气候, 期间出现多次炎热干旱和温暖湿润的波动变化, 且存在气候波动变化较剧烈的时段(图 8)。
该结果与前人对峨眉地区相邻的成都— 雅安地区晚白垩世— 始新世古气候的研究成果存在一定差异。其中陈海霞(2009)及袁海军和赵兵(2012)在雅安(名山)地区通过地球化学手段测得上白垩统灌口组Sr/Cu值分别为10.16和10.685, 根据Sr/Cu值气候指示意义(Lerman, 1978)表明晚白垩世为干旱炎热气候, 而文中古新统— 始新统名山组Sr/Cu值则为5.30, 由于雅安(名山)地区和峨眉地区地理位置相邻, 因此对比Sr/Cu值后可以看出2套地层Sr/Cu值均大于5.0, 且灌口组明显高于名山组, 说明进入古近纪之后气候明显变得较暖湿。严亮(2015)也借助地球化学指标对雅安地区古气候进行了研究, 雅安地区灌口组和名山组中Rb/Sr值为0.397和0.55, 灌口组低于名山组, 也远低于文中Rb/Sr平均值1.09, 根据该比值的气候指示意义(金章东和张恩楼, 2002)得知晚白垩世— 始新世炎热程度降低。而曹珂等(2008)对雅安— 成都地区灌口组和名山组中黏土矿物进行研究后发现, 伊利石化学指数分别为0.77和0.68, 灌口组略高于名山组, 其中该数值小于0.5指示以物理风化为主, 数值大于0.5指示强烈的水解作用, 即以化学风化为主, 指数越高指示古气候越湿热(刘志飞等, 2007), 再结合其他黏土矿物数据得出晚白垩世— 始新世雅安— 成都地区持续暖湿气候的结论, 与陈海霞(2009)、袁海军和赵兵(2012)、严亮(2015)及笔者的研究结果存在一定差异。综上所述, 结合前人研究资料与文中数据对比分析, 认为峨眉地区及其邻区晚白垩世— 始新世总体应处于干热气候环境, 古新世— 始新世的炎热干旱气候应为晚白垩世炎热干旱气候的延续, 但进入古近纪之后炎热程度较晚白垩世明显降低。
崔晓庄等(2012)、江新胜等(2012)及江卓斐等(2013)对青藏高原东缘和宜宾地区古近纪沙漠沉积的研究表明, 包括四川盆地在内的中国广大中低纬地区古近纪早期盛行西风, 为行星风控制下的干旱带。其中青藏高原东缘古新世处于热带— 亚热带干旱气候区, 而始新世— 渐新世开始出现由干旱气候向干— 湿交替的演变, 说明可能有原始季风的出现。宜宾地区柳嘉组风成沙丘的研究也证实古近纪早期古风向已经开始向东南方向偏转, 可能是东亚季风开始建立的迹象。而文中研究表明, 磁化率在015-3-y采样点之后(图 8中Ⅰ 段开始)出现较大波动, 代表气候开始出现明显的干热— 温湿的变化旋回, 指示东亚季风可能从此时开始对峨眉地区产生影响。
1)四川盆地峨眉地区名山组为古新世— 始新世半咸化湖泊中沉积的一套紫红色岩屑长石砂岩、粉砂岩夹泥岩, 发育水平层理、平行层理、脉状层理、透镜状层理和石膏脉。镜下可见颗粒具有铁质膜, 填隙物中含有大量铁泥质杂基以及方解石、白云石胶结物。
2)常量元素与微量元素比值特征表明峨眉地区古近纪早期总体为炎热干旱气候类型, 期间有多次炎热干旱— 温暖湿润的周期性变化, 且存在气候波动较为剧烈的时段。峨眉地区及其邻区古近纪早期炎热干旱气候应为晚白垩世炎热干旱气候的延续, 但进入古近纪之后干热程度较晚白垩世明显降低, 趋于温湿。
3)峨眉地区名山组下段磁性矿物主要来源于河流携带的产物, 气候的干湿变化是造成磁化率变化的主因, 高值反映了气候趋于湿润, 低值则反映了干旱程度增加。剖面中名山组磁化率出现明显波动的位置, 可能对应了东亚季风开始对研究区产生影响的时期。
致谢 审稿专家对本文进行了认真的审阅并提出了许多宝贵的建议和意见, 在此表示由衷地感谢!
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